Фізико-технологічні основи одержання оптичних волокон, для волоконно-оптичних ліній зв'язку (стр. 2 из 4)

Розділ 2. Методи та технологія виробництва оптичних волокон

2.1 Фізичні особливості оптичних волокон

Широкосмугова оптичних сигналів, обумовлена надзвичайно високою частотою, що несе оптоволокно . Це означає, що по оптичній лінії зв'язку можна передавати інформацію із швидкістю порядку 1 Терабіт/с.[ 7 ]

Кажучи іншими словами, по одному волокну можна передати одночасно 10 мільйонів телефонних розмов і мільйон відеосигналів. Швидкість передачі даних може бути збільшена за рахунок передачі інформації відразу в двох напрямах, оскільки світлові хвилі можуть поширюватися в одному волокні незалежно один від одного. Крім того, в оптичному волокні можуть поширюватися світлові сигнали двох різних поляризацій, що дозволяє подвоїти пропускну спроможність оптичного каналу зв'язку (рис.2.1).

(рис.2.1) Поширення світла в світловоді

На сьогоднішній день межа по щільності передаваної інформації по оптичному волокну не досягнута. А це означає, що до цих пір при настільки сильній завантаженості нашого Інтернету не знайшлося стільки інформації, яка при одночасної передачі привела б до зменшення швидкості передаваного потоку даних.

Дуже мале (в порівнянні з іншими середовищами) загасання світлового сигналу у волокні. Іншими словами втрата сигналу за рахунок опору матеріалу провідника. Кращі зразки російського волокна мають настільки мале загасання, що дозволяє будувати лінії зв'язку завдовжки до 100 км. без регенерації сигналів. У оптичних лабораторіях США розробляються ще "прозоріші", так звані фтороцирконатні волокна. Лабораторні дослідження показали, що на основі таких волокон можуть бути створені лінії зв'язку з регенераційними ділянками через 4600 км. при швидкості передачі порядка 1 Гбіт/с.

Волокно виготовлене з кварцу, основу якого складає двоокис кремнію, широко поширеного, а тому недорогого матеріалу, на відміну від міді, звідси і порівняно не велика ціна і практично відсутність випадків крадіжки з метою здачі на металобрухт

Оптичні волокна мають діаметр близько 1 – 0,2 мм, тобто дуже компактні і легкі, що робить їх перспективними для використання в авіації, приладобудуванні, в кабельній техніці.[ 8 ]

Скляні волокна - не метал, при будівництві систем зв'язку автоматично досягається гальванічна розв'язка сегментів. Застосовуючи особливо міцний пластик, на кабельних заводах виготовляють підвісні кабелі, що самонесущие, не містять металу і тим самим безпечні в електричному відношенні. Такі кабелі можна вмонтовувати на щоглах існуючих ліній електропередач, як окремо, так і вбудовані у фазовий дріт, економлячи значні засоби на прокладку кабелю через річки і інші перешкоди.

Системи зв'язку на основі оптичних волокон стійкі до електромагнітних перешкод, а передавана по світлопроводах інформація захищена від несанкціонованого доступу. Волоконно-оптичні лінії зв'язку не можна підслухати неруйнівним способом. Всякі дії на волокно можуть бути зареєстровані методом моніторингу (безперервного контролю) цілісності лінії. Теоретично існують способи обійти захист шляхом моніторингу, але витрати на реалізацію цих способів будуть настільки великі, що перевершать вартість перехопленої інформації. Наприклад ви все ж вирішили це зробити. Для виявлення перехоплюваного сигналу вам знадобиться перебудовуваний інтерферометр Майкельсона спеціальної конструкції. Причому, видимість інтерференційної картини може бути ослаблена великою кількістю сигналів, одночасно передаваних по оптичній системі зв'язку. Можна розподілити передавану інформацію по безлічі сигналів або передавати декілька шумових сигналів, погіршуючи цим умови перехоплення інформації. Буде потрібно значний відбір потужності з волокна, аби несанкціоновано прийняти оптичний сигнал, а це втручання легко зареєструвати системами моніторингу.[ 10 ]

Важлива властивість оптичного волокна - довговічність. Час життя волокна, тобто збереження ним своїх властивостей в певних межах, перевищує 25 років, що дозволяє прокласти оптико-волоконный кабель один раз і, в міру необхідності, нарощувати пропускну спроможність каналу шляхом заміни приймачів і передавачів на більш швидкодіючі, без заміни самого кабелю.

2.2 Технологія виробництва

Технології виробництва оптоволокна всього три десятки років. Це якщо вважати від моменту появи перших теоретичних робіт, в яких була показана принципова можливість створення світлопроводів 1 з прийнятним, менше 20 дБ/км, загасанням. Перші зразки, що задовольняють цій вимозі, були створені на початку сімдесятих років. А до того ясність, з чого краще всього робити світлопроводи, повністю відсутня: учені досліджували багатокомпонентні склади скла, пропонували навіть використовувати капіляри з рідиною. Врешті-решт зупинилися на волокні з кварцевого скла.Технологічний процес виготовлення світлопроводів на основі кварцевого скла ділиться на два етапи.

Перший етап - здобуття заготівки, яка є скляним стержнем завдовжки порядка метр і діаметром близько 10-20 мм. Для цього існує декілька способів кожен з них має свої переваги і недоліки.

2.3 Метод осадження з газової фази

Перший спосіб названий "модифікованим методом хімічного осадження з газової фази" (MCVD). Уявіть собі подібність токарного верстата, в якому на місце різця встановлений киснево-водневий пальник [ 9 ]. У верстат затискається скляна трубка і через неї на першому етапі пропускається хлорид кремнію і кисень (насправді склад суміші складніший). У гарячій зоні напроти пальника синтезується оксид кремнію. Утворюються, фігурально виражаючись, пушинки окисли, які дрейфують з гарячої області в холоднішу і прилипають до стінки. Цей процес називається термофорезом, він добре описується і пояснюється кінетичною теорією. Осадження відбувається не в місці нагріву полум'ям, а перед ним - там, куди полум'я ще не дійшло. На поверхні трубки утворюється пористий шар окислу, і, рухаючись далі, пальник його проплавляє - склить. Так виходить шар чистого скла. При наступних проходах через трубку пропускають ще і германій у вигляді хлориду . Таким чином легують матеріал світлопровода, створюючи в нім градієнт коефіцієнта заломлення. Після того, як необхідне число шарів готове, подачу хлоридів вимикають, а температуру полум'я збільшують - в результаті трубка плавиться і схлопується просто під дією сил поверхневого натягнення.

В основному цей метод був розроблений компанією AT&T, яка виробляє більше третини всього об'єму волокна в світі. Як вже було сказано, метод найпростіший. Проте для нього потрібна дуже хороша труба-заготівка без включень, оскільки включення - це центри напруги, з якої може почати зростати тріщина. З цим досить успішно борються шляхом хімічної або вогневої поліровки поверхні трубок [ 1 ].

Інший метод, яким користується фірма "Корнінг", називають ще зовнішнім осадженням (на відміну від першого - внутрішнього): скло осідає на вогнетривкий стержень прямо з полум'я пальника, куди подаються хлориди вихідних речовин. Оскільки осадження відбувається в атмосфері полум'я, в такому матеріалі залишається багато води, що вийшла в результаті окислення водню. Тому, після того, як центральний стержень виймають, доводиться продувати заготівку хлором, який екстрагує воду. І лише після цього заготівка склиться.

У третьому методі, розробленому японськими фірмами, серед яких NTT, "Сумітомо" і ін., реалізована складніша конструкція. Заготівка зростає з приманки, розташованої на певній відстані вище полум'я пальника, що має складну шарову структуру, як в рулету. У середину полум'я подають суміш хлоридів германію і кремнію, потім шар буферного газу, потім лише хлорид кремнію для чистого скла, потім знову буферний газ, і, врешті-решт, на краю пальника, кисень з воднем - те, що, власне кажучи, і горить. Речовина осідає на тільки що створену в цьому ж процесі поверхню. Проте відстань до цієї поверхні має бути строга фіксованим, і заготівка постійно відсовується від полум'я пальника. Таким методом можна створювати заготовки, які вистачає на декілька тисяч кілометрів волокна, а в принципі процес може бути безперервний - у міру виготовлення заготівки з неї ж можна витягувати волокно. На другому етапі кінець заготівки розм'якшують в печі і тягнуть з нього волокно. При витягу не відбувається змішування окремих шарів - при цьому відбувається, виражаючись математичною мовою, перетворення подібності. Тобто, якщо діаметри серцевини і оболонки заготівки відносилися, як один до десяти, то так воно буде і у витягнутому волокні. Витяг світлопроводів проводиться в стільки ж чистих приміщеннях, як і при виробництві мікросхем, аби на їх поверхню не потрапляли порошинки - ті ж самі включення. Після того, як волокно остигне, на нього наноситься захисна плівка полімеру [ 4 ].

Одномодове волокно

При досить малому діаметрі волокна і відповідній довжині хвилі через світлопровід поширюватиметься єдиний промінь. Взагалі сам факт підбору діаметру сердечника під одномодовий режим поширення сигналу говорить про частковість кожного окремого варіанту конструкції світлопровода. Тобто під одномодовістю слід розуміти характеристики волокна відносно конкретної частоти використовуваної хвилі. Поширення лише одного променя дозволяє позбавитися від міжмодової дисперсії, у зв'язку з чим одномодові світлопроводи на порядки производительнее. На даний момент застосовується сердечник із зовнішнім діаметром близько 8 мкм. Як і у випадку з багатомодовими світлопроводами, використовується і ступінчаста, і градієнтна щільність розподілу матеріалу. Другий варіант продуктивніший. Одномодова технологія тонша, дорожча і застосовується в даний час в телекомунікаціях. Оптичне волокно використовується у волоконно-оптичних лініях зв'язки, які перевершують електронні засоби зв'язку тим, що дозволяють без втрат з високою швидкістю транслювати цифрові дані на величезні відстані. Оптоволоконні лінії можуть як утворювати нову мережу, так і служити для об'єднання вже існуючих мереж — ділянок магістралей оптичних волокон, об'єднаних фізично на рівні світлопровода, або логічно — на рівні протоколів передачі даних. Швидкість передачі даних по ВОЛС може вимірюватися сотнями гигабит в секунду. Вже зараз доопрацьовується стандарт, що дозволяє передавати дані із швидкістю 100 Гбіт/с, а стандарт 10 Гбіт Ethernet використовується в сучасних телекомунікаційних структурах вже декілька років.