Włókna optyczne stanowią przykład tego, jak wiedza naukowa przekłada się na postęp technologiczny, ostatecznie ułatwiając życie przeciętnemu człowiekowi. Od kilku lat światłowody kojarzone są ze środkami komunikacji do przesyłania sygnałów elektrycznych. Cienkie włókna wielkości ludzkiego włosa mogą służyć do przesyłania szerokiej gamy sygnałów potrzebnych do obsługi telefonu, łącza internetowego, telewizora itp. Oczywiście światłowody ze względu na swoją wysoką wydajność znalazły zastosowanie nie tylko w potrzeby domowe.
Technologia transmisji sygnału optycznego
Samo w sobie wykorzystanie światłowodu jako tłumacza sygnału jest tylko częścią ujawnionej wiedzy, która jest badana w naukowej sekcji światłowodów. Specjaliści w tej dziedzinie badają transmisję informacji i propagację światła, w jednym kontekście zjednoczeni przez światłowody. Te ostatnie wykorzystywane są zarówno jako dystrybutory światła, jak i jako przekaźniki informacji. Nawiasem mówiąc, nowoczesne trendy w rozwoju technologii laserowych opierają się na diodach LED. W tym przypadku ciekawsze jest inne pytanie - jakie zjawisko jest podstawą światłowodów? Ten fenomenwewnętrzne odbicie (całkowitego) promieniowania elektromagnetycznego na granicy między dielektrykami o różnych współczynnikach załamania. Co więcej, nośnikiem informacji nie jest wcale sygnał elektromagnetyczny, ale zakodowany strumień światła. Aby zrozumieć stopień wyższości kabli światłowodowych nad tradycyjnymi kablami metalowymi, warto jeszcze raz odnieść się do ich przepustowości. Wspomniana już nitka światłowodowa, której grubość nie przekracza 0,5 mm, jest w stanie przekazać taką ilość informacji, że zwykłe okablowanie miedziane będzie służyć tylko o grubości 50 mm.
Metody wytwarzania światłowodów
Istnieją dwie główne metody wytwarzania światłowodów. Jest to technika wytłaczania i topienia przy użyciu preform. Pierwsza technologia umożliwia uzyskanie materiału niskiej jakości na bazie tworzyw sztucznych, dlatego dziś praktycznie nie jest stosowana. Druga metoda jest uważana za główną i najskuteczniejszą. Preforma to preforma, która znajduje się w strukturze przeznaczonej do rysowania wątków. Według nowoczesnych standardów preformy mogą mieć nawet kilkadziesiąt metrów wysokości. Na zewnątrz jest to szklany pręt o średnicy około 10 cm, z którego topi się rdzeń nici. Podczas procesu produkcyjnego rdzeń wraz z mieszanką włókien jest podgrzewany do wysokich temperatur, po czym formowane są włókna. Długość powstałego materiału może sięgać kilku kilometrów, chociaż średnica pozostaje niezmieniona - sterują nim zautomatyzowane regulatory. W zależności od tego, gdzie światłowód będzie używany, materiał doMoże być wstępnie pokryty powłokami zapewniającymi ochronę chemiczną i fizyczną. Jeśli chodzi o same mieszanki filamentów, zazwyczaj zawierają one materiały takie jak poliimid, akrylan i silikon.
Cechy projektowania włókien
Centralna część nici to rdzeń - sam rdzeń światłowodu, który podczas pracy będzie rozpraszał światło. Rdzeń charakteryzuje się podwyższonymi współczynnikami załamania światła, co osiągnięto dzięki zastosowaniu domieszkowania szkła z modyfikacją specjalnymi dodatkami. Na przykład typowe składniki refrakcyjne, takie jak domieszka, są stosowane do włókien krzemionkowych. Z kolei powłoka wykonuje kilka zadań, z których głównym jest bezpośrednia fizyczna ochrona rdzenia. Ta część zapewnia również efekt załamania, ale o minimalnym współczynniku. Granica między dwoma materiałami tworzy strukturę światłowodu, która nie pozwala na ucieczkę większości światła z rdzenia. Warto również zauważyć, że podstawy światłowodów nawiązują materiał do odmian światłowodów. Mówiąc dokładniej, mówimy o falowodach dielektrycznych, które przenoszą sygnały świetlne.
Odmiany światłowodów
Najczęstsze są włókna kwarcowe, plastikowe i fluorkowe. Włókna kwarcowe powstają na bazie stopów tlenkowych lub materiałów o podobnej strukturze, w tym domieszkowanego tlenku krzemu. Baza ta umożliwia produkcję elastycznych i długich włókien różniących się między sobąi wysoka wytrzymałość mechaniczna. Optyka z włóknami plastikowymi jest wykonana z polimerów i, jak już wspomniano, nie może zapewnić wysokiej wydajności. W szczególności takie wątki mają wysoki procent utraty danych, co ogranicza ich zastosowanie w wymagających obszarach. Z drugiej strony przystępność cenowa włókien z tworzyw sztucznych utrzymuje popyt na ten materiał w kierunkach skoncentrowanych na segmencie gospodarstw domowych. Jeśli chodzi o fluorkowe materiały optyczne, ich podstawą są szkła fluorocyrkonowe i fluoroglinianowe. Są to dość nowoczesne i technologiczne rozwiązania zapewniające komunikację optyczną, jednak zawartość metali ciężkich w strukturze również nie pozwala na ich zastosowanie np. w branży medycznej.
Sprzęt do pomiaru włókien
Najczęstszym sprzętem używanym w zestawach światłowodowych są czujniki i siatki Bragga. Czujniki światłowodowe to urządzenia przeznaczone do ustalenia pewnych wartości, które charakteryzują stan materiału w danym momencie. Na przykład różne czujniki mogą wykrywać naprężenia mechaniczne, temperaturę, wibracje, ciśnienie i inne wielkości. Krata Bragga w swojej funkcji jest bliższa właściwościom optycznym. Naprawia aperiodyczne zaburzenia refrakcji w rdzeniu światłowodu. Pomiar ten pozwala określić, jak wydajnie światłowód transmituje sygnał w określonych warunkach. Eksperci używają również optykireflektometr rejestrujący rozproszenie i opór.
Wzmacniacze i lasery światłowodowe
Jest to najbardziej zaawansowany produkt opracowany w oparciu o technologię światłowodową. W przeciwieństwie do innych typów laserów, zastosowanie włókien optycznych umożliwia tworzenie kompaktowych i jednocześnie wydajnych urządzeń. W szczególności technologia światłowodowa umożliwiła zastąpienie klasycznych urządzeń laserowych następującymi zaletami:
- Wydajność radiatora.
- Zwiększone promieniowanie wyjściowe.
- Skuteczne pompowanie.
- Wysoka niezawodność i stabilność lasera.
- Sprzęt o niskiej wadze.
Z kolei wzmacniacze, w zależności od typu, mogą być również stosowane w liniach sieci domowej, zwiększając wydajność głównej linii światłowodowej. Warto jednak bardziej szczegółowo zastanowić się nad zakresem działania światłowodu.
Do czego służy światłowód?
Istnieje kilka obszarów, w których używane są materiały światłowodowe. Jest to sfera użytku domowego, sprzętu telekomunikacyjnego i komputerowego, a także wysokospecjalistyczne nisze, w tym niektóre dziedziny medycyny. Dla każdego z tych segmentów produkowane są specjalne światłowody. Zastosowanie jako typowy środek transmisji np. sygnału telewizyjnego lub internetowego ogranicza się do tanich modeli plastikowych średniej jakości. Ale dla sprzętu laserowego i drogiewyroby medyczne wykorzystują wysokiej jakości włókna kwarcowe, również wyposażone w dodatkowe modyfikatory.
Zastosowanie światłowodu w medycynie
Takie włókna mogą być używane w sprzęcie i instrumentach medycznych. Standardowa technologia sugeruje możliwość wprowadzenia specjalnego urządzenia opartego na załamanych włóknach świetlnych, które już w samym narządzie ciała może przekazywać sygnał do zewnętrznej kamery telewizyjnej. Światłowód jest stosowany w medycynie oraz jako materiał oświetleniowy. Urządzenia wyposażone w moduły światłowodowe umożliwiają bezbolesne oświetlanie jam żołądka, nosogardzieli itp.
Zastosowanie światłowodu w sprzęcie komputerowym
Być może jest to najczęstsza nisza, w której światłowód znalazł swoje miejsce. Dzisiaj linie komunikacyjne pomiędzy poszczególnymi urządzeniami, które przesyłają informacje, nie mogą się już bez niej obejść. Oczywiście dotyczy to tych obszarów, w których niemożliwe lub niepraktyczne jest korzystanie z połączeń bezprzewodowych, które również aktywnie zastępują kable jako takie. Na przykład największe firmy telekomunikacyjne budują międzyregionalne sieci szkieletowe wykorzystujące światłowody. Wykorzystanie takich kanałów do podłączenia urządzeń peryferyjnych i zwykłych odbiorców usług telekomunikacyjnych pozwala na optymalizację kosztów finansowych utrzymania infrastruktury sieciowej, a także zwiększa wydajność samej transmisji danych.
Wady błonnika
Niestety nici optyczne nie są pozbawione słabości. Chociaż utrzymanie takiego okablowania jest tańsze, nie wspominając o braku potrzeby częstych aktualizacji, koszt samego materiału jest znacznie wyższy niż w przypadku tych samych metalowych odpowiedników. Ponadto światłowody i ich zastosowanie w medycynie jest niezwykle ograniczone ze względu na zawartość w niektórych stopach zanieczyszczeń ołowiem i cyrkonem, które są toksyczne dla człowieka. Dotyczy to głównie najwyższej jakości modeli szklanych, a nie plastikowych.
Produkcja światłowodów w Rosji
W ramach programu substytucji importu w 2015 roku w Mordowii otwarto fabrykę systemów światłowodowych. Jest to jedyne przedsiębiorstwo w Federacji Rosyjskiej, które obecnie stara się w możliwie największym stopniu zaspokoić potrzeby rodzimych odbiorców światłowodów. Do 2015 roku rosyjski przemysł zajmował się również produkcją materiałów światłowodowych, ale tylko w ramach indywidualnych projektów celowych. Ta sama sytuacja w pewnym stopniu utrzymuje się do dziś. Jeśli dana firma potrzebuje światłowodów, a ich wykorzystanie w medycynie lub w telekomunikacji jest uzasadnione finansowo, to jest wiele fabryk, które są gotowe pracować na takie specjalne zamówienia w trybie indywidualnym. Jednak w najbliższym czasie tylko zakłady w Mordowie będą produkować seryjną produkcję tych samych kabli światłowodowych. Co więcej, nie jest jeszcze w stanie zaopatrywać rynku zgodnie z wielkością popytu. Znaczna część produktów jest nadal kupowana z USA i Japonii. A nawet produkty krajowe są produkowane na importowanychsurowce.
Wniosek
Produkty światłowodowe kształtują się jako segment rynku od około 15-20 lat. Na przestrzeni lat konsument potrafił docenić zalety nowych kabli, ale postęp nie stoi w miejscu. Wraz z poprawą właściwości technicznych i fizycznych poszerzają się również obszary zastosowań materiału. W szczególności najnowsze włókno oparte na nanotechnologii jest aktywnie wykorzystywane w przemyśle naftowym i gazowym oraz przemyśle obronnym. Z kolei światłowody nieliniowe rozwijają obecnie tylko koncepcyjne, ale bardzo obiecujące obszary technologii. Wśród nich są kompresyjne impulsy laserowe, solitony optyczne, ultrakrótkie promieniowanie optyczne itp. Oczywiście, oprócz badań teoretycznych z możliwymi odkryciami i w ramach wiedzy czysto naukowej, nowe osiągnięcia umożliwią również składanie nowych ofert konsumentom na różnych poziomach na rynku.
