Optična vlakna predstavljajo primer, kako se znanstveno znanje prevede v tehnološki napredek, kar na koncu olajša življenje povprečnemu človeku. Že nekaj let je bila optična vlakna povezana s komunikacijskimi sredstvi za prenos električnih signalov. Tanke filamente velikosti človeškega lasu lahko uporabimo za prenos širokega spektra signalov, ki so potrebni za delovanje telefona, internetne povezave, televizije itd. Seveda so optična vlakna zaradi svoje visoke zmogljivosti našla uporabo ne le v domače potrebe.
Tehnologija optičnega prenosa signala
Sama po sebi je uporaba optičnih vlaken kot prevajalca signalov le del razkritega znanja, ki se raziskuje v znanstvenem delu optičnih vlaken. Strokovnjaki na tem področju preučujejo prenos informacij in širjenje svetlobe, v enem kontekstu pa jih združujejo svetlobni vodniki. Slednji se uporabljajo kot distributerji svetlobe in kot prenašalci informacij. Mimogrede, sodobni trendi v razvoju laserskih tehnologij temeljijo na LED. V tem primeru je bolj zanimivo drugo vprašanje - kateri pojav je osnova optičnih vlaken? Ta pojavnotranji odboj (skupnega) elektromagnetnega sevanja na vmesniku med dielektriki z različnimi lomnimi indeksi. Poleg tega nosilec informacij sploh ni elektromagnetni signal, ampak kodiran svetlobni tok. Da bi razumeli stopnjo superiornosti optičnih kablov nad tradicionalnimi kovinskimi kabli, se je vredno še enkrat sklicevati na njihovo pasovno širino. Že omenjena vlaknasta nit, katere debelina ni večja od 0,5 mm, je sposobna prenesti količino informacij, ki jih bo navadna bakrena napeljava služila le z debelino 50 mm.
metode izdelave z optičnimi vlakni
Obstajata dve glavni metodi za proizvodnjo optičnih vlaken. Gre za tehniko ekstrudiranja in taljenja z uporabo predoblik. Prva tehnologija omogoča pridobivanje nizkokakovostnega materiala na osnovi plastike, zato se danes praktično ne uporablja. Druga metoda velja za glavno in najbolj učinkovito. Predoblika je predoblika, ki je v strukturi, zasnovani za vlečenje niti. Po sodobnih standardih so lahko predoblike visoke do nekaj deset metrov. Navzven je to steklena palica s premerom približno 10 cm, iz katere se stopi jedro niti. Med proizvodnim postopkom se jedro skupaj z mešanico za vlakna segreje na visoke temperature, nakar nastanejo filamenti. Dolžina nastalega materiala lahko doseže več kilometrov, čeprav premer ostane nespremenjen - nadzorujejo ga avtomatizirani regulatorji. Odvisno od tega, kje bo uporabljena optična vlakna, material zaLahko se predhodno obdela s premazi, ki zagotavljajo kemično in fizično zaščito. Kar zadeva same mešanice filamentov, običajno vključujejo materiale, kot so poliimid, akrilat in silikon.
Možnosti oblikovanja vlaken
Osrednji del niti je jedro - samo jedro vlakna, ki bo med delovanjem širilo svetlobo. Za jedro je značilen povečan indeks loma svetlobe, kar dosežemo z uporabo stekla z dopiranjem s posebnimi dodatki. Za vlakna iz silicijevega dioksida se na primer uporabljajo tipične lomne komponente, kot je dopant. Po drugi strani lupina opravlja več nalog, od katerih je glavna neposredna fizična zaščita jedra. Ta del zagotavlja tudi učinek loma, vendar z minimalnim koeficientom. Meja med obema materialoma tvori svetlobno vodilno strukturo, ki ne dopušča, da bi večina svetlobe ušla iz jedra. Omeniti velja tudi, da osnove optičnih vlaken nanašajo material na sorte svetlobnih vodnikov. Če smo bolj natančni, govorimo o dielektričnih valovodih, ki prenašajo svetlobne signale.
Različice optičnih vlaken
Najpogostejša so kremenova, plastična in fluoridna vlakna. Kremenčevi filamenti temeljijo na oksidnih talinah ali materialih, podobnih po strukturi, vključno z dopiranim silicijevim oksidom. Ta osnova omogoča izdelavo fleksibilnih in dolgih vlaken, ki se razlikujejo poin visoko mehansko trdnost. Optika iz plastičnih vlaken je izdelana iz polimerov in, kot je bilo že omenjeno, ne more zagotoviti visoke zmogljivosti. Zlasti takšne niti imajo visok odstotek izgube podatkov, kar omejuje njihovo uporabo na zahtevnih področjih. Po drugi strani pa cenovna dostopnost plastičnih vlaken ohranja povpraševanje po tem materialu v smereh, usmerjenih v segment gospodinjstev. Kar zadeva fluoridne optične materiale, njihova osnova temeljijo na fluorocirkonatnih in fluoroaluminatnih steklih. Gre za dokaj sodobne in tehnološke rešitve za zagotavljanje optične komunikacije, vendar vsebnost težkih kovin v konstrukciji tudi ne dovoljuje njihove uporabe, na primer v medicinski industriji.
Oprema za merjenje vlaken
Najpogostejša oprema, ki se uporablja v kompletih optičnih vlaken, so senzorji in Braggove rešetke. Optični senzorji so naprave, zasnovane za določanje določenih vrednosti, ki označujejo trenutno stanje materiala. Na primer, različni senzorji lahko zaznajo mehanske obremenitve, temperaturo, vibracije, tlak in druge količine. Braggova rešetka je po svoji funkciji bližje optičnim lastnostim. Odpravlja aperiodično lomno motnjo v jedru vlakna. Ta meritev vam omogoča, da ugotovite, kako učinkovita je optična vlakna pri prenosu signala v določenih pogojih. Strokovnjaki uporabljajo tudi optikoreflektometer, ki registrira disipacijo in upor.
Ojačevalniki in laserji z optičnimi vlakni
To je najnaprednejši izdelek, razvit na podlagi tehnologije optičnih vlaken. Za razliko od drugih vrst laserjev uporaba optičnih filamentov omogoča ustvarjanje kompaktnih in hkrati učinkovitih naprav. Zlasti tehnologija optičnih vlaken je omogočila zamenjavo klasičnih laserskih naprav z naslednjimi prednostmi:
- Učinkovitost hladilnega telesa.
- Povečano izhodno sevanje.
- Učinkovito črpanje.
- Visoka zanesljivost in stabilnost laserja.
- Oprema z nizko težo.
Po drugi strani se lahko ojačevalniki, odvisno od vrste, uporabljajo tudi v linijah domačega omrežja, kar poveča zmogljivost glavnega optičnega kabla. Vendar pa je obseg delovanja optičnih vlaken vredno razmisliti podrobneje.
Za kaj se uporablja optična vlakna?
Obstaja več področij, na katerih se uporabljajo materiali iz optičnih vlaken. To je področje domače uporabe, telekomunikacijske opreme in računalniške opreme ter visoko specializiranih niš, vključno z nekaterimi področji medicine. Za vsak od teh segmentov se proizvaja posebna optična vlakna. Uporaba kot tipično sredstvo za prenos televizijskega ali internetnega signala je na primer omejena na poceni plastične modele srednje kakovosti. Ampak za lasersko opremo in dragomedicinski pripomočki uporabljajo visokokakovostna kremenova vlakna, opremljena tudi z dodatnimi modifikatorji.
Uporaba optičnih vlaken v medicini
Takšna vlakna se lahko uporabljajo v medicinski opremi in instrumentih. Standardna tehnologija nakazuje možnost uvedbe posebne naprave na osnovi lomljenih svetlobnih vlaken, ki lahko oddaja signal na zunanjo televizijsko kamero že v samem telesnem organu. Optična vlakna se uporabljajo v medicini in kot svetlobni material. Naprave, opremljene z moduli vlaken, omogočajo neboleče osvetlitev želodčnih votlin, nazofarinksa itd.
Uporaba optičnih vlaken v računalniški opremi
Morda je to najpogostejša niša, v kateri so optična vlakna našla svoje mesto. Danes komunikacijske linije med posameznimi napravami, ki prenašajo informacije, ne morejo več brez tega. Seveda to velja za tista področja, kjer je nemogoča ali nepraktična uporaba brezžičnih povezav, ki tudi aktivno nadomeščajo kable kot take. Na primer, največja telekomunikacijska podjetja polagajo medregionalna hrbtenična omrežja, ki uporabljajo optična vlakna. Uporaba takšnih kanalov za povezovanje periferne opreme in običajnih potrošnikov telekomunikacijskih storitev vam omogoča optimizacijo finančnih stroškov vzdrževanja omrežne infrastrukture in tudi poveča učinkovitost samega prenosa podatkov.
Slabosti vlaken
Žal optične niti niso brez slabosti. Čeprav je vzdrževanje takšnega ožičenja cenejše, da ne omenjam odsotnosti potrebe po pogostih posodobitvah, so stroški samega materiala veliko višji od istih kovinskih analogov. Poleg tega je optična vlakna in njena uporaba v medicini izjemno omejena zaradi vsebnosti nečistoč svinca in cirkonija v nekaterih zlitinah, ki so strupene za človeka. To velja predvsem za steklene modele najvišje kakovosti, ne za plastične.
Proizvodnja optičnih vlaken v Rusiji
V okviru programa nadomeščanja uvoza v letu 2015 je bila v Mordoviji odprta tovarna Optical Fiber Systems. To je edino podjetje v Ruski federaciji, ki se trenutno trudi v največji možni meri zadovoljiti potrebe domačih potrošnikov po optičnih vlaknih. Do leta 2015 se je ruska industrija ukvarjala tudi s proizvodnjo materialov iz optičnih vlaken, vendar le v okviru posameznih ciljnih projektov. Enako stanje se do neke mere ohranja tudi danes. Če določeno podjetje potrebuje optiko in je njena uporaba v medicini ali na področju telekomunikacij finančno upravičena, potem obstaja veliko tovarn, ki so pripravljene delati po takih posebnih naročilih individualno. Vendar bo v bližnji prihodnosti le mordovska tovarna proizvajala serijsko proizvodnjo istih kablov iz optičnih vlaken. Poleg tega še ne more oskrbeti trga v skladu z obsegom povpraševanja. Precejšen delež izdelkov se še vedno kupuje iz ZDA in Japonske. In celo domači izdelki se proizvajajo na uvoženihsurovine.
Sklep
Izdelki iz optičnih vlaken se oblikujejo kot tržni segment približno 15-20 let. Z leti je potrošnik lahko cenil prednosti novih kablov, vendar napredek ne miruje. Z izboljšanjem tehničnih in fizikalnih lastnosti se širijo tudi področja uporabe materiala. Zlasti najnovejša vlakna, ki temeljijo na nanotehnologiji, se aktivno uporabljajo v naftni in plinski industriji ter obrambni industriji. Po drugi strani pa nelinearna optika trenutno razvija le konceptualna, a zelo obetavna področja tehnologije. Med njimi so kompresijski laserski impulzi, optični solitoni, ultrakratko optično sevanje itd. Očitno bo poleg teoretičnih raziskav z možnimi odkritji in v okviru povsem znanstvenih spoznanj novi razvoji omogočili tudi nove ponudbe za potrošnike različnih ravni na trgu.
