Оптические волокна и особенности их изготовления

Основным элементом ОК является оптическое волокно (световод), выполненное в виде тонкого стеклянного волокна цилиндрической формы, по которому передаются световые сигналы с длинами волны 0, 85...1, 6 мкм, что соответствует диапазону частот (2, 3...1, 2) • 10¹⁴ Гц.

Световод имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления . Сердцевина служит для передачи электромагнитной энергии. Назначение оболочки — создание лучших условий отражения на границе “сердцевина — оболочка” и защита от помех из окружающего пространства.

Сердцевина волокна, как правило, состоит из кварца, а оболочка может быть кварцевая или полимерная. Первое волокно называется кварц—кварц, а второе кварц—полимер (кремнеор-ганический компаунд). Исходя из физико-оптических характеристик предпочтение отдается первому. Кварцевое стекло обладает следующими свойствами: показатель преломления 1, 46, коэффициент теплопроводности 1, 4 Вт/мк, плотность 2203 кг/м³.

Снаружи световода располагается защитное покрытие для предохранения его от механических воздействий и нанесения расцветки. Защитное покрытие обычно изготавливается двухслойным: вначале кремнеорганический компаунд (СИЭЛ), а затем—эпоксидакрылат, фторопласт, нейлон, полиэтилен или лак. Общий диаметр волокна 500...800 мкм (рис. 1).

Рис. 1. Сечение оптического волокна:

1— сердцевина; 2 — оболочка; 3 — защитное покрытие

В существующих конструкциях ОК применяются световоды трех типов: ступенчатые с диаметром сердцевины 50 мкм, градиентные со сложным (параболическим) профилем показателя преломления сердцевины и одномодовые с тонкой сердцевиной (6...8 мкм) (рис. 2).

Рис. 2. Оптические волокна:

а — профиль показателя преломления; б — прохождение луча; 1 — ступенчатые; 2 — градиентные; 3 — одномодовые

По частотно-пропускной способности и дальности передачи лучшими являются одномодовые световоды, а худшими — ступенчатые.

Важнейшая проблема оптической связи — создание оптических волокон (ОВ) с малыми потерями. В качестве исходного материала для изготовления ОВ используется кварцевое стекло , которое является хорошей средой для распространения световой энергии. Однако, как правило, стекло содержит большое количество посторонних примесей, таких как металлы (железо, кобальт, никель, медь) и гидроксильные группы (ОН). Эти примеси приводят к существенному увеличению потерь за счет поглощения и рассеяния света. Для получения ОВ с малыми потерями и затуханием необходимо избавиться от примесей, чтобы было химически чистое стекло.

В настоящее время наиболее распространен метод создания ОВ с малыми потерями путем химического осаждения из газовой фазы.

Получение ОВ путем химического осаждения из газовой фазы выполняется в два этапа: изготовляется двухслойная кварцевая заготовка и из нее вытягивается волокно. Заготовка изготавливается следующим образом (рис. 3).

Рис. 3. Изготовление заготовки методом химического осаждения из газовой фазы:

1—опорная трубка (оболочка ); 2—осажденные продукты (сердцевина ); 3—нагревательная спираль; 4 — газообразный поток кварца

Во внутрь полой кварцевой трубки с показателем преломления длиной 0, 5...2 м и диаметром 16...18 мм подается струя хлорированного кварца и кислорода . В результате химической реакции при высокой температуре (1500...1700° С) на внутренней поверхности трубки слоями осаждается чистый кварц . Таким образом, заполняется вся внутренняя полость трубки, кроме самого центра. Чтобы ликвидировать этот воздушный канал, подается еще более высокая температура (1900° С), за счет которой происходит схлопывание и трубчатая заготовка превращается в сплошную цилиндрическую заготовку. Чистый осажденный кварц затем становится сердечником ОВ с показателем преломления , а сама трубка выполняет роль оболочки с показателем преломления . Вытяжка волокна из заготовки и намотка его на приемный барабан производятся при температуре размягчения стекла (1800...2200° С). Из заготовки длиной в 1 м получается свыше 1 км оптического волокна (рис. 4).

Рис. 4. Вытягивание волокна из заготовки:

1 — заготовка; 2 — печь; 3 — волокно; 4 — приемный барабан

Достоинством данного способа является не только получение ОВ с сердечником из химически чистого кварца, но и возможность создания градиентных волокон с заданным профилем показателя преломления. Это осуществляется: за счет применения легированного кварца с присадкой титана, германия, бора, фосфора или других реагентов. В зависимости от применяемой присадки показатель преломления волокна может изменяться. Так, германий увеличивает, а бор уменьшает показатель преломления. Подбирая рецептуру легированного кварца и соблюдая определенный объем присадки в осаждаемых на внутренней поверхности трубки слоях, можно обеспечить требуемый характер изменения по сечению сердечника волокна.