Din
punctul de vedere al opticii, pentru a obţine informaţii despre un obiect
trebuie îndeplinite cel puţin trei condiţii şi anume: (a) obiectul să fie
luminos, adică să emită lumină direct sau indirect, (b) lumina care provine de
la obiect să fie transmisă către locul unde se face detecţia fără pierderi prea
mari şi (c) cantitatea de lumină care ajunge la locul de detecţie să fie
suficient de mare. Observăm că mediul prin care se transmite informaţia optică
este de importanţă esenţială pentru ca semnalul optic transmis să nu fie
“mutilat” sau distorsionat.
Chiar şi în cazurile când ne
interesează doar simpla observare a obiectelor, dispozitivele şi aparatele
optice clasice sau devin prea complicate sau nu pot rezolva o anumită problemă
de rezolvare. Să luăm doar un singur exemplu: cei care lucrează în domeniul
medical sunt interesaţi să dispună de metode rapide şi sigure de explorare a
anumitor părţi interne sau organe interne ale organismului uman. Metodele
clasice, bazate pe folosirea lămpilor cu incandescenţă, nu numai că sunt
greoaie şi implică iluminări mici, dar prezintă şi riscuri datorită folosirii
conexiunilor electrice. Toate aceste dificultăţi sunt eliminate dacă iluminarea
se face din afară prin intermediul unei fibre optice subţiri.
Însă fibrele optice sunt deja folosite
pe scară largă în tehnica comunicaţiilor sau de transmitere a imaginilor.
Această posibilitate este faciliată de natura electromagnetică a luminii,
frecvenţa undelor luminoase fiind mult mai mare decât cea a undelor radio.
Ântr-un context mai general fibrele optice reprezintă un domeniu al opticii
integrate, iar progresele care vor fi obţinute în cadrul opticii integrate vor
depinde foarte mult de progresele ce se vor realiza în domeniul fibrelor
optice.
Ca domeniu al opticii, care a
apărut exclusiv din necesităţi practice dintre cele mai diverse, fibrele optice
au cunoscut o dezvoltare rapidă după anul 1950 ca rezultat al obţinerii
primelor fibre optice cu performanţe ridicate. Principiul de funcţionare al fibrelor
optice este asemănător, din multe puncte de vedere, cu principiul de
transmitere a luminii printr-o baghetă de sticlă transparentă. Teoretic, lumina
poate fi transmisă printr-o astfel de bachetă de sticlă optică, dacă indicele
de refracţie al sticlei este mai mare decât indicele de refracţiei al aerului.
Din punct de vedere practic însă, neomogenităţile de compoziţie şi de
prelucrare, precum şi impurităţile de pe suprafaţa materialului implică piederi
foarte mari de lumină de-a lungul parcursului luminii. Pe de altă parte, natura
electromagnetică a radiaţiei luminoase arată că pot apărea pierderi de lumină
şi fenomene parazite care limitează drastic posibilităţile de folosire practică
a fibrelor optice.
Indiferent de domeniile în
care se folosesc, fibrele optice sunt ghiduri de lumină folosite pentru
transmiterea informaţiilor cu piederi mici de energie dintr-un loc în alt loc.
Vom analiza transmiterea radiaţiei luminoase prin fibrele optice din punctul de
vedere al opticii geometrice şi din punctul de vedere al opticii ondulatorii.
FIBRA OPTICĂ SIMPLĂ
Prin fibră optică simplă
înţelegem un mediu optic transparent, de mare lungime, cu secţiunea
transversală circular simetrică şi indicele de refracţie constant sau radial
variabil, separat de un alt material cu indicele de refracţie constant şi mai
mic, pentru ca la suprafaţa de separare să se producă reflexia totală a
radiaţiei luminoase, fără pierderi. După mudul de variaţie radială a indicelui
de refracţie al materialului transparent, denumit miezul fibrei optice, distingem mai multe tipuri de fibre optice
reprezentate în figura 8.1. Învelişul fibrei optice are şi rolul de
aproteja de impurităţi suprafaţa de separare dintre miez şi înveliş, la care se
produce fenomenul de reflexie totală. Tehnologia de obţinere a fibrelor optice
este prezentată de Tader şi Spulber (1985).
CONSIDERAŢII DE OPTICĂ GEOMETRICĂ
Propagarea
radiaţiei luminoase prin fibra optică poate fi analizată din punctul de vedere
al opticii geometrice atunci când diametrul miezului fibrei optice este mare
comparativ cu lungimea de undă a radiaţiei luminoase (efectele de difracţie se
neglijează). Dacă diametrul miezului fibrei optice este de acelaşi ordin de
mărime cu lungimea de undă a radiaţiei luminoase, analiza trebuie făcută în cadrul
opticii ondulatorii. În această secţiune vom considera că sunt împlinite
condiţiile de aplicabilitate a opticii geometrice.
În limbajul opticii geometrice, radiaţia luminoasă incidentă la limita de
separare dintre miezul fibrei (cu indicele de refracţie n1 ) şi învelişul protector (cu indicele de
refracţie n2, n1 > n2) va fi reflectată
total şi deci se va propaga fără pierderi de-a lungul fibrei optice, dacă
unghiul de incidenţă θ este mai mare sau egal cu unghiul limită l (0>l), unde unghiul limită este
dat de relaţia
sin l=n2/n1=1/n21 (8.1)
Fie o fibră optică cilindrică cu secţiunea transversală, circulară de
rază R0 şi cu indicele de
refracţie n1=constant,
înconjurată de un mediu protector cu indicele de refracţie n2=constant şi fie SI
o rază de lumină, care intersectează axa de simetrie a fibrei, incidentă pe
suprafaţa plană a fibrei optice, perpendiculară pe axa de simetrie, sub unghiul
de incidenţă i, aşa cum se arată în figura 8.2. După ce suferă refracţia la
suprafaţa plană sub unghiul de refracţie r,
dat de relaţia
r=arc sin (n0/n1 sin i), (8.2)
unde
n0 este indicele de
refracţie al mediului din care lumina pătrunde în fibră, raza de lumină ajunge
la suprafaţa de separare dintre miezul fibrei şi mediul protector sub unghiul
de incidenţă θ dat de relaţia
θ=π/2-r.
(8.3)
Conform
relaţiilor (8.1)- (8.3), condiţia de reflexie totală în punctul I’ este dată de relaţia
sin θ=cos r=(1-sin²r)½=(1-n²0 /n²1 sin²i)½>n2/n1,
(8.4a)
sau
(n1²-n2²)½≡sin imax>sin
i. (8.4b)
Aceasta înseamnă
că orice rază de lumină, incidentă pe suprafaţa plană a fibrei optice sub
unghiul de incidenţă i mai mic decât
unghiul imax, dat
de relaţia (8.4b), va fi trapată în fibra optică (raza trapată). Unghiul de refracţie maxim pentru o rază trapată
este dat de relaţia
sin rmax=
n0 sin imax= (1- n2²)½ . (8.4c)
n1 n1²
Apertura numerică (A.N.) a fibrei optice este
A.N.= n0 sin imax= (n1²-n2²)½
.
Fig 8.3. Distanţa de la axa de simetrie la drumurile succesive
parcurse de rază în interiorul fibrei optice este o mărime constantă, notată cu
dc . De
asemenea şi unghiul de incidenţă θ din
interiorul fibrei rămâne constant, fiind dat de relaţia
cos θ= sin r cosγ= n0 sin i cos γ
n1
unde sin γ= dc/R0. În funcţie de unghiul de incidenţă
la intrare,i, condiţia de trapare a razei de lumină se scrie n0 sin i< A.N. sec γ. Razele incidente care nu intersectează axa de simetrie a fibrei optice
determină o apertură numerică virtuală (A.N.V.) care se poate calcula folosind
relaţia
A.N.V.= n0 sin imax= (n1²-n2²)½
sec γ .
Întrucât nu toate razele de acest fel sunt trapate de fibra optică, chiar
dacă se îndeplineşte condiţia i < imax,
apertura numerică efectivă (A.N.E.) se calculează cu ajutorul relaţiei
(A.N.E.)²= n0²- 2 {[(n0²-n1²+n2²)]½+[n0²-2(n1²-n2²)]arccos[(n1²-n2²)½/n0]}
,
π
pentru obţinerea căreia s-au luat în consideraţie toate razele de lumină,
indiferent dacă intersectează sau nu axa de simetrie, iar fibra optică s-a
considerat perfect cilindrică.
Când suprafaţa plană, a fibrei
opice, prin care intră lumina, este oblică faşă de axa de simetrie, conul
razelor trapate va fi şi el oblic, la ieşirea din fibră, faţă de axa de
simetrie. Reprezentarea schematică a
formei fasciculului incident şi de forma suprafeţei prin care intră lumina,
este dată în figurile 8.4 a, b, c.
Dacă fibra optică este conică, aşa cum se arată schematic în figura 8.5, unghiul de incidenţă al unei raze trapate în interiorul
fibrei se modifică de-a lungul acesteia, raza de lumină putându-se chiar
întoarce la suprafaţa de intrare. Condiţia de trapare a unei raze de lumină
care intersectează axa de simetrie a fibrei conice este dată de relaţia
n0 sin i= n1
sin r= n1R2 sin rx< (n1²-n2²)½
R2 ,
R1 R1
unde R1 este raza suprafeţei de intrare, iar R2 raza
suprafeţei de ieşire ale fibrei conice. Apertura numerică a fibrei optice
conice este mai mică de R1/R2 ori decât apertura numerică
a fibrei optice cilindrice. Obţinerea unei cât mai mari concentraţii spaţiale
de lumină se poate realiza prin conicizarea fibrei optice, însă acest lucru
este acompaniat de creşterea divergenţei unghiulare a fasciculului de lumină.
Putem creşte suprafaţa iluminată de fascicul micşorând unghiul de convergenţă
al conului.
Prin Curbarea fibrei optice
anumite raze de lumină iniţial trapate pot trece în mod radiativ. În practică
razele de curbură sunt mari, încât pierderile radiative sunt neglijabile, ceea
ce asigură un mare avantaj fibrelor optice ca ghiduri de lumină. Curbarea
fibrei optice distruge simetria axială. Efectul curbării se manifestă cel mai
pregnant asupra razelor de lumină din planul de curbură care intersectează axa;
de aceea, pentru început vom lua în consideraţie numai astfel de raze, reprezentarea schematică fiind dată în
figura 8.6. Raza de lumină care intră în fibra optică în punctul I’’ este refractată sub unghiul de
refracţie r, iar unghiul de incidenţă
θ1 în punctul I``, obţinut prin aplicarea teoremei sinusului în
triunghiul I`I``O va fi
sin θ1=Rc-R0 sin
I``I`O=Rc-R0 cos r .
Rc+R0 Rc+Ro
Unghiul de incidenţă pentru următorul punct de incidenţă,
I``, va fi θ2=π-r
2
iar drumul parcurs de raza de lumină între două reflexii succesive va fi
d= I`I``= (Rc+R0)
sin β ,
cos r
Rezultatul obşinut evidenţiază faptul că în cazul
fibrelor optice cu indici de refracţie care diferă foarte puşin unul de altul,
chiar şi micile curbări ale fibrei optice distrug efectul de trapare a razelor
de lumină.
CONSIDERAŢII PE BAZA OPTICII ELECTROMAGNETICE
Multe fenomene care apar la ghidarea
luminii prin fibrele optice nu pot fi abordate în cadrul opticii geometrice;
pentru explicarea lor trebuie folosită optica electromagnetică. Asemănarea
ghidurilor de undă rectangulare, fibrele optice cu secţiunea transversală
circulară pot suporta mai multe moduri. Calitativ, modurile pot fi descrise în
raport de variaţia radială a câmpului cu maxime sau minime pe axa de simetrie
şi cu maxime adiţionale de-a lungul razei miezului. Acestea din urmă se notează
cu litera m. Modurile staţionare sunt
caracterizate de un câmp care scade monoton în afara miezului fibrei optice.
Concomitent cu variaţia radială poate
apărea şi o variaţie azimutală; câmpul poate vira ciclic în apropierea
circumferinţei. Lungimea circumferinţei trebuie să corespundă unui număr întreg
l de cicluri. Dacă lumina este polarizată
liniar (PL), diferitele moduri sunt caracterizate prin notaţii simbolice de
forma PLlm.
Atenuarea fasciculului de lumină în
timpul propagării de-a lungul fibrei optice se datorează în principal
următoarelor cauze:
-reflexiei
la suprafaţa de intrare în fibra optică;
-împrăştierii
şi absorbţiei în materialul fibrei optice;
-reflexiei
totale incomplete la limita de separare miez-strat.
Atenuarea
este mare la începutul fibrei optice după care în fibră se propagă numai
modurile trapate rămase.
Fibra optică simplă are deja multiple
aplicaţii practice. Ea poate fi folosită ca aparatură de dimensiuni mici în
cele mai diverse dispozitive. De asemenea, ea este folosită pentru transportul
energiei radiative în scopuri de încălzire locală a materialelor. De exemplu,
în cuplaj cu o lampă incandescentă de 100W fibra optică simplă s-a folosit
pentru sudarea conexiunilor din dispozitivele electronice.
Când sunt implicate densităţi mari de
energie radiantă, transmisă, ca în cazul cuplării fibrei optice cu un laser de
putere, efectul de solarizare a materialului limiteză domeniul de
aplicabilitate al fibrei optice. De pildă, pentru o densitate de putere de
15kW/cm² o fibră optică obişnuită, lungă de 1,5m, îşi reduce transmitanţa în
timp de 7 min de la 0,53 la 0,25, din cauza solarizării. Folosirea unor
materiale optice cu proprietăţi superioare a permis obţinerea unor fibre optice
în care efectul de solarizare, în condiţiile specificate, determină o reducere
a transmitanţei în timp de o oră de numai 10%.
CABLURI
DIN FIBRE OPTICE
Deşi fibra optică simplă are o mare
flexibilitate, datorită faptului că energia şi cantitatea de informaţie
transmise prin fibră sunt limitate, se folosesc cabluri alcătuite din mai multe
fibre optice simple.
Cablurile de fibre optice sunt de două
feluri:
1.
cabluri necoerente
sau ghiduri de lumină, care se folosesc atunci când semnalul transmis de o
fibră optică simplă a cablului nu este corelat cu semnalele transmise se
celelalte fibre simple ale cablului; în astfel de cabluri nu este importantă
poziţia relativă a diferitelor fibre simple care alcătuiesc cablul;
2.
cabluri coerente,
folosite în special pentru transmiterea imaginilor; la asemenea cabluri poziţia
relativă a diferitelor fibre simple care intră în componenţa acestora este de
importanţă vitală.
CABLURI
NECOERENTE
Funcţia primară a cablurilor necoerente
este de a transmite lumina dintr-un loc în alt loc. Avantajele lor faţă de alte
dispozitive optice care pot îndeplini acelaşi rol sunt flexibilitatea,
eficienţa ridicată, compactitatea şi posibilitatea de modelare a secţiunii
transversale a fasciculului luminos. Flexibilitatea permite ghidarea luminii
după drumuri complicate fără să fie necesară folosirea oglinzilor sau a
prismelor. Eficienţa ridicată poate avea valori mai mari decât unul. Cu
ajutorul cablurilor optice se poate modifica atât forma secţiunii transversale
a unui fascicul luminos cât şi numărul
de fascicule transmise; un singur fascicul de lumină poate fi divizat în mai multe
fascicule de lumină separate, sau mai multe fascicule de lumină pot fi
combinate într-un singur fascicul de lumină.
Structura de aranjare a fibrelor optice
simple într-un cablu poate fi sau hexagonală sau pătratică, aşa cum se arată schematic în figura 8.8. Într-un montaj
hexagonal fibrele optice ocupă o fracţiune egală cu π/2√3=0,9069 din suprafaţa
unui element de reţea (reprezentat punctat în figură), dacă nu se ia în
consideraţie grosimea staratului protector de material, şi ocupă o fracţiune
egală cu o,9069 R0/R1 dacă se consideră şi grosimea
stratului protector, R1 fiind raza secţiunii transversale
corespunzătoare stratului protector. Într-un aranjament pătratic fracţiunea
este de π/4=0,785, ceea ce determină ca transmitanţa acestor cabluri să fie mai
mică decât cea a cablurilor cu aranjament hexagonal de 2/√3=1,115 ori.
Diametrul fibrelor optice de sticlă
folosite pentru alcătuirea cablurilor poate ajunge până la 0,15mm fără ca
flexibilitatea cablului să se reducă prea mult. Dacă se folosesc fibre optice
de material plastic, diametrul maxim poate fi decca 1,5mm. Prin curbarea
(îndoirea) cablurilor, cele mai solicitate sunt fibrele optice exterioare.
Astfel de solicitări duc la micşorarea transmitanţei cablului. În cazul
cablurilor de sticlă transmitanţa se stabilizează la o valoare cu cca 1% sau 2%
mai mică decât cea iniţială după aproximativ 100 de solicitări, pe când la
cablurile din fibre de material plastic transmitanţa continuă să se reducă cu
creşterea numărului de solicitări.
Temperatura până la care se folosesc
cablurile de sticlă depinde de materialul stratului protector şi de materialul
folosit pentru unirea fibrelor şi poate fi de până la 4ooºC, iar temperatura
maximă la care se mai pot folosi cablurile de plastic este impusă de materialul
plastic folosit pentru obţinerea fibrelor.
CABLURI
COERENTE
Deoarece fiecare fibră optică simplă,
componentă a cablului, poate transporta o anumită cantitate de energie,
corespunzătoare unui anumit element de suprafaţă a obiectului, independent şi
fără influenţa fibrelor vecine, cablurile coerente servesc pentru transmiterea
imaginilor dintr-un loc în altul.
Fibra optică este extrasă din furnal pe
un tambur, având însă grija de a poziţiona spirele succesive ale elicoidului
unele lângă altele fără să se suprapună. După ce s-a obţinut lăţimea dorită, se depune un nou strat prin inversarea
sensului de spiralare a fibrei, numărul straturilor depinzând de numărul de
fibre care trebuie sa alcătuiască cablul. După ce s-a realizat numărul dorit de
straturi, fibrele de pe tambur se taie paralel cu axa tamburului. Procedeul nu
permite obţinerea unor fibre mai subţiri de cca 20 μm, motiv pentru care se
procedează la reîncălzirea cablului şi întinderea sa obţinându-se fibre cu
diametre de cca 5 μm.
Datorită grosimii finite a
materialului învelişului protector, o anumită cantitate de energie se pierde.
Împrăştierile din miezul fibrei şi la suprafaţa fibrelor duc de asemenea la
pierderi de energie. Ambele fenomene contribuie la trecerea luminii dintr-o
fibră în alta. În cazul cablurilor nocerente aceasta duce, în cel mai rău caz,
la micşorarea fluxului luminos. În cazul cablurilor coerente însă trecerea
luminii dintr-o fibră în alta este însoşită de micşorarea contrastului din
imaginea finală, motiv pentru care fibrele se acoperă cu un strat metalic protector
sau cu un strat opac de sticlă.
În general, cele două tipuri
de cabluri optice, coerente şi necoerente, prezintă aceleaşi proprietăţi
optice, deşi din anumite puncte de vedere pot apărea deosebiri. De exemplu,
folosirea izolaţiei pentru prevenirea trecerii luminii dintr-o fibră optică în
,alta face ca apertura numerică a cablurilor optice coerente să fie mai mică
din cauza creşterii atenuării razelor de lumină mai înclinate faţă de axă. În
plus, de interes deosebit devine funcţia de propagare efectivă.
Izolaţia dintre fibre nu este
perfectă, încât de aceea, în fibre poate apărea lumină parazită. Când
iluminarea suprafeţei de intrare a cablului se menţine în conul de lumină cu
semiunghiul la vârf i<imax,
lumina parazită se poate datora uneia din următoarele cauze:
·
pătrunderea luminii prin materialul dintre miezul fibrei;
·
abaterea de la reflexia internă totală;
·
împrăştierea luminii în fibră sau la suprafaţa ei;
·
curbarea cablului.
Orice defect constructiv al fibrelor optice poate duce la
distorsionarea imaginilor. Aceste distorsiuni include punctele întunecoase
datorate fibrelor rupte sau sparte şi deformările imaginilor datorate alinierii
incorecte a fibrelor în cablu. De cele mai multe ori abaterile de la alinierea
axială determină o deplasare laterală a imaginii.
APLICAŢII ALE CABLURILOR
Când se folosesc în tehnica
iluminatului, fibrele optice prezintă mai multe avantaje faţă de sistemele
clasice, avantaje care vor fi prezentate în continuare:
a. Fibrele optice permit separarea sursei de lumină de suprafaţa
ce trebuie iluminată, fapt de importanţă
esenţială în special în aparatele optice medicale îintroduse în organism pentru
inspecţia vizuală a diferitelor organe
interne. Metodele clasice de observare bazate pe folosirea lămpii cu
incandescenţă complică mult sistemul optic, nu permit obţinerea unor iluminări
suficiente şi prezintă riscuri din punctul de vedere al conexiunilor electrice.
Toate aceste dificultăţi se înlătură dacă iluminarea se va face cu o fibră
optică subţire.
b. Cablurile optice permit miniaturizarea, o problemă
crucială în aplicaţiile care implică folosirea mai multor surse de lumină.
c. Fibrele optice se pot folosi pentru iluminarea
instrumentelor de măsură şi control. De exemplu, un sistem optic poate
încorpora mai multe instrumente care, din punst de vedere clasic, se iluminează
separat folosind becurile cu incandescenţă. Folosirea unui cablu optic de fibre
optice iluminat de o singură sursă de lumină poate diviza fasciculul de lumină
în mai multe fascicule, fiecare dintre acestea folosindu-se pentru iluminarea
unui instrument.
d. Metoda de cuplare sau decuplare a diferitelor
conexiuni electrice, bazată pe folosirea fibrelor optice, asigură o protecţie
ridicată şi capătă o extindere tot mai mare.
e. Controlul surselor de lumină localizate în locuri greu
accesibile deschide un câmp larg de aplicaţii pentru cablurile optice.
f. Se ştie că sursele de lumină întinse prezintă o
eficienţă mică de iluminare a unor suprafeţe mici, în special când acestea sunt
fantele dreptunghiulare ale aparatelor optice. Folosirea unor cabluri optice a
căror secţiune transversală variază continuu de la forma circulară la forma
alungită prezintă un avantaj potenţial.
g. Fibrele optice pot fi folosite pentru obţinerea unor
corelatori multicanal, fasciculele provenite din diferite locuri putând fi
sumate sub forma unui singur semnal.
Când se folosesc în tehnica
sistemelor de comunicaţii, fibrele optice oferă avantaje multiple faţă de
sistemele clasice. Asfel de aplicaţii trebuie însă să ia în consideraţie nu
numai posibilităţile de distorsionare a semnalelor transmise ci şi
posibilităţile de distrugere în timp a cablurilor de fibre opzice, în special
datorită fragilităţii fibrelor de sticlă. Protecţia cablurilor optice trebuie
asigurată faţă de abraziune şi contaminare, faţă de tensiunea la întindere, şi
faţă de tensiunea datorată îndoirii. Straturile protectoare, folosite pentru
asigurarea condiţiilor impuse de folosirea în condiţii de securitate a
cablurilor optice, pot ocupa o parte importantă din întregul volum al cablului.
Întrucât funcţia unui sistem de comunicaţii este aceea de a transmite
informaţii, asemenea sisteme trebuie apreciate şi comparate în raport cu
capacitatea de informare a unui canal. Din acest punct de vedere, mărimea
capacităţii de informare este legată de micşorarea împrăştierii impulsului,
datorată atât dispersiei de material cât şi dispersiei modale, şi de creşterea
puterii de transmisie sub un raport semnal/zgomot convenabil.
Cât priveşte posibilitatea de
a folosi cablurile optice coerente pentru a transmite imaginile dintr-un loc în
altul, trebuie pornit de la faptul că este imposibil să se aşeze fibra optică
în contact cu obiectul. Procedeul este de a forma imaginea obiectului pe faţa
de intrare a cablului folosind mijloace clasice. Adesea este necesar ca
imaginea formată pe faţa de ieşire a cablului să fie mărită, folosind tot
mijloace clasice. Combinaţia obiectiv-cablu
coerent de fibre optice-ocular este cunoscută sub denumirea de fibroscop.
Fibroscoapele au deja multiple
aplicaţii atât în medicină cât şă în industrie, în special pentru controlul
suprafeţelor interne la care accesul prin mijloace clasice nu este posibil.
Există încă multe aplicaţii
ale fibrelor optice pentru obţinerea imaginilor în mărime naturală, pentru
realizarea tuburilor convertor cu fascicul baleiat sau în fotografia
ultrarapidă. Progresele obţinute până acum în domeniul fibrelor optice şi cele
care vor fi obţinute mai departe deschid calea dezvoltării unui nou domeniu de
vârf al opticii, optica integrată.
FIBRA OPTICĂ
O tehnologie care foloseşte fire (fibre)
de sticlă (sau plastic) pentru transmiterea datelor. Un cablu de fibre optice
constă în mai multe fire de sticlă, din care fiecare este capabil să transmită
mesajele la viteze apropiate de viteza luminii.figura 30.
Fibrele optice au câteva avantaje faşă
de liniile de comunicaţie tradiţionale, din metal:
·
cablurile
de fibră optică au o lăţime de bandă mult mai mare decât cablurile de metal;
asta înseamnă să ele pot purta masi multe date;
·
cablurile
de fibră optică sunt mai puţin susceptibile la interferenţe decât cablurile
metalice;
·
cablurile
de fibră optică sunt mult mai subţiri şi mai uşoare decât firele de metal;
·
datele
pot fi transmise digital (forma naturală a datelor de pe calculatoare) în loc
de a fi transmise analogic.
Principalul dezavantaj al fibrelor
optice este preţul mare al instalării cablurilor. În plus, ele sunt mult mai
fragile decât firele metalice şi sunt mai greu de ramificat.
Fibra optică este o tehnologie în
special pentru reţelele locale (local-are network). Mai mult, companiile
telefonice tradiţionale înlocuiesc gradat liniile telefonice cu cabluri de
fibre optice. În viitor, aproape toate comunicaţiile vor folosi fibre optice.
Fibrele optice sunt cilindri lungi şi flexibili cu diametru
de 10-100μm, prin care razele luminoase se propagă prin reflexii interne totale
multiple pe suprafaţa laterală a fibrei; există şi fibre optice cu gradient ,
caracterizate de faptul că indicele de refracţie este maxim în centrul fibrei
scade treptat spre periferia ei asfel încât reflexia totală a luminii este mai
complicată decât în cazul fibrelor optice simple.Figura 151.
CE SUNT FIBRELE OPTICE?
Fibrele optice sunt fâşii subţiri şi
lungi de sticlă foarte fină cu diametrul părului uman.
Sunt aranjate în snopuri numite cabluri optice şi sunt folosite pentru a
transmite semnale de lumină pentru distanţe lungi.
Dacă te uiţi atent la o singură fibră
optică o să vezi că are următoarele părţi:
·
miezul
– centrul subţire al fibrei pe unde circulă lumina;
·
învelişul-
materialul optic din afară care înconjoară miezul şi reflectă lumină înapoi în
el;
·
mediul protector- înveliş de plastic care protejează fibra de stricăciuni şi umezeală.
Sute sau mii de aceste fibre optice sunt
aranjate în snopuri în cablu optic. Snopurile sunt protejate de învelişul
extern al cablului numit îmbrăcăminte.
Fibrele optice sunt de două feluri:
-
fibre simple- folosite să transmiţi un semnal pe fibră
(folosite la tefoane şi cablu TV);
- fibre multiple - folosite să transmiţi mai multe
semnale pe aceeaşi fibră (folosite la reţelele de calculatoare).
Fibrele simple au miezul foarte subţire (cam 3,5∙10-4 inci sau 9 microni în diametru) şi
transmit lumină laser inflaroşu.
Fibrele multiple au miezul mai
mare (cam 2,5∙10-3 inci sau 62,5 microni în diametru) şi transmit lumină
inflaroşie de la o diodă luminoasă (LED). Unele fibre optice sunt făcute din
plastic. Acestea au un miez mai mare (0,04 inci sau 1 mm diametrul) şi transmit
lumină roşie din LED-uri.
Să
presupunem că vrei să aprinzi o lanternă într-un hol lung şi drept. Pur şi
simplu îndreaptă lanterna spre hol- lumina circulă în linii drepte, deci nu e
nici o problemă. Dar dacă holul are o curbă? Poşi să pui o oglindă în colţ ca
să reflecte lumina. Dar dacă holul ar avea multe curbe? Ai putea să îmbraci
pereţii în oglinzi şi să îndrepţi lumina astfel încât să ricoşeze dintr-un
perete în altul pe hol. Aceasta este exact ce se întâmplă într-o fibră optică.
Diagrama despre reflecţia internă a unei fibre optice
Lumina
într-un cablu cu fibre optice călătoreşte prin miez (holul) ricoşând constant
de înveliş (pereţii cu oglinzi), un principiu numit reflecţie internă totală.
Pentru că învelişul nu absorbă nici un pic de lumină din miez, unda de lumină
poate călători distanţe mari. Oricum, câteva din semnalele luminoase se
degradează în fibră, în principal din cauza impurităţilor din sticlă. Cât de
mult se deteriorează semnalul depinde de puritatea sticlei şi de lungimea de
undă a luminii transmise. Cele mai bune fibre optice nu deteriorează semnalul,
mai puţin de 10%/km la 1550nm.
Pentru a înţelege cum
sunt folosite fibrele optice în sistemele de comunicaţii să ne uităm la un
exemplu dintr-un film din Al II-lea Război Mondial, unde 2 vapoare într-o flotă
trebuie să comunice una cu alta fără semnale radio sau pe mări agitate.
Căpitanul unei nave trimite un mesaj unui marinar pe punte. Marinarul traduce
mesajul în cod MORSE (punte şi linii) şi foloseşte semnal luminos (o lampă
puternică cu acoperitoare) ca să trimită mesajul celeilalte nave. Marinarul de
pe cealaltă navă vede codul MORSE, îl decodează în engleză, şi trimite mesajul
sus la căpitan. Acum, imaginaţi-vă făcând asta când vasele sunt fiecare în
celălalt capăt al oceanului separate de mii de mile şi ai un sistem de
comunicaţii prin fibre optice instalat între cele două nave.
Un sistem de
transmisie prin fibră optică este compus din:
·
transmiţător-
produce şi codează semnalele luminoase;
·
fibra
optică- conduce semnalele luminoase (pe distanţe lungi);
·
regeneratorul
optic- poate fi necesar pentru amplificarea semnalului;
·
receptorul
optic- primeşte şi decodează semnalele luminoase.
TRANSMIŢĂTORUL
Transmiţătorul este ca marinarul de pe puntea vaporului care emite
semnalele. Primeşte şi direcţionează aparat optic pentru a focaliza lumina în
fibră. Lasărele au mai multă putere decât LED-urile, dar variază mai mult cu
schimbările în temperatură şi sunt mai scumpe. Cea mai uzuală lungime de undă a
semnalului luminos este de 850nm, şi 1550nm (inflaroşu şi părţi invizibile ale spectrului).
REGENERATORUL OPTIC
Cum am menţionat mai sus o pierdere a semnalului apare când lumina
este transmisă prin fibră, în special pe distanţe lungi (mai mult de 1km), ca
un cablu subacvatic. Deci, unul sau mai multe regeneratoare trebuie plasate pe
cablu pentru a amplifica semnalul de lumină degradat. Regeneratorul optic
constă din fibre optice cu un înveliş special. Porţiunea înbrăcată este pompată
cu laser. Când semnalul degradat întră în înveliş, energia laserului permite
moleculelor să devină ele înseşi lasere. Moleculele emit apoi un nou semnal
luminos mai puternic cu aceleaşi caracteristici ca semnalul slab primit.
Regeneratorul este un amplificator pentru semnalul de intrare.
RECEPTORUL OPTIC
Receptorul optic este
ca marinarul de pe vapor care primeşte semnalul. El primeşte semnalul luminos de intrare, îl
decodează şi îl trimite ca semnal electric celuilalt utilizator, computer, TV,
sau talafon (căpitanul celeilalte nave).
De ce
sistemele din fibre optice sunt revoluţia telecomunicaţiilor? În comparaţie cu
firul metalic convenţional, fibra optică este:
·
mai ieftin- câteva mile de cablu optic sunt mai ieftine
decât aceeaşi lungime de fir de cupru;
·
mai subţire- fibrele optice pot fi trase în diametre mai
mici decât firul de cupru;
·
capacitate purtătoare mai mare- pentru că fibrele optice
sunt mai subţiri decât firele de cupru, mai multe fibre pot fi adunate într-un
cablu de acelaşi diametru. Aceasta permite mai multe linii telefonice prin
acelaşi cablu sau mai multe canale TV;
·
mai puţină degradare a semnalului- pierderea de semnal pe
fibre optice este mai mică decât pierderea pe firele de cupru;
·
semnale luminoase- spre deosebire de semnalele electrice
din cupru, semnalele electrice din fibră nu interferează cu celelalte fire din
cablu. Aceasta înseamnă o conversaţie telefonică mai bună sau o recepţie TV mai
bună;
·
putere mică- fibrele optice se degradează mai puţin, pot
fi folosite transmiţătoarele mai mici;
·
semnale digitale- fibra opticp este ideală pentru
transmiterea semnalelor digitale (foarte folosite pentru reţelele de
calculatoare);
·
neinflamabil- pentru că nu trece curent electric prin
fibre, nu există riscul de foc;
·
greutate mică- o fibră optică este mai uşoară decât un
cablu de cupru, ocupă mai puţin spaţiu în pământ;
·
flexibile- fibrele optice sunt atât de flexibile, pot
transmite şi primi lumină, sunt folosite în camere digitale flexibile în
următoarele scopuri:
- imagine medicală;
- imagine mecanică;
- instalaţii.
Din cauza acestor avantaje, vezi fibrele
optice în foarte multe industrii, mai ales în telecomunicaţii şi reţele de
calculatoare. De exmplu, dacă ai da telefon din europa în SUA sau invers, şi
semnalul a fost ricoşat de un sistem de comunicaţii, adesea auzi un ecou pe
linie. Oricum, cu fibra optică transatlantică ai o conexiune directă fără
ecouri.
Acum că ştim cum lucrează sistemele de fibre
optice şi de ce sunt ele folosite, cum se fac? Fibrele optice sunt făcute din
sticlă extre de pură. Ne gândim la o fereastră că este transparentă, dar cu cât
geamul este mai gros, cu atât devine mai puţin transparent din cauza
impurităţilor. Oricum impurităţile sticlei într-o fibră sunt mult mai puţine
decât într-un geam de fereastră. Descrierea unei companii despre claritatea
sticlei este următoarea: “Dacă ai fi deasupra unui ocean din fibră de sticlă ai
putea să vezi fundul oceanului”.
Producerea fibrei ptice necesită următorii
paşi:
-
producerea unui cilindru preformat;
-
tragerea fibrelor prin cilindru;
-
testarea fibrei.
Producere mulajului.
Sticla pentru mulaj este făcută dintr-un proces special numit modificarea chimică a vaporilor condensaţi (MCVD). În MCVD este
balonat prin clorură de silicon (Si Cl4), clorură de germaniu (Ge Cl4)
şi/sau alte chimicale. Mixtura precisă care guvernează principiul proprităţii
fizice şi optice (indicele de refracţie, coeficientul de expansiune, punctul de
topire, etc). Vaporii de gaz sunt conduşi într-un tub de silicon sau quarţ,
într-un strung special. Cum se învârte strungul, dai cu torţa în tub, torţa
este mişcată în sus şi în jos în afara tubului.
Căldura extremă a torţei face
două lucruri să se întâmple:
·
siliconul şu germaniul reacţionează cu oxigenul formând dioxid de silicon
şi dioxid de germaniu;
·
dioxidul de silicon şi dioxidul de germaniu se depun în tub fuzionând
împreună ca să formeze sticla.
Strungul se învârte continuu ca să facă un înveliş perfect şi consistent.
Puritatea sticlei este menţinută folosind plastic rezistent la coroziune în
sistemul de injectare a gazului şi prin controlarea precisă a debitului
compoziţiei mixturii. Procesul producerii mulajului este automat şi durează
câteva ore. După acesta se răceşte, este testat pentru calitate.
O dată ce mulajul a fost testat este
instalat într-un turn de tras fibre. Turnul ecologic într-un furnal de grafit
(2200˚C) şi vârful este topit până când substanţa cade, se răceşte şi formează
un fir. Se faqce în continuare un proces tehnologic.
Materiale si tehnologii pentru obtinerea fibrelor optice
Consideratii generale:
In
domeniul fibrelor optice , aflat astazi in plina dezvoltare , eforturile de
cercetare incununata, pana in prezent, de succese notabile sunt indreptate in
doua directii principale, prima fiind gasirea unor materiale cu caracteristici
supoerioare iar a doua –strans legata de prima- punerea la punct a unor
tenologii si instalatii cat mai performante, capabile sa asigure calitatea
dorita, la costuri cat mai accesibile.
Indiferent
de compziti a aleasa , materialul dielectric utilizat pentru obtinerea fibrelor
optice trebuie ssa raspunda urmatoarelor cerinte:
-
sa aiba transparenta
cat mai buna la lungimea de unda a semnalului luminos folosit ;
-
sa posede
stabilitate chimica cat mai buna in timp ;
-
sa fie usor
prelucrabil in toate fazele procesului tehnologic;
Pe baza experientei producatorilor de
fibra optica , materialele cu ce ami larga utilizare se pot grupa in trei
categorii:
-
bioxid de siliciu pur si amestecuri ale acestuia cu alti oxizi in cantitati
mici , denumiti si dupanti ;
-
sticle multi compozite ;
-
materiale palstice.
Daca se are in vedere gradul de
prelucrare a materialelor mentionate mai sus, este evidenta superioritatea
polimerilor, care nu necesita temperaturi de lucru prea inalte.Cu toate ca
utilizarea materialelor plastice nu numai pt invelisul optic, ci si pentru miez
est eun subiect interesant de cercetat si experimentat, caracteristicile optice
net inferioare in raport cu cele ale sticlei le
recomanda numai pentru transmisii la distante mici, unde atenuare a semnalului
optic de-a lungul fibrei are o importanta secundara.
Iata
deci cateva considerente pentru care este
evidenta superioritatea primelor doua tipuri de materiale , si anume sticlele
pe baza de siliciu si cel multicompoziet,care –de altfel- au acelasi componenet
de baza-bioxidul de siliciu. Deosebirile dintre cele doua grupe de materiale apar cel ami pregnant cand se
pune problema alegerii tehnologiei de prelucrare pentru obtinerea fibrei optice
. Desigur, performantele produsului final –fibra- depind in mod direct de
materialul intrebuinatat, dar si de tehnologia de realizare, existand insa si
un sistem de restrictii prin care
materialul conditioneaza tehnoogia car eface posibila prelucrarea sa, astfel
incat sa rezulte fibra optica cu parametrii doriti.
Se
poat eafirma ca, dat fiind evantaiul larg de compozitii pornind de la bioxidul
de siliciu pur, pana la sticlele multicompozite, granita dintre cele doua grupe
de materiale este greu de precizat, compozitiile cele mai utilizate situandu-se
insa la capetele intervalului.
Atat
bioxidul de siliciu pur, cat si sticla multicompozitac au structura amorfa, sunt
antizotrope si si se trag in fire din stare lichida la temperaturi inalte .
Racirea rapida a materialului topit duce la formarea unei sticle stabile si
omogene ,in pofida tranzitiei printr-un domeniu termic in care este posibila
aparitia cu totul nedorita a cristalelor.
Dintre toate tehnologiile care se vor
analiza in continuare depunerea chimica in stare de vapori este cea care
permite obtinerea unei game largi de compozitii chimice, de la bioxidul de
siliciu ppur pana la sticla multicompozita rezultata prin adaugarea in
concentratii considerabile a unor substante de aditivare cu scopul modificarii
sensibile a indicelui de refractie.Data fiind variatia continua si si
oprevizibila a proprietatilor in functie de compozitia chimica, parametrul care
deosebeste net sticla cu continut inalt e SiO2
de cea multicompozita este temperatura de topire si, implicit, de
tragere a fibrei. In timp ce temperatura de topire a sticlei multicompozite se
situeaza in intervalul 800-1200 C , bioxidul de siliciu se topeste la circa
2000C.
In primul caz, temperaturile de lucru
relativ scazute permit utilizarea cuptoarelor traditionale in cadrul metodei cu
dublu creuzet, fiind posibila obtinerea cu usurinta a unor fibre cu apertura
numerica mare dar cu indice de refractie care variaza intr-un domeniu de valori
destul de restrans.
Pe de alta parte, tehnologia depunerii
chimice din faza de vapori utilizata pentru obtinerea fibrelor optice din
sticle cu continut inaltde SiO2 elimina o mare parte a surselor de
impurificarea sticlei, care, in cazul metodei dublului creuzet,sunt in mod
inevitabil mai numeroase, mai
ales in timpul depozitarii si manipularii materiilor prime. Or,tocmai
impuritatile din material determina cresterea nedorita a dispersiei semnalului
optic peste valoarea intrinseca a dispersiei Rayleigh . De asemenea, tehnologia
depunerii chimice din faza de vapori permite obtinerea cu usurinta a profilului
dorit al indicelui de refractie sia unei interfete miez-invelis optime dar
presupune instalatii si aparatura cu un grad mai ridicat de complexitate.
Dezavantajele utilizarii sticlelor cu
continut inalt de bioxid de siliciu se pot rezuma dupa cum urmeaza: in fazele
de depunere de material si de tragerea fibrei vitezele sunt mici, iar procesele
se desfasoara la temperaturi inalte, la care controlul geometriei preformei si
al fibrei este dificil de realizat. Aceste dezavantaje sunt compensateinsa din
plin de calitatea net superioara a fibrelor ptice obtinute prin oricare dintre
cele cateva variante ale tehnoogiei depunerii chimice din faza de vapori.
TEHNOOGII DE OBTINERE A FIBRELOR OPTICE
DIN STICLE MULTICOMPOZITE
Materiale utilizate . Fibrele optice din sticle multicompozite se pot realiza utilizand o gama larga de materiale, cu conditia de a se asigura proprietatile optice necesare si prelucrabilitatea ceruta de procesul de fabricatie. De exemlu, in cazul tehnologiei cu dublu crezuet este necesar ca cele doua materiale sa aiba punctele de topire coborate pentru a reduce fenomenul de coroziune si impurificare pe aceasta cael a sticlei iar valorile vascozitatii sa fie apropiate la temperatura de tragere pentru a simplifica utilajele necesare si pentru ca procesul sa aiba stabilitate.
Un alt aspect care are o influenta
deosebita asupra performantelor fibrei
optice est ecel legat de prezenta impuritatilorin compozitia
materialului de baza. Faptul ca fibrele optice din sticle multicompozite
prezinta valori mai ridicate ale atenuari decat celecu continut inalt de bioxid
de siliciu se datoreaza prezentei in compoziti e a impuritatilor si, in
special, a ionilor metalelor de tranzitie, care determina benzi de absorbtie
considerabile in spectrul vizibil si infrarosu, chiar pentru valori foarte
scazute ale concentratiei.Valuarea atenuarii la diferite lungimi de unda
depinde de concentratia in impuritati, de gradul lor de oxidare si de
compozitia sticlei in care se gasesc.Tabelul de mai jos prezinta cresterea
atenuarii determinata de o marire cu o parte de milion a concentratiei in
impuritati pentru trei tipuri de sticle si lungimea de unda de 850nm a
fasciculului optic.
IMPURITATI |
Absorbtia (dB/km) pentru 1ppm la
850nm
|
||
Na2O-CaO
|
Na2O-B2O3
|
SiO2
|
|
Fe
Cu
Cr
Co
Ni
Mn
K
|
125
600
10
10
260
40
-
|
5
500
25
10
200
11
40
|
130
22
1300
24
27
60
2500
|
Oxidarea
sau reducerea ionilor metalici aflati
sub forma de impuritati in materialul de baza are ca efect micsorarea
atenuarii. Aceste procese pot avea loc in timpul elaborarii sticlei intr-o
atmosfera cu efect oxidant( O) sau reducator (CO2–C
O).
Prezenta
sub forma gruparii (-OH) are de asemenea efecte daunatoare, determinand
cresterea atenuarii.
TEHNICI DE PURIFICARE SI
ANALIZA CHIMICA
Determinarea si inlaturarea prin procese
de rafinare a impuritatilor aflate chiar in cantitati foarte mici in materialul
de baza dar cu influente neorite asupra calitatii au impus punerea la punct ta
unor metode si aparatet sofisticate de analiza si purificare din stare
naturala, dar in acest caz dificultatile inerente acestui proces ar fi aproape
de neinlaturat. Pe de alta parte, unii compusi ai siliciului aflati in starea
gazoasa sau lichida pot fi purificati prin procese de dubla distilare,
precipitare partiala, absorbtie cu ajutorul carbonului activ etc. Duap purificare materiialului de baza,
bioxidul de siliciuse poate obtine prin piroliza din SiH4
, prin reactie in
faza de vapori cu oxigen la temperatura inalta din SiCl4
sau prin hidroliza
urmata de uscaresi calcinare de Si(OC2H5)
4 .Carbonatii si
alti compusi solubili ai siliciului pot fi purificati prin precipitare,
extragere cu ajutorul unui solvent etc. Descompunerea carbonatilor in acizi icu
degajare de bioxid de carbon are loc de regula inn timpul fazeii intermediare
de topire inaintea operatiei de tragere a fibrei.
Pentru a determina concentratia in impuritati a materialului de baza se
utilizeaza metode cum sunt absorbtia atomica, spectrometria de masa,
fluorescenta cu raze X etc.
Dupa faza de purificare rezulta un
amestec de compusi in care concentratia fiecarei substante nedorite nu trebuie
sa depaseasca 10 parti de milion masurate separat.
TEHNOLOGIA CU DUBLU CREUZET DE
FABRICARE A FIBRELOR OPTICE CU INDICE TREAPTA DE REFRACTIE
In prezent metoda cu dublu crezuet este
este utilizata din ce in ce mai putin intrucat fibrele optice multimod din
sticla multicompozita astfel obtinute au paremetrii tehnico-calitativi
inferiori celor ai fibrelor optice pe baza de siliciu cu aplicatii in sistemele
de telecomunicatii la distante mari.Cu toate acestea complexitatea mai redusa a
aparaturii si utilajelor necesare precum si a evantaiului larg de aplicatii
industriale in care transmiterea unor semnale optice la distante mici nu impune
valori reduse ale atenuarii mentin procesul in actualitate.
Materialele cu iondice de refractie diferit pentru miezul si invelisul optic al fibrei se introduc in clee doua creuzete dispuse concentric, unul in interiorul celuilalt, prevazute la partea inferioara cu cate o duza circulara prin care are loc curgerea sticlei, centrele celor doua orificii fiind situate pe axa de tragere a fibrei optice.@. In general, faza de tragere este precedata de prepararea sticlei cu compozitia dorita in alt creuzet la temperatura de 800 C , intr-un cutor obisnuit . In acest creuzet confectionat de obicei din cuart se realizeaza topirea substantelor componente si tratarea topiturii astfel incat materialul rezultat sa aiba compozitie omogena, fara incluziuni si bule de gaz. Eliminarea gazelor din compozitie –etapa de cea mai mare importanta, urmeaza celei celei de reducere a concentratiei de ioni (-OH) realizata prin plasarea sticlei topite intr0un flux de gaz uscat.Cea mai mare parte a apei continute de materialele de baza se poate elimina insa prin mentinerea acestora intr-o incinta la cateva sute de grade timp de cateva zile(uscte). In ciuda celor mai severe masuri de curatenie a incintelor de lucru si de filtrare a atmosferei cu ajutorul unor instalatii sofsticate de climatizare, continutul in impuritati al sticlei topite este usor superior celui al substantelor componente purificate, chiar daca creuzetul est econfectionat din cuart si izolat de mediuul inconjurator .Din topitura sticla se tragein baghete cilindrice , se depoziteaza in containere speciale, urmand sa se constituie “semifabricatul” care va alimenta ulterior dublul creuzet.
Materialele cu iondice de refractie diferit pentru miezul si invelisul optic al fibrei se introduc in clee doua creuzete dispuse concentric, unul in interiorul celuilalt, prevazute la partea inferioara cu cate o duza circulara prin care are loc curgerea sticlei, centrele celor doua orificii fiind situate pe axa de tragere a fibrei optice.@. In general, faza de tragere este precedata de prepararea sticlei cu compozitia dorita in alt creuzet la temperatura de 800 C , intr-un cutor obisnuit . In acest creuzet confectionat de obicei din cuart se realizeaza topirea substantelor componente si tratarea topiturii astfel incat materialul rezultat sa aiba compozitie omogena, fara incluziuni si bule de gaz. Eliminarea gazelor din compozitie –etapa de cea mai mare importanta, urmeaza celei celei de reducere a concentratiei de ioni (-OH) realizata prin plasarea sticlei topite intr0un flux de gaz uscat.Cea mai mare parte a apei continute de materialele de baza se poate elimina insa prin mentinerea acestora intr-o incinta la cateva sute de grade timp de cateva zile(uscte). In ciuda celor mai severe masuri de curatenie a incintelor de lucru si de filtrare a atmosferei cu ajutorul unor instalatii sofsticate de climatizare, continutul in impuritati al sticlei topite este usor superior celui al substantelor componente purificate, chiar daca creuzetul est econfectionat din cuart si izolat de mediuul inconjurator .Din topitura sticla se tragein baghete cilindrice , se depoziteaza in containere speciale, urmand sa se constituie “semifabricatul” care va alimenta ulterior dublul creuzet.
Un alt aspect
important al problemei este legat de amterialul din care se confectionaeza
dublul crezuet. In cele din mai multe cazuri , acesta este platina sau aliajele
ale platiniicare permit temperaturi de lucru pana la 1400C.Pentru a asigura
omogenitatea sticlei se utilizeaza un amestec confectionat din acelasi material.
Totusi, acest material nu este compet inert, ceea ce face ca prin dizolvare
platina sa contamineze sticla.
O alta alternativa
testate a fost sticla cu continut inalt de SiO2 , dar la temperatura de lucru aceasta este corodatarapid de
sticla topits in are apar astfel bula de gaz si neomogenitati. In acest caz, se
recomanda incalzire cu curenti de inalta frecventa, ceea ce face ca sticla sa
ajunga la temperatura de lucru fara a incalzi direct peretii din bioxid de
siciliu ai tubului crezuet. Dar si in aceasta situatie, datorita fenomenului de
convectie , apar neomogenitati in materialul topit . Iata deci unul dintre
considerentele pentru care este avantajoasa utilizarea unor sticle cu punct de
topire mai coborat. NU trebuie neglijat nici faptul ca sticla topita adera la
peretii din bioxid de siliciu ai creuzetului iar acesta se poate sparge in
cursul racirii datorita tensiunilor determinate de diferenta intre coeficientii
de dilatare ai celor doua materiale aflate in contact.
Etapa urmatoare
–tragerea fibrei- ridica unele probleme mai ales in ceea ce priveste mentinerea
dimensiunilor geometrice ale miezului si invelisului optic in cadrul unor
limite riguros stabilite. Astfel, in zona de alimentare din baghete a
materialului topit se formeaza in mod fracvent bule de gaz care datorita
vascozitatii mari a acestuia persista si apar in interiorul fibrei optice.
Acest dezavantaj poate fi eliminat limitand viteza de alimentare la cativa
centrimetri pe minut.
Defecte introduse in
fibra in timpul procesului de tragere pot fi legate de geometrie- abateri de
concentricitate, de circularitate, variatii ale diametrului miezului si, invelisului optic sau ale raportului clor
doua diametre etc- avand drept cauza lipsa de fiabilitate a constructiei
dublului creuzet si/sau bobinarea necorespunzatoarea fibrei la iesirea din
instalatie. Daca operatia de tragere este continua se impune un control
riguros al nivelului topiturii in dublul
creuzet in vederea mentinerii lui constante.
Tehnologia cu dublu creuzet de obtinere a
fibrelor optice cu indice gradat
O alta varianta a tehnologiei cu dublu creuzet
de fabricatie a fibrelor optice permite mentinerea in contact, la temperaturi
inalte, un timp mai indelungat, a materialului miezului cu cel al invelisului
optic, astfel incat sa se produca o difuzie de ioni intre cele doua materiale
.(fig6.4)@
Prin dimensionarea corespunzatoare a dublului
creuzet, procesul de difuzie se desfasoara in mod controlat fiind posibila
obtinerea profilului dorit al indicelui dee refractie, de la o variatie brusca
(salt) pana la o variatie
cvasiparabolica.
CUM SE PROPAGA LUMINA IN FIBRELE DIELECTRICE
Pentru a scapa complet de influenta atmosferei
se pot folosi ghiduri de unda speciale. O mare raspandire au capatat-o
ghidurile de unda sub forma de fibre dielectrice subtiri, legat de care a
aparut o noua directie in optica contemporana-optica fibrelor.
Fasciculul luminos captat in fibra optica este
mentinut in aceasta datorita fenomenului
de reflexie internatotalaa luminiipe suprafata laterala a fibrei. Lumina
“alearga” prin fibra urmarindu-I toate curburile (fig.44a)@ Pentru o mentinere si mai sigura a
luminii in interiorul fibrei se folosesc fibre speciale, cu gradient. In acestea indicele de refractie este
maxim in apropierea axei fibrei si scade treptat spre suprafata fibrei.
Traiectoria fasciculului luminos intr-o fibra cu gradient est earatata in
fig.44 b @
Exista fibre groase (cu diametrul de
ordinul 100um) si fibre subtiri ( cu diametrul
de ordinul a 1um si mai putin). Strict vorbind, traiectoria fasciculului se
poate reprezenta numami in cazul fibrelor groase, cand lungimea de undaa
luminii este mai mica decat diametrul fibrei. In cazul propagarii luminii prin
fibre subtiri , optica geometrica este neputincioasa si trebuie apelat la
reprezentarile ondulatorii. Campul undei luminoase ce se propaga printr-o fibra
subtire umple intregul volum al fibrei si o parte dinn el iese in spatiu
imediat inconjurator.
Principala caracteristica a unei fibre este
valoare pierderilor de radiatie in aceasta raportata la lungimea fibrei.
Pierderile se masoara in decibeli pe
kilometru. Sa consideram o portiune de fibra de un kilometru. Presupunem ca
la inrarea in ea ajunge lumina de intensitate I1, iar la iesire se
inregistreaza intensitatea I2. Pierderile in fibra reprezinta N decibeli,
marimea N determinandu-se din formula:
I1/I2=10 N/
10
Daca de exemplu , pierderile sunt de 10db/km
(N=10), aceasta inseaman ca, la parcurgerea portiunii de un kilometru,
intensitatea luminii scade de 10 ori. Este clar ca dintr-o asemenea fibra nu
trebuie facuta o linie de transmisie.
Progresele in domeniul fibrelor optice sunt
legate de crearea a unor fibre cu pierderi mai mici de 5dB/km. Pentru astfel de
fibre I1/I2=3,16. In prezent exista fibre cu pierderi si mai mici, de exemplu
de 0,2dB/km in gama spectrala 1,2-1,6um; I1/I2= 1,05. Asemenea fibre se
confectioneaza din sticla de cuart dopata cu germaniu sau bor.
IMPORTANTA FIBREI OPTICE
Fibrele cu pierderi mici (mai mici de 1 dB/Km)
sunt folosite pentru linii de comunicatie pe distante pana la cativa kilometri.
Asemenea linii pot constitui, de exemplu o legatura telefonica sigura in
limitele unui oras. Crearea unor astfel
de linii de comuniucatie est ede perspectiva, deoarece un manunchi de fibre optice este cu mult mai subtire decat un cablu telefonic obisnuit
si, in acelasi timp, permite sa se efectueze cu mult mai multe convorbiri
telefonice decat in prezent.
Diverse si foarte importante sunt aplicatiile
liniilor de comunicatie prin fibre optice relativ scurte. Vom da cateva
exemple.
Se
stie ca unul dintre “locurile inguste” ale calculatoarelor electronice actuale
il reprezinta sistemele de comunicare, destinate introducerii si extragerii
informatiei, realizarii comunicarii dintre procesor si memorie, precum si
comunicarii intre mai multe calculatoare. Aceste sisteme de comunicare au o
schema complexa facuta dintr-un mare numar de conductoare, in care se induc
curenti electrici de zgomot, se creeaza paraziti ce nu pot fi inlaturati. Aici
apare o deficienta caracteristica tuturor sistemelor de comunicatieelectrice:
imposibilitatea principala a deculparii
ideale intre primire si receptie (intrare si iesire), sensibilitate la
toate perturbatiile exterioare. De aceea, folosirea unui sistem de comunicare bazat
pe optica fibrelor, in calculatoarele electronice moderne, are bune perspective
si este de mare importanta pentru organizarea legarurii dintre calculatoare
rapide.
Sistemele actuale de comanda a avioanelor sunt saturate de
conductoare. Inlocuirea conductoarelor cu fibre optice permit enu numai
cresterea calitatii unui sistem de comanda, ci si reducerea masei totale a
avionului
Prin liniile de comunicatie cu fibre optice se pot
tansmite nemijlocit imagini in miscare fara a fi nevoie sa se aranjeze cadrele
dupa succesiunea semnalelor. In acest scop se formeaza cabluri din fibre
optice. Iin cablurile folosite concret numarul de fibre poate ajunge sa fie de
ordinul milionului. Principiul transmiterii imaginilor prin cabluri de fibre
optice este destul de simplu. Se poate sune ca fasciculele luminoase,
reflectate sau emise de un element al imaginii tansmise , parcurg intreaga
lungime a cablului si la iesire reconstituie respectivul element din imagine.
Pastrand la iesirea cablului o aceeasi distributie reciproca a fibrelor ca si
la intrarea , se poate reconstitui imaginea existenta la inregistrare. In
particular, se pot lua imagini de obiecte aflate in locuri greu accesibile.
Astfel, medicii pot privi in interiorul organelor interne ale corpului uman
(esofag, stomac,intestine).
1.Orientarea luminii
Atunci cand lumina care provine dintr-o stea indepartata ajunge pe pamant, razele luminoase sunt practic paralele si puterea optica captata de un dispozitiv dat numai variaza practic in functie de distanta.Slabirea puterii prin unitatea de lungime suplimentara parcursa de lumina, de ex.1 km., este nula.
La scurta distanta de sursa sa, propagarea luminii in spatiul liber are un cu totul alt aspect.Cand ea porneste dintr-o sursa punctiforma , in toate directiile, se spune ca ea este divergenta.In ratiunea acestei divergente,puterea captata variaza mult in functie de distanta.Aceasta putere se micsoreaza cand distanta creste, pentru ca intra mai putine raze in dispozitivul de receptare.
Fibra
optica poseda o structura fizica care tinde esential sa suprime divergenta
naturala a luminii,adica sa o inchida intr-un indrumator imprejmuit,pentru ca
slabirea puterii optice in functie de distanta sa fie foarte mica.Astfel pute-
rea captata printr-un dispozitiv de receptare plasat la extremitatea de iesire
a fibrei,va varia foarte putin, in func- tie de lungimea acesteia.
Ramane bineinteles sa facem sa intre in
fibra lumina pro- dusa de o sursa exterioara;sau la fel de bine sa producem
lumina direct in structura de orientare,practic in fibra.
Aceste probleme de producere si de
orientare prin panglici sau prin fibre al luminii sunt tot mai mult rezolvate
Puterea luminoasa scade la jumatate,
parcurgand o dis- tanta de 100m,500m,6km si mai mult dupa caz.Daca s-ar
putea,fara
inconvenient pentru sistemul de realizat sa injumatatim puterea optica in
cursul propagarii orirntate s-ar acoperi distante duble:200m,1000m,12km.
Se ajunge astfel pentru transmiterea de
semnale, sa se acopere distante superioare a 50 km.Se tinde catre 100km si
limita, practic,este in mod sigur superioara.
Se poate evident racorda segmentele
succesive ale unei legaturi la mijlocul repetorilor si acoperi cele mai mari
distante.In plus,si aceasta nu este de un mai mic interes, fibra optica poate
fi curbanta si lumina urca curbura indru- matorului,cu o slaba pierdere.Ceea ce
nu este posibil in ca- zul luminii in spatiu sau ea se propaga in linie
dreapta, de- parte de obiectele foarte masive,e posibil intr-un indruma- tor.
Fibra optica poate fi rulata in
spirale,in elice,in jurul unui cilindru,pentru a constitui o bobina si a
asigura si orientarea luminii.
Se poate face sa intre mai multe lumini
intr-o singura fi- bra,modulate independent unele de altele si sa transmita si-
multan modulatii diferite.Se poate,de ex.,sa se propage 4 lumini intr-un sens
si 4 lumini in alt sens,pe aceeasi fibra, amestecandu-le la intrarea lor si
separandu-le la iesire. Aceasta dispozitie se numeste multiplexitatea luminilor, unilaterala sau bilaterala.Se poate
distribui lumina intr-o fibra optica peste mai multe alte fibre.Se poate comuta
lu- mina intre fibre,cu mare viteza.
Posibilitatile de aplicatie sunt foarte
numeroase si foarte diverse.Cea care pare cea mai importanta, pentru ca
satisfa- ce o nevoie preexistenta considerabila,este cea care priveste
transmisiunea de semnale.
2.Fibra optica actuala
Cu un diametru nominal de 0,125mm fibra optica ofera o enorma
capacitate de transmitere a informatiei.Printr-o fibra de 1mm calitate,aceasta
capacitate este aproape egala cu aceea a unui satelit de telecomunicatie.Intre
toate avan- tajele prezentate de fibre,in comparatie cu alte mijloace, acesta
este de departe cel principal.
Contrar fibrei de
sticla obisnuita,utilizata uneori cu intarire fibra de sticla optica care are
diametrul unui fir de par,nu prezinta o rezistenta mecanica importanta.Ea ar fi
foarte rapid deteriorata de mediul inconjurator,daca n-ar fi protejata de o
imbracaminte etansa si intarite cu cabluri susceptibile care ar rezista la
constrangeri mecanice.
Intr-un cablu se pot
plasa mai multe fibre intr-un nr. oarecare de ex.6 sau 12 si pana la 144.
Sa citam ca ex, de
cablu cu o singura fibra, marina americana:
-diametrul fibrei
optice 0,0125cm
-diametrul cablului cu structura sa de
intarire 0,125cm
-greutatea cablului
2,09kg/km
-sarcina maxima 250
kg
-alungirea maxima
3,5%
Structura de intarire
cuprinde 9840 fibre de sticla S, intr-un sistem de rasina.
Sa citam inca un
micro-cablu cu monofibra de 52km lungime avand:
-o rezistenta maxima
de 53kg
-o greutate in apa
marii de 1,011kg/km
Acest cablu poate fi lansat prin
intermediul unei rache- te.Cu acelasi diametru si aceeasi rezistenta maxima ca
si un cablu metalic coaxial,capacitatea unui cablu optic submarin va fi de
400de ori mai mare.Totusi,cu sectiunea sa dreapta minuscula de 0,0123mm p. si
pentru 1 km.lungime,cu volu- mul de 12,3cm cubi de material sticlos
rafinat,fibra optica de telecomunicatie nu poate transmite puterea utilizabila
la cealalta extremitate ca sursa de energie.Atunci cand intensi- tatea luminii
depaseste un anumit prag,cand energia elec- tromagnetica,pe unitate de
volum,devine foarte ridicata,ma- teria anterior transparenta si
pasiva
nu ignora prezenta foto- nilor.Se produc deci efecte in general nedorite.Fibra
optica nu este o linie de transport de energie.
Asa cum este realizata actual, fibra
optica reprezinta o deschidere spectaculoasa, care ocupa un loc in seria
marilor progrese ale tehnicii in domeniul posibilitatilor.Este plauzi- bil ca
toate aplicatiile posibile sa nu fi fost inca imaginate.
Evolutia mijloacelor de comunicatii
Deceniul Deschiderea tehnica
1900
radioul (Guglielmo
Marconi)
1910
lampa trioda (Lee de
Forest)
1920
T.V-ul
iconoscopic(Vladimir Zworykin)
1930
indrumatorul de unda
(Schelkumoff si Barrow)
1940
radarul (Robert
Watson –Watt)
1950
tranzistorul (John
Bardeen,Walter Brattain,
William
Shockley)
1960
laserul (Townes)
1970
fibra
optica (Kao si Maurer)
1980
optica
non-lineara
3.Putina istorie
Prima propunere
serioasa de orientare a luminii dateaza din 1910,cand Hondros si Petrus Debye
pu- blica un studiu teoretic despre orientarea undelor prin dielectrici in straturi
multiple de materiale tran- sparente.
Alte studii sunt
publicate in anii 1920 si 1930, care nu atrag inca suficient atentia pentru ca
aceasta era deja captivata de orientatrea microundelor care facea radarul
posibil.
Numai in anii 1950
Van Heel,Hopkins si Kanapy proiecteaza “fibroscopul”.
Kanpy este cel care va realiza prima fibra de sticla obtinuta din sticla si o va denumi “fiber optics” .
Avantajele si inconvenientele caracteristice fibrelor optice
a).Avantajele
Fibrele prezinta caracteristici care pot
varia larg in functie de nervi.Este totusi posibil sa furnizeze o masa coerenta
a performantelor lor si calitati dintre cele mai interesante.
Marile debite numerice:
Fibra optica este foarte bine adaptata de transmisia
se semnale numerice.Debitele sistemelor din spatiu sunt esalonate si sunt de
peste ordinul 3 ca marime.Ele au de la cativa M.bit/sec. pana la cativa
G.bit/sec.
Cablurile foarte subtiri:Segmentul de
legatura atinge nu mai putin de 40 km.
Imunitatea la interferenta si bruiajul
electromagnetic:
Fiecare sursa de lumina este inclusa. Nu
exista interferenta.Bruiajul electromagnetic este imposibil atunci. Sunetul,
emisiile radio,impulsul electromagnetic ale puterilor nucle- are sunt fara efect.
O siguranta buna:interceptia prin inductie
sau simplul contact este imposibil.Pentru a intercepta trebuie provocata o
fisura pentru a patrunde lumina si aceasta sa fie descoperita.
O securitate perfecta:nici o
electrocutare,nici un scurtcir- cuit,fara impamantare.
b).Inconvenientele
Fibra optica nu permite transpoprtul de
energie.Tehnicile instalatiilor trebuie sa protejeze ochii:densitatile de
energie optica emisa prin sursa de lumina si eventual prin extremi- tatea
fibrei,sunt suficiente pentru a afecta retina,inainte ca victima sa
observe.Este indispensabila purtarea ochelarilor de protectie infrarosu,pentru
a lucra deasupra unui dispozi- tiv aflat in functiune.
Aplicatiile fibrelor si cablurilor optice:
Ele sunt foarte numeroase si reprezinta
mari posibilitati de dezvoltare.
a)Aplicatiile
in retele nationale si internationale de comunicatii.
Fibrele optice sunt complet adaptate la
transmiterea de semnale de la un punct la celalalt intre centralele de
comunicatie. Ele permit modularea analogica din moment ce ras- punsul lor este
liniar pentru putere. Ele permit, mult mai bine, modularea numerica cu un
impuls de lumina raprezentand simbolul “1”si cu un renel de obscuritate
reprezentand simbolul “0”, de ex.
Debitele foarte ridicate permit
multiplicarea cu un factor cuprins intre 10 si 50 a capacitatii unei retele
instalate, inlocuinduse cablurile metalice cu cele optice.Inlocuirea permite de
asemenea divizarea cu un factor apropiat de nr. 20. Cablurile submarine metalice concureaza deja
cu sateli- tii de comunicatii.Cablurile submarine optice pe principale-le
artere de telecomunicatii intercontinentale, vor deveni complet indispensabile
de sateliti si invers.
Un singur tip de semnal optic permite
transpunerea:tele- fonul,perceptorul de imagini,informatiile date,televizorul.
b)Aplicatiile
in retelele locale
In afara de retelele mari,fibrele optice
permit instalarea eficace de retele locale intr-un mediu perturbat de zgomote-
le eletromagnetice.Astfel, in aglomerarea urbana, printr-o retea de fibre
oblice comutabile la distanta,politia rutiera sa le poata supraveghea pe
video(marile intersectii,podurile).
Fibroscopul
Este un aparat foarte util compus dintr-un fel
de fascicul alcatuit din numeroase fibre in paralel, formand un cordon,
indeajuns de subtirepentru a fi suplu si flexibil. Sectiunile extremitatii sunt
plane si poseda configuratii superpozabile. Fiecare punct al unei sectiuni de
extremitate este reunit cu omologul sau din cealalta extremitate est ereunit cu
omologul sau din cealalta exrtremitate printr-o fibra. Astfel, o iluminare in
negru si alb sau in culoarea unei sectiuni de extremitate este reprodusa exact
pe sectiunea celeilalte extremmitati .
Se poat eechipa sectiunea de iesire cu un
ocular pentru marirea imaginii acomodarii.
Aparatul permite vederea in colturi si
ocolirea obstacolelor.Se utilizeaza fibroscopul pentru examinarea sudurilor, a
tevilor, a camerelor de combustil din interiorul reactorilor avionului in
locurile care, fara acesta, ar fi inaccesibile observatiei.
Fibroscopul se utilizeaza in egala masura si
in medicina. Diametrul mic si flexibilitatea fascicolului de fibre optice nu
permit examinarea esofagului si a tubului digestiv fara interventie
chirurgicala sau radioscopie. Fibroscopul propriu-zis este asociat unei
aparaturi anexe care permite utilizarea cea mai practica (dispozitive de
iluminat, de pozitionare, etc.)
DIFERITE TIPURI DE
FIBRE OPTICE
Orientarea luminii impune o modificare a
vitezei sale in functie de o coordonata tranversa a indrumatorului.
-
Se poate realiza o discontinuitate fizica directa intre inima
cilindrului si teaca de la exterior.
-
Se obtine deci ceea ce se numeste o fibra cu salt de indice (de
refractie)
-
Se poat ede asemenea realiza o variatie progresiva a indicelui
intre centrul inimii si teaca. Se obtine ceea ce se numeste o fibra cu
“gradatie de indice”. Cele doua tipuri de fibre astfel realizate, ofera luminii
diferite modalitati de a se propaga denumite “moduri”, care sunt separate unele
de altele prin difractie.
Fibrele
optice sunt testate pentru următoarele:
·
rezistenţa la
tensiune- trebuie să reziste la 100 000lb/inci² sau mai mult;
·
indicele profilului
de refracţie;
·
geometria fibrei-
diametrul miezului şi al învelişului trebuie sş fie uniforme;
·
atenuare- determinş
degradarea variatelor lungimi de undă pe distanţe mari;
·
capacitatea de
transportare a informaţiilor- numărul de semnale care pot fi transmise în
acelaşi timp;
·
dispersia cromatică-
împrăştierea diferitelor lungimi de undă prin miez;
·
temperatura de
operare/umiditate;
·
dependenţa de
temperatură a atenuării;
·
abilitatea de a
conduce lumina sub apă.
O
dată ce fibrele au trecut controlul de calitate, ele sunt vândute companiilor
de cablu, de telefon şi distribuitorilor de reţea. Multe companii îşi schimbă
reţeaua veche de cupru cu sisteme pe fibră optică pentru a mări viteza,
capacitatea şi claritatea.
FIZICA REFLECŢIEI TOTALE INTERNE
Când lumina trece printr-un mediu cu un
indice de refracţie, m1, în alt mediu cu un indice de refracţie mai
mic, m2, se curbează sau se reflectează în afara unei linii
imaginare pe suprafaţă (linia normală). Cum unghiul razei prim m1
devine mai mare în comparaţie cu normala, linia reflactată în m2 se
coteşte mai departe de linie. La un anumit unghi, unghiul critic, lumina
refractată nu va intra în m2, dar va călători de-alungul suprafeţei
între cele două medii (sin < critic= n2/n1 unde n1
şi n2 sunt indicele de refracţie). Dacă raza prin m1 este
mai mare decât unghiul critic, apoi raza reflectată se va întoarce în m1
(reflecţie internă totală), chiar dacă m2 poate fi transparent. În
fizică, unghiul critic este descris în funcţie de mormală. În fibra optică,
unghiul critic este descris în funcţie de paralela la axă.Concluzie: unghiul
critic la fibra optică este egal cu 90-unhiul critic în fizică.
Într-o fibră optică lumina circulă prin
miez (m1) reflectat constant de înveliş (m2), pentru că
unghiul luminos este mai mare decât unghiul critic. Lumina se reflectă în orice
unghi ar fi fibra.
Oricum o parte din semnalul luminos se
degradează în foarte mare parte din cauza impurităţilor. Măsura în care
semnalul se degradează depinde de puritatea sticlei.
TEHNOLOGIA
DE REALLIZARE CONTINUĂ A PREFORMEI- METODA “VERNEUIL”
Metoda “Verneuil” permite, prin felul în
care are loc depunerea chimică, realizarea în mod continuu a preformei, ceea ce
o deosebeşte faţă de celelalte metode tradiţionale. De fapt, preforma creşte în
direcţie axială în urma depunerii de material pe una din suprafeţele frontale
ale baghetei, printr-un proces de tipul oxidării exterioare din faza de vapori
(figura 6.12.).
Procesul
de creştere are loc prin depunerea de particule fine de oxid colectate pe un
suport (tub sau baghetă) rezultate în urma reacţiilor în fază gazoasă a
compuşilor volatili ai siliciului şi ai elementelor dopante.
Baghetei, pe care are loc depunerea, i
se imprimă o mişcare de rotaţie şi una de avans longitudinal. Prin intermediul
unai duze plasate coaxial cu bagheta suport, se suflă amestecul de tetraclorură
de siliciu şi oxigen sau oxigen plus hidrogen, particule fine de bioxid de
siliciu ce se depun în urma reacţiei ducând la formarea miezului preformei.
Printr-o a doua duză dispusă lateral se introduce un amestec de vapori de
tetraclorură de siliciu, compuşi ai elementelor de dopare şi oxigen sau amestec
de oxigen şi hidrogen, rezultând un număr de straturi de sticlă cu indice de
refracţie mai mic faţă de cel al miezului.
Arzătoarele cu amestec de oxigen şe
hidrogen pot fi înlocuite cu alte surse de căldură- generator de plasmă, laser
sau rezistenţe electrice; în acest caz halogenurile reacţionează direct cu
oxigenul şi se limitează prezenţa apei în masa preformei.
Profilul indicelui de refracţie poate fi
controlat prin poziţia relativă a celor două duze şi prin distribuţia
dopantului în duza dispusă perpendicular pe axa preformei. Dacă se utilizează
un număr mai mare de suflante se poate efectua un control mai fin al
compoziţiei amestecului SiCl4+ dopant+O2 sau SiCl4+dopant+O2+H2.
Preforma este fixată într-un sistem de
alimentare care asigură avansul acesteia în mod controlat în zona în care are
loc încălzirea materialului la o
temperatură de cca 2000˚C, la care este posibilă tragerea. Sursa de căldură
poate fi un cuptor electric cu rezistenţă sau cu inducţie, arzătoare cu amestec
de oxigen şi hidrigen sau un laser cu dioxid de carbon- utilizarea fiecăreia
dintre aceste surse prezentând atât avantaje cât şi dezavantaje. Menţinerea
temperaturii într-un domeniu de variaţie de maximum +1˚ în jurul valorii de
200˚C- condiţie absolut necesară pentru obţinerea unei variaţii acceptabile a
parametrilor geometrici ai fibrei rezultate- se realizează cu ajutorul unui
pirometru optic sau al unui termocuplu, care comandă regulatorul sursei de
căldură. Temperatura la care se încălzeşte materialul trebuie să asigure
înmuierea siliciului până când vâscozitatea acestuia va permite fibrei tragerea
în fibre. Tamburul asigură at tragerea fibrei cu o viteză de 0,5-1.5m/s, cât şi
bobinarea acesteia. Pe traiectul dintre zona de tragere şi tambur se
controlează în mod continuu diametrul fibrei cu ajutorul sistemului optic, iar
dacă este cazul se pot controla şi abaterile de formă ale secţiunii
transversale. Sistemul de reglare primeşte informaţii asupra geometriei fibrei
şi modifică viteza de tragere, astfel încât pe parcursul întregului proces
diametrul fibrei sş nu varieze cu mai mult de 0,1%. Între preformă şi fibră
există o zonă în care materialul are forma tronconică, cu o variaţie continuă a
diametrului şi, ca urmare, în trecerea de la preformă la fibră proporţia dintre
diametrul miezului şi cel al învelişului optic se păstrează. Raportul dintre
diametrul preformei şi cel al fibrei optice rezultate poate ajunge până la
300:1 şi chiar mai mult. Echipamentul de tragere a fibrei mai include şi
unsistem care se trece fibra optică înaintea bobinării în vederea acoperirii cu
unstrat subţire de polimer. Sistemul respectiv are în compunerea sa un
recipient care conţine polimerul în stare lichidă şi o sursp de căldură în
vederea uscării stratului depus pe fibra optică. Acoperirea cu polimer a fibrei
are rolul de a asgura protecţia acesteia împotriva deteriorării suprafeţei
exterioare care ar influenţa în mod negativ caracteristicile optice.
SISTEMUL
DE ÎNCĂLZIRE
Fabricarea pe scară tot mai largă a
fibrelor optice a impus perfecţionarea surselor de căldură pentru temperaturi
înalte, până la 2000˚C şi peste, în vederea procesului de tragere. Câteva
dintre condiţiile impuse acestor surse sunt legate de constanţa temperaturii şi
“curăţenia” incintei pentru a preveni impurificarea materialului în timpul
tragerii. Pentru încălzirea preformei se pot utiliza mult mai multe tipuri de
sursă de căldură: arzătoare cu oxigen şi hidrogen, cuptoare electrice cu
rezistenţă sau cu inducţie, laseri cu CO2.
ARZĂTORUL
CU OXIGEN ŞI HIDROGEN. Dintre toate tipurile de arzătoare, cele cu hidrogen
şi oxigen sunt cele mai economice şi mai uşor de utilizat. Acestea prezintă
însă dezavantajul unei variaţii mai mari a temperaturii, determinată de
instabilitatea flăcării, ceea ce poate produce modificări nepermise ale
diametrului exterior al fibrei optice. Se ştie că variaţiile mari ale
diametrului exterior al fibrei duc la creşterea atenuării semnalului optic, în
special la joncţiunile dintre fibre. De asemenea, prin utilizarea arzătorului
cu hidrogen şi oxigen poate apărea contaminarea nedorită a siciliului cu
gruparea hidroxil. Cu toate acestea, cu ajutorul unei astfel de surse de
căldură s-a reuşit obţinerea de fibre optice cu atenuare de 2dB/km.
CUPTORUL
ELECTRIC CU REZISTENŢĂ.
Cuptorul electric cu rezistenţă oferă atât avantajul simplităţii în construcţie
şi utilizare cât şi posibilitatea unui control mult mai riguros al
temperaturii, stabilitatea ei în timp precum şi o uniformitate bună a zonei
fierbinţi. De asemenea, inerţia termică relativ mică permite un feed-back rapid
şi deci corijarea într-un timp scurt a eventualelor variaţii de temperatură.
Rezistenta
electrica poate fi confectionata cu usurinta din grafit, material care, pe
langa o durabilitate buna la solicitarile induse de socurile termice, confera
si avantajul obtine-rii oricarei geometrii pentru zona de incalzire.
Pentru
a se prelungi viata rezistentei, a carei oxidare ar fi foarte rapida la
temperatura de lucru, in cuptor se introduce un gaz inert- de obicei argon.Prin
modificarea debitului de argon suflat in incinta cuptorului, se poate modifica
diametrul fibrei optice rezultate.
Cuptorul
electric cu inductie elimina
o parte din dezavantajele incalzirii cu rezistenta electrica.In mod uzual,
induc-torul avand forma cilindrica si dimensiuni relativ mici se realizeaza cu
usurinta din grafit, material care ofera o viteza mare de reactie la variatiile
puterii electrice de intrare si, ca urmare, permite controlul automat al
temperaturii.Rezulta-tele bune s-au obtinut si cu ajutorul unui cuptor cu
inductor confectionat din ZrO2.Pe langa riscurile mult reduse de contaminare a
sticlei, acest tip de inductor are si o durabili-tate mai mare.S-a constatat ca
la o grosime a peretelui in-ductorului de 3-5mm si frecventa cuprinsa in
domeniul 1-10MHz se obtine o temperatura de circa 2000°C.
Laserul
cu bioxid de carbon.
Dintre
sursele de caldura mentionate, laserul ofera avantajul unei încalziri “curate” cu
eliminarea completa a riscului de contaminare dar presupune un sistem optic
sofisticat de dirijare a fasciculului de-a lungul axei performei. In fig.6.14 este prezentat schematic
un asemenea sistem optic, in care oglinda 1-montata excentric-se roteste in
jurul unei axe, raza reflectata generand un con. Oglinzile 2, 3 si 4 formeaza
un ansamblu care, in final focalizeaza pe performa intr-o zona cu dimensiuni
relativ mici.
Incalzirea
performei are loc cu viteza mai mica deoarece raza laser este absorbita doar la
suprafata, pe o adancime de aproximativ 20mm.
Transferul de caldura prin conductivita-te la exterior catre miezul performei
se face destul de lent ceea ce impune viteze mai mici de tragere.Puterea
laseru-lui nu poate fi marita peste anumite limite deoarece creste, in
consecinta, si vaporizarea materialului la suprafata preformei.
Sistemul de masurare a diametrului fibrei
optice
Asa
cum s-a mai mentionat, intre calitatile optice si meca-nice ale fibrei si
caracteristicile ei geometrice exista o corelatie foarte stransa, acestea din
urma fiind puternic afectate in cursul procesului de tragere de variatia
parametrilor de lucru. De fapt, dintre caracteristicile geometrice o
importan-ta deosebita au diametrul miezului si cel al invelisului optic precum
si starea suprafetei fibrei.Variatia valorilor celor doua diametre are
influente nedorite asupra propagarii lu-minii in interiorul fibrei, in timp ce
defectele suprafetei exterioare duc la scaderea rzistentei mecanice.
In
ceea ce priveste starea suprafetei exterioare, se stie ca este influentata
direct de temperatura si de viteza de tragere, iar constanta valorilor celor
doua diametre este de-terminata de uniformitatea preformei si a vitezei de
tragere.
In
orice caz, corectarea pe parcursul procesului de tragere a unor eventuale
defecte ce pot aparea din diferite cauze impune masurarea permanenta a
parametrilor geometrici cu ajutorul unui sistem care sa comande parametrii de
lucru in functie de valorile efectiv rezultate in urma masurarii.In mod uzual,
corectiile se aduc prin modificarea corespunzatoare a vitezei tamburului pe
care se bobineaza fibra, deci prin modificarea vitezei de tragere. Daca insa
diferenta intre diametrul dorit si cel efectiv creste se poate modifica viteza
de avans a preformei.
Masurarea
in mod continuu a diametrului exteror al fibrei se poate realiza prin mai multe
metode optice.Metodele mecanice cu palpator se exclud in primul rand intrucat
nu au precizia cerute si pt.ca se recomanda evitarea contactului intre un corp
dur si suprafata ext.a fibrei inainte ca aceasta sa fie trasa in invelisul de
protectie.
Metoda
proiectiei profilului fibre
Una
din metodele cele mai cunoscute de masurare a diametrului exterior al fibrei
optice in cursul procesului de tragere se bazeaza pe proiectarea, dupa o
marime, a profilului fibrei pe un panou compus din fotodiode. Semnalul electric
generat de fotodiode este masurat si comparat cu valoarea corespunzatoare
diametrului optim in vederea aplicarii corectiei necesare.
Metoda
prezinta dezavantajul unei sensibilitati mari,de-plasarea fibrei fata de
focarul lentilelor ansamblului optic ducand la modificarea proiectiei de pe
panoul cu fotodiode.
Metoda interferometrica
Metoda
consta in compararea unei raze de lumina reflecta-te de suprafata laterala a
fibrei optice care se masoara cu o raza emisa de aceeasi sursa, reflectata de o
suprafata de referinta. Suprafata de referinta poate fi plana, curbata sau
cilindrica dar, in toate cazurile, se impune conditia unei finisari riguroase.
Si aceasta
metoda de masurare este sensibila la deplasarea fibrei optice, din care motiv
se recomanda utilizarea unui sistem de ghidare. Metoda interferometrica
prezinta avantajul vizualizarii starii suprafetei fibrei optice, deci a unor
eventuale defecte superioare care, micsoreaza rezistenta mecanica a
acesteia.Daca fibra optica se trece printr-un recipient continand un lichid
transparent, cu indice de re-fractie egal cu cel al invelisului optic, atunci
se poate masu-ra diametrul miezului fibrei.
Metoda
franjelor de interferenta.
Procedeul
se bazeaza pe masurarea franjelor de interfe-renta care se formeaza prin
compunerea unei raze reflectate de fibra optica cu o raza emisa de o aceeasi
sursa de lumina monocromatica, dar care strabatand fibra a suferit un pro-ces
derefractie. Asa cum se poate vedea si din fig.6.16,
dife-renta de drum optic intre cele doua raze de lumina determina formarea
franjelor de interferenta, spatiul existent intre acestea fiind proportional cu
diametrul fibrei.
Diferite
firme specializate in producerea fibrelor optice au pus la punct si alte metode
in general optice de masurare continua, precizia masurarii avand un rol foarte
important in reglarea procesului de fabricatie si,implicit,asupra calita- tii
produsului final rezultat.
Sistemul
de acoperire in vederea protectiei fibre optice
Suprafata
fibrei optice se protejeaza impotriva deteriorarii ce poate aparea ca urmare a
actiunii a unor solicitari me- canice sau a unor agenti corozivi aflati in
mediul de lucru. In ultimii ani a fost pusa la punct o gama de materiale de
protectie cu scopul de a raspunde urmatoarelor conditii:
·
filmul depus trebuie sa aiba grosime uniforma in
sectiune transversala deci sa fie concentric cu fibra optica pt.a prein-
tampina aparitia in momentul solidificarii a unor tensiunii interne care ar
putea duce la curbarea fibrei.
·
invelisul de
protectie trebuie sa aiba rezistenta buna la
abraziunea si stabilitate chimica in timp.
·
coeficientul de
dilatare al substantei utilizate trebuie sa fie cat mai apropiat de cel al
sticlei pt.a preintampina tensiona- rea si ruperea fibrei.
·
in vederea
operatiilor de corectarea fibrelor,materialul respectiv trebuie sa fie usor
dizolvabil cu ajutorul unui anumit solvent.
Alegerea
metodei de aplicare a stratului de protrctie depinde in mare masura de
calitatea dorita pt.acesta si de materialul utilizat. Ceea ce este important
insa oricare ar fi metoda aleasa, este sa nu se introduca tensiuni suplimentare
in fibra optica. Pe plan mondial au fost experimentate mai multe metode de
realizare a acoperii de protectie, dintre cel mai raspandit procedeu consta in
trecerea fibrei printr-un creuzet care contine in stare lichida materialul de
aport.
Acoperirea
este corecta daca se respecta pe parcursul procesului o anumita relatie intre
viteza de deplasare a fibrei si vascozitatea solutiei. Grosimea filmului de
protectie rezultat depinde de diametrul fibrei optice,de cel al duzei si
concentratia polimerului sau a rasinii utilizate in solutia din creuzet. Este
de preferat ca temperatura de lucru,vascozitatea si nivelul lichidului in
creuzet sa fie mentinute constante pe parcursul procesului.Duza flexibila este
confectionata din cauciuc siliconic rezistent la solutiile utilizate in mod
obisnuit in procesul de acoperire. Avantajul acesteia consta in faptul ca
permitand autocentrarea fibrei optice ca urmare a fortelor hidrodinamice
generate de curgerea convergente a rasinii, asigura depunerea unui strat
protector cu grosimea uniforma.
Uscarea
invelisului de protectie a fibrei optice
Operatia
finala a procesului de acoperire de protectie a fibrei este uscarea rasinii
imediat dupa aplicare. In general, aceasta operatie se realizeaza intr-un
cuptor cilindric, in care se mentine in
atmosfera controlata o anumita temperatura care sa permita evaporarea
solventului din rasina sau polimerizarea materialului plastic in timpul scurt
cat fibra trece prin cuptor. Temperatura de lucru nu terbuie sa depaseasca
valoarea de la care are loc fierberea solventului pentru a se preintampina
aparitia bulelor de vapori.
Comentarii
Trimiteți un comentariu