Производство
Материалы
Оптические волокна из стекла почти всегда изготовлены из кремнезема, но и из некоторых других материалов, таких как фторцирконат, фторалюминат и халькогенидное стекло, а также кристаллических материалов, таких как сапфир. Они используются для длинноволновых, инфракрасных или других специализированных применений. Оксид кремния и фторид обычно имеют показатели преломления около 1,5. Но некоторые материалы, такие как халькогениды, могут иметь индексы выше, чем 3. Как правило, разница между индексом сердцевины и оболочки составляет менее одного процента.
Пластиковые оптические волокна (POF) обычно ступенчато изменяют показатели преломления многомодовых волокон с диаметром сердцевины 0,5 мм или больше. ПОФ, как правило, имеют более высокие коэффициенты затухания, чем стекловолокно, 1 дБ/м или выше, и это высокое затухание ограничивает диапазон систем на ПОФ основе.
Диоксид кремния
Кремний демонстрирует довольно хорошую оптическую передачу в существенном диапазоне длинных волн. В ближней инфракрасной области спектра (ближний ИК) части спектра, в частности, около 1,5 мкм, двуокись кремния может иметь очень небольшое поглощение и рассеивание потерь. Такие несущественные потери возможны только потому, что доступен ультра-чистый кремний. Он имеет существенное значение для производства интегральных схем и дискретных транзисторов. Достигается идеальная прозрачность в области 1,5 мкм за счет поддержания небольшой концентрации групп гидроокислов. В качестве альтернативы, повышенная концентрация идеальна для передачи в области ультрафиолета.
Диоксид кремния может быть втянут в волокно при достаточно высоких температурах, и иметь достаточно широкий диапазон преобразования стекла. Еще одно преимущество заключается в том, что слияние и раскалывание кварцевых волокон является относительно эффективным. Кварцевое волокно также имеет высокую механическую прочность и непосредственный изгиб, учитывая, что волокно не очень толстое и что поверхности тщательнейшим образом подготовлены при непосредственной обработке. Даже простой изом концов волокна может обеспечивать оптимальные плоские поверхности с подходящей по качеству оптикой. Кремний также относительно химически инертный. В частности, он совершенно не впитывает воду.
Кварцевое стекло может быть легировано с различными материалами. Одной из целей легирования является повышение показателя преломления (например, с помощью диоксида германия (ГЭП 2) или оксида алюминия (Al 2O3)) или понижения его (например, с помощью фтора или триоксида бора (B 2O3 )). Легирование также возможно лазерно-активными ионами (например, редкоземельными легированными ионами волоккон), чтобы получить активные волокна, которые будут использоваться, например, в волоконных усилителях или лазере. Сердцевины и оболочки, как правило, легированные, так что весь узел (сердцевины и оболочки) фактически то же самое соединение (например, алюмосиликат, германосиликатные, фосфоросиликатные или боросиликатные стекла).
В частности, для активных волокон, чистый диоксид кремния не очень подходящая основа стекла, так как он обладает низкой растворимостью для редкоземельных ионов. Это приводит к нежелательному эффекту закалки, обусловленному кластеризацией примесных ионов. Алюмосиликаты в этом отношении являются гораздо более эффективными.
Кварцевое волокно также обладает высоким порогом оптического повреждения. Это свойство обеспечивает низкую склонность к лазерно-индуцированному пробою. Это важно для волоконных усилителей, когда они используются для усиления коротких импульсов.
Из-за этих свойств кварцевые волокна являются предпочтительным материалом для многих оптических применений, таких как связь, волоконные лазеры, волоконные усилители и волоконно-оптические датчики (за исключением очень коротких расстояний с пластиковым оптоволокном). Большие усилия, приложенные при разработке различных типов кварцевых волокон, еще больше увеличивают производительность таких волокон по сравнению с другими материалами.
Фтор-стекло
Фтор-стекло представляет собой класс неоксидных стекол оптического качества, состоящих из фторных соединений различных металлов. Так как вязкость низкая, достаточно сложно предотвратиь кристаллизацию в процессе обработки методом стеклования (или протягивания волокна из расплава). Таким образом, несмотря на то, что тяжелый металл фторидных стекол обладает очень низким оптическим затуханием, его не трудно изготовить. Он довольно хрупкий и обладает плохой устойчивостью к воздействию влаги и других экологических воздействий. Его основное преимущество заключается в том, что отсутствует полоса поглощения, связанная с гидроксильной группой, которая присутствует в основе почти всех оксидных стекол.
Примером фторида металла тяжелого стекла является стеклянная группа, состоящая из фторидов циркония, бария, лантана, алюминия, и натрия. Их основное технологическое применение – оптические волноводы в плоской, как и волокна, форме. Они имеют преимущество, особенно в диапазоне средней инфракрасной области спектра.
Первоначально для применения были намечены волоконно-оптические волокна, так как внутренние потери в средних ИК-волокнах в принципе могут быть ниже, чем у кварцевых волокон, которые являются прозрачными только до 2 микрон. Тем не менее, такие низкие потери не были реализованы на практике. Хрупкость и высокая цена волокон фторидного типа делает их менее подходящими кандидатами. Позже была обнаружена польза фторидов волокон для других применений. К ним относятся ИК-спектроскопия, волоконно-оптические датчики, термометрия и визуализация. Кроме того, фторидные волокна могут также применяться для направленной световолновой передачи в средствах массовой информации, такие как (иттрий-алюминиевая граната) лазеры на 2,9 мкм. Также это требуется для медицинского применения (например, офтальмология и лечение зубов).
Фосфатное стекло
Фосфатное стекло представляет собой класс оптических стекол, состоящих из метафосфатов металлов. Вместо тетраэдров, наблюдаемых в стеклах, строительной основой для стеклообразователя является пятиокисидный фосфор, кристаллизующийся в четырех формах. Наиболее известная полиморфная форма состоит из молекул.
Фосфатные стекла могут быть предпочтительными вариантами для оптических волокон с повышенным содержанием легирующих редкоземельных ионов. Сочетание фторида стекла и фосфатного стекла фторфосфата стекла действительно оптимально.
Халькогенидные стекла
Элементов-халькогенов в группе 16. Все они из периодической таблицы Менделеева. Начиная с серы (S), селена (Se) и теллура (Те) и заканчивая более электро положительными элементами, такими как серебро. В результате формируются халькогениды. Это чрезвычайно универсальные соединения, потому что они могут быть кристаллическими или аморфными, металлическими или полупроводниковыми, проводниками ионов или электронов. Стекло, содержащие халькогениды, может использоваться для изготовления волокон для дальней инфракрасной передачи.
Преформа
Стандартные оптические волокна делаются построением брикета большого диаметра с тщательно контролируемым показателем преломления. Затем заготовки вытягиваются, чтобы сформировать длинные, тонкие оптические волокна. Заготовка обычно производится тремя химическими методами осаждения паровой фазы: внутренним осаждением паровой фазы, внешним осаждением паровой фазы, и паро-осевым осаждением.
Внутреннее осаждение паровой фазы. Заготовка создается в виде полой стеклянной трубки с диаметром 35 сантиметров, расположенной горизонтально и медленно вращающейся на станке. Газы, такие как тетрахлорид кремния или германий четыреххлористый, впрыскиваются вместе с кислородом на конце данной трубки. Затем они нагреваются внешней водородной горелкой, в результате чего температура газа повышается до 1600° . Тетрахлориды вступают в реакцию с кислородом с получением частиц диоксида кремния или германия (диоксида германия). Если условия реакции выбираются так, чтобы позволить этой реакции происходить в газовой фазе на протяжении всего объема трубки, в отличие от предыдущих методов, где реакция протекает только на поверхности стекла, эта техника называется модифицированным химическим осаждением из паровой фазы.
Частицы оксида затем агломерируются с образованием крупных цепочек частиц, которые впоследствии откладываются на стенках трубки, как сажа. Осаждение происходит из-за большой разницы в температуре между сердцевиной газа и стенкой, побуждающей газ толкать частицы наружу. Горелка затем перемещается вверх и вниз по длине трубки для равномерного осаждения материала. После того, как факел достиг конца трубки, она затем возвращается к началу трубки и осажденные частицы затем плавятся с образованием твердого слоя. Этот процесс повторяется до тех пор, пока достаточное количество материала, не будет депонировано. Каждый слой композиции может быть модифицирован путем изменения состава газа, в результате чего гарантирован точный контроль оптических свойств готового волокна.
В наружном осаждении из паровой фазы или паро-осевом осаждении, формируется стекло путем гидролиза в пламени. Это реакция, при которой тетрахлорид кремния и тетрахлорид германия окислены в результате реакции с водой, на кислородно-водородном пламени. В наружном осаждения из паровой фазы стекло наносится на твердый стержень, который удаляется перед дальнейшей обработкой. В парах осевого осаждения, используется короткий семенной стержень, и пористая заготовка, длина которой не ограничена размером исходного стержня. Она строится на его конце. Пористая заготовка закрепляется в прозрачной, твердой заготовке путем нагрева до температуры приблизительно 1500 градусов.
Типичное волокно связи использует круглую заготовку. В некоторых случаях, таких как двойная оболочка волокон, предпочтительна другая форма. В волоконных лазерах на основе волокна с двойной оболочкой, асимметричная форма улучшает коэффициент заполнения для лазерной накачки.
Из-за поверхностного натяжения, форма сглаживается в процессе рисования, а форма полученного волокна не воспроизводит острые края заготовки. Тем не менее, тщательная полировка заготовки имеет важное значение, так как любые дефекты поверхности заготовки влияют на оптические и механические свойства полученного волокна. В частности, если заготовка для тест-волокна, не была хорошо отполирована, трещины будут видны с помощью конфокального оптического микроскопа.
Рисование
Заготовку, однако строят, помещая в устройство, известное как чертежная башня, где кончик заготовки нагревается, и оптическое волокно вытягивается в виде строки. Измеряя полученную ширину волокна, можно регулировать натяжение волокна, чтобы поддерживать толщину волокна.
Покрытия
Свет направляется вниз к сердцевине световода с помощью оптической оболочки с более низким показателем преломления, которая улавливает свет в активной зоне за счет полного внутреннего отражения.
Оболочка покрыта буфером, который защищает ее от влаги и механических повреждений. Эти покрытия УФ-отвержденные, уретанакрилат-композитные или полиамидные материалы, применяемые со внешней стороны волокна во время процесса вытягивания. Покрытия защищают очень тонкие нити из стекловолокна, толщина которых сравнима с человеческим волосом. Они позволяют им пережить все тяготы производства, контрольных испытаний, прокладку оборудования.
Сегодня используются двухслойные покрытия. Внутреннее первичное покрытие предназначено для того, чтобы действовать в качестве амортизатора, чтобы минимизировать ослабление, вызванное микроизгибами. Внешнее вторичное покрытие защищает первичное покрытие от механических повреждений и действует в качестве барьера для боковых сил. Иногда добавлен металлический слой брони для того, чтобы обеспечить дополнительную защиту.
Эти слои волоконно-оптического покрытия применяются во время производства. волокна. Волоконно-оптические покрытия наносятся с помощью одного из двух существующих способов: мокрого по сухому и мокрого по мокрому. В мокром по сухому, волокно проходит первичное нанесение покрытия, которое затем отверждают. Затем производится вторичное нанесение покрытия, которое затем также отверждается. При другом быстром способе, волокно проходит оба первичное и вторичное нанесение покрытий, а затем происходит УФ-отверждение.
Волоконно-оптические покрытия наносятся в виде концентрических слоев, чтобы предотвратить повреждение волокон во время нанесения рисунка и максимально увеличить прочность волокна и сопротивление. Неравномерно покрытое волокно будут испытывать неоднородные силы, когда покрытие расширяется или сжимается, и будет подвержено большему ослаблению сигнала. При соответствующих процессах рисования и покрытия, покрытия наносятся концентрическим способом вокруг волокна. Они непрерывны по длине и имеют постоянную толщину.
Волоконно-оптические покрытия защищают стекловолокна от царапин, которые могут привести к ухудшению прочности. Сочетание влаги и царапин ускоряет старение и способствует ухудшению прочности волокна. Когда волокно подвергается низким напряжениям в течение длительного периода, может наступить усталость волокна. С течением времени или в экстремальных условиях, эти факторы в совокупности вызывают микроскопические дефекты в стекловолокнах, которые в конечном итоге могут привести к повреждению волокон.
Существует три ключевые характеристики волоконно-оптических волноводов. На них могут влиять условия окружающей среды: сила, затухание и сопротивление потерям, вызванное микроизгибами. Внешние покрытия защиты стекла оптического волокна могут повлиять на долговечность и производительность долгосрочного волокна. На внутренней стороне покрытия обеспечивается надежность сигнала. Они переносятся и помогают свести к минимуму затухание из-за микроизгибов.