Волоконно-оптические линии связи

Полученный вышеописанными способами жгут находится в скрученном состоянии. Поэтому он должен быть распрямлен. Жгут необходимо нагреть до температуры, при которой короткие волокна, лежащие ближе к центру барабана, вытянутся под действием собственного веса или небольших добавочных грузов. При этом не нарушается порядок укладки волокон, но возможно спекание отдельных световодных жил, что неизбежно приведет к уменьшению гибкости жгута.

Возможен другой способ распрямления. Перед разрезанием два потенциальных конца укрепляются на двух половинках маленькой разборной катушки, содержащей канавку, того же поперечного сечения, что и жгут. После разделения каждую половину отводят, сохраняя натяжение волокон в жгуте, по некоторой траектории таким образом, что короткие волокна на концах жгута наматываются на полукатушку. Разность длин отдельных слоев равна размеру полукатушек. Затем распрямляются длинные волокна, натянутые между полукатушками. Следует учитывать тот факт, что при таком распрямлении волокна смещаются продольно относительно друг друга, что может привести к нарушению их относительного расположения на торцах жгута, а следовательно и регулярности укладки.

Для механической обработки на торцах жгута волокна должны быть прочно соединены каким-нибудь связующим веществом, заполняющем промежутки между отдельными волокнами. Для этой цели наилучшим образом подходят эпоксидные смолы и пластмассы. Полученный монолит достаточно твердый для шлифовки и полировки (при использовании соответствующих абразивов). Для получения более плотной упаковки волокна частично спекают на концах. Следует следить за тем, что бы спекание не привело к разрешению световода в переходной зоне между спеченным монолитом и более подвижной свободной частью волокна

2.2.5 Очистка жгута от оборванных волокон.

В процессе перемотки с одного барабана на другой при укладке в жгут волокно может оборваться. При этом процесс укладки не следует начинать заново: оторвавшийся конец, находящийся на первичном барабане, вновь укладывается на вторичный барабан и намотка продолжается в том же режиме, что и до обрыва. После того, как жгут будет собран, в нем, очевидно, останутся волокна, один или оба конца которых не лежат на торцах жгута. Подобные волокна не участвуют в переносе изображения – светящейся точке на входе будет соответствовать темная точка отсутствующего волокна на выходе. Для избавления от лишних волокон жгут необходимо подвергнуть внешнему воздействию, которое удалит лишние волокна, - вибрации на установке показанной на рис.16 (аналог шатуна паровоза). Один торец жгута зажимается в струбцине и жгут некоторое время подвергается колебанию. С незафиксированного конца выходят оборванные в процессе намотки волокна, которые без труда удаляются. Затем жгут переворачивают и закрепляют другой стороной. Для перевернутого жгута процесс повторяется. Чтобы повысить эффективность установки следует на закрепленный конец подавать воду. Вода окажет дополнительное выталкивающее воздействие и, к тому же, будет способствовать выскальзыванию световодов.

3. Контроль параметров волокна.

3.1 Контроль толщины волокна  и чистоты поверхности.

Волокна характеризуются достаточно большим количеством параметров. Наиболее важные из них – диаметр волокна, состояние поверхности, толщина оболочки, механическая прочность, тепловые характеристики, спектральное пропускание, рассеяние света, неоднородность, двойное лучепреломление. Данные параметры влияют в первую очередь на разрешающую способность волоконного жгута, его светопропускание и, в конечном счете, на качество передаваемого жгутом изображения.

Для измерения  диаметра отдельных волокон нельзя применять механические методы из-за малости диаметра волокон (25-50-100 мкм, возможно меньше). Наилучший результат, т.е. максимальную точность измерений, дают только оптические методы. Измерение диаметра проводится путём оптического контроля расстояния между двумя точными роликами, сжимаемыми пружиной, при прохождении между ними волокна. В данном случае используются оптические методы увеличения механических перемещений. Повешение чувствительности достигается путём применения двух параллельных зеркал, одно из которых присоединено к механическому рычагу ролика с пружиной. Изображение источника света после многократных отражений от зеркал

проецируется на экран или фотоэлемент (рис.17). Высокая чувствительность достигается за счет сложения механического и оптического усиления. Точность данного метода ограничена механическими перемещениями, вибрациями, дефектами поверхности роликов. Для измерения диаметра волокна можно так же использовать микропроектор. В таком случае волокно проходит через тщательно стабилизированные ролики, а изображение волокна увеличивается микропроектором. Диаметр волокна может измеряться непрерывно, но возможно так же измерение диаметра волокна через случайные (но достаточно короткие) интервалы времени. Использование фотоэлемента позволяет получить электрические сигналы, связанные с изменением диаметра волокна. В данном случае фотоэлемент осуществляет обратную связь в системе контроля.

Для исследования поверхности волокна можно применить оптическую микроскопию. Вследствие того, что глубина резкости микроскопа с большим увеличением ограничена, и поверхность волокна имеет обычно цилиндрическую форму, в плоскости изображения оказывается только небольшой участок поверхности световода. Однако правильный выбор увеличения и фокусировки при продольном сканировании позволяет исследовать поверхность волокон полностью. Такой метод позволяет выявить и отбраковать волокна, имеющие механические дефекты (царапины). Для волокна с оболочкой интерес представляет исследование поверхности раздела сердцевина – оболочка, именно на ней происходят многократные полные внутренние отражения. Для анализа поверхности раздела материал - сердцевина волокно помещают между двумя покровными стеклами и заполняют пространство между ними жидкостью, показатель преломления которой равен показателю преломления материала оболочки. Оболочка в такой среде перестаёт играть роль. Торец волокна освещается, а боковая поверхность осматривается через микроскоп. Естественно, что любой дефект границы раздела может легко быть обнаружен визуально. Следует отметить, что  граница раздела в стеклянных волокнах со стеклянной оболочкой отличается высоким качеством и имеет большой коэффициент отражения. Поверхностная структура волокна хорошо просматривается при использовании электронного микроскопа.

          Контроль поверхности стекловолокно лучше производить по истечении некоторого времени, дав возможность волокну остыть, а дефектам проявиться в полной мере. Средний размер поверхностных дефектов составляет 30-50 нм в ширину и 5-15 нм в высоту. На таких неоднородностях наблюдается рассеивание света.

Наиболее точным и чувствительным методом исследования поверхности волокна и определения его диаметра являются метода, использующие интерферометры. Одним из приборов, пригодных для исследования оптоволокна является микроинтерферометр Линника (рис.18).

 Волокно помещают в одну  ветвь микроинтерферометра, а эталонную плоскую или цилиндрическую поверхность помещают в другую ветвь - ветвь сравнения. Фронт волны, отраженный от волокна, интерферирует с фронтом волны, отраженным от эталонной поверхности, образуя интерференционную картину, форма которой зависит от взаимного расположения волновых фронтов.  Этот метод обеспечивает очень точные измерения диаметра волокна и структуры поверхности. Использование плоской эталонной поверхности  даёт большое количество  интерференционных полос, что затрудняет анализ картины. Для уменьшения числа полос в ветвь сравнения помещают образцовое волокно известного диаметра. Недостатком системы является то, что из-за большого увеличения одновременно анализируется лишь небольшой участок волокна в виде полоски. Для исследования цилиндрической границы раздела между сердцевиной с высоким показателем преломления и  оболочкой, показатель преломления которой ниже, волокно погружают в жидкость, которая имеет одинаковый с оболочкой показатель преломления. На микроинтерферометре можно проводить непрерывное исследование длинных стеклянных заготовок. Для этого волокно медленно и равномерно перемещают перед объективом, естественно исключив вибрации.  Подобное протаскивание осуществляет прецизионный привод - намоточник, перематывающий волокно с одного барабана на другой.

3.2 Проверка однородности и светопропускающей  способности волокна.

Волокна, вытянутые из расплавленного стекла, могут быть неоднородны. К тому же их показатель преломления точно (хотя бы вследствие легирования) будет отличаться от показателя преломления исходного стекла. Изменения показателя преломления вполне характерны для стеклянных световодов и зависят от технологической совместимости материалов сердцевины и оболочки, процесса вытяжки, режима отжига. Очевидно, что большие неоднородности стекла ухудшают механические (максимальное усилие на разрыв) и оптические (рассеяние света) свойства волокон. Если поместить волокно между скрещенными поляризаторами и пропустить через него коллимированный свет,  то будет наблюдаться картина в форме лепестков. Подобные фигуры свидетельствуют об образовании  в стеклянном волокне слоев с различными оптическими свойствами, имеющих круговую симметрию относительно оси волокна и показывающих наличие напряжения. Эти напряжения обуславливают большую, чем у исходного стекла, прочность волокна. Распределение напряжений и неоднородностей волокна и оболочки наилучшим образом определяются интерференционными методами. Один из приборов, позволяющих проводить подобный анализ, - микроинтерферометр Линника, рассмотренный выше. Напряжения в оболочке и сердцевине проявляются в виде искажений на интерференционной картине.

Интерферометр вполне применим и для контроля толщины оболочки. Если поместить часть световода в жидкость с таким же показателем преломления, а часть оставить вне жидкости, то толщину оболочки можно измерить по смещению интерференционной картины при наблюдении световода в воздухе и жидкости.

Плотность укладки волокна важна как для разрешающей способности прибора в целом, так и для светопропускания волоконной детали (жгута). Плотность укладки измеряется с помощью микроскопа с большим увеличением. Другой способ – пропустить коллиматорный свет через волоконный элемент. Способ особенно эффективен, если учтены френелевские потери на отражение, и жгут имеет непрозрачную оболочку, препятствующую проникновению падающего извне света.

Механические свойства волокна, такие, как максимальные допустимые нагрузки на изгиб и растяжение, устанавливаются чисто механическими методами: известное внешнее воздействие сообщается волокну и медленно увеличивается до тех пор, пока световод не будет разрушен. Величина воздействия отслеживается. Распределение напряжения в волокне легко выявить при помощи интерферометра, наблюдая изменение интерференционной картины при нагрузке изделия.

Для определения показателя преломления волокна используется  следующий метод: волокно погружают в жидкость, показатель преломления которой известен, и освещают монохроматическим светом некоторой длины волны. На конце световода фиксируют микроскоп. Если показатель преломления торца и жидкости равны, изображение торца волокна исчезает. При расфокусированном микроскопе дифракционные кольца не видны.  При изменении длины волны может быть получена дисперсионная кривая волокна. Для достижения равенства показателей преломления волокна и иммерсионной жидкости используют свойство жидкости менять показатель преломления в зависимости от температуры.  Для этого необходимо использовать жидкость с известной зависимостью показателя преломления от температуры. Такой метод применим только для волокна без оболочки; такой метод не дает возможности выявить небольшие локальные изменения показателя преломления.  Для обнаружения местных изменений показателя преломления можно использовать многолучевой интерференционный микроскоп. Волокно с оболочкой погружают в жидкость с известным показателем преломления. Иммерсионная жидкость должна иметь кривую дисперсии, пересекающую кривую дисперсии образца в среднем участке видимого спектра. Образец и соответствующую иммерсионную жидкость помещают между двумя параллельными пластинами интерферометра Фабри – Перо. Затем интерферометр освещают белым светом через коллиматор; для проецирования изображения образца на щель спектрографа удобно использовать микроскоп.  Таким образом, появляется возможность наблюдать полосы равного хроматического порядка от лучей, проходящих через жидкость и образец. Очевидно, что эти полосы у границы образца будут смещены для длин волн, при которых показатели преломления жидкости и образца различны. Смещение полос не наблюдается только для некоторой длины волны, при которой показатели преломления обоих сред равны. Измерение температуры иммерсионной жидкости для большей точности проводится термопарой (рис.19).

Для определения нулевой точки, т.е. длины волны, при которой показатели преломления образца и жидкости равны, используются температурные изменения показателя преломления в различных участках спектра. Если кривые дисперсии жидкости при различных температурах известны, то можно вычертить кривую дисперсии образца. Метод является достаточно точным: возможно определить 4-й, 5-й знак после запятой в значении показателя преломления монолитного микроскопического образца. Точность определения температуры жидкости должна составлять десятые или сотые доли градуса, что вполне возможно при использовании электронных датчиков температур. Для максимально точного определения температуры жидкости можно применять медно-константановую термопару. Спай термопары погружают в жидкость у края исследуемого образца. Аналогичным образом можно проверять не только стеклянные и кварцевые волокна (которые при качественном изготовлении не имеют неоднородностей, поддающихся измерению), но и синтетические волокна, неоднородность которых бывает сравнительно высока.

Способность отдельных световодов и, следовательно, жгута, составленного из них, зависит от ряда параметров. Для определения фотометроической эффективности волокон необходимо знать общий передаваемый световой поток и угловое распределение выходящего светового потока, в зависимости от параметров светового потока на входе световода. Спектральное пропускание отдельных волокон измеряется на микрофотометре. За выходной щелью монохроматора помещается объектив микроскопа, дающего изображение линз коллиматора на круглой диафрагме, диаметр которой меньше диаметра волокна. Волокно располагается за диафрагмой так, что бы оно принимало весь световой поток, проходящий через диафрагму. Весь световой поток, выходящий из волокна, попадает на фотоумножитель. Энергия падающего потока измеряется следующим образом: фотоумножитель ставится вплотную к щели на место волокна. Доля общего потока, выходящая из волокна в пределах телесного угла наблюдения, измерялась с помощью фотоумножителя, на который проецируется изображение выходного торца волокна. Сигнал фотоумножителя определяет величину светового потока, выходящего из световода. Направление света на входе и телесного угла наблюдения на выходе можно изменять, получая таким образом полную картину светопропускания светвода при различной геометрии. Светопропускание высококачественного волокна не должно изменяться при изменении угла конуса света. Данный метод вполне пригоден как для измерения светопропускания волокон большого диаметра, так и для маленьких волокон. Однако, из-за применения диафрагмы, диаметр которой меньше диаметра волокна, применение данного метода для измерения светопропускания маленьких волокон затруднительно.  Для обеспечения светопропускания (или поглощения) волокон малого диаметра можно сделать следующее: входной конец волокна жестко закрепляется по отношению к источнику освещения и отмечают показания принимающего фотоэлемента при двух волокнах разной длины. Поглощение потока вдоль волокна носит экспоненциальный характер. Взяв отношение потоков при разных длинах волокна, логарифмированием выражают показатель поглощения. Метод достаточно точен, но для исключения ошибки при отсчете длины волокна необходимо полировать выходной торец волокна, не нарушая установки входного конца на спектрофотометре.