Optička vlakna predstavljaju primjer kako se naučna znanja pretvaraju u tehnološki napredak, što na kraju olakšava život prosječnom čovjeku. Već nekoliko godina, optička vlakna se povezuju sa komunikacijskim sredstvima za prijenos električnih signala. Tanki filamenti veličine ljudske kose mogu se koristiti za prijenos širokog spektra signala koji su potrebni za rad telefona, internetske veze, TV-a itd. Naravno, zbog svojih visokih performansi, optička vlakna su našla primjenu ne samo u domaće potrebe.
Tehnologija optičkog prijenosa signala
Samo po sebi, upotreba optičkog vlakna kao prevodioca signala samo je dio otkrivenog znanja koje se istražuje u naučnom dijelu optičkih vlakana. Stručnjaci u ovoj oblasti proučavaju prenos informacija i širenje svjetlosti, i to u jednom kontekstu, ujedinjeni svjetlosnim vodičima. Potonji se koriste i kao distributeri svjetlosti i kao prenosioci informacija. Inače, savremeni trendovi u razvoju laserskih tehnologija zasnovani su na LED diodama. U ovom slučaju interesantnije je drugo pitanje - koji je fenomen u osnovi optičkih vlakana? Ovaj fenomenunutrašnja refleksija (ukupnog) elektromagnetnog zračenja na granici između dielektrika koji imaju različite indekse prelamanja. Štoviše, nosilac informacija uopće nije elektromagnetski signal, već kodirani svjetlosni tok. Da bismo shvatili stepen superiornosti optičkih kablova u odnosu na tradicionalne metalne kablove, vredi se još jednom osvrnuti na njihov propusni opseg. Već spomenuta vlaknasta nit, čija debljina nije veća od 0,5 mm, sposobna je prenijeti količinu informacija koju će obične bakarne žice poslužiti samo s debljinom od 50 mm.
Metode izrade optičkih vlakana
Postoje dvije glavne metode pomoću kojih se optičko vlakno može proizvesti. To je tehnika ekstruzije i topljenja pomoću predformi. Prva tehnologija omogućava dobivanje materijala niske kvalitete na bazi plastike, tako da se danas praktički ne koristi. Druga metoda se smatra glavnom i najefikasnijom. Predforma je predforma koja je u strukturi dizajniranoj za izvlačenje niti. Prema savremenim standardima, predforme mogu biti visoke i do nekoliko desetina metara. Izvana, ovo je staklena šipka promjera oko 10 cm, iz koje se topi jezgro niti. Tokom procesa proizvodnje, jezgro se zajedno sa smjesom za vlakna zagrijava na visoke temperature, nakon čega se formiraju filamenti. Dužina rezultirajućeg materijala može doseći nekoliko kilometara, iako promjer ostaje nepromijenjen - njime upravljaju automatizirani regulatori. Ovisno o tome gdje će se koristiti optička vlakna, materijal zaMože se prethodno tretirati premazima koji pružaju hemijsku i fizičku zaštitu. Što se tiče samih mješavina filamenta, one obično uključuju materijale kao što su poliimid, akrilat i silikon.
Karakteristike dizajna vlakana
Središnji dio konca je jezgro - samo jezgro vlakna, koje će širiti svjetlost tokom rada. Jezgro karakteriziraju povećani indeksi prelamanja svjetlosti, što se postiže upotrebom staklenog dopinga uz modifikaciju posebnim aditivima. Na primjer, tipične lomljive komponente kao što je dopant koriste se za silika vlakna. Zauzvrat, školjka obavlja nekoliko zadataka, od kojih je glavni izravna fizička zaštita jezgre. Ovaj dio također pruža efekat refrakcije, ali sa minimalnim koeficijentom. Granica između dva materijala formira strukturu za vođenje svjetlosti koja ne dozvoljava da većina svjetlosti pobjegne iz jezgre. Također je vrijedno napomenuti da osnove optičkih vlakana odnose materijal na vrste svjetlovoda. Da budemo precizniji, govorimo o dielektričnim talasovodima koji prenose svetlosne signale.
Različitih optičkih vlakana
Najčešća su kvarcna, plastična i fluoridna vlakna. Kvarcni filamenti se baziraju na oksidnim talinama ili materijalima slične strukture, uključujući dopirani silicijum oksid. Ova baza omogućava proizvodnju fleksibilnih i dugih vlakana koja se razlikuju poi visoke mehaničke čvrstoće. Optika od plastičnih vlakana napravljena je od polimera i, kao što je već napomenuto, ne može pružiti visoke performanse. Konkretno, takve niti imaju visok postotak gubitka podataka, što ograničava njihovu upotrebu u zahtjevnim područjima. S druge strane, pristupačnost plastičnih vlakana održava potražnju za ovim materijalom u smjerovima usmjerenim na segment domaćinstava. Što se tiče fluoridnih optičkih materijala, njihovu osnovu čine fluorocirkonat i fluoroaluminat stakla. Riječ je o prilično modernim i tehnološkim rješenjima za pružanje optičke komunikacije, ali sadržaj teških metala u konstrukciji također ne dozvoljava njihovu upotrebu, na primjer, u medicinskoj industriji.
Oprema za mjerenje vlakana
Najčešća oprema koja se koristi u kompletima optičkih vlakana su senzori i Braggove rešetke. Optički senzori su uređaji dizajnirani da fiksiraju određene vrijednosti koje karakteriziraju stanje materijala u ovom trenutku. Na primjer, različiti senzori mogu otkriti mehanički stres, temperaturu, vibracije, pritisak i druge veličine. Braggova rešetka je po svojoj funkciji bliža optičkim karakteristikama. Popravlja aperiodični poremećaj refrakcije u jezgri vlakna. Ovo mjerenje vam omogućava da odredite koliko je optička vlakna efikasna u prijenosu signala pod određenim uvjetima. Također, stručnjaci koriste optičkureflektometar koji registruje disipaciju i otpor.
Pojačala i laseri sa optičkim vlaknima
Ovo je najnapredniji proizvod razvijen na bazi tehnologije optičkih vlakana. Za razliku od drugih vrsta lasera, upotreba optičkih filamenata omogućava stvaranje kompaktnih i istovremeno efikasnih uređaja. Konkretno, tehnologija optičkih vlakana omogućila je zamjenu klasičnih laserskih uređaja sa sljedećim prednostima:
- Efikasnost hladnjaka.
- Povećano izlazno zračenje.
- Efektivno pumpanje.
- Visoka pouzdanost i stabilnost lasera.
- Oprema male težine.
Zauzvrat, pojačala, u zavisnosti od tipa, se takođe mogu koristiti u linijama kućne mreže, povećavajući performanse glavne optičke linije. Međutim, obim rada vlakana je vrijedan detaljnijeg razmatranja.
Za šta se koristi optička vlakna?
Postoji nekoliko oblasti u kojima se koriste optički materijali. Ovo je sfera kućne upotrebe, telekomunikacione i računarske opreme, kao i visoko specijalizovanih niša, uključujući i određene oblasti medicine. Za svaki od ovih segmenata proizvodi se posebna optička vlakna. Primjena kao tipično sredstvo za prijenos TV ili internet signala, na primjer, ograničena je na jeftine plastične modele srednjeg kvaliteta. Ali za lasersku opremu i skupomedicinski uređaji koriste visokokvalitetna kvarcna vlakna, također opremljena dodatnim modifikatorima.
Primjena optičkih vlakana u medicini
Takva vlakna se mogu koristiti u medicinskoj opremi i instrumentima. Standardna tehnologija sugerira mogućnost uvođenja posebnog uređaja na bazi prelomljenih svjetlosnih vlakana, koji može prenositi signal vanjskoj televizijskoj kameri već u samom organu tijela. Optika se koristi u medicini i kao rasvjetni materijal. Uređaji opremljeni modulima od vlakana omogućavaju bezbolno osvjetljavanje šupljina želuca, nazofarinksa, itd.
Upotreba optičkih vlakana u kompjuterskoj opremi
Možda je ovo najčešća niša u kojoj je optičko vlakno našlo svoje mjesto. Danas komunikacijske linije između pojedinačnih uređaja koji prenose informacije više ne mogu bez toga. Naravno, ovo se odnosi na ona područja u kojima je nemoguće ili nepraktično koristiti bežične veze, koje također aktivno zamjenjuju kablove kao takve. Na primjer, najveće telekomunikacijske kompanije postavljaju međuregionalne okosne mreže koje koriste optička vlakna. Upotreba ovakvih kanala za povezivanje periferne opreme i običnih korisnika telekomunikacionih usluga omogućava vam da optimizujete finansijske troškove održavanja mrežne infrastrukture, a takođe povećavate efikasnost samog prenosa podataka.
Nedostaci vlakana
Nažalost, optičke niti nisu bez slabosti. Iako je održavanje takvog ožičenja jeftinije, a da ne spominjemo nepostojanje potrebe za čestim ažuriranjima, cijena samog materijala mnogo je veća od istih metalnih kolega. Osim toga, optička vlakna i njena upotreba u medicini izuzetno su ograničeni zbog sadržaja nečistoća olova i cirkonija u nekim legurama, koje su toksične za ljude. Ovo se uglavnom odnosi na najkvalitetnije staklene modele, a ne na plastične.
Proizvodnja optičkih vlakana u Rusiji
U okviru programa supstitucije uvoza 2015. godine otvorena je fabrika Optical Fiber Systems u Mordoviji. Ovo je jedino preduzeće u Ruskoj Federaciji koje se trenutno trudi da u najvećoj mogućoj meri zadovolji potrebe domaćih potrošača za optičkim vlaknima. Ruska industrija se do 2015. godine bavila i proizvodnjom optičkih materijala, ali samo u okviru pojedinačnih ciljanih projekata. Ista situacija je donekle prisutna i danas. Ako je određenoj kompaniji potrebna optička vlakna i njena upotreba u medicini ili u oblasti telekomunikacija je finansijski opravdana, onda postoji mnogo fabrika koje su spremne da rade po takvim posebnim narudžbama na individualnoj osnovi. Međutim, u bliskoj budućnosti samo će mordovska fabrika proizvoditi serijsku proizvodnju istih optičkih kablova. Štaviše, još nije u mogućnosti da snabdijeva tržište u skladu sa obimom potražnje. Značajan dio proizvoda i dalje se kupuje iz SAD-a i Japana. Čak se i domaći proizvodi proizvode na uvoznimsirovine.
Zaključak
Proizvodi sa optičkim vlaknima formiraju se kao tržišni segment oko 15-20 godina. Tokom godina, potrošač je mogao cijeniti prednosti novih kablova, ali napredak ne miruje. Sa poboljšanjem tehničkih i fizičkih kvaliteta, šire se i područja primjene materijala. Najnovija vlakna bazirana na nanotehnologiji posebno se aktivno koriste u industriji nafte i plina i odbrambenoj industriji. Zauzvrat, nelinearna optička vlakna trenutno razvija samo konceptualna, ali vrlo obećavajuća područja tehnologije. Među njima su kompresijski laserski impulsi, optički solitoni, ultrakratko optičko zračenje itd. Očigledno, pored teorijskih istraživanja sa mogućim otkrićima iu okviru čisto naučnih saznanja, novi razvoji će omogućiti i nove ponude potrošačima različitih nivoa na tržištu.
