Визначити будову волокно-оптичного кабелю, його призначення.

 

Оптоволокно́ або оптичне волокно — це технічний виріб, що складається з оптичного світловоду і захисних покриттів та маркуючої кольорової оболонки.

 

Оптичний світловод - є фізичним середовищем транспортування оптичного сигналу і складається із серцевини та оболонки, що мають різні величини показників заломлення. Завдяки явищу повного внутрішнього відбиття, надає змогу транспортувати оптичні сигнали (світло), які генеруються обладнанням, до якого підключене оптичне волокно.

 

Повний опис процесу розповсюдження світла по оптичному волоконному світловоду (ВС) дає хвильова електромагнітна теорія. Вона показує, що розповсюджуватись по волоконному світловоду можуть лише ті типи хвиль, що формують у поперечному перерізі ВС резонансну хвилю. Такі типи хвиль утворюють моди хвилеводу. Режим роботи ВС (одно - чи багатомодовий) визначається величиною нормованої частоти V.

 

За режимом роботи ВС оптичні волокна (ОВ) поділяються на два основні типи:

Одномодові

Багатомодові

 

Серцевина оптичного світловоду має різноманітну залежність величини показника заломлення за радіальною віссю світловоду, котра називається профілем показника заломлення (ППЗ). Наприклад:

Світловоди з градієнтним показником заломлення

Світловоди із сходинковим профілем показника заломлення.

 

Якщо 0< V< 2,4048, у волокні зі сходинковим профілем показника заломлення виконується одномодовий режим

 

Волоконна оптика — розділ прикладної науки і машинобудування, що описує такі волокна. Оптоволокна використовуються в оптоволоконному зв'язку, який дозволяє передавати цифрову інформацію на великі відстані і з вищою швидкістю передачі даних, ніж в електронних засобах зв'язку. У ряді випадків вони також використовуються при створенні давачів.

 

Відповідно до фізичних властивостей оптоволокна необхідні спеціальні методи для їх з'єднання з устаткуванням. Оптоволокна є основним елементом для різних типів волоконно-оптичних кабелів, залежно від того, де вони використовуватимуться.

 

Принцип передачі світла усередині оптоволокна був вперше продемонстрований за часів королеви Вікторії (1837—1901), але розвиток сучасних оптоволокон почався в 1950-их. Їх почали використовувати в зв'язку дещо пізніше, в 1970-их; з цього часу технічний прогрес значно збільшив діапазон застосування і швидкість поширення оптоволокон, а також зменшив вартість систем оптоволоконного зв'язку.

Історія[1]

 

Передача світла вздовж тонкого силіконового волокна відповідно до закону заломлення, що вперше продемострував Даніель Колладон та Джакіз Бабінет на початку 1840-их років у Парижі. Джон Тиндел ввів показові демонстрації у свої громадські лекції у Лондоні десяток років пізніше[2]. Тиндел також писав про властивості цілковитого внутрішнього віддзеркалення у своїй ознайомчій роботі про природу світла в 1870 році:«

Коли світло проходить у напрямку із повітря у воду, то заломлений промінь зміщується у сторону перпендикуляра... У випадку, коли кут, утворений променем у воді та перпендикуляром до поверхні, перевищує 48 градусів, світловий промінь не покине середовище води взагалі: він буде повністю заломлений на лінії розділу двох середовищ. Кут, що обмежує границю цілковитого внутрішнього віддзеркалення, називається кутом повного внутрішнього відбиття середовища. Для води він становть 48°27'., для флінтового скла —- 38°41', а для алмазу —- 23°42'[3][4]»

 

 

Практичне застосування, таке як напрямлене освітлення у ротовій порожнині під час стоматологічних процедур, з'явилось на початку ХХ століття. Передача зображень по трубках була продемострована незалежно радіоекспериментатором Кларенс Ханселом та телевізійним першопроходцем Джоном Логі Бейрдом у 1920 роках. Цей ефект уперше було застосовано для внутрішнього медичного обстеження Гайнріком Ламмом протягом наступного десятиліття. У 1952 році фізик Нерайндер Сайнг Капані провів експеримент, що призвів до винаходу оптичного волоска. Сучасне оптоволокно, де скляна волосина поміщена у прозору оболонку із метою приведення коефіцієнту відбиття до практичного рівня використання, з'явивилося на світ пізніше[2]. Після цього всі розробки сконцентрувалися на жмутах оптичних волокон, пристосованих для передачі зображення. Перший оптичний напівгнучкий гастроскоп був запатентований у 1956 році Безілем Айзек Хиршовицим, Сі Уілбер Пітерзом, та Лоренцом І Куртізом, які були дослідниками Університету Мічігану. У процесі розробки гастроскопу, Куртіз упреше застосував скляний світловод в оболонці. Перші зразки оптоволокна використовували повітря та непрактичні олії і віск, як оболонку із низьким показником заломлення. Незабаром з'явилась ціла низка інших застосувань, пов'язаних із передачею зображень.

 

Жан Даніель Колладон вперше описав «світловий фонтан» чи «світлову трубку» у статті в 1842 році під заголовком «Про віддзеркалення променів у середені параболічного потоку рідини». Ця популярна ілюстрація походить із пізнішого допису від Колладона у 1884 році.

 

Оптоволокна для телекомунікаційних цілей (назразок діагностики лікарем шлунку пацієнта та зв'язку у межах короткого радіусу) було впреше застосовано в Західній Європі наприкінці 19-ого та на початку 20-ого століття. Особливо примітно, що передача забражень оптоволосками набула популярності на початку 21 століття з причин збільшення попиту в медичній та телевізіній галузях.

 

Також повідомлялось, що японський учений від Університету Тохоку Юн-ічі Нішазава запропонував застосування оптичного волокна у сфері зв'язку ще у 1963 році, як було зазначено в книжці, надрукованій 2004 року в Індії[5]. Нішазава винайшов інші технології, що сприяли вдосконаленню оптоволоконих комунікацій у більшій мірі[6]. Згодом він відкрив оптичні градієнтні світловоди, як канал передачі світла від напівпровідникового лазера[7].

 

Вирішальний момент стався десь 1965 року, коли Чарльз К. Коу та Джордж А. Гокхем з британської компанії Стандарт Телефонс енд Кейблс вперше просунули ідею зменшення загасання в оптоволокні до показника, нижчого від 20 dB/km, таким чином ввівши оптичні кабелі у зону практичного застосування для телекомунікаційних мереж[8]. Вони стверджували, що загасання спричнинялося швидше домішками, здатними бути вилученеми у волокні, доступному в той час, аніж фундаментальним фізичним законом розсіювання. Вони правильно та послідовно теоретизували про зміну властивостей світла у середовищі оптичного волокна, та підказали матеріал, придатний для його виробництва —- кварцове скло із високим показником чистоти. Це відкриття привело Коу до отримання Нобелівської Премії в області фізики у 2009 році[9].

 

Принциповий рівень загасання у 20 dB/km був досягнутий вперше в 1970 році дослідниками Робертом Д. Морером, Дональдом Кеком, Пітером С. Шульцом, та Франком Зімаром, що працювали в американській скловарні «Корнік Ґлес Уорк». Тепер це підприємство називається «Корнік Інкорпорейтед». Вони продемострували світловод із рівнем згасання в 17 dB/km, у якому кварцове скло містило домішки титану. Кількома роками пізніше, вони створили оптоволокно з рівнем загасання в 4 dB/km, використовуючи діоксид германію як основу домішки. Настільки низьке загасання надало імпульсу телекомунікаціям з використанням оптичного волокна, та зробило Інтернет доступним. В 1981 році Дженерал Електрик випустив сплавлнеий злиток кварцу, що був придатним для витягування в нитку довжиною 40 km.[10]

 

Загасання в сучасному оптоволоконому кабелі є значно меншим, ніж у мідному електричному, що вплинуло на розвиток ліній телекомунікаційних передач довжиною 70-150 км. Оптоволоконий підсилювач з домішками ербію, що суттєво зменшує вартість оптоволоконих систем великої довжини шляхом зменшення кількості чи, навіть дуже часто, цілковитого вилучення із схеми оптико-електронних повторювачів, був розроблений Девідом Н. Пейном з Університету Саусхамтона та Емануелем Дезервіром із Бел Лабс у 1986 році. В досконалому волокні застосування якісного скла для серцевини та оболонки підвищує стійкість до процесів старіння. Винахідник Герхард Берніз, що звернув на це увагу, в 1973 році був задіяний німецьким підприємством Скот Глес[11].

 

В 1991 році із перспективного щойно виниклого технологічного напрямку фотонних кристалів, було започатковано розробку одноіменних світловодів[12], що проводили світло завдяки дифракційним явищам на періодичній структурі матеріалу швидше, ніж шляхом повного внутрішнього відбиття. Перше фотонне кристалічне волокно стало комерційно доступним у 2000 році [13]. Таке оптоволокно є потужнішим, ніж звичайне, а його світлопровідні частотні властивості можуть бути контрольовані за потребою з метою покращення ефективності певних застосувань.

[ред.]

Принцип роботи оптичного волокна[14]

[ред.]

Структура

 

Структура типового одномодового волокна.

1. Серцевина: 8 µm діаметр

2. Оболонка: 125 µm діаметр

3. Буфер: 250 µm діаметр

4. Обшивка: 400 µm діаметр

 

Оптичний світловод — це циліндричний діелектричний хвилевід, що передає світло від одного до другого кінця усієї своєї довжини завдяки фізичному явищу повного внутрішнього відбиття. Світловод складається із серцевинного та оболонкового шару, які виготовленні із матеріалів, що забезпечують утримування світла всередині кабелю. Для забезпечення функціонування даної системи діелектриків, необхідно мати коефіцієнт заломлення серцевини більший, ніж оболонки. А також, границя двох середовищ може бути обривчастою, як у волокон зі сходинковим профілем серцевини, чи згладженою, як у волокон з градієнтним профілем серцевини.

 

Структура оптоволоконного кабелю дуже проста й схожа на структуру коаксіального електричного кабелю. Проте, замість мідної серцевини тут використовується тонке скловолокно, а замість внутрішньої ізоляції —- скляна або пластикова оболонка, що не дозволяє світлу виходити за межі збірки. У цьому випадку мова йде про режим так званого повного внутрішнього відбиття світла від границі двох речовин із різними коефіцієнтами заломлення (у скляної оболонки коефіцієнт заломлення значно нижче, ніж у центрального волокна).

[ред.]

Вплив коефіцієнту заломлення

Докладніше: Коефіцієнт заломлення

 

Коефіцієнт заломлення — це співвідношення швидкостей світла у вакуумі та матеріалі, до якого належить даний коефіцієнт. Промінь світла подорожує у вакуумі найшвидше за все зі швидкістю, близькою 300000 км/сек, а у діелектрику — повільніше. Це залежить від властивостей матеріалу. Тому показник заломлення для складових оптоволокна завжди більший одиниці. Типове значення коефіцієнту заломлення для оболонки становить 1.46, а для серцевини — 1.48. Чим більший показник заломлення в речовині — тим швидкість променю в ній нижча. Із вищезгаданого очевидно, що оптичний комунікаційний сигнал буде проходити приблизно 200 000 км/сек. Або, якщо сформулювати по-іншому: 1000 кілометрів сигнал пройде за 5 мсек.

[ред.]

Щодо повного внутрішнього відбиття

Докладніше: Повне внутрішнє відбиття

 

Траєкторія несучої світлового променя в оптичній волосині.

 

Коли промінь що подорожує в оптично густому матеріалі, натикається на перешкоду під кутом падіння, більшим ніж критичний для даного матеріалу, то світло буде повністю віддзеркалене. Цей ефект використовується в оптичному волокні для утримування світлового випромінення у межах його серцевини. Воно поширюється вздовж волоска, відбиваючись вперед та назад від границі розділу двох складових кабелю. По причині того, що промінь повинен впасти на межу розділу під певним нахилом, що є більшим за критичний кут, то тільки світло, яке увійшло у систему у межах певного діапазону напрямків, може пройти через все волокно без просочування за його межі. Вказаний діапазон напрямків називається конусом утримування волокна. Розмір конусу утримування є функцією різниці показників заломлення матеріалів серцевини та оболонки оптичної волосини.

 

Іншими словами, існує максимальний кут відносно осі оптоволокна, під яким світловий промінь може увійти у середовище кабелю та просунутися вздовж його серцевини. Синус максимуму цього кута є цифровою апертурою (NA) волокна. Волокно із великим NA не потребує високої точності його зрощування, і може може функціонувати із іншим волокном, що має малий NA. Одномодові оптичні світловоди мають незначний NA.

кут падіння та відбиття -

цифрова апертура -

[ред.]

Типи оптоволокна

[ред.]

Одномодове волокно [15]

 

Розповюдження світлових променів через одномодові оптичні світловоди.

 

Оптичні світловоди із діаметром серцевини розміром приблизно одної десятої довжини несучої світлової хвилі, не можуть бути змодельованими використовуючи теорію геометричної оптики. Натомість, вся структура має бути розглянута із точки зору класичної електродинаміки, застосовуючи формули Максвела, що приведені до розвязку рівняння розповсюдження електромагнітних коливань. Також, такі фізичні явища як спекли, що виникають за рахунок пропагації когерентного випромінення у багатомодових волокнах, теж мають бути обгрунтовані як наслідок теорії Максвела. Назразок оптичного хвилевода, світловод підтримує один чи де-кілька локалізованих поперечних режимів, у границях яких світло просувається вздовж. Волокно, що працює тільки в одному режимі, називається одномодовим, чи мономодовим. Поведінка оптичних світловодів із значним розміром серцевини теж може бути змодельована за допомогою хвильових рівнянь, що у результаті демонструє їх здатність до пропускання світла у кількох режимах, або модах. Звідси походить і назва типів оптоволокна. Коли серецевина волоска достатньо велика для забезпечення пропагації світлових променів у кількох модах, то математичні розрахунки згідно з теоріями Максвела і геометричної оптики приблизно збігаються.

 

Аналіз хвилевода показує, що промениста енергія у волокні не повністю зосередженна у межах серцевини. Натомість, найхарактернішим для одномодових світловодів, значна її порція подорожує у привязаній моді у середовищі оболонки як еванесцентна хвиля.

 

Найбільш розповсюджений тип одномодового волокна має діаметр серцевини 8-10 мікрометрів та спроектований для використання світла близького до інфрачервоного діапазону спектру. Структура моди залежить від довжини хвилі світла, яке задіяне у процесі роботи, таким чином світловод фактично підтримує незначну кількість додаткових мод у видимій частині спектру світла. Багатомодове оптоволокно, для порівняння, виготовлено із діаметром центральної жили поперечного розміру щонайменше ніж 50 мікрометрів, та що найбільше сотні мікрометрів. Нормалізована частота V для волоска має бути не більше ніж нульовий член степеневого ряду функції Бесселя J0 (приблизно 2.405)

[ред.]

Багатомодове волокно [16]

 

Розповсюдження світлових променів через багатомодові оптичні світловоди.

 

Оптичне волокно із великим діаметром серцевини (більше 10 мікрон) може бути розраховане за допомогою методів геометричної оптики. Таке волокно називається багатомодовим. Сходинкове багатомодовое волокно проводить промені світла вздовж серецевини завдяки ефекту повного внутрішнього віддзеркалення. Промені, що падають на межу розділу компонентів волоска під стрімким кутом, більшим ніж кут повного внутрішнього відбиття, зазнають цілковитого дзеркального відображення. Промені що стикаються із границею під малим кутом заломлюються у напрямку від серцевини до оболонки, а далі поглинаються і не передають інформацію. Значна цифрова апертура робить можливим світлу пропагуватися впродовж волокна завдяки променям, що розташовані близько до осі, а також під різноманітними кутами, дозволяючи ефективне компонування пучка випромінення у світловоді. Проте попривсе, ця цифрова апертура збільшує дисперсію, оскільки промені що подорожують під різними кутами проходять відрізки шляху різної довжини. Це, у кінцевому результаті, впливає на кількість часу необхідного для перетину загальної заданої довжини кабелю.

[ред.]

Градієнтне волокно

 

Розповсюдження світлових променів через градієнтні оптичні світловоди.

 

У градієнтному волокні коефіцієнт заломлення у серцевині зменшується поступово від осі до зовнішньої стінки волокна. Це змушує промені світла вигинатися дугою при наближенні до оболонки, на відміну від несподіваного віддзеркалення на межі розділу компонентів волоска. Як наслідок, дугоподібний шлях просування зменшує багатовекторну дисперсію розповсюдження, тому що промені під значними кутами проходять через ділянку серцевини із малим показником заломлення швидше, ніж під великим. Профіль градієнту заломлення вибирається так, щоб мінімізувати різницю між продовжною швидкістю пропагації променів різної векторної направленості у волокні. Ідеальний профіль градієнту заломлення є дуже близький до параболічного при співвідношенні самої величини та відстані до осі.

[ред.]

Поляризаційно-стабільне волокно

Докладніше: Поляризаційно стабільне оптоволокно

 

Поляризаційно-стабільні волокна мають спеціальні застосування, як оптоволоконе зондування, інтерферометрія та розповсюдження квантумних кодів. Загальноприйнятно, що вони також використовуються для сполучення лазерного джерела світла та модулятора, оскільки сам модулятор вимагає подачі поляризованого світла. Проте, для звя'зку на довгих відстаннях поляризаціно-стабільні волокна не експлуатуються, через підвищений рівень загасання сигналу в порівнянні із одномодовими волокнами.

 

Поляризаційно-стабільне оптоволокно не поляризує світло на зразок поляризатора. Скоріше, воно утримує існуючу поляризацію лінійно поляризованого світлового променя, що заживлений у волокно за умови правильної орієнтації. Якщо поляризація вхідного світлового потоку не налаштована до ладу із добре вираженим пропуским напрямком в самому світловоді, то вихідний сигнал буде визначатися в межах лінійної та кругової поляризації. Такі параметри подачі світла дають на виході еліптичну поляризацію в загальному випадку. Проте, точні її характеристики залежатимуть від зміни температури та стресу оптоволокна.

[ред.]

Фотонно-кристалічне волокно

 

Фотонно-кристалічне оптоволокно — новий клас оптичних світловодів, які працюють завдяки властивостям фотонних кристалів. Через неможливість локалізування світла в порожнині пустотілої серцевини та відсутність будь-яких схожих властивостей в традиційному оптоволокні, фотонно-кристалічні світловоди зараз набувають широкого застосування в оптичних комунікаціях, волоконних лазерах, нелінійних оптичних пристроях, трансляції високої потужності, надчутливих газових давачах та інших пристроях.

 

Фотонно-кристалічні волокна поділяються на дві категорії згідно з механізмом взаємодії зі світлом. Ті, що мають суцільну серцевину, чи серцевину із показником заломлення вищим, ніж мікроструктурнаоболонка, можуть оперувати згідно з тим самим принципом, що і звичайне оптоволокно. Проте, вони матимуть значнішу різницю показників заломлення серцевини та оболонки, що сприятиме ефективнішій локалізації випромінення у випадку нелінійних оптичних пристроїв. Інша категорія — це волокно із фотонно-спектральним зазіром, в якому світло утримується завдяки мікроструктурній оболонці. Якщо спектральний зазір підібраний правильно, то світловим потоком можна керувати в частині серцевини із низьким показником заломлення, або навіть цілковито постотілій, заповненій повітрям. Спектрально-зазірні волокна із відсутньою серцевиною потенційно можуть вирішити проблему, створену обмеженнями доступності необхідних матеріалів для виготовлення світловоду. Для прикладу, можна створити волокно, що провадить світло із довжиною хвилі, для якої прозорі матеріали відсутні. Ще одне потенційно важливе застосування — динамічне вприскуванння речовини у світловод. В такий спосіб можна аналізувати присутність якоїсь субстанції у вибраному зразку.

 

 

[ред.]

Природа загасання[17]

Докладніше: Прозорість середовища

 

Загасання світла через ZBLAN та діоксид кремнієве оптоволокно.

 

Загасання — це зменшення інтенсивності світлових променів у волосках відносно відстанні перетнутої ними у середовищі передачі. Коефіцієнт загасання в оптоволокні зазвичай використовується в одиницях dB/km, завдячуючи відносно високій прозорості сучасного оптичного медіуму. Як правило, ним виступає кварцовий скляний світловод, що утримує захоплене проміння у границях свого фізичного тіла. Загасання —- є основним фактором, що обмежує просування цифрового сигналу на великі відстані. Не дивно, основна маса досліджень була проведена у зв'язку з намаганнями зменшити його вплив, та посилити оптичний сигнал. Емпіричний аналіз показав, що загасання у волосках виникає через розсіювання та поглинання.

[ред.]

Розсіювання світла

Докладніше: Дифузне відбиття світла

 

Розсіювання світла залежить від довжини світлової хвилі. Таким чином, виникають зони видимості на шкалі просторових координат відліку, що залежать від частоти падаючого променю та фізичних розмірів агенту розсіювання, який зазвичай предстає у вигляді якоїсь мікроструктури. Оскільки видиме світло має розміри довжини хвилі в одиницях мікрометрів, то центр дифузного відбиття повинен мати розміри співставимої величини.

 

Отже, причина загасання — це розсіювання світла, створеного внутрішніми поверхнями та границями розділу речовин. У кристалічних матерілах, таких як метали та кераміка, на додаток до пор на внутрішніх поверхнях та границях розділу, існують також нерегулярності у вигляді гранул. Недавно було продемостровано, що коли розмір центру розсіювання менший величини довжини хвилі розсіюємого світла, то показники величини дифузного відбиття більше не мають практично значення. Цей феномен дав початок виробництву прозорих керамічних матеріалів.

 

Дифузне відбиття світла.

 

Аналогічно, розсіювання світла на матеріалах класу оптичних волокон спричиняється нерегулярностями на молекулярному рівні, або по-іншому флуктуаціями структурної будови скла. Справді, одна із свіжих теорій стверджує, що скло — це ніщо інше, як обмежений випадок полікристалічного тіла. У межах даної викладки, наріжні домени локального групування предстаються структурними блоками як металів та сплавів, так і скла та кераміки. Розподілені як всередині, так і назовні цих доменів мікроструктурні дефекти, що і породжують найбільш ідеальні місця випадків дифузного відбиття. Цей самий ефект розглядається і як один із обмежуючих факторів прозорості інфра-червоних куполів для головок ракет.

 

У діапазоні значної потужності оптичного потоку, розсіювання може спричинятися також нелінійними процесами у товщині оптоволокна.

[ред.]

Ультрафіолетове та інфрачервоне поглинання.

 

На додаток до дифузного відбиття, втрата сигналу може бути спричинена вибірковим поглинанням певних частот на зразок того, як при розсіюванні з'являються кольори. Основні факти аналізу включають наступне.

На електронному рівні існує залежність від параметрів їх орбіт у розумінні здатності поглинати фотон певної довжини хвилі в ультрафіолетвовму чи видимому діапазонах. Це те, що є першопричиною поняття кольорів.

На атомному чи молекулярному рівнях, все залежить від частот їх коливань або коливань хімічних зв'язок, наскільки близько атоми чи молекули спаковані докупи, а також чи здатні вони проявляти довгу ланцюгову структуру. Ці характеристики уособлюють здатність матеріалу передавати довгі інфрачервоні, радіо-, чи мікрохвильові електромагнітні коливання.

 

Будова будь-якого оптично прозорого пристрою потребує вибору матеріалів, обгрунтованого на основі знань їх потенційних обмеженнь. Характеристики кристалічної решітки, що спостерігаються на довгохвильових інтервалах, визначають низькочастотну границю смуги пропускання матеріалу. Вони є результатом інтерактивного співвідношення руху термічно збудженої множини атомів чи молекул тіла та падаючої світлової радіації. Звідси, всі матеріали обмежені поглинанням спричиненим атомними та молекулярними коливаннями

 

Таким чином, мультифононне розсіювання проявляється, коли два чи більше фонони одночасно діють, продукуючи електричний дипольний момент, який взаємодіє із падаючою променистою радіацією. Ці диполі, звісно, відбирають енергію світлового опромінення, досягаючи максимуму впливу, при частоті світла променів, що збігаються із основною складовою вібрацій молекулярного диполя у далекому інфрачервоному діапазоні, чи одної із їх гармонік.

 

Вибіркове поглинання інфрачервоного світла певним матеріалом проявляється завдяки збігу деякої складової частоти загальної спектральної смуги світла із частотою коливань елементів кристалічної решітки чи молекулярної структури тіла. Оскільки їм притаманна розмаїта природна частота коливань, то звідси походить селективна здатність поглинати різну променисту енергію, або фрагмент спектра.

 

Відбиття чи пропускання оптичних хвиль проходить тільки завдяки існуванню різниці між світловими коливання та резонантними частотами вібрації елементів матеріалу.

[ред.]

Виробництво

[ред.]

Матеріали

 

Скляне оптоволокно майже завжди виробляється із діоксиду кремнію, проте де-які інші матеріали, як флуорид цирконію, алюмінію та халькогеніди, а також кристалічні матеріали на зразок сапфірів, теж використовується для довгохвильових інфрачервоних та інших специфічних застосувань. Діоксид кремнієве та флуоридне скло за звичай має коєфіцієнт заломлення десь біля 1.5, але де-які інші матеріали можуть досягати цього показника аж до 3. Типово, різниця цих величин матеріалів серцевини та оболонки волоска є меншою одного процента. Пластикове оптоволокно береться за основному виготовлення сходинкових мультимодових світловодів із діаметром серцевини 0.5 мм, чи більше. Пластикове волокно демонструє більший коєфіцієнт загасання у порівняні із скляним, десь на рівні 1 dB/m чи більше. Такий показник є обмежуючим фактором у прикладних системах на базі світловодів із цього матеріалу.

[ред.]

Діоксид кремнію

 

Діоксид кремнію проявляє досить добрі характеристики пропускання світла в об'ємі широкої смуги променистого випромінення. У царині близького інфрачервого спектру, десь біля 1.5 мікрометрів, діоксид кремнію має дуже малу складову поглинання та розсіювання, на рівні 0.2 dB/km. Висока прозорість діапазону 1.4 мікрометрів досягнута завдяки малій концентрації гідроксильних груп (ОН). Відповідно, висока концентрація гідроксильних груп покращує передачу сигналу із використанням ультрафіолетових хвиль

 

Діоксид кремнію також добре витягується у волокно при відносно невисокій температурі, та має прийнятні показники склування. Іншими первагами є спаювання та колення. Такі скляні світловоди також витримують значні механічні деформації згину та розтягу, зауваживши що жила не дуже товста та поверхня добре підготовлена під час обробки. Навіть звичайнісінький злом кінця волокна може створити гарну плоску поверхню із прийнятними оптичними показниками. Діоксид кремнію — відносно хімічно інертний матеріал, та не є гігроскопічним.

 

Кремнієве скло може бути леговане розмаїтими матеріалами. Одним із намірів легування є мета збільшення індексу заломлення. Наприклад, для цього використовується діоксид германію чи оксид алюмінію. Навпаки, для зменшення цього індексу може використовуватися фтор чи оксид бору. Легування іонами, здатним генерувати когерентне випромінення, дозволяє отримати активне волокно, що застосовуватиметься як підсилювач або лазер. Зазвичай обоє, серцевина та оболонка, легюються, так-що по-суті є тотожними сполуками: алюмосилікатом, германосилікатом, фосфоросилікатом чи боросилікатним склом.

 

Як виняток, для активного волокна чисте скло — не дуже підходящий утримувач, тому що воно має низьку розчинність для лужноземельних іонів. Це може стати завадою із огляду на їх роювання. Алюмосилісат є більш підходящим у цьому випадку.

 

Діоксид кремнієве волокно анотує високий поріг оптичного пошкодження. Така властивість підкріплює низьку тенденцію до розпаду під впливом когерентної індукції. Це важливо для волокнонних підсилювачів особливо у застосуваннях короткої пульсації.

[ред.]

Флуориди

 

Флуоридне скло — це безоксидний клас скла оптичної якості, що складається із флуоридів розмаїтих металів. У зв'язку із їх низькою в'язкістю, дуже важко повністю уникнути кристалізації під час процесу обробки, як, наприклад, витягування із пластичної заготовки. Таким чином, навіть якщо флуоридне скло важких металів (ФСВМ) проявляє дуже незначне оптичне загасання, його все-таки складно виготовляти, є надзвичайно ламкими і йому властива гігроскопічність. Найкращим показником є відсутність смуг поглинання пов'язаних із гідроксильним групами, котрі мають місце буквально у всякому оксидному склі.

 

Прикладом флуоридного скла важких металів є група ZBLAN-скла, що складається із флуоридів цирконію, барію, лантану, алюмінію та натрію. Їх основним технологічним застосуванням є отичний хвилевід у планарній та волоконній формах. Вони особливо сприятливі у центральній ділянці інфрачервоного діапазону від 2000 до 5000 nm.

 

ФСВМ початково було задуманим для використання в оптичних хвилеводах, тому що їх специфічні втрати у волокні працюючому у середині інфрачервоної смуги нижчі діоксиду кремнію, котре прозоре лише біля 2 мікрометрів. Однак, такі малі втрати ніколи не були використані на практиці, та ламкість і значна вартість флуоридних світловодів не зробила їх ідеальними кандидатами. Пізніше була винайдена придатність цих волокон до реальних застосувань у других сферах. Такими є інфрачервона спектроскопія середньої ділянки смуги, волоконно-оптичні давачі, термометрія та обробка зображень. Також, флуоридові світловоди можуть бути використані як медійні світловоди для ітріум-алюміній-гранатового (YAG) лазера на довжині хвилі 2.9 мікрометрів, що вимагається для медичних застосувань, для прикладу в офтальмології та стоматології.

[ред.]

Фосфатне скло

 

The P4O10 кліткоподібна ґратка — основна структурна одиниця фосфатного скла.

 

Фосфатне скло є представником класу оптичного скла, що складається із сполук метафосфатів різномаїтних металів. Замість SiO4-тетраедра, що спостерігається у діоксидно кремнієвому матеріалі, основними елементами структури якого є оксид фосфору (P2O5), що кристалізується у чотирьох відмінних формах. Найвідомішою є поліморфічна форма за участю молекули P4O10.

[ред.]

Процес

 

Стандартне оптичне волокно виготовляється спочатку шляхом створення заготовки із ретельно контрольованою величиною показника заломлення, а потім світловод утворюється із неї шляхом витягування у довгу нитку. Типово заготовка робиться завдяки трьом процесам хімічного осадження: внутрішнє, зовнішнє та осьове осадження випарів.

 

У випадку внутрішнього осадження випарів, заготовка будується як порожниста скляна трубка довжиною приблизно 40 cm, котра розміщується горизонтально і повільно провертається на станку. Гази, такі як хлорид кремнію (SiCl4) чи хлорид германію (GeCl4), впорскуються із киснем з одного кінця трубки. Потім вони прогріваються за допомогою зовнішньої водневої горілки, піднімаючи температуру випарів до 1900 К (1600 °C, 3000 °F), у наслідок чого тетрахлориди реагують із киснем, продукуючи частинки діоксиду кремнію чи оксиду германію відповідно. Коли умови хімічної реакції підібрані таким чином, що процес протікає в об'ємі газової субстанції всієї трубки, на відміну від методу де реакція проходить тільки на поверхні трубки, то такий спосіб виготовлення називається модифікованим хімічним осадженням випарів.

 

Ілюстрація осадження хімічних випарів.

 

Оксидні частинки, що агломеруються у довгі молекулярні ланцюги, потім осідають на стінках трубки на зразок сажі. Осадження можливе завдяки великій різниці температур газоподібної серцевини та оболонки трубки, що проштовхує молекули оксидів. Цей процес відомий як термічна дифузія. Згодом горілка пересувається вперед та назад по довжині заготовки, щоб осадити матеріал рівномірно. Наступним кроком є підвищення температури трубки по всій її довжині до межі, коли осадження плавляться для того щоб кристалізуватися у твердий шар. Цей цикл повторюється до тих пір, поки не буде досягнута достатня кількість оксидів. Для кожного прошарку звісно можна змінювати елементи та концентрацію складових, що призведе до точнішого контролю остаточних показників оптичного волокна.

 

У випадку зовнішнього осадження випарів скло формується гідролізом полум'я. Це реакція, під час протікання якої тетрахлориди кремнію і германію окислюються взаємодією із водою шляхом горіння гримучого газу. Зовнішнє осадження скла відбувається на щільний прут, котрий переустановлюється перед подальшою обробкою.

 

У випадку осьового осадження випарів скло надбудовується на кінці короткого пористого ядра у виглді прута, на довжину якого не впливає розмір стрижня, що є джерелом матеріалу. Далі, пориста форма трансформується у твердотілу заготовку шляхом нагрівання температури близької 1800К.

 

Отримана таким шляхом заготовка встановлюється у витяжну башту, де після нагрівання її кінця до температури плавлення оптичний світловод отримується як нитка шляхом витягування. Вимірюючи кінцевий поперечний розмір волокна, напругою розтягування контролюється його товщина.

[ред.]

Ґрунтовка

 

Світлові промені направляються по серцевині волокна і за допомогою оболонки утримуються там завдяки повному внутрішньому віддзеркаленню.

 

Оболонка у свою чергу ґрунтується буфером, що оберігає її від вологи та фізичних ушкоджень. Під час колення чи зрощення волоска зачищається саме буфер. Саме ця ґрунтовка на основі композиту етилуретан-акрилату наноситься на волокно із зовні під час процесу витягування та консервується ультрафіолетовим світлом. Ґрунтовка оберігає дуже делікатні пасма скляних волокон, десь за розміром людської волосини, та дозволяє їм пройти через суворі стадії обробки, як зондування, укладання та монтаж.

 

На сьогоднішній день у виробництві оптоволокна ґрунтування виконується подвійним нашаруванням. Внутрішня основна плівка призначена для поглинання механічного стресу та зменшення згасання, спричиненого мікродеформаціями. Зовнішня плівка покриває основну і виступає бар'єром механічних навантажень, що спричиняються дією бокових сил. Деколи додається також металічний прошарок для бронювання.

 

Прошарки ґрунтовки оптичних волокон виконуються під час витягування на швидкості десь біля 100 кілометрів на годину. Покриття оптоволокна можливе одним із двох методів: «мокрий-на-сухо» та «мокрий-на-мокрий». У випадку «мокрий-на-сухо» світловод піддається основній обробці, а потім ультрафіолетовому консервуванню і наступному проходу обробки. У другому випадку «мокрий-на-мокрий» волоск покривається основним і допоміжним шаром, і тільки після цього — ультрафіолетовому консервуванню.