FIBRELE OPTICE

Din punctul de vedere al opticii, pentru a obtine informatii despre un obiect trebuie indeplinite cel putin trei conditii si anume: (a) obiectul sa fie luminos, adica sa emita lumina direct sau indirect, (b) lumina care provine de la obiect sa fie transmisa catre locul unde se face detectia fara pierderi prea mari si (c) cantitatea de lumina care ajunge la locul de detectie sa fie suficient de mare. Observam ca mediul prin care se transmite informatia optica este de importanta esentiala pentru ca semnalul optic transmis sa nu fie "mutilat" sau distorsionat.

Chiar si in cazurile cand ne intereseaza doar simpla observare a obiectelor, dispozitivele si aparatele optice clasice sau devin prea complicate sau nu pot rezolva o anumita problema de rezolvare. Sa luam doar un singur exemplu: cei care lucreaza in domeniul medical sunt interesati sa dispuna de metode rapide si sigure de explorare a anumitor parti interne sau organe interne ale organismului uman. Metodele clasice, bazate pe folosirea lampilor cu incandescenta, nu numai ca sunt greoaie si implica iluminari mici, dar prezinta si riscuri datorita folosirii conexiunilor electrice. Toate aceste dificultati sunt eliminate daca iluminarea se face din afara prin intermediul unei fibre optice subtiri.

Insa fibrele optice sunt deja folosite pe scara larga in tehnica comunicatiilor sau de transmitere a imaginilor. Aceasta posibilitate este faciliata de natura electromagnetica a luminii, frecventa undelor luminoase fiind mult mai mare decat cea a undelor radio. Antr-un context mai general fibrele optice reprezinta un domeniu al opticii integrate, iar progresele care vor fi obtinute in cadrul opticii integrate vor depinde foarte mult de progresele ce se vor realiza in domeniul fibrelor optice.

Ca domeniu al opticii, care a aparut exclusiv din necesitati practice dintre cele mai diverse, fibrele optice au cunoscut o dezvoltare rapida dupa anul 1950 ca rezultat al obtinerii primelor fibre optice cu performante ridicate. Principiul de functionare al fibrelor optice este asemanator, din multe puncte de vedere, cu principiul de transmitere a luminii printr-o bagheta de sticla transparenta. Teoretic, lumina poate fi transmisa printr-o astfel de bacheta de sticla optica, daca indicele de refractie al sticlei este mai mare decat indicele de refractiei al aerului. Din punct de vedere practic insa, neomogenitatile de compozitie si de prelucrare, precum si impuritatile de pe suprafata materialului implica piederi foarte mari de lumina de-a lungul parcursului luminii. Pe de alta parte, natura electromagnetica a radiatiei luminoase arata ca pot aparea pierderi de lumina si fenomene parazite care limiteaza drastic posibilitatile de folosire practica a fibrelor optice.

Indiferent de domeniile in care se folosesc, fibrele optice sunt ghiduri de lumina folosite pentru transmiterea informatiilor cu piederi mici de energie dintr-un loc in alt loc. Vom analiza transmiterea radiatiei luminoase prin fibrele optice din punctul de vedere al opticii geometrice si din punctul de vedere al opticii ondulatorii.

FIBRA OPTICA SIMPLA

Prin fibra optica simpla intelegem un mediu optic transparent, de mare lungime, cu sectiunea transversala circular simetrica si indicele de refractie constant sau radial variabil, separat de un alt material cu indicele de refractie constant si mai mic, pentru ca la suprafata de separare sa se produca reflexia totala a radiatiei luminoase, fara pierderi. Dupa mudul de variatie radiala a indicelui de refractie al materialului transparent, denumit miezul fibrei optice, distingem mai multe tipuri de fibre optice reprezentate in figura 8.1. Invelisul fibrei optice are si rolul de aproteja de impuritati suprafata de separare dintre miez si invelis, la care se produce fenomenul de reflexie totala. Tehnologia de obtinere a fibrelor optice este prezentata de Tader si Spulber (1985).

CONSIDERATII DE OPTICA GEOMETRICA

Propagarea radiatiei luminoase prin fibra optica poate fi analizata din punctul de vedere al opticii geometrice atunci cand diametrul miezului fibrei optice este mare comparativ cu lungimea de unda a radiatiei luminoase (efectele de difractie se neglijeaza). Daca diametrul miezului fibrei optice este de acelasi ordin de marime cu lungimea de unda a radiatiei luminoase, analiza trebuie facuta in cadrul opticii ondulatorii. In aceasta sectiune vom considera ca sunt implinite conditiile de aplicabilitate a opticii geometrice.

In limbajul opticii geometrice, radiatia luminoasa incidenta la limita de separare dintre miezul fibrei (cu indicele de refractie n₁ ) si invelisul protector (cu indicele de refractie n₂, n₁ > n₂) va fi reflectata total si deci se va propaga fara pierderi de-a lungul fibrei optice, daca unghiul de incidenta θ este mai mare sau egal cu unghiul limita l (0>l), unde unghiul limita este dat de relatia

sin l=n₂/n₁=1/n₂₁ (8.1)

Fie o fibra optica cilindrica cu sectiunea transversala, circulara de raza R₀ si cu indicele de refractie n₁=constant, inconjurata de un mediu protector cu indicele de refractie n₂=constant si fie SI o raza de lumina, care intersecteaza axa de simetrie a fibrei, incidenta pe suprafata plana a fibrei optice, perpendiculara pe axa de simetrie, sub unghiul de incidenta i, asa cum se arata in figura 8.2. Dupa ce sufera refractia la suprafata plana sub unghiul de refractie r, dat de relatia

r=arc sin (n₀/n₁ sin i), (8.2)

unde n₀ este indicele de refractie al mediului din care lumina patrunde in fibra, raza de lumina ajunge la suprafata de separare dintre miezul fibrei si mediul protector sub unghiul de incidenta θ dat de relatia

θ=π/2-r. (8.3)

Conform relatiilor (8.1)- (8.3), conditia de reflexie totala in punctul I' este data de relatia

sin θ=cos r=(1-sinr) =(1-n₀ /n₁ sini)>n₂/n₁, (8.4a)

sau

(n₁-n₂)≡sin i_max>sin i. (8.4b)

Aceasta inseamna ca orice raza de lumina, incidenta pe suprafata plana a fibrei optice sub unghiul de incidenta i mai mic decat unghiul i_max, dat de relatia (8.4b), va fi trapata in fibra optica (raza trapata). Unghiul de refractie maxim pentru o raza trapata este dat de relatia

sin r_max= n₀ sin i_max= (1- n₂) . (8.4c)

n₁ n₁

Apertura numerica (A.N.) a fibrei optice este

A.N.= n₀ sin i_max= (n₁-n₂) .

Fig 8.3. Distanta de la axa de simetrie la drumurile succesive parcurse de raza in interiorul fibrei optice este o marime constanta, notata cu d_c . De asemenea si unghiul de incidenta θ din interiorul fibrei ramane constant, fiind dat de relatia

cos θ= sin r cosγ= n₀ sin i cos γ

n₁

unde sin γ= d_c/R₀. In functie de unghiul de incidenta la intrare,i, conditia de trapare a razei de lumina se scrie n₀ sin i< A.N. sec γ. Razele incidente care nu intersecteaza axa de simetrie a fibrei optice determina o apertura numerica virtuala (A.N.V.) care se poate calcula folosind relatia

A.N.V.= n₀ sin i_max= (n₁-n₂) sec γ .

Intrucat nu toate razele de acest fel sunt trapate de fibra optica, chiar daca se indeplineste conditia i < i_max, apertura numerica efectiva (A.N.E.) se calculeaza cu ajutorul relatiei

(A.N.E.)= n₀- 2

pentru obtinerea careia s-au luat in consideratie toate razele de lumina, indiferent daca intersecteaza sau nu axa de simetrie, iar fibra optica s-a considerat perfect cilindrica.

Cand suprafata plana, a fibrei opice, prin care intra lumina, este oblica fasa de axa de simetrie, conul razelor trapate va fi si el oblic, la iesirea din fibra, fata de axa de simetrie. Reprezentarea schematica a formei fasciculului incident si de forma suprafetei prin care intra lumina, este data in figurile 8.4 a, b, c.

Daca fibra optica este conica, asa cum se arata schematic in figura 8.5, unghiul de incidenta al unei raze trapate in interiorul fibrei se modifica de-a lungul acesteia, raza de lumina putandu-se chiar intoarce la suprafata de intrare. Conditia de trapare a unei raze de lumina care intersecteaza axa de simetrie a fibrei conice este data de relatia

n₀ sin i= n₁ sin r= n₁R₂ sin r_x< (n₁-n₂) R₂

R₁ R₁

unde R₁ este raza suprafetei de intrare, iar R₂ raza suprafetei de iesire ale fibrei conice. Apertura numerica a fibrei optice conice este mai mica de R₁/R₂ ori decat apertura numerica a fibrei optice cilindrice. Obtinerea unei cat mai mari concentratii spatiale de lumina se poate realiza prin conicizarea fibrei optice, insa acest lucru este acompaniat de cresterea divergentei unghiulare a fasciculului de lumina. Putem creste suprafata iluminata de fascicul micsorand unghiul de convergenta al conului.

Prin Curbarea fibrei optice anumite raze de lumina initial trapate pot trece in mod radiativ. In practica razele de curbura sunt mari, incat pierderile radiative sunt neglijabile, ceea ce asigura un mare avantaj fibrelor optice ca ghiduri de lumina. Curbarea fibrei optice distruge simetria axiala. Efectul curbarii se manifesta cel mai pregnant asupra razelor de lumina din planul de curbura care intersecteaza axa; de aceea, pentru inceput vom lua in consideratie numai astfel de raze, reprezentarea schematica fiind data in figura 8.6. Raza de lumina care intra in fibra optica in punctul I'' este refractata sub unghiul de refractie r, iar unghiul de incidenta θ₁ in punctul I , obtinut prin aplicarea teoremei sinusului in triunghiul I`I``O va fi

sin θ₁=R_c-R₀ sin I``I`O=R_c-R₀ cos r .

R_c+R₀ R_c+R_o

Unghiul de incidenta pentru urmatorul punct de incidenta, I``, va fi θ₂=π-r

2

iar drumul parcurs de raza de lumina intre doua reflexii succesive va fi

d= I`I``= (R_c+R₀) sin β ,

cos r

Rezultatul obsinut evidentiaza faptul ca in cazul fibrelor optice cu indici de refractie care difera foarte pusin unul de altul, chiar si micile curbari ale fibrei optice distrug efectul de trapare a razelor de lumina.

CONSIDERATII PE BAZA OPTICII ELECTROMAGNETICE

Multe fenomene care apar la ghidarea luminii prin fibrele optice nu pot fi abordate in cadrul opticii geometrice; pentru explicarea lor trebuie folosita optica electromagnetica. Asemanarea ghidurilor de unda rectangulare, fibrele optice cu sectiunea transversala circulara pot suporta mai multe moduri. Calitativ, modurile pot fi descrise in raport de variatia radiala a campului cu maxime sau minime pe axa de simetrie si cu maxime aditionale de-a lungul razei miezului. Acestea din urma se noteaza cu litera m. Modurile stationare sunt caracterizate de un camp care scade monoton in afara miezului fibrei optice.

Concomitent cu variatia radiala poate aparea si o variatie azimutala; campul poate vira ciclic in apropierea circumferintei. Lungimea circumferintei trebuie sa corespunda unui numar intreg l de cicluri. Daca lumina este polarizata liniar (PL), diferitele moduri sunt caracterizate prin notatii simbolice de forma PL_lm.

Atenuarea fasciculului de lumina in timpul propagarii de-a lungul fibrei optice se datoreaza in principal urmatoarelor cauze:

-reflexiei la suprafata de intrare in fibra optica;

-imprastierii si absorbtiei in materialul fibrei optice;

-reflexiei totale incomplete la limita de separare miez-strat.

Atenuarea este mare la inceputul fibrei optice dupa care in fibra se propaga numai modurile trapate ramase.

Fibra optica simpla are deja multiple aplicatii practice. Ea poate fi folosita ca aparatura de dimensiuni mici in cele mai diverse dispozitive. De asemenea, ea este folosita pentru transportul energiei radiative in scopuri de incalzire locala a materialelor. De exemplu, in cuplaj cu o lampa incandescenta de 100W fibra optica simpla s-a folosit pentru sudarea conexiunilor din dispozitivele electronice.

Cand sunt implicate densitati mari de energie radianta, transmisa, ca in cazul cuplarii fibrei optice cu un laser de putere, efectul de solarizare a materialului limiteza domeniul de aplicabilitate al fibrei optice. De pilda, pentru o densitate de putere de 15kW/cm o fibra optica obisnuita, lunga de 1,5m, isi reduce transmitanta in timp de 7 min de la 0 la 0,25, din cauza solarizarii. Folosirea unor materiale optice cu proprietati superioare a permis obtinerea unor fibre optice in care efectul de solarizare, in conditiile specificate, determina o reducere a transmitantei in timp de o ora de numai 10%.

CABLURI DIN FIBRE OPTICE

Desi fibra optica simpla are o mare flexibilitate, datorita faptului ca energia si cantitatea de informatie transmise prin fibra sunt limitate, se folosesc cabluri alcatuite din mai multe fibre optice simple.

Cablurile de fibre optice sunt de doua feluri:

cabluri necoerente sau ghiduri de lumina, care se folosesc atunci cand semnalul transmis de o fibra optica simpla a cablului nu este corelat cu semnalele transmise se celelalte fibre simple ale cablului; in astfel de cabluri nu este importanta pozitia relativa a diferitelor fibre simple care alcatuiesc cablul;

cabluri coerente, folosite in special pentru transmiterea imaginilor; la asemenea cabluri pozitia relativa a diferitelor fibre simple care intra in componenta acestora este de importanta vitala.

CABLURI NECOERENTE

Functia primara a cablurilor necoerente este de a transmite lumina dintr-un loc in alt loc. Avantajele lor fata de alte dispozitive optice care pot indeplini acelasi rol sunt flexibilitatea, eficienta ridicata, compactitatea si posibilitatea de modelare a sectiunii transversale a fasciculului luminos. Flexibilitatea permite ghidarea luminii dupa drumuri complicate fara sa fie necesara folosirea oglinzilor sau a prismelor. Eficienta ridicata poate avea valori mai mari decat unul. Cu ajutorul cablurilor optice se poate modifica atat forma sectiunii transversale a unui fascicul luminos cat si numarul de fascicule transmise; un singur fascicul de lumina poate fi divizat in mai multe fascicule de lumina separate, sau mai multe fascicule de lumina pot fi combinate intr-un singur fascicul de lumina.

Structura de aranjare a fibrelor optice simple intr-un cablu poate fi sau hexagonala sau patratica, asa cum se arata schematic in figura 8.8. Intr-un montaj hexagonal fibrele optice ocupa o fractiune egala cu π/2√3=0,9069 din suprafata unui element de retea (reprezentat punctat in figura), daca nu se ia in consideratie grosimea staratului protector de material, si ocupa o fractiune egala cu o,9069 R₀/R₁ daca se considera si grosimea stratului protector, R₁ fiind raza sectiunii transversale corespunzatoare stratului protector. Intr-un aranjament patratic fractiunea este de π/4=0,785, ceea ce determina ca transmitanta acestor cabluri sa fie mai mica decat cea a cablurilor cu aranjament hexagonal de 2/√3=1,115 ori.

Diametrul fibrelor optice de sticla folosite pentru alcatuirea cablurilor poate ajunge pana la 0,15mm fara ca flexibilitatea cablului sa se reduca prea mult. Daca se folosesc fibre optice de material plastic, diametrul maxim poate fi decca 1,5mm. Prin curbarea (indoirea) cablurilor, cele mai solicitate sunt fibrele optice exterioare. Astfel de solicitari duc la micsorarea transmitantei cablului. In cazul cablurilor de sticla transmitanta se stabilizeaza la o valoare cu cca 1% sau 2% mai mica decat cea initiala dupa aproximativ 100 de solicitari, pe cand la cablurile din fibre de material plastic transmitanta continua sa se reduca cu cresterea numarului de solicitari.

Temperatura pana la care se folosesc cablurile de sticla depinde de materialul stratului protector si de materialul folosit pentru unirea fibrelor si poate fi de pana la 4oosC, iar temperatura maxima la care se mai pot folosi cablurile de plastic este impusa de materialul plastic folosit pentru obtinerea fibrelor.

CABLURI COERENTE

Deoarece fiecare fibra optica simpla, componenta a cablului, poate transporta o anumita cantitate de energie, corespunzatoare unui anumit element de suprafata a obiectului, independent si fara influenta fibrelor vecine, cablurile coerente servesc pentru transmiterea imaginilor dintr-un loc in altul.

Fibra optica este extrasa din furnal pe un tambur, avand insa grija de a pozitiona spirele succesive ale elicoidului unele langa altele fara sa se suprapuna. Dupa ce s-a obtinut latimea dorita, se depune un nou strat prin inversarea sensului de spiralare a fibrei, numarul straturilor depinzand de numarul de fibre care trebuie sa alcatuiasca cablul. Dupa ce s-a realizat numarul dorit de straturi, fibrele de pe tambur se taie paralel cu axa tamburului. Procedeul nu permite obtinerea unor fibre mai subtiri de cca 20 μm, motiv pentru care se procedeaza la reincalzirea cablului si intinderea sa obtinandu-se fibre cu diametre de cca 5 μm.

Datorita grosimii finite a materialului invelisului protector, o anumita cantitate de energie se pierde. Imprastierile din miezul fibrei si la suprafata fibrelor duc de asemenea la pierderi de energie. Ambele fenomene contribuie la trecerea luminii dintr-o fibra in alta. In cazul cablurilor nocerente aceasta duce, in cel mai rau caz, la micsorarea fluxului luminos. In cazul cablurilor coerente insa trecerea luminii dintr-o fibra in alta este insosita de micsorarea contrastului din imaginea finala, motiv pentru care fibrele se acopera cu un strat metalic protector sau cu un strat opac de sticla.

In general, cele doua tipuri de cabluri optice, coerente si necoerente, prezinta aceleasi proprietati optice, desi din anumite puncte de vedere pot aparea deosebiri. De exemplu, folosirea izolatiei pentru prevenirea trecerii luminii dintr-o fibra optica in ,alta face ca apertura numerica a cablurilor optice coerente sa fie mai mica din cauza cresterii atenuarii razelor de lumina mai inclinate fata de axa. In plus, de interes deosebit devine functia de propagare efectiva.

Izolatia dintre fibre nu este perfecta, incat de aceea, in fibre poate aparea lumina parazita. Cand iluminarea suprafetei de intrare a cablului se mentine in conul de lumina cu semiunghiul la varf i<i_max, lumina parazita se poate datora uneia din urmatoarele cauze:

patrunderea luminii prin materialul dintre miezul fibrei;

abaterea de la reflexia interna totala;

imprastierea luminii in fibra sau la suprafata ei;

curbarea cablului.

Orice defect constructiv al fibrelor optice poate duce la distorsionarea imaginilor. Aceste distorsiuni include punctele intunecoase datorate fibrelor rupte sau sparte si deformarile imaginilor datorate alinierii incorecte a fibrelor in cablu. De cele mai multe ori abaterile de la alinierea axiala determina o deplasare laterala a imaginii.

APLICATII ALE CABLURILOR

Cand se folosesc in tehnica iluminatului, fibrele optice prezinta mai multe avantaje fata de sistemele clasice, avantaje care vor fi prezentate in continuare:

a. Fibrele optice permit separarea sursei de lumina de suprafata ce trebuie iluminata, fapt de importanta esentiala in special in aparatele optice medicale iintroduse in organism pentru inspectia vizuala a diferitelor organe interne. Metodele clasice de observare bazate pe folosirea lampii cu incandescenta complica mult sistemul optic, nu permit obtinerea unor iluminari suficiente si prezinta riscuri din punctul de vedere al conexiunilor electrice. Toate aceste dificultati se inlatura daca iluminarea se va face cu o fibra optica subtire.

b. Cablurile optice permit miniaturizarea, o problema cruciala in aplicatiile care implica folosirea mai multor surse de lumina.

c. Fibrele optice se pot folosi pentru iluminarea instrumentelor de masura si control. De exemplu, un sistem optic poate incorpora mai multe instrumente care, din punst de vedere clasic, se ilumineaza separat folosind becurile cu incandescenta. Folosirea unui cablu optic de fibre optice iluminat de o singura sursa de lumina poate diviza fasciculul de lumina in mai multe fascicule, fiecare dintre acestea folosindu-se pentru iluminarea unui instrument.

d. Metoda de cuplare sau decuplare a diferitelor conexiuni electrice, bazata pe folosirea fibrelor optice, asigura o protectie ridicata si capata o extindere tot mai mare.

e. Controlul surselor de lumina localizate in locuri greu accesibile deschide un camp larg de aplicatii pentru cablurile optice.

f. Se stie ca sursele de lumina intinse prezinta o eficienta mica de iluminare a unor suprafete mici, in special cand acestea sunt fantele dreptunghiulare ale aparatelor optice. Folosirea unor cabluri optice a caror sectiune transversala variaza continuu de la forma circulara la forma alungita prezinta un avantaj potential.

g. Fibrele optice pot fi folosite pentru obtinerea unor corelatori multicanal, fasciculele provenite din diferite locuri putand fi sumate sub forma unui singur semnal.

Cand se folosesc in tehnica sistemelor de comunicatii, fibrele optice ofera avantaje multiple fata de sistemele clasice. Asfel de aplicatii trebuie insa sa ia in consideratie nu numai posibilitatile de distorsionare a semnalelor transmise ci si posibilitatile de distrugere in timp a cablurilor de fibre opzice, in special datorita fragilitatii fibrelor de sticla. Protectia cablurilor optice trebuie asigurata fata de abraziune si contaminare, fata de tensiunea la intindere, si fata de tensiunea datorata indoirii. Straturile protectoare, folosite pentru asigurarea conditiilor impuse de folosirea in conditii de securitate a cablurilor optice, pot ocupa o parte importanta din intregul volum al cablului. Intrucat functia unui sistem de comunicatii este aceea de a transmite informatii, asemenea sisteme trebuie apreciate si comparate in raport cu capacitatea de informare a unui canal. Din acest punct de vedere, marimea capacitatii de informare este legata de micsorarea imprastierii impulsului, datorata atat dispersiei de material cat si dispersiei modale, si de cresterea puterii de transmisie sub un raport semnal/zgomot convenabil.

Cat priveste posibilitatea de a folosi cablurile optice coerente pentru a transmite imaginile dintr-un loc in altul, trebuie pornit de la faptul ca este imposibil sa se aseze fibra optica in contact cu obiectul. Procedeul este de a forma imaginea obiectului pe fata de intrare a cablului folosind mijloace clasice. Adesea este necesar ca imaginea formata pe fata de iesire a cablului sa fie marita, folosind tot mijloace clasice. Combinatia obiectiv-cablu coerent de fibre optice-ocular este cunoscuta sub denumirea de fibroscop.

Fibroscoapele au deja multiple aplicatii atat in medicina cat sa in industrie, in special pentru controlul suprafetelor interne la care accesul prin mijloace clasice nu este posibil.

Exista inca multe aplicatii ale fibrelor optice pentru obtinerea imaginilor in marime naturala, pentru realizarea tuburilor convertor cu fascicul baleiat sau in fotografia ultrarapida. Progresele obtinute pana acum in domeniul fibrelor optice si cele care vor fi obtinute mai departe deschid calea dezvoltarii unui nou domeniu de varf al opticii, optica integrata.

FIBRA OPTICA

O tehnologie care foloseste fire (fibre) de sticla (sau plastic) pentru transmiterea datelor. Un cablu de fibre optice consta in mai multe fire de sticla, din care fiecare este capabil sa transmita mesajele la viteze apropiate de viteza luminii.figura 30.

Fibrele optice au cateva avantaje fasa de liniile de comunicatie traditionale, din metal:

cablurile de fibra optica au o latime de banda mult mai mare decat cablurile de metal; asta inseamna sa ele pot purta masi multe date;

cablurile de fibra optica sunt mai putin susceptibile la interferente decat cablurile metalice;

cablurile de fibra optica sunt mult mai subtiri si mai usoare decat firele de metal;

datele pot fi transmise digital (forma naturala a datelor de pe calculatoare) in loc de a fi transmise analogic.

Principalul dezavantaj al fibrelor optice este pretul mare al instalarii cablurilor. In plus, ele sunt mult mai fragile decat firele metalice si sunt mai greu de ramificat.

Fibra optica este o tehnologie in special pentru retelele locale (local-are network). Mai mult, companiile telefonice traditionale inlocuiesc gradat liniile telefonice cu cabluri de fibre optice. In viitor, aproape toate comunicatiile vor folosi fibre optice.

Fibrele optice sunt cilindri lungi si flexibili cu diametru de 10-100μm, prin care razele luminoase se propaga prin reflexii interne totale multiple pe suprafata laterala a fibrei; exista si fibre optice cu gradient , caracterizate de faptul ca indicele de refractie este maxim in centrul fibrei scade treptat spre periferia ei asfel incat reflexia totala a luminii este mai complicata decat in cazul fibrelor optice simple.Figura 151.

CE SUNT FIBRELE OPTICE?

Fibrele optice sunt fasii subtiri si lungi de sticla foarte fina cu diametrul parului uman.

Sunt aranjate in snopuri numite cabluri optice si sunt folosite pentru a transmite semnale de lumina pentru distante lungi.

Daca te uiti atent la o singura fibra optica o sa vezi ca are urmatoarele parti:

miezul - centrul subtire al fibrei pe unde circula lumina;

invelisul- materialul optic din afara care inconjoara miezul si reflecta lumina inapoi in el;

mediul protector- invelis de plastic care protejeaza fibra de stricaciuni si umezeala.

Sute sau mii de aceste fibre optice sunt aranjate in snopuri in cablu optic. Snopurile sunt protejate de invelisul extern al cablului numit imbracaminte.

Fibrele optice sunt de doua feluri:

fibre simple- folosite sa transmiti un semnal pe fibra (folosite la tefoane si cablu TV);

- fibre multiple - folosite sa transmiti mai multe semnale pe aceeasi fibra (folosite la retelele de calculatoare).

Fibrele simple au miezul foarte subtire (cam 3 ∙10-4 inci sau 9 microni in diametru) si transmit lumina laser inflarosu.

Fibrele multiple au miezul mai mare (cam 2,5∙10-3 inci sau 62,5 microni in diametru) si transmit lumina inflarosie de la o dioda luminoasa (LED). Unele fibre optice sunt facute din plastic. Acestea au un miez mai mare (0,04 inci sau 1 mm diametrul) si transmit lumina rosie din LED-uri.

Sa presupunem ca vrei sa aprinzi o lanterna intr-un hol lung si drept. Pur si simplu indreapta lanterna spre hol- lumina circula in linii drepte, deci nu e nici o problema. Dar daca holul are o curba? Posi sa pui o oglinda in colt ca sa reflecte lumina. Dar daca holul ar avea multe curbe? Ai putea sa imbraci peretii in oglinzi si sa indrepti lumina astfel incat sa ricoseze dintr-un perete in altul pe hol. Aceasta este exact ce se intampla intr-o fibra optica.

Diagrama despre reflectia interna a unei fibre optice

Lumina intr-un cablu cu fibre optice calatoreste prin miez (holul) ricosand constant de invelis (peretii cu oglinzi), un principiu numit reflectie interna totala. Pentru ca invelisul nu absorba nici un pic de lumina din miez, unda de lumina poate calatori distante mari. Oricum, cateva din semnalele luminoase se degradeaza in fibra, in principal din cauza impuritatilor din sticla. Cat de mult se deterioreaza semnalul depinde de puritatea sticlei si de lungimea de unda a luminii transmise. Cele mai bune fibre optice nu deterioreaza semnalul, mai putin de 10%/km la 1550nm.

Pentru a intelege cum sunt folosite fibrele optice in sistemele de comunicatii sa ne uitam la un exemplu dintr-un film din Al II-lea Razboi Mondial, unde 2 vapoare intr-o flota trebuie sa comunice una cu alta fara semnale radio sau pe mari agitate. Capitanul unei nave trimite un mesaj unui marinar pe punte. Marinarul traduce mesajul in cod MORSE (punte si linii) si foloseste semnal luminos (o lampa puternica cu acoperitoare) ca sa trimita mesajul celeilalte nave. Marinarul de pe cealalta nava vede codul MORSE, il decodeaza in engleza, si trimite mesajul sus la capitan. Acum, imaginati-va facand asta cand vasele sunt fiecare in celalalt capat al oceanului separate de mii de mile si ai un sistem de comunicatii prin fibre optice instalat intre cele doua nave.

Un sistem de transmisie prin fibra optica este compus din:

transmitator- produce si codeaza semnalele luminoase;

fibra optica- conduce semnalele luminoase (pe distante lungi);

regeneratorul optic- poate fi necesar pentru amplificarea semnalului;

receptorul optic- primeste si decodeaza semnalele luminoase.

TRANSMITATORUL

Transmitatorul este ca marinarul de pe puntea vaporului care emite semnalele. Primeste si directioneaza aparat optic pentru a focaliza lumina in fibra. Lasarele au mai multa putere decat LED-urile, dar variaza mai mult cu schimbarile in temperatura si sunt mai scumpe. Cea mai uzuala lungime de unda a semnalului luminos este de 850nm, si 1550nm (inflarosu si parti invizibile ale spectrului).

REGENERATORUL OPTIC

Cum am mentionat mai sus o pierdere a semnalului apare cand lumina este transmisa prin fibra, in special pe distante lungi (mai mult de 1km), ca un cablu subacvatic. Deci, unul sau mai multe regeneratoare trebuie plasate pe cablu pentru a amplifica semnalul de lumina degradat. Regeneratorul optic consta din fibre optice cu un invelis special. Portiunea inbracata este pompata cu laser. Cand semnalul degradat intra in invelis, energia laserului permite moleculelor sa devina ele insesi lasere. Moleculele emit apoi un nou semnal luminos mai puternic cu aceleasi caracteristici ca semnalul slab primit. Regeneratorul este un amplificator pentru semnalul de intrare.

RECEPTORUL OPTIC

Receptorul optic este ca marinarul de pe vapor care primeste semnalul. El primeste semnalul luminos de intrare, il decodeaza si il trimite ca semnal electric celuilalt utilizator, computer, TV, sau talafon (capitanul celeilalte nave).

De ce sistemele din fibre optice sunt revolutia telecomunicatiilor? In comparatie cu firul metalic conventional, fibra optica este:

mai ieftin- cateva mile de cablu optic sunt mai ieftine decat aceeasi lungime de fir de cupru;

mai subtire- fibrele optice pot fi trase in diametre mai mici decat firul de cupru;

capacitate purtatoare mai mare- pentru ca fibrele optice sunt mai subtiri decat firele de cupru, mai multe fibre pot fi adunate intr-un cablu de acelasi diametru. Aceasta permite mai multe linii telefonice prin acelasi cablu sau mai multe canale TV;

mai putina degradare a semnalului- pierderea de semnal pe fibre optice este mai mica decat pierderea pe firele de cupru;

semnale luminoase- spre deosebire de semnalele electrice din cupru, semnalele electrice din fibra nu interfereaza cu celelalte fire din cablu. Aceasta inseamna o conversatie telefonica mai buna sau o receptie TV mai buna;

putere mica- fibrele optice se degradeaza mai putin, pot fi folosite transmitatoarele mai mici;

semnale digitale- fibra opticp este ideala pentru transmiterea semnalelor digitale (foarte folosite pentru retelele de calculatoare);

neinflamabil- pentru ca nu trece curent electric prin fibre, nu exista riscul de foc;

greutate mica- o fibra optica este mai usoara decat un cablu de cupru, ocupa mai putin spatiu in pamant;

flexibile- fibrele optice sunt atat de flexibile, pot transmite si primi lumina, sunt folosite in camere digitale flexibile in urmatoarele scopuri:

- imagine medicala;

- imagine mecanica;

- instalatii.

Din cauza acestor avantaje, vezi fibrele optice in foarte multe industrii, mai ales in telecomunicatii si retele de calculatoare. De exmplu, daca ai da telefon din europa in SUA sau invers, si semnalul a fost ricosat de un sistem de comunicatii, adesea auzi un ecou pe linie. Oricum, cu fibra optica transatlantica ai o conexiune directa fara ecouri.

Acum ca stim cum lucreaza sistemele de fibre optice si de ce sunt ele folosite, cum se fac? Fibrele optice sunt facute din sticla extre de pura. Ne gandim la o fereastra ca este transparenta, dar cu cat geamul este mai gros, cu atat devine mai putin transparent din cauza impuritatilor. Oricum impuritatile sticlei intr-o fibra sunt mult mai putine decat intr-un geam de fereastra. Descrierea unei companii despre claritatea sticlei este urmatoarea: "Daca ai fi deasupra unui ocean din fibra de sticla ai putea sa vezi fundul oceanului".

Producerea fibrei ptice necesita urmatorii pasi:

producerea unui cilindru preformat;

tragerea fibrelor prin cilindru;

testarea fibrei.

Producere mulajului.

Sticla pentru mulaj este facuta dintr-un proces special numit modificarea chimica a vaporilor condensati (MCVD). In MCVD este balonat prin clorura de silicon (Si Cl₄), clorura de germaniu (Ge Cl₄) si/sau alte chimicale. Mixtura precisa care guverneaza principiul propritatii fizice si optice (indicele de refractie, coeficientul de expansiune, punctul de topire, etc). Vaporii de gaz sunt condusi intr-un tub de silicon sau quart, intr-un strung special. Cum se invarte strungul, dai cu torta in tub, torta este miscata in sus si in jos in afara tubului.

Caldura extrema a tortei face doua lucruri sa se intample:

siliconul su germaniul reactioneaza cu oxigenul formand dioxid de silicon si dioxid de germaniu;

dioxidul de silicon si dioxidul de germaniu se depun in tub fuzionand impreuna ca sa formeze sticla.

Strungul se invarte continuu ca sa faca un invelis perfect si consistent. Puritatea sticlei este mentinuta folosind plastic rezistent la coroziune in sistemul de injectare a gazului si prin controlarea precisa a debitului compozitiei mixturii. Procesul producerii mulajului este automat si dureaza cateva ore. Dupa acesta se raceste, este testat pentru calitate.

O data ce mulajul a fost testat este instalat intr-un turn de tras fibre. Turnul ecologic intr-un furnal de grafit (2200˚C) si varful este topit pana cand substanta cade, se raceste si formeaza un fir. Se faqce in continuare un proces tehnologic.

Materiale si tehnologii pentru obtinerea fibrelor optice

Consideratii generale:

In domeniul fibrelor optice , aflat astazi in plina dezvoltare , eforturile de cercetare incununata, pana in prezent, de succese notabile sunt indreptate in doua directii principale, prima fiind gasirea unor materiale cu caracteristici supoerioare iar a doua -strans legata de prima- punerea la punct a unor tenologii si instalatii cat mai performante, capabile sa asigure calitatea dorita, la costuri cat mai accesibile.

Indiferent de compziti a aleasa , materialul dielectric utilizat pentru obtinerea fibrelor optice trebuie ssa raspunda urmatoarelor cerinte:

sa aiba transparenta cat mai buna la lungimea de unda a semnalului luminos folosit ;

sa posede stabilitate chimica cat mai buna in timp ;

sa fie usor prelucrabil in toate fazele procesului tehnologic;

Pe baza experientei producatorilor de fibra optica , materialele cu ce ami larga utilizare se pot grupa in trei categorii:

- bioxid de siliciu pur si amestecuri ale acestuia cu alti oxizi in cantitati mici , denumiti si dupanti ;

- sticle multi compozite ;

materiale palstice.

Daca se are in vedere gradul de prelucrare a materialelor mentionate mai sus, este evidenta superioritatea polimerilor, care nu necesita temperaturi de lucru prea inalte.Cu toate ca utilizarea materialelor plastice nu numai pt invelisul optic, ci si pentru miez est eun subiect interesant de cercetat si experimentat, caracteristicile optice net inferioare in raport cu cele ale sticlei le recomanda numai pentru transmisii la distante mici, unde atenuare a semnalului optic de-a lungul fibrei are o importanta secundara.

Iata deci cateva considerente pentru care este evidenta superioritatea primelor doua tipuri de materiale , si anume sticlele pe baza de siliciu si cel multicompoziet,care -de altfel- au acelasi componenet de baza-bioxidul de siliciu. Deosebirile dintre cele doua grupe de materiale apar cel ami pregnant cand se pune problema alegerii tehnologiei de prelucrare pentru obtinerea fibrei optice . Desigur, performantele produsului final -fibra- depind in mod direct de materialul intrebuinatat, dar si de tehnologia de realizare, existand insa si un sistem de restrictii prin care materialul conditioneaza tehnoogia car eface posibila prelucrarea sa, astfel incat sa rezulte fibra optica cu parametrii doriti.

Se poat eafirma ca, dat fiind evantaiul larg de compozitii pornind de la bioxidul de siliciu pur, pana la sticlele multicompozite, granita dintre cele doua grupe de materiale este greu de precizat, compozitiile cele mai utilizate situandu-se insa la capetele intervalului.

Atat bioxidul de siliciu pur, cat si sticla multicompozitac au structura amorfa, sunt antizotrope si si se trag in fire din stare lichida la temperaturi inalte . Racirea rapida a materialului topit duce la formarea unei sticle stabile si omogene ,in pofida tranzitiei printr-un domeniu termic in care este posibila aparitia cu totul nedorita a cristalelor.

Dintre toate tehnologiile care se vor analiza in continuare depunerea chimica in stare de vapori este cea care permite obtinerea unei game largi de compozitii chimice, de la bioxidul de siliciu ppur pana la sticla multicompozita rezultata prin adaugarea in concentratii considerabile a unor substante de aditivare cu scopul modificarii sensibile a indicelui de refractie.Data fiind variatia continua si si oprevizibila a proprietatilor in functie de compozitia chimica, parametrul care deosebeste net sticla cu continut inalt e SiO2 de cea multicompozita este temperatura de topire si, implicit, de tragere a fibrei. In timp ce temperatura de topire a sticlei multicompozite se situeaza in intervalul 800-1200 C , bioxidul de siliciu se topeste la circa 2000C.

In primul caz, temperaturile de lucru relativ scazute permit utilizarea cuptoarelor traditionale in cadrul metodei cu dublu creuzet, fiind posibila obtinerea cu usurinta a unor fibre cu apertura numerica mare dar cu indice de refractie care variaza intr-un domeniu de valori destul de restrans.

Pe de alta parte, tehnologia depunerii chimice din faza de vapori utilizata pentru obtinerea fibrelor optice din sticle cu continut inaltde SiO2 elimina o mare parte a surselor de impurificarea sticlei, care, in cazul metodei dublului creuzet,sunt in mod inevitabil mai numeroase, mai ales in timpul depozitarii si manipularii materiilor prime. Or,tocmai impuritatile din material determina cresterea nedorita a dispersiei semnalului optic peste valoarea intrinseca a dispersiei Rayleigh . De asemenea, tehnologia depunerii chimice din faza de vapori permite obtinerea cu usurinta a profilului dorit al indicelui de refractie sia unei interfete miez-invelis optime dar presupune instalatii si aparatura cu un grad mai ridicat de complexitate.

Dezavantajele utilizarii sticlelor cu continut inalt de bioxid de siliciu se pot rezuma dupa cum urmeaza: in fazele de depunere de material si de tragerea fibrei vitezele sunt mici, iar procesele se desfasoara la temperaturi inalte, la care controlul geometriei preformei si al fibrei este dificil de realizat. Aceste dezavantaje sunt compensateinsa din plin de calitatea net superioara a fibrelor ptice obtinute prin oricare dintre cele cateva variante ale tehnoogiei depunerii chimice din faza de vapori.

TEHNOOGII DE OBTINERE A FIBRELOR OPTICE DIN STICLE MULTICOMPOZITE

Materiale utilizate . Fibrele optice din sticle multicompozite se pot realiza utilizand o gama larga de materiale, cu conditia de a se asigura proprietatile optice necesare si prelucrabilitatea ceruta de procesul de fabricatie. De exemlu, in cazul tehnologiei cu dublu crezuet este necesar ca cele doua materiale sa aiba punctele de topire coborate pentru a reduce fenomenul de coroziune si impurificare pe aceasta cael a sticlei iar valorile vascozitatii sa fie apropiate la temperatura de tragere pentru a simplifica utilajele necesare si pentru ca procesul sa aiba stabilitate.

Un alt aspect care are o influenta deosebita asupra performantelor fibrei optice est ecel legat de prezenta impuritatilorin compozitia materialului de baza. Faptul ca fibrele optice din sticle multicompozite prezinta valori mai ridicate ale atenuari decat celecu continut inalt de bioxid de siliciu se datoreaza prezentei in compoziti e a impuritatilor si, in special, a ionilor metalelor de tranzitie, care determina benzi de absorbtie considerabile in spectrul vizibil si infrarosu, chiar pentru valori foarte scazute ale concentratiei.Valuarea atenuarii la diferite lungimi de unda depinde de concentratia in impuritati, de gradul lor de oxidare si de compozitia sticlei in care se gasesc.Tabelul de mai jos prezinta cresterea atenuarii determinata de o marire cu o parte de milion a concentratiei in impuritati pentru trei tipuri de sticle si lungimea de unda de 850nm a fasciculului optic.

Oxidarea sau reducerea ionilor metalici aflati sub forma de impuritati in materialul de baza are ca efect micsorarea atenuarii. Aceste procese pot avea loc in timpul elaborarii sticlei intr-o atmosfera cu efect oxidant( O) sau reducator (CO -C O).

Prezenta sub forma gruparii (-OH) are de asemenea efecte daunatoare, determinand cresterea atenuarii.

TEHNICI DE PURIFICARE SI ANALIZA CHIMICA

Determinarea si inlaturarea prin procese de rafinare a impuritatilor aflate chiar in cantitati foarte mici in materialul de baza dar cu influente neorite asupra calitatii au impus punerea la punct ta unor metode si aparatet sofisticate de analiza si purificare din stare naturala, dar in acest caz dificultatile inerente acestui proces ar fi aproape de neinlaturat. Pe de alta parte, unii compusi ai siliciului aflati in starea gazoasa sau lichida pot fi purificati prin procese de dubla distilare, precipitare partiala, absorbtie cu ajutorul carbonului activ etc. Duap purificare materiialului de baza, bioxidul de siliciuse poate obtine prin piroliza din SiH , prin reactie in faza de vapori cu oxigen la temperatura inalta din SiCl sau prin hidroliza urmata de uscaresi calcinare de Si(OC H .Carbonatii si alti compusi solubili ai siliciului pot fi purificati prin precipitare, extragere cu ajutorul unui solvent etc. Descompunerea carbonatilor in acizi icu degajare de bioxid de carbon are loc de regula inn timpul fazeii intermediare de topire inaintea operatiei de tragere a fibrei.

Pentru a determina concentratia in impuritati a materialului de baza se utilizeaza metode cum sunt absorbtia atomica, spectrometria de masa, fluorescenta cu raze X etc.

Dupa faza de purificare rezulta un amestec de compusi in care concentratia fiecarei substante nedorite nu trebuie sa depaseasca 10 parti de milion masurate separat.

TEHNOLOGIA CU DUBLU CREUZET DE FABRICARE A FIBRELOR OPTICE CU INDICE TREAPTA DE REFRACTIE

In prezent metoda cu dublu crezuet este este utilizata din ce in ce mai putin intrucat fibrele optice multimod din sticla multicompozita astfel obtinute au paremetrii tehnico-calitativi inferiori celor ai fibrelor optice pe baza de siliciu cu aplicatii in sistemele de telecomunicatii la distante mari.Cu toate acestea complexitatea mai redusa a aparaturii si utilajelor necesare precum si a evantaiului larg de aplicatii industriale in care transmiterea unor semnale optice la distante mici nu impune valori reduse ale atenuarii mentin procesul in actualitate.
Materialele cu iondice de refractie diferit pentru miezul si invelisul optic al fibrei se introduc in clee doua creuzete dispuse concentric, unul in interiorul celuilalt, prevazute la partea inferioara cu cate o duza circulara prin care are loc curgerea sticlei, centrele celor doua orificii fiind situate pe axa de tragere a fibrei optice In general, faza de tragere este precedata de prepararea sticlei cu compozitia dorita in alt creuzet la temperatura de 800  C , intr-un cutor obisnuit . In acest creuzet confectionat de obicei din cuart se realizeaza topirea substantelor componente si tratarea topiturii astfel incat materialul rezultat sa aiba compozitie omogena, fara incluziuni si bule de gaz. Eliminarea gazelor din compozitie -etapa de cea mai mare importanta, urmeaza celei celei de reducere a concentratiei de ioni (-OH) realizata prin plasarea sticlei topite intr0un flux de gaz uscat.Cea mai mare parte a apei continute de materialele de baza se poate elimina insa prin mentinerea acestora intr-o incinta la cateva sute de grade timp de cateva zile(uscte). In ciuda celor mai severe masuri de curatenie a incintelor de lucru si de filtrare a atmosferei cu ajutorul unor instalatii sofsticate de climatizare, continutul in impuritati al sticlei topite este usor superior celui al substantelor componente purificate, chiar daca creuzetul est econfectionat din cuart si izolat de mediuul inconjurator .Din topitura sticla se tragein baghete cilindrice , se depoziteaza in containere speciale, urmand sa se constituie "semifabricatul" care va alimenta ulterior dublul creuzet.

Un alt aspect important al problemei este legat de amterialul din care se confectionaeza dublul crezuet. In cele din mai multe cazuri , acesta este platina sau aliajele ale platiniicare permit temperaturi de lucru pana la 1400C.Pentru a asigura omogenitatea sticlei se utilizeaza un amestec confectionat din acelasi material. Totusi, acest material nu este compet inert, ceea ce face ca prin dizolvare platina sa contamineze sticla.

O alta alternativa testate a fost sticla cu continut inalt de SiO , dar la temperatura de lucru aceasta este corodatarapid de sticla topits in are apar astfel bula de gaz si neomogenitati. In acest caz, se recomanda incalzire cu curenti de inalta frecventa, ceea ce face ca sticla sa ajunga la temperatura de lucru fara a incalzi direct peretii din bioxid de siciliu ai tubului crezuet. Dar si in aceasta situatie, datorita fenomenului de convectie , apar neomogenitati in materialul topit . Iata deci unul dintre considerentele pentru care este avantajoasa utilizarea unor sticle cu punct de topire mai coborat. NU trebuie neglijat nici faptul ca sticla topita adera la peretii din bioxid de siliciu ai creuzetului iar acesta se poate sparge in cursul racirii datorita tensiunilor determinate de diferenta intre coeficientii de dilatare ai celor doua materiale aflate in contact.

Etapa urmatoare -tragerea fibrei- ridica unele probleme mai ales in ceea ce priveste mentinerea dimensiunilor geometrice ale miezului si invelisului optic in cadrul unor limite riguros stabilite. Astfel, in zona de alimentare din baghete a materialului topit se formeaza in mod fracvent bule de gaz care datorita vascozitatii mari a acestuia persista si apar in interiorul fibrei optice. Acest dezavantaj poate fi eliminat limitand viteza de alimentare la cativa centrimetri pe minut.

Defecte introduse in fibra in timpul procesului de tragere pot fi legate de geometrie- abateri de concentricitate, de circularitate, variatii ale diametrului miezului si, invelisului optic sau ale raportului clor doua diametre etc- avand drept cauza lipsa de fiabilitate a constructiei dublului creuzet si/sau bobinarea necorespunzatoarea fibrei la iesirea din instalatie. Daca operatia de tragere este continua se impune un control riguros al nivelului topiturii in dublul creuzet in vederea mentinerii lui constante.

Tehnologia cu dublu creuzet de obtinere a fibrelor optice cu indice gradat

O alta varianta a tehnologiei cu dublu creuzet de fabricatie a fibrelor optice permite mentinerea in contact, la temperaturi inalte, un timp mai indelungat, a materialului miezului cu cel al invelisului optic, astfel incat sa se produca o difuzie de ioni intre cele doua materiale .(fig6.4)

Prin dimensionarea corespunzatoare a dublului creuzet, procesul de difuzie se desfasoara in mod controlat fiind posibila obtinerea profilului dorit al indicelui dee refractie, de la o variatie brusca (salt) pana la o variatie cvasiparabolica.

CUM SE PROPAGA LUMINA IN FIBRELE DIELECTRICE

Pentru a scapa complet de influenta atmosferei se pot folosi ghiduri de unda speciale. O mare raspandire au capatat-o ghidurile de unda sub forma de fibre dielectrice subtiri, legat de care a aparut o noua directie in optica contemporana-optica fibrelor.

Fasciculul luminos captat in fibra optica este mentinut in aceasta datorita fenomenului de reflexie internatotalaa luminiipe suprafata laterala a fibrei. Lumina "alearga" prin fibra urmarindu-I toate curburile (fig.44a) Pentru o mentinere si mai sigura a luminii in interiorul fibrei se folosesc fibre speciale, cu gradient. In acestea indicele de refractie este maxim in apropierea axei fibrei si scade treptat spre suprafata fibrei. Traiectoria fasciculului luminos intr-o fibra cu gradient est earatata in fig.44 b

Exista fibre groase (cu diametrul de ordinul 100um) si fibre subtiri ( cu diametrul de ordinul a 1um si mai putin). Strict vorbind, traiectoria fasciculului se poate reprezenta numami in cazul fibrelor groase, cand lungimea de undaa luminii este mai mica decat diametrul fibrei. In cazul propagarii luminii prin fibre subtiri , optica geometrica este neputincioasa si trebuie apelat la reprezentarile ondulatorii. Campul undei luminoase ce se propaga printr-o fibra subtire umple intregul volum al fibrei si o parte dinn el iese in spatiu imediat inconjurator.

Principala caracteristica a unei fibre este valoare pierderilor de radiatie in aceasta raportata la lungimea fibrei. Pierderile se masoara in decibeli pe kilometru. Sa consideram o portiune de fibra de un kilometru. Presupunem ca la inrarea in ea ajunge lumina de intensitate I1, iar la iesire se inregistreaza intensitatea I2. Pierderile in fibra reprezinta N decibeli, marimea N determinandu-se din formula:

I1/I2=10 N/ 10

Daca de exemplu , pierderile sunt de 10db/km (N=10), aceasta inseaman ca, la parcurgerea portiunii de un kilometru, intensitatea luminii scade de 10 ori. Este clar ca dintr-o asemenea fibra nu trebuie facuta o linie de transmisie.

Progresele in domeniul fibrelor optice sunt legate de crearea a unor fibre cu pierderi mai mici de 5dB/km. Pentru astfel de fibre I1/I2=3,16. In prezent exista fibre cu pierderi si mai mici, de exemplu de 0,2dB/km in gama spectrala 1,2-1,6um; I1/I2= 1,05. Asemenea fibre se confectioneaza din sticla de cuart dopata cu germaniu sau bor.

IMPORTANTA FIBREI OPTICE

Fibrele cu pierderi mici (mai mici de 1 dB/Km) sunt folosite pentru linii de comunicatie pe distante pana la cativa kilometri. Asemenea linii pot constitui, de exemplu o legatura telefonica sigura in limitele unui oras. Crearea unor astfel de linii de comuniucatie est ede perspectiva, deoarece un manunchi de fibre optice este cu mult mai subtire decat un cablu telefonic obisnuit si, in acelasi timp, permite sa se efectueze cu mult mai multe convorbiri telefonice decat in prezent.

Diverse si foarte importante sunt aplicatiile liniilor de comunicatie prin fibre optice relativ scurte. Vom da cateva exemple.

Se stie ca unul dintre "locurile inguste" ale calculatoarelor electronice actuale il reprezinta sistemele de comunicare, destinate introducerii si extragerii informatiei, realizarii comunicarii dintre procesor si memorie, precum si comunicarii intre mai multe calculatoare. Aceste sisteme de comunicare au o schema complexa facuta dintr-un mare numar de conductoare, in care se induc curenti electrici de zgomot, se creeaza paraziti ce nu pot fi inlaturati. Aici apare o deficienta caracteristica tuturor sistemelor de comunicatieelectrice: imposibilitatea principala a deculparii ideale intre primire si receptie (intrare si iesire), sensibilitate la toate perturbatiile exterioare. De aceea, folosirea unui sistem de comunicare bazat pe optica fibrelor, in calculatoarele electronice moderne, are bune perspective si este de mare importanta pentru organizarea legarurii dintre calculatoare rapide.

Sistemele actuale de comanda a avioanelor sunt saturate de conductoare. Inlocuirea conductoarelor cu fibre optice permit enu numai cresterea calitatii unui sistem de comanda, ci si reducerea masei totale a avionului

Prin liniile de comunicatie cu fibre optice se pot tansmite nemijlocit imagini in miscare fara a fi nevoie sa se aranjeze cadrele dupa succesiunea semnalelor. In acest scop se formeaza cabluri din fibre optice. Iin cablurile folosite concret numarul de fibre poate ajunge sa fie de ordinul milionului. Principiul transmiterii imaginilor prin cabluri de fibre optice este destul de simplu. Se poate sune ca fasciculele luminoase, reflectate sau emise de un element al imaginii tansmise , parcurg intreaga lungime a cablului si la iesire reconstituie respectivul element din imagine. Pastrand la iesirea cablului o aceeasi distributie reciproca a fibrelor ca si la intrarea , se poate reconstitui imaginea existenta la inregistrare. In particular, se pot lua imagini de obiecte aflate in locuri greu accesibile. Astfel, medicii pot privi in interiorul organelor interne ale corpului uman (esofag, stomac,intestine).

1.Orientarea luminii

Atunci cand lumina care provine dintr-o stea indepartata ajunge pe pamant, razele luminoase sunt practic paralele si puterea optica captata de un dispozitiv dat numai variaza practic in functie de distanta.Slabirea puterii prin unitatea de lungime suplimentara parcursa de lumina, de ex.1 km., este nula.

La scurta distanta de sursa sa, propagarea luminii in spatiul liber are un cu totul alt aspect.Cand ea porneste dintr-o sursa punctiforma , in toate directiile, se spune ca ea este divergenta.In ratiunea acestei divergente,puterea captata variaza mult in functie de distanta.Aceasta putere se micsoreaza cand distanta creste, pentru ca intra mai putine raze in dispozitivul de receptare.

Fibra optica poseda o structura fizica care tinde esential sa suprime divergenta naturala a luminii,adica sa o inchida intr-un indrumator imprejmuit,pentru ca slabirea puterii optice in functie de distanta sa fie foarte mica.Astfel pute- rea captata printr-un dispozitiv de receptare plasat la extremitatea de iesire a fibrei,va varia foarte putin, in func- tie de lungimea acesteia.

Ramane bineinteles sa facem sa intre in fibra lumina pro- dusa de o sursa exterioara;sau la fel de bine sa producem lumina direct in structura de orientare,practic in fibra.

Aceste probleme de producere si de orientare prin panglici sau prin fibre al luminii sunt tot mai mult rezolvate

Puterea luminoasa scade la jumatate, parcurgand o dis- tanta de 100m,500m,6km si mai mult dupa caz.Daca s-ar

putea,fara inconvenient pentru sistemul de realizat sa injumatatim puterea optica in cursul propagarii orirntate s-ar acoperi distante duble:200m,1000m,12km.

Se ajunge astfel pentru transmiterea de semnale, sa se acopere distante superioare a 50 km.Se tinde catre 100km si limita, practic,este in mod sigur superioara.

Se poate evident racorda segmentele succesive ale unei legaturi la mijlocul repetorilor si acoperi cele mai mari distante.In plus,si aceasta nu este de un mai mic interes, fibra optica poate fi curbanta si lumina urca curbura indru- matorului,cu o slaba pierdere.Ceea ce nu este posibil in ca- zul luminii in spatiu sau ea se propaga in linie dreapta, de- parte de obiectele foarte masive,e posibil intr-un indruma- tor.

Fibra optica poate fi rulata in spirale,in elice,in jurul unui cilindru,pentru a constitui o bobina si a asigura si orientarea luminii.

Se poate face sa intre mai multe lumini intr-o singura fi- bra,modulate independent unele de altele si sa transmita si- multan modulatii diferite.Se poate,de ex.,sa se propage 4 lumini intr-un sens si 4 lumini in alt sens,pe aceeasi fibra, amestecandu-le la intrarea lor si separandu-le la iesire. Aceasta dispozitie se numeste multiplexitatea luminilor, unilaterala sau bilaterala.Se poate distribui lumina intr-o fibra optica peste mai multe alte fibre.Se poate comuta lu- mina intre fibre,cu mare viteza.

Posibilitatile de aplicatie sunt foarte numeroase si foarte diverse.Cea care pare cea mai importanta, pentru ca satisfa- ce o nevoie preexistenta considerabila,este cea care priveste transmisiunea de semnale.

2.Fibra optica actuala

Cu un diametru nominal de 0,125mm fibra optica ofera o enorma capacitate de transmitere a informatiei.Printr-o fibra de 1mm calitate,aceasta capacitate este aproape egala cu aceea a unui satelit de telecomunicatie.Intre toate avan- tajele prezentate de fibre,in comparatie cu alte mijloace, acesta este de departe cel principal.

Contrar fibrei de sticla obisnuita,utilizata uneori cu intarire fibra de sticla optica care are diametrul unui fir de par,nu prezinta o rezistenta mecanica importanta.Ea ar fi foarte rapid deteriorata de mediul inconjurator,daca n-ar fi protejata de o imbracaminte etansa si intarite cu cabluri susceptibile care ar rezista la constrangeri mecanice.

Intr-un cablu se pot plasa mai multe fibre intr-un nr. oarecare de ex.6 sau 12 si pana la 144.

Sa citam ca ex, de cablu cu o singura fibra, marina americana:

-diametrul fibrei optice 0,0125cm

-diametrul cablului cu structura sa de intarire 0,125cm

-greutatea cablului 2,09kg/km

-sarcina maxima 250 kg

-alungirea maxima 3 %

Structura de intarire cuprinde 9840 fibre de sticla S, intr-un sistem de rasina.

Sa citam inca un micro-cablu cu monofibra de 52km lungime avand:

-o rezistenta maxima de 53kg

-o greutate in apa marii de 1,011kg/km

Acest cablu poate fi lansat prin intermediul unei rache- te.Cu acelasi diametru si aceeasi rezistenta maxima ca si un cablu metalic coaxial,capacitatea unui cablu optic submarin va fi de 400de ori mai mare.Totusi,cu sectiunea sa dreapta minuscula de 0,0123mm p. si pentru 1 km.lungime,cu volu- mul de 12,3cm cubi de material sticlos rafinat,fibra optica de telecomunicatie nu poate transmite puterea utilizabila la cealalta extremitate ca sursa de energie.Atunci cand intensi- tatea luminii depaseste un anumit prag,cand energia elec- tromagnetica,pe unitate de volum,devine foarte ridicata,ma- teria anterior transparenta si

pasiva nu ignora prezenta foto- nilor.Se produc deci efecte in general nedorite.Fibra optica nu este o linie de transport de energie.

Asa cum este realizata actual, fibra optica reprezinta o deschidere spectaculoasa, care ocupa un loc in seria marilor progrese ale tehnicii in domeniul posibilitatilor.Este plauzi- bil ca toate aplicatiile posibile sa nu fi fost inca imaginate.

Evolutia mijloacelor de comunicatii

Deceniul Deschiderea tehnica

radioul (Guglielmo Marconi)

lampa trioda (Lee de Forest)

T.V-ul iconoscopic(Vladimir Zworykin)

indrumatorul de unda (Schelkumoff si Barrow)

radarul (Robert Watson -Watt)

tranzistorul (John Bardeen,Walter Brattain,

William Shockley)

laserul (Townes)

fibra optica (Kao si Maurer)

optica non-lineara

3.Putina istorie

Prima propunere serioasa de orientare a luminii dateaza din 1910,cand Hondros si Petrus Debye pu- blica un studiu teoretic despre orientarea undelor prin dielectrici in straturi multiple de materiale tran- sparente.

Alte studii sunt publicate in anii 1920 si 1930, care nu atrag inca suficient atentia pentru ca aceasta era deja captivata de orientatrea microundelor care facea radarul posibil.

Numai in anii 1950 Van Heel,Hopkins si Kanapy proiecteaza "fibroscopul".

Kanpy este cel care va realiza prima fibra de sticla obtinuta din sticla si o va denumi "fiber optics" .

Avantajele si inconvenientele caracteristice fibrelor optice

a Avantajele

Fibrele prezinta caracteristici care pot varia larg in functie de nervi.Este totusi posibil sa furnizeze o masa coerenta a performantelor lor si calitati dintre cele mai interesante.

Marile debite numerice:

Fibra optica este foarte bine adaptata de transmisia se semnale numerice.Debitele sistemelor din spatiu sunt esalonate si sunt de peste ordinul 3 ca marime.Ele au de la cativa M.bit/sec. pana la cativa G.bit/sec.

Cablurile foarte subtiri:Segmentul de legatura atinge nu mai putin de 40 km.

Imunitatea la interferenta si bruiajul electromagnetic:

Fiecare sursa de lumina este inclusa. Nu exista interferenta.Bruiajul electromagnetic este imposibil atunci. Sunetul, emisiile radio,impulsul electromagnetic ale puterilor nucle- are sunt fara efect.

O siguranta buna:interceptia prin inductie sau simplul contact este imposibil.Pentru a intercepta trebuie provocata o fisura pentru a patrunde lumina si aceasta sa fie descoperita.

O securitate perfecta:nici o electrocutare,nici un scurtcir- cuit,fara impamantare.

b).Inconvenientele

Fibra optica nu permite transpoprtul de energie.Tehnicile instalatiilor trebuie sa protejeze ochii:densitatile de energie optica emisa prin sursa de lumina si eventual prin extremi- tatea fibrei,sunt suficiente pentru a afecta retina,inainte ca victima sa observe.Este indispensabila purtarea ochelarilor de protectie infrarosu,pentru a lucra deasupra unui dispozi- tiv aflat in functiune.

Aplicatiile fibrelor si cablurilor optice:

Ele sunt foarte numeroase si reprezinta mari posibilitati de dezvoltare.

a)Aplicatiile in retele nationale si internationale de comunicatii.

Fibrele optice sunt complet adaptate la transmiterea de semnale de la un punct la celalalt intre centralele de comunicatie. Ele permit modularea analogica din moment ce ras- punsul lor este liniar pentru putere. Ele permit, mult mai bine, modularea numerica cu un impuls de lumina raprezentand simbolul "1"si cu un renel de obscuritate reprezentand simbolul "0", de ex.

Debitele foarte ridicate permit multiplicarea cu un factor cuprins intre 10 si 50 a capacitatii unei retele instalate, inlocuinduse cablurile metalice cu cele optice.Inlocuirea permite de asemenea divizarea cu un factor apropiat de nr. 20. Cablurile submarine metalice concureaza deja cu sateli- tii de comunicatii.Cablurile submarine optice pe principale-le artere de telecomunicatii intercontinentale, vor deveni complet indispensabile de sateliti si invers.

Un singur tip de semnal optic permite transpunerea:tele- fonul,perceptorul de imagini,informatiile date,televizorul.

b)Aplicatiile in retelele locale

In afara de retelele mari,fibrele optice permit instalarea eficace de retele locale intr-un mediu perturbat de zgomote- le eletromagnetice.Astfel, in aglomerarea urbana, printr-o retea de fibre oblice comutabile la distanta,politia rutiera sa le poata supraveghea pe video(marile intersectii,podurile).

Fibroscopul

Este un aparat foarte util compus dintr-un fel de fascicul alcatuit din numeroase fibre in paralel, formand un cordon, indeajuns de subtirepentru a fi suplu si flexibil. Sectiunile extremitatii sunt plane si poseda configuratii superpozabile. Fiecare punct al unei sectiuni de extremitate este reunit cu omologul sau din cealalta extremitate est ereunit cu omologul sau din cealalta exrtremitate printr-o fibra. Astfel, o iluminare in negru si alb sau in culoarea unei sectiuni de extremitate este reprodusa exact pe sectiunea celeilalte extremmitati .

Se poat eechipa sectiunea de iesire cu un ocular pentru marirea imaginii acomodarii.

Aparatul permite vederea in colturi si ocolirea obstacolelor.Se utilizeaza fibroscopul pentru examinarea sudurilor, a tevilor, a camerelor de combustil din interiorul reactorilor avionului in locurile care, fara acesta, ar fi inaccesibile observatiei.

Fibroscopul se utilizeaza in egala masura si in medicina. Diametrul mic si flexibilitatea fascicolului de fibre optice nu permit examinarea esofagului si a tubului digestiv fara interventie chirurgicala sau radioscopie. Fibroscopul propriu-zis este asociat unei aparaturi anexe care permite utilizarea cea mai practica (dispozitive de iluminat, de pozitionare, etc.)

DIFERITE TIPURI DE FIBRE OPTICE

Orientarea luminii impune o modificare a vitezei sale in functie de o coordonata tranversa a indrumatorului.

Se poate realiza o discontinuitate fizica directa intre inima cilindrului si teaca de la exterior.

Se obtine deci ceea ce se numeste o fibra cu salt de indice (de refractie)

Se poat ede asemenea realiza o variatie progresiva a indicelui intre centrul inimii si teaca. Se obtine ceea ce se numeste o fibra cu "gradatie de indice". Cele doua tipuri de fibre astfel realizate, ofera luminii diferite modalitati de a se propaga denumite "moduri", care sunt separate unele de altele prin difractie.

Fibrele optice sunt testate pentru urmatoarele:

rezistenta la tensiune- trebuie sa reziste la 100 000lb/inci sau mai mult;

indicele profilului de refractie;

geometria fibrei- diametrul miezului si al invelisului trebuie ss fie uniforme;

atenuare- determins degradarea variatelor lungimi de unda pe distante mari;

capacitatea de transportare a informatiilor- numarul de semnale care pot fi transmise in acelasi timp;

dispersia cromatica- imprastierea diferitelor lungimi de unda prin miez;

temperatura de operare/umiditate;

dependenta de temperatura a atenuarii;

abilitatea de a conduce lumina sub apa.

O data ce fibrele au trecut controlul de calitate, ele sunt vandute companiilor de cablu, de telefon si distribuitorilor de retea. Multe companii isi schimba reteaua veche de cupru cu sisteme pe fibra optica pentru a mari viteza, capacitatea si claritatea.

FIZICA REFLECTIEI TOTALE INTERNE

Cand lumina trece printr-un mediu cu un indice de refractie, m₁, in alt mediu cu un indice de refractie mai mic, m₂, se curbeaza sau se reflecteaza in afara unei linii imaginare pe suprafata (linia normala). Cum unghiul razei prim m₁ devine mai mare in comparatie cu normala, linia reflactata in m₂ se coteste mai departe de linie. La un anumit unghi, unghiul critic, lumina refractata nu va intra in m₂, dar va calatori de-alungul suprafetei intre cele doua medii (sin < critic= n₂/n₁ unde n₁ si n₂ sunt indicele de refractie). Daca raza prin m₁ este mai mare decat unghiul critic, apoi raza reflectata se va intoarce in m₁ (reflectie interna totala), chiar daca m₂ poate fi transparent. In fizica, unghiul critic este descris in functie de mormala. In fibra optica, unghiul critic este descris in functie de paralela la axa.Concluzie: unghiul critic la fibra optica este egal cu 90-unhiul critic in fizica.

Intr-o fibra optica lumina circula prin miez (m₁) reflectat constant de invelis (m₂), pentru ca unghiul luminos este mai mare decat unghiul critic. Lumina se reflecta in orice unghi ar fi fibra.

Oricum o parte din semnalul luminos se degradeaza in foarte mare parte din cauza impuritatilor. Masura in care semnalul se degradeaza depinde de puritatea sticlei.

TEHNOLOGIA DE REALLIZARE CONTINUA A PREFORMEI- METODA "VERNEUIL"

Metoda "Verneuil" permite, prin felul in care are loc depunerea chimica, realizarea in mod continuu a preformei, ceea ce o deosebeste fata de celelalte metode traditionale. De fapt, preforma creste in directie axiala in urma depunerii de material pe una din suprafetele frontale ale baghetei, printr-un proces de tipul oxidarii exterioare din faza de vapori (figura 6.12.).

Procesul de crestere are loc prin depunerea de particule fine de oxid colectate pe un suport (tub sau bagheta) rezultate in urma reactiilor in faza gazoasa a compusilor volatili ai siliciului si ai elementelor dopante.

Baghetei, pe care are loc depunerea, i se imprima o miscare de rotatie si una de avans longitudinal. Prin intermediul unai duze plasate coaxial cu bagheta suport, se sufla amestecul de tetraclorura de siliciu si oxigen sau oxigen plus hidrogen, particule fine de bioxid de siliciu ce se depun in urma reactiei ducand la formarea miezului preformei. Printr-o a doua duza dispusa lateral se introduce un amestec de vapori de tetraclorura de siliciu, compusi ai elementelor de dopare si oxigen sau amestec de oxigen si hidrogen, rezultand un numar de straturi de sticla cu indice de refractie mai mic fata de cel al miezului.

Arzatoarele cu amestec de oxigen se hidrogen pot fi inlocuite cu alte surse de caldura- generator de plasma, laser sau rezistente electrice; in acest caz halogenurile reactioneaza direct cu oxigenul si se limiteaza prezenta apei in masa preformei.

Profilul indicelui de refractie poate fi controlat prin pozitia relativa a celor doua duze si prin distributia dopantului in duza dispusa perpendicular pe axa preformei. Daca se utilizeaza un numar mai mare de suflante se poate efectua un control mai fin al compozitiei amestecului SiCl₄+ dopant+O₂ sau SiCl₄+dopant+O₂+H₂.

Preforma este fixata intr-un sistem de alimentare care asigura avansul acesteia in mod controlat in zona in care are loc incalzirea materialului la o temperatura de cca 2000˚C, la care este posibila tragerea. Sursa de caldura poate fi un cuptor electric cu rezistenta sau cu inductie, arzatoare cu amestec de oxigen si hidrigen sau un laser cu dioxid de carbon- utilizarea fiecareia dintre aceste surse prezentand atat avantaje cat si dezavantaje. Mentinerea temperaturii intr-un domeniu de variatie de maximum +1˚ in jurul valorii de 200˚C- conditie absolut necesara pentru obtinerea unei variatii acceptabile a parametrilor geometrici ai fibrei rezultate- se realizeaza cu ajutorul unui pirometru optic sau al unui termocuplu, care comanda regulatorul sursei de caldura. Temperatura la care se incalzeste materialul trebuie sa asigure inmuierea siliciului pana cand vascozitatea acestuia va permite fibrei tragerea in fibre. Tamburul asigura at tragerea fibrei cu o viteza de 0 -1.5m/s, cat si bobinarea acesteia. Pe traiectul dintre zona de tragere si tambur se controleaza in mod continuu diametrul fibrei cu ajutorul sistemului optic, iar daca este cazul se pot controla si abaterile de forma ale sectiunii transversale. Sistemul de reglare primeste informatii asupra geometriei fibrei si modifica viteza de tragere, astfel incat pe parcursul intregului proces diametrul fibrei ss nu varieze cu mai mult de 0 %. Intre preforma si fibra exista o zona in care materialul are forma tronconica, cu o variatie continua a diametrului si, ca urmare, in trecerea de la preforma la fibra proportia dintre diametrul miezului si cel al invelisului optic se pastreaza. Raportul dintre diametrul preformei si cel al fibrei optice rezultate poate ajunge pana la 300:1 si chiar mai mult. Echipamentul de tragere a fibrei mai include si unsistem care se trece fibra optica inaintea bobinarii in vederea acoperirii cu unstrat subtire de polimer. Sistemul respectiv are in compunerea sa un recipient care contine polimerul in stare lichida si o sursp de caldura in vederea uscarii stratului depus pe fibra optica. Acoperirea cu polimer a fibrei are rolul de a asgura protectia acesteia impotriva deteriorarii suprafetei exterioare care ar influenta in mod negativ caracteristicile optice.

SISTEMUL DE INCALZIRE

Fabricarea pe scara tot mai larga a fibrelor optice a impus perfectionarea surselor de caldura pentru temperaturi inalte, pana la 2000˚C si peste, in vederea procesului de tragere. Cateva dintre conditiile impuse acestor surse sunt legate de constanta temperaturii si "curatenia" incintei pentru a preveni impurificarea materialului in timpul tragerii. Pentru incalzirea preformei se pot utiliza mult mai multe tipuri de sursa de caldura: arzatoare cu oxigen si hidrogen, cuptoare electrice cu rezistenta sau cu inductie, laseri cu CO₂.

ARZATORUL CU OXIGEN SI HIDROGEN. Dintre toate tipurile de arzatoare, cele cu hidrogen si oxigen sunt cele mai economice si mai usor de utilizat. Acestea prezinta insa dezavantajul unei variatii mai mari a temperaturii, determinata de instabilitatea flacarii, ceea ce poate produce modificari nepermise ale diametrului exterior al fibrei optice. Se stie ca variatiile mari ale diametrului exterior al fibrei duc la cresterea atenuarii semnalului optic, in special la jonctiunile dintre fibre. De asemenea, prin utilizarea arzatorului cu hidrogen si oxigen poate aparea contaminarea nedorita a siciliului cu gruparea hidroxil. Cu toate acestea, cu ajutorul unei astfel de surse de caldura s-a reusit obtinerea de fibre optice cu atenuare de 2dB/km.

CUPTORUL ELECTRIC CU REZISTENTA Cuptorul electric cu rezistenta ofera atat avantajul simplitatii in constructie si utilizare cat si posibilitatea unui control mult mai riguros al temperaturii, stabilitatea ei in timp precum si o uniformitate buna a zonei fierbinti. De asemenea, inertia termica relativ mica permite un feed-back rapid si deci corijarea intr-un timp scurt a eventualelor variatii de temperatura.

Rezistenta electrica poate fi confectionata cu usurinta din grafit, material care, pe langa o durabilitate buna la solicitarile induse de socurile termice, confera si avantajul obtine-rii oricarei geometrii pentru zona de incalzire.

Pentru a se prelungi viata rezistentei, a carei oxidare ar fi foarte rapida la temperatura de lucru, in cuptor se introduce un gaz inert- de obicei argon.Prin modificarea debitului de argon suflat in incinta cuptorului, se poate modifica diametrul fibrei optice rezultate.

Cuptorul electric cu inductie elimina o parte din dezavantajele incalzirii cu rezistenta electrica.In mod uzual, induc-torul avand forma cilindrica si dimensiuni relativ mici se realizeaza cu usurinta din grafit, material care ofera o viteza mare de reactie la variatiile puterii electrice de intrare si, ca urmare, permite controlul automat al temperaturii.Rezulta-tele bune s-au obtinut si cu ajutorul unui cuptor cu inductor confectionat din ZrO2.Pe langa riscurile mult reduse de contaminare a sticlei, acest tip de inductor are si o durabili-tate mai mare.S-a constatat ca la o grosime a peretelui in-ductorului de 3-5mm si frecventa cuprinsa in domeniul 1-10MHz se obtine o temperatura de circa 2000 C.

Laserul cu bioxid de carbon

Dintre sursele de caldura mentionate, laserul ofera avantajul unei incalziri "curate" cu eliminarea completa a riscului de contaminare dar presupune un sistem optic sofisticat de dirijare a fasciculului de-a lungul axei performei. In fig.6.14 este prezentat schematic un asemenea sistem optic, in care oglinda 1-montata excentric-se roteste in jurul unei axe, raza reflectata generand un con. Oglinzile 2, 3 si 4 formeaza un ansamblu care, in final focalizeaza pe performa intr-o zona cu dimensiuni relativ mici.

Incalzirea performei are loc cu viteza mai mica deoarece raza laser este absorbita doar la suprafata, pe o adancime de aproximativ 20mm. Transferul de caldura prin conductivita-te la exterior catre miezul performei se face destul de lent ceea ce impune viteze mai mici de tragere.Puterea laseru-lui nu poate fi marita peste anumite limite deoarece creste, in consecinta, si vaporizarea materialului la suprafata preformei.

Sistemul de masurare a diametrului fibrei optice

Asa cum s-a mai mentionat, intre calitatile optice si meca-nice ale fibrei si caracteristicile ei geometrice exista o corelatie foarte stransa, acestea din urma fiind puternic afectate in cursul procesului de tragere de variatia parametrilor de lucru. De fapt, dintre caracteristicile geometrice o importan-ta deosebita au diametrul miezului si cel al invelisului optic precum si starea suprafetei fibrei.Variatia valorilor celor doua diametre are influente nedorite asupra propagarii lu-minii in interiorul fibrei, in timp ce defectele suprafetei exterioare duc la scaderea rzistentei mecanice.

In ceea ce priveste starea suprafetei exterioare, se stie ca este influentata direct de temperatura si de viteza de tragere, iar constanta valorilor celor doua diametre este de-terminata de uniformitatea preformei si a vitezei de tragere.

In orice caz, corectarea pe parcursul procesului de tragere a unor eventuale defecte ce pot aparea din diferite cauze impune masurarea permanenta a parametrilor geometrici cu ajutorul unui sistem care sa comande parametrii de lucru in functie de valorile efectiv rezultate in urma masurarii.In mod uzual, corectiile se aduc prin modificarea corespunzatoare a vitezei tamburului pe care se bobineaza fibra, deci prin modificarea vitezei de tragere. Daca insa diferenta intre diametrul dorit si cel efectiv creste se poate modifica viteza de avans a preformei.

Masurarea in mod continuu a diametrului exteror al fibrei se poate realiza prin mai multe metode optice.Metodele mecanice cu palpator se exclud in primul rand intrucat nu au precizia cerute si pt.ca se recomanda evitarea contactului intre un corp dur si suprafata ext.a fibrei inainte ca aceasta sa fie trasa in invelisul de protectie.

Metoda proiectiei profilului fibre

Una din metodele cele mai cunoscute de masurare a diametrului exterior al fibrei optice in cursul procesului de tragere se bazeaza pe proiectarea, dupa o marime, a profilului fibrei pe un panou compus din fotodiode. Semnalul electric generat de fotodiode este masurat si comparat cu valoarea corespunzatoare diametrului optim in vederea aplicarii corectiei necesare.

Metoda prezinta dezavantajul unei sensibilitati mari,de-plasarea fibrei fata de focarul lentilelor ansamblului optic ducand la modificarea proiectiei de pe panoul cu fotodiode.

Metoda interferometrica

Metoda consta in compararea unei raze de lumina reflecta-te de suprafata laterala a fibrei optice care se masoara cu o raza emisa de aceeasi sursa, reflectata de o suprafata de referinta. Suprafata de referinta poate fi plana, curbata sau cilindrica dar, in toate cazurile, se impune conditia unei finisari riguroase.

Si aceasta metoda de masurare este sensibila la deplasarea fibrei optice, din care motiv se recomanda utilizarea unui sistem de ghidare. Metoda interferometrica prezinta avantajul vizualizarii starii suprafetei fibrei optice, deci a unor eventuale defecte superioare care, micsoreaza rezistenta mecanica a acesteia.Daca fibra optica se trece printr-un recipient continand un lichid transparent, cu indice de re-fractie egal cu cel al invelisului optic, atunci se poate masu-ra diametrul miezului fibrei.

Metoda franjelor de interferenta.

Procedeul se bazeaza pe masurarea franjelor de interfe-renta care se formeaza prin compunerea unei raze reflectate de fibra optica cu o raza emisa de o aceeasi sursa de lumina monocromatica, dar care strabatand fibra a suferit un pro-ces derefractie. Asa cum se poate vedea si din fig.6.16, dife-renta de drum optic intre cele doua raze de lumina determina formarea franjelor de interferenta, spatiul existent intre acestea fiind proportional cu diametrul fibrei.

Diferite firme specializate in producerea fibrelor optice au pus la punct si alte metode in general optice de masurare continua, precizia masurarii avand un rol foarte important in reglarea procesului de fabricatie si,implicit,asupra calita- tii produsului final rezultat.

Sistemul de acoperire in vederea protectiei fibre optice

Suprafata fibrei optice se protejeaza impotriva deteriorarii ce poate aparea ca urmare a actiunii a unor solicitari me- canice sau a unor agenti corozivi aflati in mediul de lucru. In ultimii ani a fost pusa la punct o gama de materiale de protectie cu scopul de a raspunde urmatoarelor conditii:

filmul depus trebuie sa aiba grosime uniforma in sectiune transversala deci sa fie concentric cu fibra optica pt.a prein- tampina aparitia in momentul solidificarii a unor tensiunii interne care ar putea duce la curbarea fibrei.

invelisul de protectie trebuie sa aiba rezistenta buna la abraziunea si stabilitate chimica in timp.

coeficientul de dilatare al substantei utilizate trebuie sa fie cat mai apropiat de cel al sticlei pt.a preintampina tensiona- rea si ruperea fibrei.

in vederea operatiilor de corectarea fibrelor,materialul respectiv trebuie sa fie usor dizolvabil cu ajutorul unui anumit solvent.

Alegerea metodei de aplicare a stratului de protrctie depinde in mare masura de calitatea dorita pt.acesta si de materialul utilizat. Ceea ce este important insa oricare ar fi metoda aleasa, este sa nu se introduca tensiuni suplimentare in fibra optica. Pe plan mondial au fost experimentate mai multe metode de realizare a acoperii de protectie, dintre cel mai raspandit procedeu consta in trecerea fibrei printr-un creuzet care contine in stare lichida materialul de aport.

Acoperirea este corecta daca se respecta pe parcursul procesului o anumita relatie intre viteza de deplasare a fibrei si vascozitatea solutiei. Grosimea filmului de protectie rezultat depinde de diametrul fibrei optice,de cel al duzei si concentratia polimerului sau a rasinii utilizate in solutia din creuzet. Este de preferat ca temperatura de lucru,vascozitatea si nivelul lichidului in creuzet sa fie mentinute constante pe parcursul procesului.Duza flexibila este confectionata din cauciuc siliconic rezistent la solutiile utilizate in mod obisnuit in procesul de acoperire. Avantajul acesteia consta in faptul ca permitand autocentrarea fibrei optice ca urmare a fortelor hidrodinamice generate de curgerea convergente a rasinii, asigura depunerea unui strat protector cu grosimea uniforma.

Uscarea invelisului de protectie a fibrei optice

Operatia finala a procesului de acoperire de protectie a fibrei este uscarea rasinii imediat dupa aplicare. In general, aceasta operatie se realizeaza intr-un cuptor cilindric, in care se mentine in atmosfera controlata o anumita temperatura care sa permita evaporarea solventului din rasina sau polimerizarea materialului plastic in timpul scurt cat fibra trece prin cuptor. Temperatura de lucru nu terbuie sa depaseasca valoarea de la care are loc fierberea solventului pentru a se preintampina aparitia bulelor de vapori.