3.4. ПЛАСТМАССОВЫЕ ВОЛОКНА И КВАРЦЕВЫЕ ВОЛОКНА С ПОЛИМЕРНОЙ ОБОЛОЧКОЙ

Для связи на короткие расстояния при низких скоростях передачи данных представляется целесообразным рассмотреть очень дешевый вид оптического волокна, изготавливаемого целиком из пластмасс. По-видимому, информационная пропускная способность таких систем будет ограничиваться величиной в несколько а дальность связи — сотнями метров. Для изготовления сердцевины волокна наиболее широко используются два прозрачных пластических материала, а именно, полиметилметакрилат (РММА, лучше известный как плексиглас) и полистирол. Их показатели преломления соответственно равны 1,49 и 1,59. Полиметилметакрилат является хорошим материалом для изготовления оболочки оптических волокон с сердцевиной из полистирола. В других случаях для этой цели можно использовать полимер на основе фтороуглерода или селиконовую резину.

Главным преимуществом пластмассовых волокон является их дешевизна, легкость их соединения и простота работы с ними. Их можно сделать с большой числовой апертурой и достаточно большого диаметра. Например, 0,5 ...1,0 мм. Благодаря тому, что пластмассовые волокна мягкие и не хрупкие, их можно изгибать под большими углами, несмотря на их относительно большой диаметр. Часто они могут быть удовлетворительно разрезаны с помощью лезвия для бритья, а их точное совмещение и соединение не представляет трудностей.

Недостатки этих волокон обусловлены большими потерями и дисперсией, характерными для полимерных материалов, а также сильной зависимостью их свойств от температуры. Верхний предел рабочих температур составляет для них 80... 100°С. В некоторых случаях температурные коэффициенты показателей преломления сердцевины и обо лочки оказываются совершенно разными, что приводит к зависимости числовой апертуры от температуры. В ряде систем при уменьшении температуры возможна ситуация, при которой показатель преломления оболочки становится больше показателя преломления сердцевины, в результате чего волокно перестает работать как световод при температурах ниже некоторого предельного значения.

Большие потери в рассматриваемых волокнах обусловлены поглощением и рассеянием света в полимерах. Полимеры имеют значительные полосы поглощения, связанные с видами колебаний связей различных типов. Наиболее важные резонансы имеют место на следующих длинах волн: 1,09; 1,02; 0,91 и 0,74 мкм. Однако имеется и много

Рис. 3.8. Потери в пластиковом волокне с сердцевиной из полистирола. [Данные взяты из статьи S. Oikawa et al.- Ets. Lett. 15, 829- 830 (6 Dec. 1979).]

других комбинационных тонов и гармоник на более коротких длинах волн, что хорошо видно на рис. 3.8. Большие цепные молекулы, которые образуют полимер, наряду с эффектом пылеобразных включений ответственны за высокие потери из-за рэлеевского рассеяния. Длина волны, соответствующая минимуму потерь, обычно составляет 0,5 ... 0 7 мкм, а минимальные потери 200 ... 2000 дБ/км. Было сделано предположение, что замена водорода дейтерием сдвинула бы полосы поглощения в более длинноволновую область и уменьшила бы таким образом имеющиеся уровни минимальных потерь.

Близость взаимного расположения полос поглощения, обусловленных связями, приводит к большим значениям материальной дисперсии. Вместе с тем пластиковые волокна — это ступенчатые волокна, и одно из их достоинств состоит в возможности получения больших числовых апертур. Таким образом, на практике в общей дисперсии будет преобладать межмодовая дисперсия.

Оптические волокна, имеющие сердцевину из чистого кварца, а оболочку из прозрачного полимера, по своим свойствам занимают промежуточное положение между высококачественными волокнами из легированного кварца и полностью полимерными волокнами. К таким волокнам относятся кварцевые волокна с полимерной оболочкой. Обеспечиваемые ими рабочие характеристики систем связи приведены на рис. 3.6 и 3.7. Было сообщено об успешном изготовлении нескольких

Рис. 3.9. Показатель преломления объемного образца патентованной вулканизированной силиконовой резины [Данные взяты из статьи J. W, Fleming, Applied Optics 18, 4000-4002 (1979).]

(кликните для просмотра скана)

разновидностей данного типа оптических волокон. В них были использованы полимеры на основе фтороуглерода и некоторые патентованные силиконовые резины. На рис. 3.9 приведена зависимость показателя преломления патентованной вулканизированной силиконовой резины от длины волиы. На рис. 3.10 показана зависимость оптических потерь этой резииы от длины волны, а также, как это влияет на общие потери в кварцевом волокие, имеющем оболочку из резины.

Свойства некоторых типичных образцов пластиковых и кварцевых волокон с полимерной оболочкой приведены в табл. 3.2.

На практике установлено, что длительности импульсов часто в 5 ... 10 раз меньше теоретических значений, приводимых для в таблице. Это происходит потому, что избирательное ослабление более наклонных лучей может уменьшить эффективную числовую апертуру волокна, а кроме того, и межмодовую дисперсию.

ЗАДАЧИ

(см. скан)

РЕЗЮМЕ

Потери света в оптических волокнах обусловлены его поглощением и рассеянием в процессе распространения по волокну. Предел фундаментального поглощения определяется краями ультрафиолетовой

и инфракрасной полос поглощения самого материала, если устранены примеси, особенно такие, как металлы переходной группы и вода

Крупные дефекты в структуре волокна, его изгибы и микроизгибы, а также волноводное рассеяние обусловливают потери на рассеяние, являющиеся следствием неупорядоченной структуры стеклообразных материалов. Речь идет о рэлеевском рассеянии света в волокне. Оно изменяется пропорционально и составляет около 1 дБ/км в лучших волокнах на длине волны 1 мкм.

Значения наименьших потерь в лучших волокнах, от которых сообщалось в научной печати, равны 0,2; 0,5 и 2,0 дБ/км при длинах волн соответственно 1,55; 1,3 и 0,85 мкм.

Воздействие ионизирующего излучения приводит к увеличению потерь в волокне.

При совместном рассмотрении эффектов поглощения и дисперсии в волокне появляются две предпочтительные длины волны: 1,55 мкм, соответствующая минимуму поглощаения, и 1,3 мкм, обеспечивающая минимальную дисперсию. Первая используется в одномодовом волокне, возбуждаемом излучением лазерных источников, стабилизированных по частоте, при создании систем связи с наилучшими характеристиками. Вторая используется в многомодовых градиентных волокнах с хорошим профилем показателя преломления при возбуждении их излучением светодиодов.

Пластиковые и кварцевые волокна с полимерной оболочкой могут применяться в системах с малой информационной пропускной способностью, предназначенных для передачи данных на короткие расстояния.