Фізико-технологічні основи одержання оптичних волокон, для волоконно-оптичних ліній зв'язку
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ФІЗИЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ
КУРСОВА РОБОТА
на тему:
Фізико-технологічні основи одержання оптичних волокон , для волоконно-оптичних ліній зв’язку
Зміст
Вступ
Розділ 1. Матеріали які використовуються для одержання оптичних волокон
1. Властивості кварцу
2. Очищення силікатного скла
3. Полімерні волокна
Розділ 2. Методи та технологія виробництва оптичних волокон
2.1 Фізичні особливості оптичних волокон
2.2 Технологія виробництва
2.3 Метод осадження з газової фази
Розділ 3. Волоконно-оптичні лінії зв'язку
3.1 Волоконно-оптичний кабель
3.2 Електронні компоненти систем оптичного зв'язку
3.3 Перспективи розвитку оптоволоконної технології
3.4 Переваги та недоліки оптоволоконної технології
Висновки
Список літератури
Вступ
Сучасні телекомунікації важко представити без волоконно-оптичних ліній зв'язку. Щорік по всьому світу прокладаються тисячі кілометрів оптоволокна. Проте серйозну конкуренцію іншим видам дротяного зв'язку воно склало відносно недавно. Стрімке поширення оптоволоконних ліній намітилося останніми роками, не дивлячись на те що їх впровадження почалося майже 20 років тому. Винахід в 1970 році фахівцями компанії Corning, Ink оптоволокна, що дозволило без ретрансляторів продублювати на ту ж відстань систему передачі даних телефонного сигналу по мідному дроту, прийнято вважати переломним моментом в історії розвитку оптоволоконних технологій. Розробникам удалося створити провідник, який здатний зберігати не менше одного відсотка потужності оптичного сигналу на відстані одного кілометра. За нинішніми мірками це досить скромне досягнення, а тоді, без малого 40 років тому, – необхідна умова, для того, щоб розвивати новий вигляд дротяного зв'язку. Складається оптоволокно з центрального провідника світла (серцевини) — скляного волокна, оточеного іншим шаром скла – оболонкою, що володіє меншим показником заломлення, чим серцевина. Поширюючись по серцевині, промені світла не виходять за її межі, відбиваючись від покриваючого шару оболонки. У оптоволокні світловий промінь зазвичай формується напівпровідниковим або діодним лазером. Залежно від розподілу показника заломлення і від величини діаметру сердечника .
Волоконна оптика хоч і є повсюдно використовуваним і популярним засобом забезпечення зв'язку, сама технологія проста і розроблена досить давно. Експеримент із зміною напряму світлового пучка шляхом заломлення був продемонстрований Данієлем Колладоном (Daniel Colladon) і Жаком Бабінеттом (Jacques Babinet) ще в 1840 році. Опісля декілька років Джон Тіндалл (John Tyndall) використовував цей експеримент на своїх прилюдних лекціях в Лондоні, і вже в 1870 році випустив працю, присвячену природі світла. Практичне вживання технології знайшлося лише в ХХ столітті. У 20-х роках минулого століття експериментаторами Кларенсом Хаснеллом (Clarence Hasnell) і Джоном Бердом (John Berd) була продемонстрована можливість передачі зображення через оптичні трубки. Цей принцип використовувався Генріхом Ламмом (Heinrich Lamm) для медичного обстеження пацієнтів. Лише у 1952 році індійський фізик Наріндер Сингх Капані (Narinder Singh Kapany) провів серію власних експериментів, які і привели до винаходу оптоволокна. Фактично їм був створений той самий джгут із скляних ниток, причому оболонка і серцевина були зроблені з волокон з різними показниками заломлення. Оболонка фактично служила дзеркалом, а серцевина була прозорішою – так удалося вирішити проблему швидкого розсіювання. Якщо раніше промінь не доходив та кінця оптичної нитки, і неможливо було використовувати такий засіб передачі на тривалих відстанях, то тепер проблема була вирішена. Наріндер Капані до 1956 року удосконалив технологію. В'язка гнучких скляних прутов передавала зображення практично без втрат і спотворень.
Розділ 1. Матеріали які використовуються для одержання оптичних волокон
1.1 Властивості кварцу
З більшості видів стекол найнижчим поглинанням у видимої області спектру володіє плавлений кварц - за умови високої міри очищення і гомогенності (однорідності по складу). Значні переваги кварцу обумовлені малими внутрішніми втратами на розсіювання. Висока температура плавлення кварцу (1610 З при швидкому нагріві, 1720 З при повільному), з одного боку, вимагає спеціальної технології для виготовлення оптичного волокна, а з іншої - допомагає позбавитися від різних домішок, які випаровуються при нижчих температурах. Стекла, вживані для виготовлення світлопроводів (серцевини і оптичної оболонки), розрізняються показниками заломлення n. У кварц (показник заломлення n = 1,4585 на довжині хвилі 0,589 мкм) додається оксид бору (n = 1,4585 на довжині хвилі 0,589 мкм), що знижує показник заломлення. Інший спосіб знизити показник заломлення плавленого кварцу - додати в нього фтор. На відміну від метастабільного характеру зміни цього показника в чистого боросилікату, зниження його в боросиликатного скла з добавкою фтору - внутрішня властивість атомів фтору в матриці SiO2. Різниця показників заломлення чистого SiO2 і матеріалу з добавкою фтору збільшується лінійно з підвищенням молярної концентрації фтору аж до декількох відсотків. Показник заломлення кварцу зменшується на 0,2% при зміні молярній концентрації фтору на 1%. При цьому оптичні властивості кварцу не погіршуються [ 2 ].
Кварц з добавкою германію, який може бути використаний як матеріал серцевини оптоволокна, має широке вікно прозорості майже до 1,7мкм Більш переважним як легуючий матеріал (як дешевшого) є фосфорний ангідрид Р2О5. При додаванні до плавленого кварцу Р2О5 для утворення бінарного скла внутрішнє поглинання матеріалу і розсіювання майже не збільшуються. Показник заломлення фосфоросилікатного скла збільшується лінійно (в усякому разі, для невеликого вмісту оксиду фосфору) із збільшенням концентрації Р2О5. Початковий приріст показника заломлення при зміні молярної концентрації Р2О5 на 1% складає 0,043%. В'язкість і температурний коефіцієнт лінійного розширення P2O5 і SiO2 розрізняються, і це обмежує кількість фосфорного ангідриду, яка може бути введена в плавлений кварц для виготовлення оптоволокна.
1.2 Очищення силікатного скла
Якість очищення силікатного скла (SiO2), вживаного в даний час в оптичних волокнах з малими втратами, наближається до принципової межі, обумовленої властивостями самого скла [ 5 ]. Цей успіх в результаті виявлення і усунення всіх чинників, що обумовлюють оптичні втрати. Концентрації таких включень, як мідь, залізо і ванадій, були понижені до декількох долею на мільярд часток. Концентрація забруднення водою і гидроксогруппой (ВІН) були зменшені майже до настільки ж низького рівня. Допуски серцевини волокон, що випускаються зараз, на розміри і міру відхилення від кругового перетину менше, ніж один мікрон на багато кілометрів довжини. Бульбашки і дефекти поверхні по суті усунені. Чистота вихідних речовин, вживаних для виготовлення скла, в значній мірі визначає його високу якість по всіх контрольованих параметрах. У випадку з оксидними стеклами, до яких відноситься і кварцеве, основні втрати пов'язані з поглинанням іонами перехідних металів (ванадію, заліза, хрому, міді, кобальту, нікелю, марганцю), а також гідроксильними групами. Отже, в більшості випадків переважно застосовувати кварцеві стекла, оскільки вони володіють рядом переваг. При цьому двоокис кремнію як складова частина може бути отримана з дуже високою мірою чистоти. Необхідні пари підбираються виходячи з експериментальних даних, умов експлуатації і кінцевої вартості виробу.
Деякі найбільш загальні типи стекол і їх композиції представлені в таблиці:
|
Структурна форма |
Структурний модифікатор (легуюча добавка) |
Структурна форма |
Структурний модифікатор (легуюча добавка) |
|
SiO2 |
K2O |
Al2O3 |
CAO |
|
B2O3 |
MGO |
Na2O3 |
PBO |
1.3 Полімерні волокна
Стекла - не єдиний прозорий матеріал у видимої і інфрачервоної області, прозорі і багато полімерів [ 9 ]. Полімери мають наступні переваги: з них легко формувати елементи, у тому числі і волоконні, вони дешевші, при їх виготовленні використовуються менші температури, чим для скла. Проте до недавнього часу оптичні втрати в полімерах були набагато вищі, ніж в склі. Проте втрати в полімерах можуть бути зменшені за рахунок зрушення смуги поглинання, пов'язаною з коливаннями C-H (полімер в основному складається із зв'язків вуглець-водень). Для цього необхідно замінити водень на фтор і із-за збільшення ефективної маси коливальної системи поглинання зрушиться в інфрачервону область, не використовуваною при передачі зображень[ 4 ]. Таким чином, можна отримати маленьке поглинання аж до довжин хвиль 1,3 мкм. Подібна заміна не зв'язана з великими витратами. Стекла і полімери - аморфні матеріали; бувають волокна полікристалічні, їх отримують за допомогою витискування з кристалічного стержня на спеціальній машині - екструдері. Полікристалічні волокна роблять зазвичай невеликої довжини - метри-десятки метрів і, як правило, використовують д передачі потужного лазерного випромінювання.
Пластикове, або полімерне, оптичне волокно, випереджає скловолокно по співвідношенню ціна-продуктивність. Пластикові світлопроводи здатні працювати в температурному режимі - від – 40С до + 85C. Без збитку для оптичних характеристик вони можуть витримувати радіус вигину до 20 мм і не ламаються навіть при радіусі вигину в 1 мм. Така гнучкість дозволяє пластиковому світлопроводу з легкістю досягати важкодоступних місць, проникаючи крізь велику кількість досить крутих перегинів [ 6 ]. Але пластикове волокно має один істотний недолік: порівняно велика дисперсія світлового імпульсу, поданого на вхід. Це обставина і обмежує максимальну довжину прольоту сотнею метрів, що цілком достатньо для передачі зображення на відстань всього декількох метрів.
Розділ 2. Методи та технологія виробництва оптичних волокон
2.1 Фізичні особливості оптичних волокон
