Применение световода

 

Специальные волокна [3]

 

Активное  волокно

Волокно, способное  усиливать или генерировать сигнал определенной частоты. Это достигается  введением в кварцевое волокно  редкоземельных металлов в зависимости  от требуемой частоты усиления. Так, иттербиевые (Yb) примеси дают усиление на длинах волн 1,06 - 1,3 мкм, а эрбиевые (Er) на длине волны 1,5 мкм. Длина волны усиления определяется физическими параметрами материала легирующей примеси (шириной энергетического перехода возбуждённых электронов с одной орбиты атома примеси на другую, с одновременным излучением фотона).

 

Пассивное волокно

Волокно, не обладающее свойствами усиления используется для  удалённого соединения активных и пассивных  волоконно-оптических компонент между  собой. [3]

 

ПРИМЕНЕНИЕ СВЕТОВОДОВ

 

Световоды в настоящее время нашли самое большое применение в различных областях нашей жизни.

 Прежде всего, это основа оптических кабелей и волоконно-оптических линий связи.

Области применения оптических кабелей  с учетом их достоинств перечислены на рис.1.

Рис.1 Свойства и области использования ВОЛС

 

Для систем связи существенными  являются показатели 1—5, для автоматизированных систем управления и ЭВМ—показатели 1, 2, 3. Мобильные подвижные системы  требуют выполнения в первую очередь показателей 1, 2, 6.

Область возможных применений ВОЛС весьма широка — от линии городской  и сельской связи и бортовых комплексов (самолеты, ракеты, корабли) до систем связи  на большие расстояния с высокой информационной емкостью. На основе оптической волоконной связи могут быть созданы принципиально новые системы передачи информации. На базе ВОЛС развивается единая интегральная сеть многоцелевого назначения. Весьма перспективно применение оптических систем в кабельном телевидении, которое обеспечивает высокое качество изображения и существенно расширяет возможности информационного обслуживания абонентов. [4]

Волоконно-оптические кабели.

Достоинства оптических кабелей [4]

Наряду с  экономией цветных металлов, и  в первую очередь меди, оптические кабели обладают следующими достоинствами:

• широкополосность, возможность передачи большого потока информации (несколько тысяч каналов);
• малые потери и соответственно большие длины трансляционных участков (30...70 и 100 км);
• малые габаритные размеры и масса (в 10 раз меньше, чем электрических кабелей);
• высокая защищенность от внешних воздействий и переходных помех;
• надежная техника безопасности (отсутствие искрения и короткого замыкания).

К недостаткам  оптических кабелей можно отнести:

• подверженность волоконных световодов радиации, за счет которой появляются пятна затемнения и возрастает затухание;
• водородная коррозия стекла, приводящая к микротрещинам световода и ухудшению его свойств. [4]

Кроме этого  следует помнить, что   незащищенный световод (световолокно)  очень чувствителен  к водяному пару.

Волоконно-оптические кабеля состоят из:

• центрального силового элемента (ЦСЭ);
• оптических модулей (полимерные трубки с размещёнными в них оптическими волокнами);
• силовых элементов;
• брони;
• защитных оболочек;
• внешней оболочки кабеля. [1]

Сердечник кабеля

Для повышения  механической прочности волоконно-оптических кабелей, оптические модули этого кабеля свиваются вокруг центрального силового элемента, являющегося сердцевиной  кабеля. При этом центральный силовой  элемент может служить как опорой для защиты от продольного изгиба, так и для защиты от нагрузок на растяжение. Благодаря скрутке световоды в оптических модулях имеют определённое пространство, в пределах которого нагрузки на растяжение, изгиб, сжатие, не выходящее за определённые рамки, не оказывают влияния на передаточные характеристики. Наряду с оптическими модулями вокруг силового элемента могут навиваться наполнители, т. е. модули без световодов или чисто полиэтиленовые элементы, а также медные жилы в виде витых пар или четвёрок. Совокупность этих скручиваемых элементов и силовых элементов, а также скрепляющей ленты или оболочки вокруг них, если таковая имеется, называется сердечником кабеля. [1]

 

Скрутка

В волоконно-оптической кабельной технике в основном применяется скрутка слоями (повивами). При этом скручиваемые элементы располагаются концентрически вокруг центрального силового элемента. Если скручиваются отдельные элементы (оптические модули, медные жилы, наполнители), то в этом случае говорят о кабеле повивной скрутки. Если же сердечник кабеля свивается из модулей состоящих из скрученных элементов (жгутов), то такой кабель называется модульным кабелем или кабелем жгутовой скрутки. Существуют два типа скрутки: спиральная скрутка и SZ-скрутка (скрутка с чередованием направления скрутки). [1]

 

Заполнение  сердечника

Для обеспечения  водонепроницаемости волоконно-оптического  кабеля по его длине при попадании  воды, свободное пространство между  элементами сердечника заполняется  специальным гидрофобным компаундом под высоким давлением. При этом компаунд должен иметь состав не оказывающий вредного влияния на характеристики элементов кабеля и иметь малый коэффициент линейного расширения. [1]

 

 

 

Оболочка кабеля

Оболочка кабеля должна защищать сердечник волоконно-оптического  кабеля снаружи от механических, тепловых, химических, световых воздействий, а также от влаги. Наиболее часто используют полиэтилен. Для кабелей предназначенных для внутренней прокладки, в качестве материала оболочки используют перфторэтилен-пропилен, перфторалкокси-сополимер, сополимер этилена и винилацетата. Если для кабелей с наполнителем сердечника требуется диэлектрическая оболочка, не содержащая металл, то между оболочкой кабеля и упрочняющими волокнами помещается предохранительный слой пластика из полиамидного расплавленного связующего вещества. Он предотвращает попадание компаунда из сердечника кабеля в его оболочку. Основные типы оболочек кабеля: полиэтиленовые, поливинилхлоридные, оболочки из фтористых пластмасс, оболочки из материалов не содержащие галогенов. [1]

 

Защитная  оболочка

Для кабелей наружной прокладки  и специальных кабелей требуются  полиэтиленовые или поливинилхлоридные защитные покрытия, а для особых случаев — покрытие из полиамида. Они защищают броню, нанесённую поверх оболочки кабеля, от коррозии и от внешних повреждений, например при непосредственной прокладке кабеля в грунт или протягивании по кабельной канализации. [1]

 

Броня

Для защиты сердечника волоконно-оптического  кабеля и его оболочки в особых случаях, как например, для прокладки  под водой или в шахтах, для кабелей с защитой от грызунов, для самонесущих кабелей или для случаев, когда требуются очень высокие величины механических нагрузок на растяжение и/или сжатие, применяется дополнительная броня. Броня может быть выполнена из волокон арамида (кевлара), стальных лент, стальной проволоки, гофрированной стальной ленты и пр. [1]

 

 

 волоконно-оптический  кабель для прокладки в                                               волоконно-оптический кабель  для внешней

                              грунте                                                                                                                   прокладки                                                                                    

 

Типы  конструкции кабелей

Конструкции волоконно-оптических кабелей классифицируются в соответствии с определёнными характеристиками на следующие типы:

• кабели наружной прокладки;                            
• кабели внутренней прокладки;
• специальные кабели. [1]

Типичные  температурные диапазоны для волоконно-оптических кабелей: [1]

• Температура транспортировки и хранения от -25°С до +70°С
• Температура монтажа от -5°С до +50°С
• Температура при эксплуатации от -20°С до +60°С

Стандартная длина  поставляемых волоконно-оптических кабелей  для наружной прокладки от 2000 метров до 6000 метров.

Необходимо, конечно, принимать  меры защиты в тех случаях, когда  несколько световодов объединяются в одном кабеле, который в дальнейшем будет изгибаться и скручиваться. Это случается при намотке  на барабан и при укладке. Конструкция кабеля должна быть такой, чтобы устранить механические перегрузки световода. Но опасно не только разрушение волокна, но и микроизгибы. Они возникают, когда светопроводящие волокна лежат на шероховатой поверхности при наличии растягивающей силы, и могут вызывать дополнительные световые потери. Это явление можно наблюдать в демонстрационном опыте, когда к светопроводящему волокну, туго, виток к витку намотанному на барабан, подводится видимый свет, например от He—Ne лазера. Весь барабан при этом излучает яркий красный свет, что указывает на световые потери, вызванные микро изгибами. Чтобы уменьшить механические нагрузки на волокна, был опробован ряд решений. Отдельные проводники свободно укладываются в поперечном сечении кабеля; в процессе изготовления кабеля следят за тем, чтобы волокна были несколько длиннее, чем кабель. При этом световоды лежат свободно в тонких гибких трубках или на них накладывается пористая изоляция. Слабым местом является оболочка волокон со ступенчатым показателем преломления. Ее показатель преломления, который лишь ненамного меньше показателя преломления сердечника, может в неблагоприятных случаях увеличиться при низких температурах, что вызовет нарушение условия полного внутреннего отражения и соответственно появятся дополнительные потери на излучение.

Определение количества волокон  в кабеле зависит от сферы применения будущего изделия. Внутри жгута волокна  могут располагаться свободно относительно друг друга (за исключением концов жгута) - в таком случае жгут называется весьма гибким.

Для изготовления жгутов удобны волокна диаметром 50 микрон. Такие  волокна достаточно прочны; укладка  таких волокон относительно несложна. Более тонкие волокна ломаются при  регулярной укладке.

Входные и выходные торцы уложенного жгута спекаются и полируются таким образом, что бы они были строго параллельны между собой и параллельны любому сечению распрямленного жгута. Жгут свободных гибких волокон может иметь торцы различной конфигурации. Конфигурация одного торца жгута может быть преобразована в любую другую на другом конце (можно преобразовать круг в линию и наоборот).

Если жгут не предназначен для передачи идентичного изображения, то целесообразно применять жгут с произвольной укладкой волокон из-за их значительно меньшей стоимости. При необходимости входной торец жгута может быть отшлифован по форме неплоской поверхности, изображение которой желаем передать. Противоположный конец жгута можно при этом оставить плоским.

В тех случаях, когда внешний рассеянный свет (“шум”) вреден, можно применять поглощающие  красители, веденные в оболочку волокон. Естественно, что ведение светопоглощающего  красителя ухудшает светопропускание световода.

Порядок укладки  волокон в кабеле  может быть различным: гексагональная укладка, квадратная укладка, ромбическая укладка, укладка  волокон в ряд, либо несколько  рядов. Порядок укладки  волокон (световодов) в кабеле  на входе  и выходе может не совпадать. При получении изображения наблюдаемого предмета порядок укладки определяется требуемой разрешающей способностью прибора. Максимальному разрешению соответствует максимальная плотность укладки волокон в кабеле.

 Сегодня,  как никогда ранее, волоконная оптика стремительно развивается сразу по нескольким направлениям:

• многоканальные системы передачи информации;
• кабельное телевидение;
• локальные вычислительные сети;
• датчики и системы сбора обработки и передачи информации;
• связь и телемеханика на высоковольтных линиях;
• оборудование и монтаж мобильных объектов.

Оптическое  волокно (световоды) используется в качестве датчиков для измерения напряжения, температуры, давления, влажности и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии, дает оптоволоконным датчикам преимущество перед традиционными электрическими во многих областях. [3]

Оптическое  волокно используется при изготовлении гидрофонов в сейсмических и гидролокационных приборах. Системы с волоконнооптическими датчиками широко используются в нефтедобывающей промышленности . Для неё разработаны оптоволоконные датчики измеряющие температуру и давление непосредственно в нефтяных скважинах. Оптоволоконные датчики хорошо приспособлены для выполнения таких задач, так как работают при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков (Оптоволоконное измерение температуры). [3]

Другое применение оптоволокна — в качестве датчика  в лазерном гироскопе. Аналогичный  прибор используется для навигации в самолётах Boeing 767 и в некоторых моделях машин. Специальные оптические волокна используются в интерферометрических датчиках магнитного и электрического поля. [3]