Применение кварцевого стекла в линиях связи

      Наиболее  точным и чувствительным методом  исследования поверхности волокна  и определения его диаметра являются метода, использующие интерферометры.  Одним из приборов, пригодных для  исследования оптоволокна является микроинтерферометр Линника (рис.20).

Волокно помещают в одну ветвь микроинтерферометра, а эталонную плоскую или цилиндрическую поверхность помещают в другую ветвь - ветвь сравнения. Фронт волны, отраженный от волокна, интерферирует с фронтом  волны, отраженным от эталонной поверхности, образуя интерференционную картину, форма которой зависит от взаимного  расположения волновых фронтов.  Этот метод обеспечивает очень точные измерения диаметра волокна и  структуры поверхности. Использование  плоской эталонной поверхности  даёт большое количество  интерференционных  полос, что затрудняет анализ картины. Для уменьшения числа полос в  ветвь сравнения помещают образцовое волокно известного диаметра. Недостатком  системы является то, что из-за большого увеличения одновременно анализируется  лишь небольшой участок волокна  в виде полоски. Для исследования цилиндрической границы раздела  между сердцевиной с высоким  показателем преломления и  оболочкой, показатель преломления которой  ниже, волокно погружают в жидкость, которая имеет одинаковый с оболочкой  показатель преломления. На микроинтерферометре  можно проводить непрерывное  исследование длинных стеклянных заготовок. Для этого волокно медленно и  равномерно перемещают перед объективом, естественно исключив вибрации.  Подобное протаскивание осуществляет прецизионный привод - намоточник, перематывающий волокно с одного барабана на другой. 
 
 

5.2 Проверка однородности и светопропускающей способности волокна. 

      Волокна, вытянутые из расплавленного стекла, могут быть неоднородны. К тому же их показатель преломления точно (хотя бы вследствие легирования) будет отличаться от показателя преломления исходного  стекла. Изменения показателя преломления  вполне характерны для стеклянных световодов и зависят от технологической  совместимости материалов сердцевины и оболочки, процесса вытяжки, режима отжига. Очевидно, что большие неоднородности стекла ухудшают механические (максимальное усилие на разрыв) и оптические (рассеяние  света) свойства волокон. Если поместить  волокно между скрещенными поляризаторами и пропустить через него коллимированный  свет,  то будет наблюдаться картина  в форме лепестков. Подобные фигуры свидетельствуют об образовании  в стеклянном волокне слоев с  различными оптическими свойствами, имеющих круговую симметрию относительно оси волокна и показывающих наличие  напряжения. Эти напряжения обуславливают  большую, чем у исходного стекла, прочность волокна. Распределение  напряжений и неоднородностей волокна  и оболочки наилучшим образом  определяются интерференционными методами. Один из приборов, позволяющих проводить  подобный анализ, - микроинтерферометр Линника, рассмотренный выше. Напряжения в оболочке и сердцевине проявляются  в виде искажений на интерференционной  картине.

      Интерферометр вполне применим и для контроля толщины  оболочки. Если поместить часть световода  в жидкость с таким же показателем  преломления, а часть оставить вне  жидкости, то толщину оболочки можно  измерить по смещению интерференционной  картины при наблюдении световода  в воздухе и жидкости.

      Плотность укладки волокна важна как  для разрешающей способности  прибора в целом, так и для  светопропускания волоконной детали (жгута). Плотность укладки измеряется с  помощью микроскопа с большим  увеличением. Другой способ – пропустить коллиматорный свет через волоконный элемент. Способ особенно эффективен, если учтены френелевские потери на отражение, и жгут имеет непрозрачную оболочку, препятствующую проникновению падающего  извне света.

      Механические  свойства волокна, такие, как максимальные допустимые нагрузки на изгиб и растяжение, устанавливаются чисто механическими  методами: известное внешнее воздействие  сообщается волокну и медленно увеличивается  до тех пор, пока световод не будет  разрушен. Величина воздействия отслеживается. Распределение напряжения в волокне  легко выявить при помощи интерферометра, наблюдая изменение интерференционной  картины при нагрузке изделия.

      Для определения показателя преломления  волокна используется  следующий  метод: волокно погружают в жидкость, показатель преломления которой  известен, и освещают монохроматическим  светом некоторой длины волны. На конце световода фиксируют микроскоп. Если показатель преломления торца  и жидкости равны, изображение торца  волокна исчезает. При расфокусированном  микроскопе дифракционные кольца не видны.  При изменении длины  волны может быть получена дисперсионная  кривая волокна. Для достижения равенства  показателей преломления волокна  и иммерсионной жидкости используют свойство жидкости менять показатель преломления в зависимости от температуры.  Для этого необходимо использовать жидкость с известной  зависимостью показателя преломления  от температуры. Такой метод применим только для волокна без оболочки; такой метод не дает возможности  выявить небольшие локальные  изменения показателя преломления.  Для обнаружения местных изменений  показателя преломления можно использовать многолучевой интерференционный микроскоп. Волокно с оболочкой погружают  в жидкость с известным показателем  преломления. Иммерсионная жидкость должна иметь кривую дисперсии, пересекающую кривую дисперсии образца в среднем  участке видимого спектра. Образец  и соответствующую иммерсионную жидкость помещают между двумя параллельными  пластинами интерферометра Фабри –  Перо. Затем интерферометр освещают белым светом через коллиматор; для  проецирования изображения образца на щель спектрографа удобно использовать микроскоп.  Таким образом, появляется возможность наблюдать полосы равного хроматического порядка от лучей, проходящих через жидкость и образец. Очевидно, что эти полосы у границы образца будут смещены для длин волн, при которых показатели преломления жидкости и образца различны. Смещение полос не наблюдается только для некоторой длины волны, при которой показатели преломления обоих сред равны. Измерение температуры иммерсионной жидкости для большей точности проводится термопарой (рис.21).

     Для определения нулевой точки, т.е. длины  волны, при которой показатели преломления  образца и жидкости равны, используются температурные изменения показателя преломления в различных участках спектра. Если кривые дисперсии жидкости при различных температурах известны, то можно вычертить кривую дисперсии  образца. Метод является достаточно точным: возможно определить 4-й, 5-й  знак после запятой в значении показателя преломления монолитного  микроскопического образца. Точность определения температуры жидкости должна составлять десятые или сотые  доли градуса, что вполне возможно при  использовании электронных датчиков температур. Для максимально точного  определения температуры жидкости можно применять медно-константановую термопару. Спай термопары погружают  в жидкость у края исследуемого образца. Аналогичным образом можно проверять  не только стеклянные и кварцевые  волокна (которые при качественном изготовлении не имеют неоднородностей, поддающихся измерению), но и синтетические  волокна, неоднородность которых бывает сравнительно высока.

      Способность отдельных световодов и, следовательно, жгута, составленного из них, зависит  от ряда параметров. Для определения  фотометроической эффективности волокон  необходимо знать общий передаваемый световой поток и угловое распределение  выходящего светового потока, в зависимости  от параметров светового потока на входе световода. Спектральное пропускание  отдельных волокон измеряется на микрофотометре. За выходной щелью  монохроматора помещается объектив микроскопа, дающего изображение  линз коллиматора на круглой диафрагме, диаметр которой меньше диаметра волокна. Волокно располагается  за диафрагмой так, что бы оно принимало  весь световой поток, проходящий через  диафрагму. Весь световой поток, выходящий  из волокна, попадает на фотоумножитель. Энергия падающего потока измеряется следующим образом: фотоумножитель ставится вплотную к щели на место  волокна. Доля общего потока, выходящая  из волокна в пределах телесного  угла наблюдения, измерялась с помощью  фотоумножителя, на который проецируется изображение выходного торца  волокна. Сигнал фотоумножителя определяет величину светового потока, выходящего из световода. Направление света  на входе и телесного угла наблюдения на выходе можно изменять, получая  таким образом полную картину  светопропускания светвода при различной  геометрии. Светопропускание высококачественного  волокна не должно изменяться при  изменении угла конуса света. Данный метод вполне пригоден как для  измерения светопропускания волокон  большого диаметра, так и для маленьких  волокон. Однако, из-за применения диафрагмы, диаметр которой меньше диаметра волокна, применение данного метода для измерения светопропускания маленьких волокон затруднительно.  Для обеспечения светопропускания (или поглощения) волокон малого диаметра можно сделать следующее: входной конец волокна жестко закрепляется по отношению к источнику  освещения и отмечают показания  принимающего фотоэлемента при двух волокнах разной длины. Поглощение потока вдоль волокна носит экспоненциальный характер. Взяв отношение потоков  при разных длинах волокна, логарифмированием выражают показатель поглощения. Метод достаточно точен, но для исключения ошибки при отсчете длины волокна необходимо полировать выходной торец волокна, не нарушая установки входного конца на спектрофотометре.

      Существующие  технологии изготовления оптоволокна  обеспечивают высокое пропускание  света. Потери света необходимо учитывать  в длинных (десятки, сотни метров и более) волокнах. Такие потери обусловлены  неоднородностями, пузырьками и микровключениями в сердцевине и оболочке волокна. В длинных световодах количество дефектов велико даже при малой линейной плотности дефектов. Однако при передаче изображения волокна обычно не имеют  большой длины и количество дефектов в них (а так же потери на дефектах) мало. 

6. Конструкции оптических кабелей.

     Конструкции ОК в основном определяются назначением  и областью их применения. В связи  с этим имеется много конструктивных вариантов. В настоящее время  в различных странах разрабатывается  и изготавливается большое число  типов кабелей.

     Однако  все многообразие существующих типов  кабелей можно подразделять на три  группы (рис.5) :

     -кабели  повивной концентрической скрутки

     -кабели  с фигурным сердечником

     -плоские  кабели ленточного типа. 

Рис. 5. Типовые  конструкции оптических кабелей:

а—повивная  концентрическая скрутка; б—скрутка  вокруг профилированного сердечника; в—плоская конструкция; 1— волокно; 2— силовой элемент; 3— демпфирующая оболочка; 4—защитная оболочка; 5—профилированный сердечник; 6— ленты с волокнами 
 

     Кабели  первой группы имеют традиционную повивную концентрическую скрутку сердечника по аналогии с электрическими кабелями. Каждый последующий повив сердечника по сравнению с предыдущим имеет  на шесть волокон больше. Известны такие кабели преимущественно с  числом волокон 7, 12, 19. Чаще всего волокна  располагаются в отдельных пластмассовых  трубках, образуя модули.

     Кабели  второй группы имеют в центре фигурный пластмассовый сердечник с пазами, в которых размещаются ОВ. Пазы и соответственно волокна располагаются  по геликоиде, и поэтому они не испытывают продольного воздействия  на разрыв. Такие кабели могут содержать 4, 6, 8 и 10 волокон. Если необходимо иметь  кабель большой емкости, то применяется  несколько первичных модулей.

     Кабель  ленточного типа состоит из стопки плоских пластмассовых лент, в  которые вмонтировано определенное число ОВ. Чаще всего в ленте  располагается 12 волокон, а число  лент составляет 6, 8 и 12. При 12 лентах такой  кабель может содержать 144 волокна.

     В оптических кабелях кроме ОВ, как  правило, имеются следующие элементы:

     -силовые (упрочняющие) стержни, воспринимающие на себя продольную нагрузку, на разрыв;

     -заполнители в виде сплошных пластмассовых нитей;

     -армирующие элементы, повышающие стойкость кабеля при механических воздействиях;

     -наружные защитные оболочки, предохраняющие кабель от проникновения влаги, паров вредных веществ и внешних механических воздействий. 

     В России изготавливаются различные  типы и конструкций ОК. Для организации  многоканальной связи применяются  в основном четырех- и восьмиволоконные кабели. 

     Представляют  интерес ОК французского производства (рис.6). Они, как правило, комплектуются  из унифицированных модулей, состоящих  из пластмассового стержня диаметром 4 мм с ребрами по периметру и  десяти ОВ, расположенных по периферии  этого стержня. Кабели содержат 1, 4, 7 таких модулей. Снаружи кабели имеют  алюминиевую и затем полиэтиленовую оболочку. 
 

Рис. 6. Конструкции  оптических кабелей французского производства:

а — 10-волоконный модуль; б — 70-волоконный кабель; 1 —  оптические волокна; 2 — фигурный сердечник; 3 — силовой элемент; 4 — пластмассовая  лента; 5—модуль на десять волокон; 6 — алюминиевая оболочка; 7—полиэтиленовая  оболочка 
 

     Американский  кабель, широко используемый на ГТС, представляет собой стопку плоских пластмассовых  лент, содержащих по 12 ОВ. Кабель может  иметь от 4 до 12 лент, содержащих 48— 144 волокна (рис.7). 

Рис. 7. Американский кабель плоской конструкции:

а—лента с 12 волокнами; б—сечение кабеля; в—общий  вид кабеля; 1—оптическое волокно; 2—полиэтиленовая лента; 3—стопка  лент из 144 волокон; 4— защитное покрытие; 5 — внутренняя полиэтиленовая оболочка; 6 — пластмассовые ленты; 7 — силовые  элементы; в — полиэтиленовые оболочки 
 
 

     На (рис.8) показан японский ОК с алюминиевой  оболочкой и наружным полиэтиленовым шлангом. 

Рис. 8. Японский оптический кабель:

1 — оптические  волокна; 2—медный силовой элемент; 3 — демпфирующее покрытие; 4—наружная  оболочка