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.

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.

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 3,5∙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.

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.

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.