Для чего используют световоды

1.2 СВОЙСТВА СВЕТОВОДА, ОСНОВАННЫЕ НА ЗАКОНАХ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ

1.2.1 Виды световодов

Световод – это устройство, ограничивающее область распространения оптических колебаний и направляющее поток световой энергии в заданном направлении.
Различают два вида световодов: плоские и волоконные (рисунок 1.1, 1.2)

а – плёночного; б – канального	а – однослойного; б – двухслойного; в – трёхслойного
Рисунок 1.1 – Конструкции плоских световодов	Рисунок 1.2 – Конструкции волоконных световодов

Плоские (планарные) световоды в свою очередь подразделяют на плёночные (рисунок 1.1,а) и канальные (рисунок 1.1,б).

Волоконный световод (ВС) – это направляющая система, выполненная в виде тонкого стеклянного волокна цилиндрической формы, состоящая из сердцевины и оболочки, по которой осуществляется передача световых волн.

Волоконные световоды бывают однослойные (рисунок 1.2,а), двухслойные (рисунок 1.2,б) и трёхслойные (рисунок 1.2,в) и т.д. Показатель преломления материала сердцевины n₁= &#8730&#949₁, а оболочки – n₂= &#8730&#949₂, где &#949₁ и &#949₂ – относительные диэлектрические проницаемости. Относительная магнитная проницаемость материала &#956 обычно постоянна и равна единице. Показатель преломления вакуума n₀ равен единице.

Типичный волоконный световод представляет собой длинную нить диаметром от 100 до 1000мкм в зависимости от применений, состоящую из цилиндрической сердцевины, окружённой одной или несколькими оболочками из материалов с меньшими показателями преломления. Показатель преломления оболочки постоянен, а сердцевины в общем случае является функцией поперечной координаты (например, радиуса в случае круглого световода). Эту функцию называют профилем показателя преломления (ППП).

Отрезки световодов используют для построения оптических устройств как активных (генераторов, модуляторов, демодуляторов и т.п.), так и пассивных (ответвителей, мостов, соединителей и т.п.).

1.2.2 Принцип действия волоконного световода. Типы лучей. Моды

Для передачи электромагнитной энергии по световоду используется известное явление полного внутреннего отражения на границе раздела двух диэлектрических сред, поэтому, как будет показано ниже, необходимо, чтобы n₁>n₂. Разность показателей преломления на границе «сердцевина – оболочка» обычно составляет 1–0,1%. Кроме того, оболочка защищает распространяющийся по сердцевине свет от любых внешних воздействий и помех.

В зависимости от величины угла &#952, который образуют с осью лучи, выходящие из точечного источника в центре торца световода (рисунок 1.3), возникают лучи излучения 1, лучи оболочки 2 и лучи сердцевины 3.

Рисунок 1.3 – Принцип действия волоконного световода

Типы лучей. В сердцевине существуют два типа лучей: меридиональные, которые пересекаются в некоторой точке с осью световода и косые, которые с осью световода не пересекаются. На рисунке 1.3 показаны меридиональные лучи.

Лучи, траектории которых полностью лежат в оптически более плотной среде, называются направляемыми. Поскольку энергия в направляемых лучах не рассеивается наружу, такие лучи могут распространяться на большие расстояния.

Моды. Световые волны, которые образуются направляемыми лучами, многократно отражаясь от границы «сердцевина – оболочка», накладываются сами на себя и образуют направляемые волны (моды). Для облегчения восприятия под модой достаточно понимать вид траектории, вдоль которой распространяется свет.

1.2.3 Типы волокна

Оптическое волокно – это сочетание стеклянного волокна с защитным покрытием, являющимся конструктивным элементом. Термин используется обычно при рассмотрении конструктивных и технологических особенностей волоконно оптических кабелей.

Термины «оптическое волокно» и «волоконный световод» являются синонимами. Последний обычно применяется при рассмотрении вопросов передачи информации с помощью законов оптики.

Волокно, в котором распространяется несколько мод, называется многомодовым (ММ). В ММ волокне диаметр сердцевины больше длины волны (d_c>>&#955). Волокно, в котором распространяется одна мода называется одномодовым (ОМ). В ОМ волокне диаметр сердцевины соизмерим с длиной волны (d_c&#8776&#955). По существующему международному стандарту для средств связи принято, что диаметр оболочки волокна должен быть равен 125 мкм. Оболочка изготавливается из кварцевого стекла (SiO₂) с n₂=1,45, а сердцевина – из кварцевого стекла с добавками GeO₂ или P₂O₅. Для промышленно выпускаемых световодов ОМ волокно имеет диаметр сердцевины 7–10мкм, а ММ волокно – 50–65,5мкм.
Существует три основных типа волокон: ступенчатое ММ, градиентное ММ и ступенчатое ОМ волокно (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 – Поперечное сечение и ППП ступенчатого многомодового (а), градиентного многомодового (б) и ступенчатого одномодового (в) волокна

Принцип передачи электромагнитной энергии по ступенчатому многомодовому, градиентному многомодовому и ступенчатому одномодовому волокну представлен на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 – Лучевой принцип распространения электромагнитной энергии по ступенчатому многомодовому (а), градиентному многомодовому (б) и ступенчатому одномодовому (в) волокну

Лучи света входят в сердцевину волокна с торца и удерживаются за счёт полного внутреннего отражения внутри сердцевины (рисунок 1.5,а), или изгибаются в направлении градиента показателя преломления (рисунок 1.5, б).

1.2.4. Геометрические параметры световода

Формальные выкладки удобнее производить для ступенчатого световода, в котором показатель преломления сердцевины является постоянной величиной (n₁=const). На рисунке 1.6 показан ход лучей в таком световоде.

Рисунок 1.6 – Ход лучей в волоконном световоде со ступенчатым профилем показателя преломления

где
n₁ – показатель преломления среды 1;
&#952₁ – угол падения;
n₂ – показатель преломления среды 2;
&#952₂– угол преломления.
Рассмотрим три случая:
а) Так как сердцевина является оптически более плотной средой по отношению к оболочке (n₁>n₂), то существует критический угол падения &#952₁=&#952_kp – внутренний угол падения на границу, при котором преломлённый луч (луч1) идёт вдоль границы сред (&#952₂=90 o ).
Из закона Снеллиуса легко найти этот критический угол падения:

Воспользуемся выражением n₁sin&#952_kp=n₂ и выразим sin&#952_A через показатель преломления сердцевины и оболочки, полагая n₀=1:

Для градиентного волокна используется понятие локальной числовой апертуры

значение которой максимально на оси и падает до 0 на границе сердцевины и оболочки. Для градиентного волокна с параболическим ППП используется понятие эффективной числовой апертуры:

где n₁(0) – максимальное значение показателя преломления.

Нормированная частота. частотойОказывается целесообразным ввести нормированную частоту &#957, которая объединяет структурные параметры ВС и длину волны излучения:

Источник

световод

Наиб. перспективный и широко применяемый в настоящее время (1990-е гг.) тип С.- гибкий диэлектрич. волоконный С. с низкими оптич. потерями (см. Волоконная оптика ),позволяющий передавать свет на большие расстояния. В простейшем варианте он представляет собой тонкую нить из оптически прозрачного материала, сердцевина к-рой радиуса a₁ имеет показатель преломления n₁, а оболочка с радиусом а₂ имеет показатель преломления п₂ 11 Гц*км.

Рис. 2. Спектр оптических потерь (а) и дисперсии групповой скорости (произвольные единицы, б).

Изменением профиля показателя преломления волоконного С. можно сместить нуль дисперсии в область вблизи 1,55 мкм, где расположен абс. минимум оптич. потерь. Такие волоконные С. (со смещённой дисперсией) разработаны и находят большое применение в широкополосных системах дальней оптич. связи. Разработаны волоконные С. более сложной конструкции, напр. многослойные С., в т. ч. с сильным двулучепреломлением. Одномодовые С. последнего типа перспективны для применений, где необходимо сохранить поляризацию распространяющегося света.

Наиб. интересным нелинейным эффектом, имеющим большое практич. значение, является солитонный режим распространения оптич. импульсов в волоконных С. в спектральной области отрицательной дисперсии групповой скорости ( мкм, рис. 2, б).

В идеальном С. без потерь оптический солитон распространяется без изменения своей формы. Поэтому солитоны перспективны как носители информации в широкополосных и протяжённых волоконно-оптич. системах связи. Разработаны лаб. солитонные системы связи, к-рые, как полагают, могут использоваться в коммерч. сетях связи в нач. 21 в.

При практич. использовании волоконных С. важной их характеристикой является механическая прочность. Теоретич. прочность на разрыв нитей из кварцевого стекла составляет 20-25 ГПа, макс. прочность С. на основе кварцевого стекла, защищённых полимерной плёнкой, равна 5-6 ГПа. Прочность высококачеств. волоконных С. зависит от поверхностных дефектов стекла (трещин, раковин и т. д.), к-рые в присутствии влаги под действием приложенных к С. напряжений увеличиваются, достигая уровня, при к-ром происходит разрушение С. Один из эффективных способов повышения прочности С.- нанесение на С. герметичных покрытий в процессе их изготовления. Нанесение металлич. герметичных покрытий позволило получить лаб. образцы С. с прочностью до 12-15 ГПа. На рис. 3 приведены ф-ции распределения прочности волоконных С. с полимерными (а) и металлическими (б)покрытиями.

Рис. 3. Функции распределения прочности волоконных световодов на основе кварцевого стекла с полимерными (а) и герметичными металлическими (б) покрытиями.

Изготовление и применение световодов. Волоконные С. на основе кварцевого стекла с низкими оптич. потерями изготовляют методом хим. осаждения из газовой фазы. В качестве исходных соединений используются кислород и хлориды кремния, германия, фосфора и др. Получаемая этим методом заготовка диам. 20-30 мм и длиной 400-1000 мм перетягивается в волоконный С. диам. 100 мкм с одновременным нанесением на него защитно-упрочняющей оболочки.

В 80-90-х гг. разработаны волоконные С., легированные эрбием, перспективные в качестве активной среды в волоконных усилителях, накачиваемых излучением полупроводниковых лазеров. Эрбиевые волоконные усилители работают в спектральной области вблизи 1,55 мкм, совпадающей с областью мин. оптич. потерь совр. С., и являются альтернативой электронным ретрансляторам в широкополосных волоконно-оптич. системах дальней связи.

Лит.: Мидвинтер Дж., Волоконные световоды для передачи информации, пер. с англ., М., 1983; Хансперджер Р., Интегральная оптика, пер. с англ., М., 1985; Д и а н о в Е. М., Волоконная оптика: проблемы и перспективы, «Вестник АН СССР», 1989, № 10, с. 41; Девятых Г. Г. Д и а н о в Е. М., Волоконно-оптическая связь: 20 лет спустя, там же, 1990, № 6, с. 143; Дианов Е.М., Прохоров А. М.„ Оптическая связь на основе нелинейных явлений в волоконных световодах, там же, 1990, № 10, с. 42. Е. М. Дианов.

Источник

Световод

Полезное

Смотреть что такое «Световод» в других словарях:

световод — световод … Орфографический словарь-справочник

Световод — Световод. Потери в световоде в зависимости от длины волны. СВЕТОВОД, устройство для направленной передачи световой энергии. Первый световод представлял собой оптико–механическое устройство (набор зеркал, линз, закрытых в трубы). Позже стали… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

СВЕТОВОД — (светопровод) устройство для направленной передачи световой энергии. Наиболее распространен стеклянный волоконный световод, представляющий тонкую нить, сердцевина которой имеет показатель преломления больший, чем оболочка. Свет в световоде… … Большой Энциклопедический словарь

СВЕТОВОД — (светопровод, волновод оптический), закрытое устройство для направленной передачи (канализации) света. В открытом пр ве его передача возможна только в пределах прямой видимости и связана с потерями, обусловленными нач. расходимостью излучения,… … Физическая энциклопедия

световод — фокон, светопровод, микросветовод Словарь русских синонимов. световод сущ., кол во синонимов: 3 • микросветовод (1) • … Словарь синонимов

СВЕТОВОД — СВЕТОВОД, а и СВЕТОПРОВОД, а, муж. (спец.). Полая металлическая трубка или прозрачный стержень, нить, по к рым передаются световые лучи. Передача изображения по световодам. | прил. световодный, ая, ое и светопроводный, ая, ое. Толковый словарь… … Толковый словарь Ожегова

световод — светопровод См. lightguide. [Л.М. Невдяев. Телекоммуникационные технологии. Англо русский толковый словарь справочник. Под редакцией Ю.М. Горностаева. Москва, 2002] Тематики электросвязь, основные понятия Синонимы светопровод EN guide … Справочник технического переводчика

СВЕТОВОД — (светопровод, волновод оптический) закрытое устройство для направленной передачи (см.) и световой информации на большие расстояния и по криволинейным трассам без искажений и с низкими потерями. Наиболее распространённый и перспективный гибкий… … Большая политехническая энциклопедия

световод — а; м. Техн. Полая металлическая трубка или прозрачный стержень, нить или пучок нитей, по которым передаются световые лучи. Передача изображения по световодам. * * * световод светопровод, устройство для направленной передачи световой энергии.… … Энциклопедический словарь

Световод — Связка оптоволокна. Теоретически, использование передовых технологий, таких как DWDM, со скромным количеством волокон, которое представлено здесь, может дать достаточную пропускную способность, с помощью которой легко было бы передать всю… … Википедия

световод — šviesolaidis statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. light conductor; lightguide; optical waveguide vok. Lichtleiter, m; Lichtleitfaser, f; Lichtwellenleiter, m rus. оптический волновод, m; световод, m pranc. guide de lumière, m; guide d… … Automatikos terminų žodynas

Источник

Применение световода

Автор: Пользователь скрыл имя, 18 Декабря 2012 в 06:24, курсовая работа

Краткое описание

Таким образом, на сегодняшний день волоконный световод, оптические кабеля и волоконно-оптическая система передачи в таких отраслях хозяйства нашей страны, как радиоэлектроника, информатика, связь, вычислительная техника, космос, медицина, голография, машиностроение, атомная энергетика и др. играют решающее значение.

Оглавление

Файлы: 1 файл

Курсовая Титов.doc

Световоды широко используются при изготовлении различных элементов индикации, светового оформления рекламы и подсветки. Например, пучки световодов (световоды) используются в медицинских и других аналогичных целях там, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых случаях световоды используются в элементах индикации например для обозначения маршрута от исходной точки в какую-нибудь часть здания. Освещение при помощи оптических световодов часто используется и в декоративных целях, включая коммерческую рекламу и всевозможные праздничные гирлянды. [3]

Диск фрисби, освещенный оптоволокном Бронхоскоп

Световоды широко используются и для оптической передачи изображения.

Оптические световоды совместно с объективом используется в устройствах для формирования изображения. Плотный пучок тонких оптических волокон, тщательным образом объединённый с обеих сторон, (световод) используется в эндоскопах, предназначенных для осмотра или фотографирования объектов через маленькое отверстие. При этом, проектируемое на торец сваренных воедино световодов изображение, разбивается на большое число фрагментов (размером равным диаметру используемых в световоде оптических волокон) и передаётся на другой конец световода. Там, эти волокна снова плотно соединяются между собой в строгом соответствии с «принимающей» изображение стороной (иначе каждый фрагмент исходного изображения будет попадать на «не своё» место). В итоге на втором торце мы получим проектируемое на первый торец изображение. [3]

Маркировка оптических волокон (световодов) [1]

В 1982 г. стандартом IEC 304 Международного электротехнического комитета (МЭК) были определены двенадцать стандартных цветов изоляции низкочастотных кабелей и проводов (табл.1), которые используются и для цветового кодирования оптических волокон (ОВ) в группах, содержащих до 12 ОВ. Нумерация же ОВ, сопоставляемая с цветом, предусмотренным названным стандартом МЭК, определяется национальными стандартами (табл. 2).

В случае, если в одном оптическом модуле одновременно находятся более 12-ти оптических волокон, то оболочки следующих по счёту оптических волокон, повторяют последовательность цветов предыдущих волокон с той разницей, что на них по всей длине ещё наносятся поперечные метки в виде, например, чёрной полосы, через каждые 25 мм.

В некоторых случаях метки на оболочках последующих волокон, наносят через большие промежутки, например, 40 мм, 60 мм, 80 мм. Некоторые производители оптических кабелей поступают иначе. Все волокна в каждом оптическом модуле разделяют на группы по 12 цветов в соответствии с принятым обозначением, оборачивая каждую группу оптических волокон нитью окрашенной в различные цвета (обычно красный, зелёный, синий и т. д.).

Материалы, из которых изготовляют световоды [3]

Кварц (нем. Quarz — твёрдый) — самый распространённый минерал в земной коре, породообразующий минерал большинства магматических и метаморфических пород.

кварца (SiO₂) Горный хрусталь (SiO₂)

Фториды — класс неокисных оптических качественных стекол, полученых из фторидов различных металлов стеклянной группы.

Из-за их низкой вязкости очень трудно полностью избежать кристаллизации при варке стекла. Изготовление его производится с учётом получения аморфного состояния при остывании (или сохранения формы волокна при плавлении).

Стекло фосфата составляет класс оптических материалов, составленных из metaphosphates различных металлов. Вместо SiO₄ tetrahedra, наблюдаемый в руде силиката, стандартный блок для этого прежнего стекла Фосфор pentoxide P₂O₅(P₂O₅), который кристаллизован по крайней мере в четырех различных формах.

Знакомая кристаллическая решётка включает молекулы P₄O₁₀.

Включения фосфата могут быть выгодными в смеси с кварцем для оптических волокон с высокой концентрацией добавка редкоземельных ионов. Соединение стекла фторида и стекла фосфата даёт флюоресфосфорное стекло.

Производство оптического волокна (световодов) [3]

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. И в тоже время Материал оболочки должен хорошо прилипать к сердцевине волокна.

Эти два требования предотвратят чрезмерные потери света при рассеивании и при выходе света за пределы волокна.

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).

Волоконные световоды с самыми низкими потерями изготовляют следующим образом. Материал оболочки и сердцевины (чистое кварцевое стекло и легированное кварцевое стекло) получают окислением газообразных соединений кремния и легирующего элемента (например, SiC_l4 и SiC_l4+BC_l3) и осаждением их из газовой фазы в определённой последовательности (с одновременным плавлением) на внутреннюю поверхность кварцевой трубки. Затем кварцевую трубку сжимают и из полученной заготовки вытягивают волокно.

На сегодняшний день разработаны весьма перспективные волоконные световоды более сложной конфигурации, например многослойные световоды и световоды с непрерывным изменением ПП по сечению волокна. Световоды с распределением ПП по квадратичному закону получили название селфоков.

Теперь остановимся на производстве оптического волокна (световодов) на основе кварцевого стекла. [3]

Технологический процесс изготовления световодов на основе кварцевого стекла делится на два этапа.

Второй – вытягивание световода из заготовки.

Как было сказано выше, сначала изготавливают заготовки для производства оптического волокна. Они представляют собой стеклянные стержни, состоящие из стекла сердцевины и стекла оболочки. Далее из этих заготовок, при сильном нагревании одного конца, производится вытяжка в волоконный световод, при этом одновременно наносится первичное буферное покрытие, являющееся его защитной оболочкой.

Одним из первых методов изготовления волоконных световодов был метод «стержень в трубке», при котором стержень из высокочистого кварцевого стекла в качестве сердцевины вдвигался в трубку из кварцевого стекла с меньшим показателем преломления, служащего оболочкой. Недостаток метода в том, что любые мельчайшие повреждения и примеси на их граничной поверхности после вытяжки световода приводят к большим величинам затухания (до 500 — 1000 дБ/км) и, кроме того, этим методом можно изготовить только многомодовые световоды со ступенчатым профилем показателя преломления.

Второй метод — «двойного тигля» или метод «совмещённого расплава». При этом световод вытягивается из расплава, где компоненты сердцевины и оболочки плавятся в двух разных тиглях. За счёт диффузии или ионного обмена между стеклом сердцевины и стеклом оболочки можно изготавливать волоконные световоды с градиентным профилем показателя преломления. При этом методе удаётся получить волокна с затуханием от 5 до 20 дБ/км. при длине волны 850 нм.

Следующий метод «разделения фаз», при котором стержень из натрийборселикатного стекла выдерживается длительное время при температуре 600° С. За это время переходные металлы, такие как Fe и Cu, собираются в натрийборатстеклофазе и далее выщелачиваются с помощью кислоты. Получившаяся пористая заготовка пропитывается раствором нитрата цезия и промывается. Из такой заготовки получают волоконные световоды со ступенчатым и градиентным профилем, с затуханием от 10 до 50 дБ/км при длине волны 850 нм.

Прорыв в производстве оптических волокон был достигнут при производстве заготовок методом парофазного осаждения — способа, который впервые был использован в 1970 году американской фирмой Соrning Inc. При этом методе осаждение стекла может происходить на внешней поверхности вращающегося затравочного стержня (OVD method, Outside Vapor Deposition), на торцевой поверхности стержня из кварцевого стекла (VAD method, Vapor Axial Deposition) или на внутренней поверхности вращающейся опорной трубки из кварцевого стекла (IVD method, Inside Vapor Deposition). При этих методах осаждение стекла происходит за счёт реакции разложения сильнолетучих высокочистых соединений в кислородно-водородном или плазменном пламени.

Газы, типа четырёххлористого кремния SiCl₄ и четырёххлористого германия GeCl₄ вводятся вместе с кислородом с одной стороны к заготовке. При этом вращающаяся заготовка нагревается с помощю внешней горелки, с температурой нагрева до 1600°C (1900°K, 3000°F). При этом, в результате реакции получаются частицы кварца и диоксида германия. При этом условия реакции выбраны так, чтобы обеспечить реакцию в газовой фазе по всему объему реактора (трубы), в отличие от более ранних методов, где реакция происходила только на части поверхности заготовки.

Технология вытяжки оптического волокна из заготовок[3]

Для вытягивания волокна заготовка закрепляется вертикально в патроне вытяжной установки. Положение патрона в вертикальном направлении регулируется с использованием подающего механизма. Нижний конец заготовки нагревают до температуры 2000°С с помощью нагревательного элемента, так что можно вытягивать волокно вниз из плавящейся заготовки. Для того чтобы диаметр волоконного световода оставался постоянным и требуемой величины, необходимо обеспечить возможность точной регулировки скорости вытяжки (обычно 300 м/мин) и подающего механизма с помощью системы автоматического управления.

Во время вытягивания геометрические соотношения стекла сердцевины и оболочки остаются неизменными, хотя уменьшение диаметра заготовки по отношению к диаметру волоконного световода возможно в соотношении до 300 : 1. Таким образом, при вытяжке, профиль показателя преломления остаётся неизменным.

Непосредственно за измерительным прибором для контроля диаметра, вокруг волокна наносится первичное защитное покрытие. Такое полимерное покрытие, обычно имеющее двухслойную структуру, предназначено для увеличения прочности волоконного световода, для защиты его от внешних воздействий, механических микроизгибов и упрощения операций по дальнейшей работе с волоконным световодом. Это полимерное покрытие полимеризуется под воздействием тепла или ультрафиолетового излучения. После упрочнения покрытия световод проходит по системе роликов, в которой он подвергается воздействию растягивающего усилия, которое может регулироваться с большой точностью. Световод должен выдерживать эту нагрузку до того, как он будет намотан на цилиндрический барабан.

Источник