Применение кварцевого стекла в линиях связи

Санкт-Петербургский

Государственный архитектурно-строительный университет 

Институт повышения квалификации и переподготовки специалистов 
 

Группа теплогазоснабжение и вентиляция 
 
 
 
 
 

РЕФЕРАТ 

ПРЕДМЕТ:   СТОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 
 

ТЕМА: ПРИМЕНЕНИЕ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА

В ЛИНИЯХ СВЯЗИ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     ВЫПОЛНИЛ:   слушатель Куликов А.В.  
 

     ПРОВЕРИЛ:    Профессор Прокофьева В.В.

 

1. Краткий обзор развития линий  связи.

 

     В эпоху научно-технической революции  связь стала составным звеном любого производственного процесса. Она используется для управления технологическими процессами, электронно-вычислительными  машинами, роботами, промышленными  предприятиями т. д. На современном  этапе развития общества в условиях научно-технического прогресса непрерывно возрастает объем информации. Как  показывают теоретические и экспериментальные (статистические) исследования, продукция  отрасли связи, выражающаяся в объеме передаваемой информации, возрастает пропорционально квадрату прироста валового продукта народного хозяйства. Это определяется необходимостью расширения взаимосвязи между различными звеньями народного хозяйства, а также  увеличением объема информации в  технической, научной, политической и  культурной жизни общества. Повышаются требования к скорости и качеству передачи разнообразной информации, увеличиваются расстояния между  абонентами. Связь необходима для  оперативного управления экономикой и  работы государственных органов, для  повышения обороноспособности страны и удовлетворения культурно-бытовых  потребностей населения.

     Непременным и одним из наиболее сложных и  дорогостоящих элементов связи  являются линии связи (ЛС), по которым  передаются информационные электромагнитные сигналы от одного абонента (станции, передатчика, регенератора и т.д.) к  другому (станции, регенератору, приемнику  и т. д.) и обратно.

     Линии связи возникли одновременно с появлением электрического телеграфа. Первая воздушная  линия большой протяженности  была построена в 1854 г. между Петербургом  и Варшавой. В начале 70-х годов XIX столетия была построена воздушная телеграфная линия от Петербурга до Владивостока длиной около 10 тыс. км. В 1939 г. была пущена в эксплуатацию величайшая в мире по протяженности высокочастотная телефонная магистраль Москва—Хабаровск длиной 8300 км.

     В 1851 г. одновременно с постройкой железной дороги между Москвой и Петербургом  был проложен подземный телеграфный кабель, изолированный гуттаперчей. Первые подводные кабели были проложены в 1852 г. через Северную Двину и в 1879 г. через Каспийское море между Баку и Красноводском. В 1866 г. вступила в строй кабельная трансатлантическая магистраль телеграфной связи между Францией и США,

     Первые  конструкции кабелей связи, относящиеся  к началу XX века, позволили осуществлять телефонную передачу на небольшие расстояния. Это были так называемые городские телефонные кабели с воздушно-бумажной изоляцией жил и парной их скруткой. В 1900—1902 гг. была сделана успешная попытка повысить дальность передачи методами искусственного увеличения индуктивности кабелей путем включения в цепь катушек индуктивности (предложение Пупина), а также применения токопроводящих жил с ферромагнитной обмоткой (предложение Крарупа). Такие способы на том этапе позволили увеличить дальность телеграфной и телефонной связи в несколько раз.

     В 30-х годах началось развитие многоканальных систем передачи. В последующем стремление расширить спектр передаваемых частот и увеличить пропускную способность  линий привело к созданию новых  типов кабелей, так называемых коаксиальных. Эти кабели допускают передачу энергии  при частоте токов до нескольких миллионов герц и позволяют производить  по ним передачу телевизионных программ на большие расстояния. Первая коаксиальная линия на 240 каналов ВЧ телефонирования  была проложена в 1936 г. По первым трансатлантическим подводным кабелям, проложенным  в 1856 г., организовывали лишь телеграфную  связь, и только через 100 лет, в 1956 г., была сооружена подводная коаксиальная магистраль между Европой и Америкой для многоканальной телефонной связи.

     Скорость  и качество передачи сигнала по металлическому проводнику ограничены большим затуханием вследствие электрического сопротивления магистрали, рассеивания и утечек. Все эти явления имеют гораздо меньшую значимость при передаче сигнала при помощи света. Поэтому применение луча света стало логичным завершением поиска технологии, обеспечивающей максимальную скорость передачи информации. С 1970 г. активно развернулись работы по созданию световодов и оптических кабелей, использующих видимое и инфракрасное излучения оптического диапазона волн.

     К началу 80-х годов были разработаны  и испытаны в реальных условиях волоконно-оптические системы связи. Создание волоконного световода и получение непрерывной генерации полупроводникового лазера сыграли решающую роль в быстром развитии волоконно-оптической связи. Основные сферы применения таких систем — телефонная сеть, кабельное телевидение, внутриобъектовая связь, вычислительная техника, система контроля и управления технологическими процессами и т. д.

     Именно волоконно-оптической технологии отводится ведущее место в научно-техническом прогрессе отрасли связи, передачи и обработки информации.

     Волоконно-оптические линии связи представляют собой  системы для передачи световых сигналов микроволнового диапазона волн от 0,8 до 1,6 мкм. Этот вид линий связи рассматривается как наиболее перспективный. Достоинствами ВОЛС являются низкие потери, большая пропускная способность, малые масса и габаритные размеры, экономия цветных металлов, высокая степень защищенности от внешних и взаимных помех.  
 

2. Оптические  волокна и общая схема технологического процесса.

 

     Основным  элементом ОК является оптическое волокно (световод), выполненное в виде тонкого  стеклянного волокна цилиндрической формы, по которому передаются световые сигналы с длинами волны 0,85...1,60 мкм, что соответствует диапазону частот (2,3...1,2) • 10¹⁴ Гц.

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

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

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

Рис. 1. Сечение  оптического волокна:

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

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

 
 
 
 

   
 
 
 
 
 

Рис. 2. Оптические волокна:

а — профиль  показателя преломления; б — прохождение  луча;

1 — ступенчатые; 2 — градиентные; 3 — одномодовые 

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

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

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

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

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

1—опорная  трубка (оболочка n₂); 2—осажденные продукты (сердцевина n₁); 3—нагревательная спираль; 4 — газообразный поток кварца.

     Вовнутрь  полой кварцевой трубки с показателем  преломления n₂ длиной 0,5...2 м и диаметром 16...18 мм подается струя хлорированного кварца SiCl₄ и кислорода O₂. В результате химической реакции при высокой температуре (1500...1700° С) на внутренней поверхности трубки слоями осаждается чистый кварц SiO₂. Таким образом, заполняется вся внутренняя полость трубки, кроме самого центра. Чтобы ликвидировать этот воздушный канал, подается еще более высокая температура (1900°С), за счет которой происходит схлопывание и трубчатая заготовка превращается в сплошную цилиндрическую заготовку. Чистый осажденный кварц затем становится сердечником ОВ с показателем преломления n₁, а сама трубка выполняет роль оболочки с показателем преломления n₂. Вытяжка волокна из заготовки и намотка его на приемный барабан производятся при температуре размягчения стекла (1800...2200°С). Из заготовки длиной в 1 м получается свыше 1 км оптического волокна (рис. 4). 

Рис. 4. Вытягивание  волокна из заготовки:

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

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

3. Особенности изготовления оптических волокон.

 

      Первым  этапом в процессе изготовления световодов является определение подходящих по ряду параметров материалов, из которых  в дальнейшем будет изготовлен световод. Для любых типов световодов необходимы материалы высокой степени однородности с максимально гладкой поверхностью раздела сердцевины и оболочки. Материал оболочки должен хорошо прилипать к  сердцевине волокна. Эти два требования предотвратят чрезмерные потери света  при рассеивании и при выходе света за пределы волокна. Прозрачные пластики вследствие наличия структуры  рассеивают свет, что делает их не вполне пригодными для световодов большой  длины, которая, правда, не характерна для волокон, передающих изображение. Хорошим материалом для оболочки и сердцевины является стекло, имеющее  одно очень важное преимущество перед  другими материалами - возможность  широко выбора показателя преломления  при помощи легирования стекла на стадии выплавки. Длина пути света  в световоде больше, чем в оптических приборах, следовательно, необходимо стекло высокой прозрачности без вкраплений инородных материалов и пузырей воздуха. Высокая прозрачность стекла не всегда совместима с высоким показателем преломления: в последнем случае стекло носит желтоватый оттенок. В видимой области спектра, а именно этот диапазон оптического излучения рассматривается при переносе изображения по световоду, стеклянное волокно длиной 2 метра пропускает около 50 % света, падающего на торец жгута или  около 80 % света, прошедшего в световод. Разность этих величин обусловлена экранированием части сечения жгута изолирующими оболочками волокон и отражением света от торца жгута. Последняя проблема может быть решена нанесением на входной торец жгута просветляющей пленки, аналогичной той, что используют при просветлении оптики. Первая же проблема решается путем уменьшения толщины внешней оболочки отдельного волокна (на толщину распространяется полуволновое ограничение).