joi, 9 august 2012

FIBRELE OPTICE


        Din punctul de vedere al opticii, pentru a obţine informaţii despre un obiect trebuie îndeplinite cel puţin trei condiţii şi anume: (a) obiectul să fie luminos, adică să emită lumină direct sau indirect, (b) lumina care provine de la obiect să fie transmisă către locul unde se face detecţia fără pierderi prea mari şi (c) cantitatea de lumină care ajunge la locul de detecţie să fie suficient de mare. Observăm că mediul prin care se transmite informaţia optică este de importanţă esenţială pentru ca semnalul optic transmis să nu fie “mutilat” sau distorsionat.
        Chiar şi în cazurile când ne interesează doar simpla observare a obiectelor, dispozitivele şi aparatele optice clasice sau devin prea complicate sau nu pot rezolva o anumită problemă de rezolvare. Să luăm doar un singur exemplu: cei care lucrează în domeniul medical sunt interesaţi să dispună de metode rapide şi sigure de explorare a anumitor părţi interne sau organe interne ale organismului uman. Metodele clasice, bazate pe folosirea lămpilor cu incandescenţă, nu numai că sunt greoaie şi implică iluminări mici, dar prezintă şi riscuri datorită folosirii conexiunilor electrice. Toate aceste dificultăţi sunt eliminate dacă iluminarea se face din afară prin intermediul unei fibre optice subţiri.
        Însă fibrele optice sunt deja folosite pe scară largă în tehnica comunicaţiilor sau de transmitere a imaginilor. Această posibilitate este faciliată de natura electromagnetică a luminii, frecvenţa undelor luminoase fiind mult mai mare decât cea a undelor radio. Ântr-un context mai general fibrele optice reprezintă un domeniu al opticii integrate, iar progresele care vor fi obţinute în cadrul opticii integrate vor depinde foarte mult de progresele ce se vor realiza în domeniul fibrelor optice.
        Ca domeniu al opticii, care a apărut exclusiv din necesităţi practice dintre cele mai diverse, fibrele optice au cunoscut o dezvoltare rapidă după anul 1950 ca rezultat al obţinerii primelor fibre optice cu performanţe ridicate. Principiul de funcţionare al fibrelor optice este asemănător, din multe puncte de vedere, cu principiul de transmitere a luminii printr-o baghetă de sticlă transparentă. Teoretic, lumina poate fi transmisă printr-o astfel de bachetă de sticlă optică, dacă indicele de refracţie al sticlei este mai mare decât indicele de refracţiei al aerului. Din punct de vedere practic însă, neomogenităţile de compoziţie şi de prelucrare, precum şi impurităţile de pe suprafaţa materialului implică piederi foarte mari de lumină de-a lungul parcursului luminii. Pe de altă parte, natura electromagnetică a radiaţiei luminoase arată că pot apărea pierderi de lumină şi fenomene parazite care limitează drastic posibilităţile de folosire practică a fibrelor optice.
        Indiferent de domeniile în care se folosesc, fibrele optice sunt ghiduri de lumină folosite pentru transmiterea informaţiilor cu piederi mici de energie dintr-un loc în alt loc. Vom analiza transmiterea radiaţiei luminoase prin fibrele optice din punctul de vedere al opticii geometrice şi din punctul de vedere al opticii ondulatorii.

        FIBRA OPTICĂ SIMPLĂ

        Prin fibră optică simplă înţelegem un mediu optic transparent, de mare lungime, cu secţiunea transversală circular simetrică şi indicele de refracţie constant sau radial variabil, separat de un alt material cu indicele de refracţie constant şi mai mic, pentru ca la suprafaţa de separare să se producă reflexia totală a radiaţiei luminoase, fără pierderi. După mudul de variaţie radială a indicelui de refracţie al materialului transparent, denumit miezul fibrei optice, distingem mai multe tipuri de fibre optice reprezentate în figura 8.1. Învelişul fibrei optice are şi rolul de aproteja de impurităţi suprafaţa de separare dintre miez şi înveliş, la care se produce fenomenul de reflexie totală. Tehnologia de obţinere a fibrelor optice este prezentată de Tader şi Spulber (1985).
       
        CONSIDERAŢII DE OPTICĂ GEOMETRICĂ

Propagarea radiaţiei luminoase prin fibra optică poate fi analizată din punctul de vedere al opticii geometrice atunci când diametrul miezului fibrei optice este mare comparativ cu lungimea de undă a radiaţiei luminoase (efectele de difracţie se neglijează). Dacă diametrul miezului fibrei optice este de acelaşi ordin de mărime cu lungimea de undă a radiaţiei luminoase, analiza trebuie făcută în cadrul opticii ondulatorii. În această secţiune vom considera că sunt împlinite condiţiile de aplicabilitate a opticii geometrice.
        În limbajul opticii geometrice, radiaţia luminoasă incidentă la limita de separare dintre miezul fibrei (cu indicele de refracţie n1 ) şi învelişul protector (cu indicele de refracţie n2, n1 > n2) va fi reflectată total şi deci se va propaga fără pierderi de-a lungul fibrei optice, dacă unghiul de incidenţă θ este mai mare sau egal cu unghiul limită l (0>l), unde unghiul limită este dat de relaţia
                                  sin l=n2/n1=1/n21                     (8.1)
        Fie o fibră optică cilindrică cu secţiunea transversală, circulară de rază R0 şi cu indicele de refracţie n1=constant, înconjurată de un mediu protector cu indicele de refracţie n2=constant şi fie SI o rază de lumină, care intersectează axa de simetrie a fibrei, incidentă pe suprafaţa plană a fibrei optice, perpendiculară pe axa de simetrie, sub unghiul de incidenţă i, aşa cum se arată în figura 8.2. După ce suferă refracţia la suprafaţa plană sub unghiul de refracţie r, dat de relaţia

                           r=arc sin (n0/n1 sin i),               (8.2)

unde n0 este indicele de refracţie al mediului din care lumina pătrunde în fibră, raza de lumină ajunge la suprafaţa de separare dintre miezul fibrei şi mediul protector sub unghiul de incidenţă θ dat de relaţia
                                   θ=π/2-r.                           (8.3)
        Conform relaţiilor (8.1)- (8.3), condiţia de reflexie totală în punctul I’ este dată de relaţia
                 sin θ=cos r=(1-sin²r)­­½=(1-n²0 /n²1 sin²i)½>n2/n1,     (8.4a)
sau
                      (n1­­²-n2²)½≡sin imax>sin i.                  (8.4b)
        Aceasta înseamnă că orice rază de lumină, incidentă pe suprafaţa plană a fibrei optice sub unghiul de incidenţă i mai mic decât unghiul imax, dat de relaţia (8.4b), va fi trapată în fibra optică (raza trapată). Unghiul de refracţie maxim pentru o rază trapată este dat de relaţia
                            sin rmax= n0 sin imax= (1- n2²)½ .             (8.4c)
                                           n1                                n1²

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

                             A.N.= n0 sin imax= (n1²-n2²)½ .
        Fig 8.3. Distanţa de la axa de simetrie la drumurile succesive parcurse de rază în interiorul fibrei optice este o mărime constantă, notată cu dc . De asemenea şi unghiul de incidenţă θ din  interiorul fibrei rămâne constant, fiind dat de relaţia
            cos θ= sin r cosγ= n0 sin i cos γ
                                          n1
unde sin γ= dc/R0. În funcţie de unghiul de incidenţă la intrare,i, condiţia de trapare a razei de lumină se scrie n0 sin i< A.N. sec γ. Razele incidente care nu intersectează axa de simetrie a fibrei optice determină o apertură numerică virtuală (A.N.V.) care se poate calcula folosind relaţia
                 A.N.V.= n0 sin imax= (n1²-n2²)½ sec γ .   
Întrucât nu toate razele de acest fel sunt trapate de fibra optică, chiar dacă se îndeplineşte condiţia i < imax, apertura numerică efectivă (A.N.E.) se calculează cu ajutorul relaţiei
(A.N.E.)²= n0²- 2 {[(n0²-n1­­²+n2²)]½+[n0²-2(n1²-n2²)]arccos[(n1²-n2²)½/n0]} ,
                         π
pentru obţinerea căreia s-au luat în consideraţie toate razele de lumină, indiferent dacă intersectează sau nu axa de simetrie, iar fibra optică s-a considerat perfect cilindrică.
        Când suprafaţa plană, a fibrei opice, prin care intră lumina, este oblică faşă de axa de simetrie, conul razelor trapate va fi şi el oblic, la ieşirea din fibră, faţă de axa de simetrie. Reprezentarea schematică a formei fasciculului incident şi de forma suprafeţei prin care intră lumina, este dată în figurile 8.4 a, b, c.
        Dacă fibra optică este conică, aşa cum se arată schematic în figura 8.5, unghiul de incidenţă al unei raze trapate în interiorul fibrei se modifică de-a lungul acesteia, raza de lumină putându-se chiar întoarce la suprafaţa de intrare. Condiţia de trapare a unei raze de lumină care intersectează axa de simetrie a fibrei conice este dată de relaţia
                     n0 sin i= n1 sin r= n1R2 sin rx< (n1²-n2²)½ R2 ,
                                                      R1                              R1
unde R1 este raza suprafeţei de intrare, iar R2 raza suprafeţei de ieşire ale fibrei conice. Apertura numerică a fibrei optice conice este mai mică de R1/R2 ori decât apertura numerică a fibrei optice cilindrice. Obţinerea unei cât mai mari concentraţii spaţiale de lumină se poate realiza prin conicizarea fibrei optice, însă acest lucru este acompaniat de creşterea divergenţei unghiulare a fasciculului de lumină. Putem creşte suprafaţa iluminată de fascicul micşorând unghiul de convergenţă al conului.
        Prin Curbarea fibrei optice anumite raze de lumină iniţial trapate pot trece în mod radiativ. În practică razele de curbură sunt mari, încât pierderile radiative sunt neglijabile, ceea ce asigură un mare avantaj fibrelor optice ca ghiduri de lumină. Curbarea fibrei optice distruge simetria axială. Efectul curbării se manifestă cel mai pregnant asupra razelor de lumină din planul de curbură care intersectează axa; de aceea, pentru început vom lua în consideraţie numai astfel de raze, reprezentarea schematică fiind dată în figura 8.6. Raza de lumină care intră în fibra optică în punctul I’’ este refractată sub unghiul de refracţie r, iar unghiul de incidenţă θ1 în punctul I``, obţinut prin aplicarea teoremei sinusului în triunghiul I`I``O va fi
                  sin θ1=Rc-R0 sin I``I`O=Rc-R0 cos r .
                             Rc+R­0                  Rc+Ro
Unghiul de incidenţă pentru următorul punct de incidenţă, I``, va fi θ2=π-r
                                                                                                                  2
iar drumul parcurs de raza de lumină între două reflexii succesive va fi
                                  d= I`I``= (Rc+R0) sin β ,
                                                               cos r
Rezultatul obşinut evidenţiază faptul că în cazul fibrelor optice cu indici de refracţie care diferă foarte puşin unul de altul, chiar şi micile curbări ale fibrei optice distrug efectul de trapare a razelor de lumină.

       
       



        CONSIDERAŢII PE BAZA OPTICII ELECTROMAGNETICE


        Multe fenomene care apar la ghidarea luminii prin fibrele optice nu pot fi abordate în cadrul opticii geometrice; pentru explicarea lor trebuie folosită optica electromagnetică. Asemănarea ghidurilor de undă rectangulare, fibrele optice cu secţiunea transversală circulară pot suporta mai multe moduri. Calitativ, modurile pot fi descrise în raport de variaţia radială a câmpului cu maxime sau minime pe axa de simetrie şi cu maxime adiţionale de-a lungul razei miezului. Acestea din urmă se notează cu litera m. Modurile staţionare sunt caracterizate de un câmp care scade monoton în afara miezului fibrei optice.
        Concomitent cu variaţia radială poate apărea şi o variaţie azimutală; câmpul poate vira ciclic în apropierea circumferinţei. Lungimea circumferinţei trebuie să corespundă unui număr întreg l de cicluri. Dacă lumina este polarizată liniar (PL), diferitele moduri sunt caracterizate prin notaţii simbolice de forma PLlm.
        Atenuarea fasciculului de lumină în timpul propagării de-a lungul fibrei optice se datorează în principal următoarelor cauze:
-reflexiei la suprafaţa de intrare în fibra optică;
-împrăştierii şi absorbţiei în materialul fibrei optice;
-reflexiei totale incomplete la limita de separare miez-strat.
Atenuarea este mare la începutul fibrei optice după care în fibră se propagă numai modurile trapate rămase.
        Fibra optică simplă are deja multiple aplicaţii practice. Ea poate fi folosită ca aparatură de dimensiuni mici în cele mai diverse dispozitive. De asemenea, ea este folosită pentru transportul energiei radiative în scopuri de încălzire locală a materialelor. De exemplu, în cuplaj cu o lampă incandescentă de 100W fibra optică simplă s-a folosit pentru sudarea conexiunilor din dispozitivele electronice.
        Când sunt implicate densităţi mari de energie radiantă, transmisă, ca în cazul cuplării fibrei optice cu un laser de putere, efectul de solarizare a materialului limiteză domeniul de aplicabilitate al fibrei optice. De pildă, pentru o densitate de putere de 15kW/cm² o fibră optică obişnuită, lungă de 1,5m, îşi reduce transmitanţa în timp de 7 min de la 0,53 la 0,25, din cauza solarizării. Folosirea unor materiale optice cu proprietăţi superioare a permis obţinerea unor fibre optice în care efectul de solarizare, în condiţiile specificate, determină o reducere a transmitanţei în timp de o oră de numai 10%.





CABLURI DIN FIBRE OPTICE

        Deşi fibra optică simplă are o mare flexibilitate, datorită faptului că energia şi cantitatea de informaţie transmise prin fibră sunt limitate, se folosesc cabluri alcătuite din mai multe fibre optice simple.
        Cablurile de fibre optice sunt de două feluri:
1.   cabluri necoerente sau ghiduri de lumină, care se folosesc atunci când semnalul transmis de o fibră optică simplă a cablului nu este corelat cu semnalele transmise se celelalte fibre simple ale cablului; în astfel de cabluri nu este importantă poziţia relativă a diferitelor fibre simple care alcătuiesc cablul;
2.   cabluri coerente, folosite în special pentru transmiterea imaginilor; la asemenea cabluri poziţia relativă a diferitelor fibre simple care intră în componenţa acestora este de importanţă vitală.


CABLURI NECOERENTE

        Funcţia primară a cablurilor necoerente este de a transmite lumina dintr-un loc în alt loc. Avantajele lor faţă de alte dispozitive optice care pot îndeplini acelaşi rol sunt flexibilitatea, eficienţa ridicată, compactitatea şi posibilitatea de modelare a secţiunii transversale a fasciculului luminos. Flexibilitatea permite ghidarea luminii după drumuri complicate fără să fie necesară folosirea oglinzilor sau a prismelor. Eficienţa ridicată poate avea valori mai mari decât unul. Cu ajutorul cablurilor optice se poate modifica atât forma secţiunii transversale a unui fascicul  luminos cât şi numărul de fascicule transmise; un singur fascicul de lumină poate fi divizat în mai multe fascicule de lumină separate, sau mai multe fascicule de lumină pot fi combinate într-un singur fascicul de lumină.
        Structura de aranjare a fibrelor optice simple într-un cablu poate fi sau hexagonală sau pătratică, aşa cum se arată schematic în figura 8.8. Într-un montaj hexagonal fibrele optice ocupă o fracţiune egală cu π/2√3=0,9069 din suprafaţa unui element de reţea (reprezentat punctat în figură), dacă nu se ia în consideraţie grosimea staratului protector de material, şi ocupă o fracţiune egală cu o,9069 R0/R1 dacă se consideră şi grosimea stratului protector, R1 fiind raza secţiunii transversale corespunzătoare stratului protector. Într-un aranjament pătratic fracţiunea este de π/4=0,785, ceea ce determină ca transmitanţa acestor cabluri să fie mai mică decât cea a cablurilor cu aranjament hexagonal de 2/√3=1,115 ori.
        Diametrul fibrelor optice de sticlă folosite pentru alcătuirea cablurilor poate ajunge până la 0,15mm fără ca flexibilitatea cablului să se reducă prea mult. Dacă se folosesc fibre optice de material plastic, diametrul maxim poate fi decca 1,5mm. Prin curbarea (îndoirea) cablurilor, cele mai solicitate sunt fibrele optice exterioare. Astfel de solicitări duc la micşorarea transmitanţei cablului. În cazul cablurilor de sticlă transmitanţa se stabilizează la o valoare cu cca 1% sau 2% mai mică decât cea iniţială după aproximativ 100 de solicitări, pe când la cablurile din fibre de material plastic transmitanţa continuă să se reducă cu creşterea numărului de solicitări.
        Temperatura până la care se folosesc cablurile de sticlă depinde de materialul stratului protector şi de materialul folosit pentru unirea fibrelor şi poate fi de până la 4ooºC, iar temperatura maximă la care se mai pot folosi cablurile de plastic este impusă de materialul plastic folosit pentru obţinerea fibrelor.

        CABLURI COERENTE

        Deoarece fiecare fibră optică simplă, componentă a cablului, poate transporta o anumită cantitate de energie, corespunzătoare unui anumit element de suprafaţă a obiectului, independent şi fără influenţa fibrelor vecine, cablurile coerente servesc pentru transmiterea imaginilor dintr-un loc în altul.
        Fibra optică este extrasă din furnal pe un tambur, având însă grija de a poziţiona spirele succesive ale elicoidului unele lângă altele fără să se suprapună. După ce s-a obţinut lăţimea dorită, se depune un nou strat prin inversarea sensului de spiralare a fibrei, numărul straturilor depinzând de numărul de fibre care trebuie sa alcătuiască cablul. După ce s-a realizat numărul dorit de straturi, fibrele de pe tambur se taie paralel cu axa tamburului. Procedeul nu permite obţinerea unor fibre mai subţiri de cca 20 μm, motiv pentru care se procedează la reîncălzirea cablului şi întinderea sa obţinându-se fibre cu diametre de cca 5 μm.
        Datorită grosimii finite a materialului învelişului protector, o anumită cantitate de energie se pierde. Împrăştierile din miezul fibrei şi la suprafaţa fibrelor duc de asemenea la pierderi de energie. Ambele fenomene contribuie la trecerea luminii dintr-o fibră în alta. În cazul cablurilor nocerente aceasta duce, în cel mai rău caz, la micşorarea fluxului luminos. În cazul cablurilor coerente însă trecerea luminii dintr-o fibră în alta este însoşită de micşorarea contrastului din imaginea finală, motiv pentru care fibrele se acoperă cu un strat metalic protector sau cu un strat opac de sticlă.
        În general, cele două tipuri de cabluri optice, coerente şi necoerente, prezintă aceleaşi proprietăţi optice, deşi din anumite puncte de vedere pot apărea deosebiri. De exemplu, folosirea izolaţiei pentru prevenirea trecerii luminii dintr-o fibră optică în ,alta face ca apertura numerică a cablurilor optice coerente să fie mai mică din cauza creşterii atenuării razelor de lumină mai înclinate faţă de axă. În plus, de interes deosebit devine funcţia de propagare efectivă.
        Izolaţia dintre fibre nu este perfectă, încât de aceea, în fibre poate apărea lumină parazită. Când iluminarea suprafeţei de intrare a cablului se menţine în conul de lumină cu semiunghiul la vârf i<imax, lumina parazită se poate datora uneia din următoarele cauze:
·        pătrunderea luminii prin materialul dintre miezul fibrei;
·        abaterea de la reflexia internă totală;
·        împrăştierea luminii în fibră sau la suprafaţa ei;
·        curbarea cablului.
Orice defect constructiv al fibrelor optice poate duce la distorsionarea imaginilor. Aceste distorsiuni include punctele întunecoase datorate fibrelor rupte sau sparte şi deformările imaginilor datorate alinierii incorecte a fibrelor în cablu. De cele mai multe ori abaterile de la alinierea axială determină o deplasare laterală a imaginii.


APLICAŢII ALE CABLURILOR

        Când se folosesc în tehnica iluminatului, fibrele optice prezintă mai multe avantaje faţă de sistemele clasice, avantaje care vor fi prezentate în continuare:
a. Fibrele optice permit separarea sursei de lumină de suprafaţa ce trebuie iluminată, fapt  de importanţă esenţială în special în aparatele optice medicale îintroduse în organism pentru inspecţia  vizuală a diferitelor organe interne. Metodele clasice de observare bazate pe folosirea lămpii cu incandescenţă complică mult sistemul optic, nu permit obţinerea unor iluminări suficiente şi prezintă riscuri din punctul de vedere al conexiunilor electrice. Toate aceste dificultăţi se înlătură dacă iluminarea se va face cu o fibră optică subţire.
b. Cablurile optice permit miniaturizarea, o problemă crucială în aplicaţiile care implică folosirea mai multor surse de lumină.
c. Fibrele optice se pot folosi pentru iluminarea instrumentelor de măsură şi control. De exemplu, un sistem optic poate încorpora mai multe instrumente care, din punst de vedere clasic, se iluminează separat folosind becurile cu incandescenţă. Folosirea unui cablu optic de fibre optice iluminat de o singură sursă de lumină poate diviza fasciculul de lumină în mai multe fascicule, fiecare dintre acestea folosindu-se pentru iluminarea unui instrument.
d. Metoda de cuplare sau decuplare a diferitelor conexiuni electrice, bazată pe folosirea fibrelor optice, asigură o protecţie ridicată şi capătă o extindere tot mai mare.
e. Controlul surselor de lumină localizate în locuri greu accesibile deschide un câmp larg de aplicaţii pentru cablurile optice.
f. Se ştie că sursele de lumină întinse prezintă o eficienţă mică de iluminare a unor suprafeţe mici, în special când acestea sunt fantele dreptunghiulare ale aparatelor optice. Folosirea unor cabluri optice a căror secţiune transversală variază continuu de la forma circulară la forma alungită prezintă un avantaj potenţial.
g. Fibrele optice pot fi folosite pentru obţinerea unor corelatori multicanal, fasciculele provenite din diferite locuri putând fi sumate sub forma unui singur semnal.
        Când se folosesc în tehnica sistemelor de comunicaţii, fibrele optice oferă avantaje multiple faţă de sistemele clasice. Asfel de aplicaţii trebuie însă să ia în consideraţie nu numai posibilităţile de distorsionare a semnalelor transmise ci şi posibilităţile de distrugere în timp a cablurilor de fibre opzice, în special datorită fragilităţii fibrelor de sticlă. Protecţia cablurilor optice trebuie asigurată faţă de abraziune şi contaminare, faţă de tensiunea la întindere, şi faţă de tensiunea datorată îndoirii. Straturile protectoare, folosite pentru asigurarea condiţiilor impuse de folosirea în condiţii de securitate a cablurilor optice, pot ocupa o parte importantă din întregul volum al cablului. Întrucât funcţia unui sistem de comunicaţii este aceea de a transmite informaţii, asemenea sisteme trebuie apreciate şi comparate în raport cu capacitatea de informare a unui canal. Din acest punct de vedere, mărimea capacităţii de informare este legată de micşorarea împrăştierii impulsului, datorată atât dispersiei de material cât şi dispersiei modale, şi de creşterea puterii de transmisie sub un raport semnal/zgomot convenabil.
        Cât priveşte posibilitatea de a folosi cablurile optice coerente pentru a transmite imaginile dintr-un loc în altul, trebuie pornit de la faptul că este imposibil să se aşeze fibra optică în contact cu obiectul. Procedeul este de a forma imaginea obiectului pe faţa de intrare a cablului folosind mijloace clasice. Adesea este necesar ca imaginea formată pe faţa de ieşire a cablului să fie mărită, folosind tot mijloace clasice. Combinaţia obiectiv-cablu coerent de fibre optice-ocular este cunoscută sub denumirea de fibroscop.
        Fibroscoapele au deja multiple aplicaţii atât în medicină cât şă în industrie, în special pentru controlul suprafeţelor interne la care accesul prin mijloace clasice nu este posibil.
        Există încă multe aplicaţii ale fibrelor optice pentru obţinerea imaginilor în mărime naturală, pentru realizarea tuburilor convertor cu fascicul baleiat sau în fotografia ultrarapidă. Progresele obţinute până acum în domeniul fibrelor optice şi cele care vor fi obţinute mai departe deschid calea dezvoltării unui nou domeniu de vârf al opticii, optica integrată. 
FIBRA OPTICĂ

        O tehnologie care foloseşte fire (fibre) de sticlă (sau plastic) pentru transmiterea datelor. Un cablu de fibre optice constă în mai multe fire de sticlă, din care fiecare este capabil să transmită mesajele la viteze apropiate de viteza luminii.figura 30.
        Fibrele optice au câteva avantaje faşă de liniile de comunicaţie tradiţionale, din metal:
·        cablurile de fibră optică au o lăţime de bandă mult mai mare decât cablurile de metal; asta înseamnă să ele pot purta masi multe date;
·        cablurile de fibră optică sunt mai puţin susceptibile la interferenţe decât cablurile metalice;
·        cablurile de fibră optică sunt mult mai subţiri şi mai uşoare decât firele de metal;
·        datele pot fi transmise digital (forma naturală a datelor de pe calculatoare) în loc de a fi transmise analogic.
Principalul dezavantaj al fibrelor optice este preţul mare al instalării cablurilor. În plus, ele sunt mult mai fragile decât firele metalice şi sunt mai greu de ramificat.

        Fibra optică este o tehnologie în special pentru reţelele locale (local-are network). Mai mult, companiile telefonice tradiţionale înlocuiesc gradat liniile telefonice cu cabluri de fibre optice. În viitor, aproape toate comunicaţiile vor folosi fibre optice.

        Fibrele optice sunt cilindri lungi şi flexibili cu diametru de 10-100μm, prin care razele luminoase se propagă prin reflexii interne totale multiple pe suprafaţa laterală a fibrei; există şi fibre optice cu gradient , caracterizate de faptul că indicele de refracţie este maxim în centrul fibrei scade treptat spre periferia ei asfel încât reflexia totală a luminii este mai complicată decât în cazul fibrelor optice simple.Figura 151.
       














        CE SUNT FIBRELE OPTICE?

        Fibrele optice sunt fâşii subţiri şi lungi de sticlă foarte fină cu diametrul părului uman.
        Sunt aranjate în snopuri numite cabluri optice şi sunt folosite pentru a transmite semnale de lumină pentru distanţe lungi.
        Dacă te uiţi atent la o singură fibră optică o să vezi că are următoarele părţi:
·        miezul – centrul subţire al fibrei pe unde circulă lumina;
·        învelişul- materialul optic din afară care înconjoară miezul şi reflectă lumină înapoi în el;
·        



mediul protector- înveliş de plastic care protejează fibra de stricăciuni şi umezeală.

Sute sau mii de aceste fibre optice sunt aranjate în snopuri în cablu optic. Snopurile sunt protejate de învelişul extern al cablului numit îmbrăcăminte.
Fibrele optice sunt de două feluri:
-        fibre simple- folosite să transmiţi un semnal pe fibră (folosite la tefoane şi cablu TV);
- fibre multiple - folosite să transmiţi mai multe semnale pe aceeaşi fibră (folosite la reţelele de calculatoare).
        Fibrele simple au miezul foarte subţire (cam 3,5∙10-4 inci sau 9 microni în diametru) şi transmit lumină laser inflaroşu.
        Fibrele multiple au miezul mai mare (cam 2,5∙10-3 inci sau 62,5 microni în diametru) şi transmit lumină inflaroşie de la o diodă luminoasă (LED). Unele fibre optice sunt făcute din plastic. Acestea au un miez mai mare (0,04 inci sau 1 mm diametrul) şi transmit lumină roşie din LED-uri.



       
        Să presupunem că vrei să aprinzi o lanternă într-un hol lung şi drept. Pur şi simplu îndreaptă lanterna spre hol- lumina circulă în linii drepte, deci nu e nici o problemă. Dar dacă holul are o curbă? Poşi să pui o oglindă în colţ ca să reflecte lumina. Dar dacă holul ar avea multe curbe? Ai putea să îmbraci pereţii în oglinzi şi să îndrepţi lumina astfel încât să ricoşeze dintr-un perete în altul pe hol. Aceasta este exact ce se întâmplă într-o fibră optică.

       
            Diagrama despre reflecţia internă a unei fibre optice

        Lumina într-un cablu cu fibre optice călătoreşte prin miez (holul) ricoşând constant de înveliş (pereţii cu oglinzi), un principiu numit reflecţie internă totală. Pentru că învelişul nu absorbă nici un pic de lumină din miez, unda de lumină poate călători distanţe mari. Oricum, câteva din semnalele luminoase se degradează în fibră, în principal din cauza impurităţilor din sticlă. Cât de mult se deteriorează semnalul depinde de puritatea sticlei şi de lungimea de undă a luminii transmise. Cele mai bune fibre optice nu deteriorează semnalul, mai puţin de 10%/km la 1550nm.
        Pentru a înţelege cum sunt folosite fibrele optice în sistemele de comunicaţii să ne uităm la un exemplu dintr-un film din Al II-lea Război Mondial, unde 2 vapoare într-o flotă trebuie să comunice una cu alta fără semnale radio sau pe mări agitate. Căpitanul unei nave trimite un mesaj unui marinar pe punte. Marinarul traduce mesajul în cod MORSE (punte şi linii) şi foloseşte semnal luminos (o lampă puternică cu acoperitoare) ca să trimită mesajul celeilalte nave. Marinarul de pe cealaltă navă vede codul MORSE, îl decodează în engleză, şi trimite mesajul sus la căpitan. Acum, imaginaţi-vă făcând asta când vasele sunt fiecare în celălalt capăt al oceanului separate de mii de mile şi ai un sistem de comunicaţii prin fibre optice instalat între cele două nave.
        Un sistem de transmisie prin fibră optică este compus din:
·        transmiţător- produce şi codează semnalele luminoase;
·        fibra optică- conduce semnalele luminoase (pe distanţe lungi);
·        regeneratorul optic- poate fi necesar pentru amplificarea semnalului;
·        receptorul optic- primeşte şi decodează semnalele luminoase.

TRANSMIŢĂTORUL

        Transmiţătorul este ca marinarul de pe puntea vaporului care emite semnalele. Primeşte şi direcţionează aparat optic pentru a focaliza lumina în fibră. Lasărele au mai multă putere decât LED-urile, dar variază mai mult cu schimbările în temperatură şi sunt mai scumpe. Cea mai uzuală lungime de undă a semnalului luminos este de 850nm, şi 1550nm (inflaroşu şi părţi invizibile ale spectrului).

        REGENERATORUL OPTIC
        Cum am menţionat mai sus o pierdere a semnalului apare când lumina este transmisă prin fibră, în special pe distanţe lungi (mai mult de 1km), ca un cablu subacvatic. Deci, unul sau mai multe regeneratoare trebuie plasate pe cablu pentru a amplifica semnalul de lumină degradat. Regeneratorul optic constă din fibre optice cu un înveliş special. Porţiunea înbrăcată este pompată cu laser. Când semnalul degradat întră în înveliş, energia laserului permite moleculelor să devină ele înseşi lasere. Moleculele emit apoi un nou semnal luminos mai puternic cu aceleaşi caracteristici ca semnalul slab primit. Regeneratorul este un amplificator pentru semnalul de intrare.

        RECEPTORUL OPTIC
        Receptorul optic este ca marinarul de pe vapor care primeşte semnalul. El primeşte semnalul luminos de intrare, îl decodează şi îl trimite ca semnal electric celuilalt utilizator, computer, TV, sau talafon (căpitanul celeilalte nave).
        De ce sistemele din fibre optice sunt revoluţia telecomunicaţiilor? În comparaţie cu firul metalic convenţional, fibra optică este:
·        mai ieftin- câteva mile de cablu optic sunt mai ieftine decât aceeaşi lungime de fir de cupru;
·        mai subţire- fibrele optice pot fi trase în diametre mai mici decât firul de cupru;
·        capacitate purtătoare mai mare- pentru că fibrele optice sunt mai subţiri decât firele de cupru, mai multe fibre pot fi adunate într-un cablu de acelaşi diametru. Aceasta permite mai multe linii telefonice prin acelaşi cablu sau mai multe canale TV;
·        mai puţină degradare a semnalului- pierderea de semnal pe fibre optice este mai mică decât pierderea pe firele de cupru;
·        semnale luminoase- spre deosebire de semnalele electrice din cupru, semnalele electrice din fibră nu interferează cu celelalte fire din cablu. Aceasta înseamnă o conversaţie telefonică mai bună sau o recepţie TV mai bună;
·        putere mică- fibrele optice se degradează mai puţin, pot fi folosite transmiţătoarele mai mici;
·        semnale digitale- fibra opticp este ideală pentru transmiterea semnalelor digitale (foarte folosite pentru reţelele de calculatoare);
·        neinflamabil- pentru că nu trece curent electric prin fibre, nu există riscul de foc;
·        greutate mică- o fibră optică este mai uşoară decât un cablu de cupru, ocupă mai puţin spaţiu în pământ;
·        flexibile- fibrele optice sunt atât de flexibile, pot transmite şi primi lumină, sunt folosite în camere digitale flexibile în următoarele scopuri:
- imagine medicală;
- imagine mecanică;
- instalaţii.
Din cauza acestor avantaje, vezi fibrele optice în foarte multe industrii, mai ales în telecomunicaţii şi reţele de calculatoare. De exmplu, dacă ai da telefon din europa în SUA sau invers, şi semnalul a fost ricoşat de un sistem de comunicaţii, adesea auzi un ecou pe linie. Oricum, cu fibra optică transatlantică ai o conexiune directă fără ecouri.
Acum că ştim cum lucrează sistemele de fibre optice şi de ce sunt ele folosite, cum se fac? Fibrele optice sunt făcute din sticlă extre de pură. Ne gândim la o fereastră că este transparentă, dar cu cât geamul este mai gros, cu atât devine mai puţin transparent din cauza impurităţilor. Oricum impurităţile sticlei într-o fibră sunt mult mai puţine decât într-un geam de fereastră. Descrierea unei companii despre claritatea sticlei este următoarea: “Dacă ai fi deasupra unui ocean din fibră de sticlă ai putea să vezi fundul oceanului”.

Producerea fibrei ptice necesită următorii paşi:
-        producerea unui cilindru preformat;
-        tragerea fibrelor prin cilindru;
-        testarea fibrei.
Producere mulajului.
        Sticla pentru mulaj este făcută dintr-un proces special numit modificarea chimică a vaporilor condensaţi (MCVD). În MCVD este balonat prin clorură de silicon (Si Cl4), clorură de germaniu (Ge Cl4) şi/sau alte chimicale. Mixtura precisă care guvernează principiul proprităţii fizice şi optice (indicele de refracţie, coeficientul de expansiune, punctul de topire, etc). Vaporii de gaz sunt conduşi într-un tub de silicon sau quarţ, într-un strung special. Cum se învârte strungul, dai cu torţa în tub, torţa este mişcată în sus şi în jos în afara tubului.
        Căldura extremă a torţei face două lucruri să se întâmple:
·        siliconul şu germaniul reacţionează cu oxigenul formând dioxid de silicon şi dioxid de germaniu;
·        dioxidul de silicon şi dioxidul de germaniu se depun în tub fuzionând împreună ca să formeze sticla.
Strungul se învârte continuu ca să facă un înveliş perfect şi consistent. Puritatea sticlei este menţinută folosind plastic rezistent la coroziune în sistemul de injectare a gazului şi prin controlarea precisă a debitului compoziţiei mixturii. Procesul producerii mulajului este automat şi durează câteva ore. După acesta se răceşte, este testat pentru calitate.








        O dată ce mulajul a fost testat este instalat într-un turn de tras fibre. Turnul ecologic într-un furnal de grafit (2200˚C) şi vârful este topit până când substanţa cade, se răceşte şi formează un fir. Se faqce în 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.

IMPURITATI

Absorbtia (dB/km) pentru 1ppm la 850nm
Na2O-CaO
Na2O-B2O3
SiO2
Fe
Cu
Cr
Co
Ni
Mn
K
125
600
10
10
260
40
-
5
500
25
10
200
11
40
130
22
1300
24
27
60
2500
           
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 (CO2–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 SiH4 , prin reactie in faza de vapori cu oxigen la temperatura inalta din SiCl4 sau prin hidroliza urmata de uscaresi calcinare de Si(OC2H5) 4 .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 SiO2 , 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 3,5%
       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
1900                              radioul (Guglielmo Marconi)
1910                              lampa trioda (Lee de Forest)
1920                              T.V-ul iconoscopic(Vladimir Zworykin)
1930                              indrumatorul de unda (Schelkumoff si Barrow)
1940                              radarul (Robert Watson –Watt)
1950                              tranzistorul (John Bardeen,Walter Brattain,
William Shockley)
1960                              laserul (Townes)
1970                              fibra optica (Kao si Maurer)
1980                              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 următoarele:
·        rezistenţa la tensiune- trebuie să reziste la 100 000lb/inci² sau mai mult;
·        indicele profilului de refracţie;
·        geometria fibrei- diametrul miezului şi al învelişului trebuie sş fie uniforme;
·        atenuare- determinş degradarea variatelor lungimi de undă pe distanţe mari;
·        capacitatea de transportare a informaţiilor- numărul de semnale care pot fi transmise în acelaşi timp;
·        dispersia cromatică- împrăştierea diferitelor lungimi de undă prin miez;
·        temperatura de operare/umiditate;
·        dependenţa de temperatură a atenuării;
·        abilitatea de a conduce lumina sub apă.
O dată ce fibrele au trecut controlul de calitate, ele sunt vândute companiilor de cablu, de telefon şi distribuitorilor de reţea. Multe companii îşi schimbă reţeaua veche de cupru cu sisteme pe fibră optică pentru a mări viteza, capacitatea şi claritatea.


FIZICA REFLECŢIEI TOTALE INTERNE

        Când lumina trece printr-un mediu cu un indice de refracţie, m1, în alt mediu cu un indice de refracţie mai mic, m2, se curbează sau se reflectează în afara unei linii imaginare pe suprafaţă (linia normală). Cum unghiul razei prim m1 devine mai mare în comparaţie cu normala, linia reflactată în m2 se coteşte mai departe de linie. La un anumit unghi, unghiul critic, lumina refractată nu va intra în m2, dar va călători de-alungul suprafeţei între cele două medii (sin < critic= n2/n1 unde n1 şi n2 sunt indicele de refracţie). Dacă raza prin m1 este mai mare decât unghiul critic, apoi raza reflectată se va întoarce în m1 (reflecţie internă totală), chiar dacă m2 poate fi transparent. În fizică, unghiul critic este descris în funcţie de mormală. În fibra optică, unghiul critic este descris în funcţie de paralela la axă.Concluzie: unghiul critic la fibra optică este egal cu 90-unhiul critic în fizică.
        Într-o fibră optică lumina circulă prin miez (m1) reflectat constant de înveliş (m2), pentru că unghiul luminos este mai mare decât unghiul critic. Lumina se reflectă în orice unghi ar fi fibra.
        Oricum o parte din semnalul luminos se degradează în foarte mare parte din cauza impurităţilor. Măsura în care semnalul se degradează depinde de puritatea sticlei.



TEHNOLOGIA DE REALLIZARE CONTINUĂ A PREFORMEI- METODA “VERNEUIL”

        Metoda “Verneuil” permite, prin felul în care are loc depunerea chimică, realizarea în mod continuu a preformei, ceea ce o deosebeşte faţă de celelalte metode tradiţionale. De fapt, preforma creşte în direcţie axială în urma depunerii de material pe una din suprafeţele frontale ale baghetei, printr-un proces de tipul oxidării exterioare din faza de vapori (figura 6.12.).
        Procesul de creştere are loc prin depunerea de particule fine de oxid colectate pe un suport (tub sau baghetă) rezultate în urma reacţiilor în fază gazoasă a compuşilor volatili ai siliciului şi ai elementelor dopante.
        Baghetei, pe care are loc depunerea, i se imprimă o mişcare de rotaţie şi una de avans longitudinal. Prin intermediul unai duze plasate coaxial cu bagheta suport, se suflă amestecul de tetraclorură de siliciu şi oxigen sau oxigen plus hidrogen, particule fine de bioxid de siliciu ce se depun în urma reacţiei ducând la formarea miezului preformei. Printr-o a doua duză dispusă lateral se introduce un amestec de vapori de tetraclorură de siliciu, compuşi ai elementelor de dopare şi oxigen sau amestec de oxigen şi hidrogen, rezultând un număr de straturi de sticlă cu indice de refracţie mai mic faţă de cel al miezului.
        Arzătoarele cu amestec de oxigen şe hidrogen pot fi înlocuite cu alte surse de căldură- generator de plasmă, laser sau rezistenţe electrice; în acest caz halogenurile reacţionează direct cu oxigenul şi se limitează prezenţa apei în masa preformei.
        Profilul indicelui de refracţie poate fi controlat prin poziţia relativă a celor două duze şi prin distribuţia dopantului în duza dispusă perpendicular pe axa preformei. Dacă se utilizează un număr mai mare de suflante se poate efectua un control mai fin al compoziţiei amestecului SiCl4+ dopant+O2 sau SiCl4+dopant+O2+H2.
        Preforma este fixată într-un sistem de alimentare care asigură avansul acesteia în mod controlat în zona în care are loc încălzirea  materialului la o temperatură de cca 2000˚C, la care este posibilă tragerea. Sursa de căldură poate fi un cuptor electric cu rezistenţă sau cu inducţie, arzătoare cu amestec de oxigen şi hidrigen sau un laser cu dioxid de carbon- utilizarea fiecăreia dintre aceste surse prezentând atât avantaje cât şi dezavantaje. Menţinerea temperaturii într-un domeniu de variaţie de maximum +1˚ în jurul valorii de 200˚C- condiţie absolut necesară pentru obţinerea unei variaţii acceptabile a parametrilor geometrici ai fibrei rezultate- se realizează cu ajutorul unui pirometru optic sau al unui termocuplu, care comandă regulatorul sursei de căldură. Temperatura la care se încălzeşte materialul trebuie să asigure înmuierea siliciului până când vâscozitatea acestuia va permite fibrei tragerea în fibre. Tamburul asigură at tragerea fibrei cu o viteză de 0,5-1.5m/s, cât şi bobinarea acesteia. Pe traiectul dintre zona de tragere şi tambur se controlează în mod continuu diametrul fibrei cu ajutorul sistemului optic, iar dacă este cazul se pot controla şi abaterile de formă ale secţiunii transversale. Sistemul de reglare primeşte informaţii asupra geometriei fibrei şi modifică viteza de tragere, astfel încât pe parcursul întregului proces diametrul fibrei sş nu varieze cu mai mult de 0,1%. Între preformă şi fibră există o zonă în care materialul are forma tronconică, cu o variaţie continuă a diametrului şi, ca urmare, în trecerea de la preformă la fibră proporţia dintre diametrul miezului şi cel al învelişului optic se păstrează. Raportul dintre diametrul preformei şi cel al fibrei optice rezultate poate ajunge până la 300:1 şi chiar mai mult. Echipamentul de tragere a fibrei mai include şi unsistem care se trece fibra optică înaintea bobinării în vederea acoperirii cu unstrat subţire de polimer. Sistemul respectiv are în compunerea sa un recipient care conţine polimerul în stare lichidă şi o sursp de căldură în vederea uscării stratului depus pe fibra optică. Acoperirea cu polimer a fibrei are rolul de a asgura protecţia acesteia împotriva deteriorării suprafeţei exterioare care ar influenţa în mod negativ caracteristicile optice.

        SISTEMUL DE ÎNCĂLZIRE

        Fabricarea pe scară tot mai largă a fibrelor optice a impus perfecţionarea surselor de căldură pentru temperaturi înalte, până la 2000˚C şi peste, în vederea procesului de tragere. Câteva dintre condiţiile impuse acestor surse sunt legate de constanţa temperaturii şi “curăţenia” incintei pentru a preveni impurificarea materialului în timpul tragerii. Pentru încălzirea preformei se pot utiliza mult mai multe tipuri de sursă de căldură: arzătoare cu oxigen şi hidrogen, cuptoare electrice cu rezistenţă sau cu inducţie, laseri cu CO2.
        ARZĂTORUL CU OXIGEN ŞI HIDROGEN. Dintre toate tipurile de arzătoare, cele cu hidrogen şi oxigen sunt cele mai economice şi mai uşor de utilizat. Acestea prezintă însă dezavantajul unei variaţii mai mari a temperaturii, determinată de instabilitatea flăcării, ceea ce poate produce modificări nepermise ale diametrului exterior al fibrei optice. Se ştie că variaţiile mari ale diametrului exterior al fibrei duc la creşterea atenuării semnalului optic, în special la joncţiunile dintre fibre. De asemenea, prin utilizarea arzătorului cu hidrogen şi oxigen poate apărea contaminarea nedorită a siciliului cu gruparea hidroxil. Cu toate acestea, cu ajutorul unei astfel de surse de căldură s-a reuşit obţinerea de fibre optice cu atenuare de 2dB/km.
            CUPTORUL ELECTRIC CU REZISTENŢĂ. Cuptorul electric cu rezistenţă oferă atât avantajul simplităţii în construcţie şi utilizare cât şi posibilitatea unui control mult mai riguros al temperaturii, stabilitatea ei în timp precum şi o uniformitate bună a zonei fierbinţi. De asemenea, inerţia termică relativ mică permite un feed-back rapid şi deci corijarea într-un timp scurt a eventualelor variaţii de temperatură.
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 încalziri “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.


Niciun comentariu:

Trimiteți un comentariu