«ПОЛИМЕРНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА МОНОГРАФИЯ ПОЛТАВА ПУЭТ 2012 УДК 678.7 ББК 35.71 П50 Рекомендовано к изданию, размещению в электронной библиотеке и использованию в учебном процессе ученым советом ВУЗ Укоопсоюза Полтавский ...»

Высшее учебное заведение Укоопсоюза

«Полтавский университет экономики и торговли»

(ПУЭТ)

ПОЛИМЕРНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ

ВОЛОКНА

МОНОГРАФИЯ

ПОЛТАВА

ПУЭТ

2012

УДК 678.7

ББК 35.71

П50

Рекомендовано к изданию, размещению в электронной библиотеке и использованию в учебном процессе ученым советом ВУЗ Укоопсоюза «Полтавский университет экономики и торговли», протокол № 5 от 16 мая 2012 г.

Авторы:

Т. В. Сахно, Г. М. Кожушко, А. О. Семенов, Ю. Е. Сахно, С. В. Пустовит Рецензенты:

В. В. Соловьев, д.х.н., профессор, заведующий кафедрой физики Полтавского национального технического университета имени Юрия Кондратюка;

Л. И. Байдакова, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой товароведения и экспертизы в таможенном деле Луцкого национального технического университета Полимерные оптические волокна : монография / Т. В. Сахно, П50 Г. М. Кожушко, А. О. Семенов, Ю. Е. Сахно, С. В. Пустовит. – Полтава : ПУЭТ, 2012. – 227 с.

ISBN 978-966-184-190- В монографии кратко рассмотрены история развития полимерных оптических волокон (ПОВ), способы их получения и основные сферы применения, свойства полимеров, которые применяются для производства оптических волокон и другие вопросы, касающиеся строения ПОВ и их характеристик. Основное внимание уделено оптическим свойствам полимеров и факторам, которые влияют на поглощение излучения в световодах.

Книга рассчитана на студентов, аспирантов и научных работников, специализирующихся в таких областях науки и техники, как материаловедение, системы и средства связи, использующиеся для передачи информации, оптические кабели, светотехника, товароведение и др.

УДК 678. ББК 35. © Т. В. Сахно, Г. М. Кожушко, А. О. Семенов, Ю. Е. Сахно, С. В. Пустовит, © Высшее учебное заведение Укоопсоюза «Полтавский университет экономики и торговли», ISBN 978-966-184-190-

СОДЕРЖАНИЕ

ПОЛИМЕРНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА: ОСНОВНЫЕ

СВОЙСТВА И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

РАЗДЕЛ 1. Применение полимерных оптических волокон........ 1.1. Введение

1.2. История развития ПОВ

1.3. Применение полимерных оптических волокон............... 1.4. Микроструктурированные полимерные оптические волокна

1.5. Флуоресцирующие волокна

РАЗДЕЛ 2. Строение и способы получения полимерных оптических волокон

2.1. Строение полимерных оптических волокон

2.2. Волокна со ступенчатым профилем показателя преломления

2.3. Получение граданов

2.4. Волокна из термореактивных материалов

2.5. Полимеры для покрытия неорганических волокон......... 2.6. Материалы буферного и защитных покрытий оптических волокон

РАЗДЕЛ 3. Полимеры для производства оптических волокон..... 3.1. Материалы, применяемые для изготовления ПОВ......... 3.1.1. Полиметилметакрилат

3.1.2. Полистирол

3.1.3. Дейтерированные полимеры

3.1.4. Материалы для термостойких полимерных оптических волокон

3.1.5. Поликарбонаты

3.1.6. Аллиловые полимеры

3.1.7. Фторсодержащие полимеры

РАЗДЕЛ 4. Факторы светоослабления в полимерах................ 4.1. Механические свойства

4.2. Оптические свойства полимеров

4.2.1. Прозрачность

4.2.2. Влияние температуры на характеристики полимеров для ПОВ

4.2.3. Двулучепреломление.

4.2.4. Оптическая неоднородность

4.3. Поглощение излучения полимерной матрицей............. 4.3.1. Примеси

4.3.2. Электронное поглощение

4.3.3. Поглощение в ИК-области

4.3.4. Рассеяние света в полимерах

4.3.5. Дефекты структуры ПОВ

4.3.6. Реллеевское рассеяние

4.4. Измерение светопотерь в полимерных оптических волокнах

4.5. Исследования в области разработок полимерных световодов

4.6. Граданы.

4.7. Полимерные оптические волокна с низкими потерями

Приложение 1

Литература

РАЗДЕЛ 1. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ

ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

1.1. Введение Оптические волокна являются символом научно-технической революции в современных средствах передачи информации.

Световоды имеют много преимуществ по сравнению с современными электрическими кабелями. На сигнал, передаваемый по световоду, не оказывает влияние внешнее электромагнитное поле, он не поддается подслушиванию, а в объектах с промышленными помехами оптическая передача сигнала является единственно возможным решением.

Весь ассортимент существующих волокон делится на неорганические, полимерные и жидкостные, соответственно материалам, выбранным для светопроводящей среды. Практическое применение нашли первые два типа.

Неорганическим волокнам посвящена обширная периодическая литература, изданы монографии (см. например [1]). Вопросы применения полимеров в волоконной оптике освещены в литературе менее широко. Имеющиеся обзоры [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10] по полимерным световодам сконцентрированы лишь на определенных сторонах проблемы и, кроме того, уже частично устарели. В настоящей работе сделана попытка объединить весь круг вопросов, которые касаются полимерных волокон, и отобразить современное состояние разработок по этой теме.

Наибольшее распространение получили световоды на основе неорганического стекла, в улучшении прозрачности которых достигнут значительный прогресс. Стеклянные волоконные световоды использовались еще до изобретения лазера, но имели затухание сигнала более 1 000 дБ/км и применение их для целей связи не считалось перспективным. Но в 1966 г. [11, 12], было показано, что причиной значительных светопотерь в них являются примеси в стекле, очистка от которых позволяет получить затухание сигнала в оптическом диапазоне менее 20 дБ/км. В середине 70-х годов были разработаны волоконные световоды на основе кварцевого стекла с предельно низкими оптическими потерями (десятые доли дБ/км) в ближней инфракрасной области спектра [1].

Разработка полимерных оптических волокон – заслуга целого ряда известных зарубежных компаний, которые озаботились этой проблемой еще в конце 80-х годов прошлого столетия. Из зачинателей процесса «рождения» и «становления» полимерных оптических волокон можно выделить концерн DuPont, японские фирмы Toray Industries, Mitsubishi Rayon, Asahi Glass [13, 14, 15, 16].

Преимущества полимерных оптических волокон. Полимерные световоды имеют ряд преимуществ, которые делают их конкурентоспособными со стеклянными волокнами в некоторых областях применения. Прежде всего – это высокая гибкость ПОВ.

Они более устойчивы к влиянию динамических механических нагрузок, вибрации, что обеспечивает надежность при изготовлении и эксплуатации волоконно-оптических элементов. Эластичность волокон позволяет создать ПОВ с диаметром до нескольких миллиметров, что упрощает соединение их между собой, а также с источниками и детекторами излучения.

Важным преимуществом ПОВ является их легкость – они в три раза легче кварцевых материалов.

В условиях радиоактивного излучения робота ПОВ более стабильна, тогда как в неорганических волокнах радиация вызывает образование центров окраски, ведущих к быстрому увеличению оптических потерь.

способность, нечувствительность к электромагнитным помехам и радиоволнам, отсутствие собственного излучения (материалы, из которых изгоРис. 1.1. ПОВ и медный кабель товлены волокна – диэлектрики) (рис. 1.1). ПОВ надежно (фирма AGC-Asahi Glass Co) защищают информацию от прослушивания, имеют малый вес. В отличие от обычного оптоволокна, ПОВ легко монтировать и обслуживать, а стоимость его сравнительно невысока.

В отличие от кварцевых оптических волокон полимерное оптическое волокно имеет больший диаметр светонесущей сердцевины, что заметно облегчает его стыковку и монтаж, для соединения полимерных оптических волокон не требуется применение высокоточных прецизионных разъёмов.

И, наконец, привлекательным в ПОВ является низкая стоимость исходных материалов, а также невысокие расходы на изготовление волокон.

ПОВ обладают исключительной гибкостью. Некоторые виды полимерных оптических волокон способны выдерживать деформацию до 13 %. Увеличенный апертурный угол (т. е. угол, в котором находятся все лучи, проходящие через данную систему), размер которого может достигать 60 градусов, упрощает процесс согласования частей ПОВ и не требует высокой точности при изготовлении соединительных элементов, и снижает себестоимость всей конструкции.

ПОВ способны выдерживать многократный изгиб (чего нельзя сказать об обычном оптическом волокне), механически очень прочны, имеют малую плотность и радиационную стойкость.

1.2. История развития ПОВ История развития ПОВ по длительности, динамике снижения светопотерь в волокнах имеет те же черты, что и история развития стеклянных световодов. ПОВ были разработаны еще в 1968 г. (фирма DuPont,США), но их низкие функциональные характеристики – высокий уровень оптических потерь и малая полоса пропускания оптического сигнала (является мерой пропускной способности оптоволокна в системах связи и характеризуется наибольшим количеством импульсов модулированного светового сигнала, которое может зарегистрировать приемник) – препятствовали их широкому промышленному применению.

Наибольшего прогресса в этом направлении добились японские компании Mitsubishi Rayon, Toray Industries и Asahi Glass, их разработки в области материалов и технологических процессов широко используются отраслью в процессе серийного выпуска продукции [17].

В последние годы растущая потребность в высокоскоростных системах связи в домашних и офисных сетях для обеспечения быстрого доступа к Интернет- и Ethernet-системам и передачи сжатого цифрового видеоизображения на небольшие расстояния (несколько сотен метров), а также создание новых марок ПОВ, позволяющих передавать оптический сигнал со скоростью несколько гигабит в секунду (Гбит/с), существенно расширяют возможности применения ПОВ и обещают им хорошие перспективы.

Новый тип среды передачи позволяет достаточно эффективно передавать большие объемы информации, что явилось объективной предпосылкой внедрения техники полимерных световодов в широкую инженерную практику. Разработанные для этого технические средства – кабели различного назначения, несколько видов разъемов и технологий их монтажа, активного оборудования различных сетевых стандартов и тестирующих приборов – делают возможным создание полноценной линии связи.

Первые разработки по полимерным волокнам появились в середине 60-х годов, однако оптические потери в них составляли несколько тысяч дБ/км, что ограничивало применение ПОВ лишь рамками индикации и в декоративных целях [18].

Для расширения сферы применения такого типа световодов во многих странах были проведены исследования, направленные на снижение уровня потерь при передаче сигнала в видимом диапазоне спектра. В результате этих работ в 70–80-х годах оптические потери в ПОВ удалось снизить к уровню ~100 дБ/км, что, однако, на три порядка превышает показатель для волокон на основе неорганических стекол. Можно считать, что прозрачность коммерческих образцов ПОВ сохраняется на этом уровне и до нынешнего времени. Ясно, что ввиду этого, ПОВ нельзя рассматривать как альтернативу стеклянным световодам в линиях связи значительной протяжности, даже если в промышленных условиях удастся наладить выпуск ПОВ с потерями ~10 дБ/км, что близко к теоретическому пределу. Сегодня ПОВ успешно конкурируют с медными проводами, коаксиальными кабелями, витыми парами (вид кабеля связи с минимальными взаимными наводками при передаче сигнала, который представляет собой одну или несколько пар изолированных проводников, скрученных между собой и находящихся в полимерной оболочке), а при передаче информации на небольшие расстояния – с кварцевыми волокнами.

О первых разработках ПОВ сообщила бостонская компания Pilot Chemical в начале 1960-х гг., а в конце десятилетия к его совершенствованию приступила компания Du Pont. Несмотря на многочисленные исследования ПОВ на основе различных материалов, к 1978 г. минимальный уровень потерь удалось довести лишь до 500–1 000 дБ/км, причем лучшим материалом оказался ПММА.

Столь высокий уровень потерь ограничивал области применения ПОВ передачей света на очень короткие расстояния – в основном для подсветки шкал измерительных приборов.

В 1978 г. компания Du Pont решила продать свои подразделения, занимавшиеся разработкой ПОВ, японской компании Mitsubishi Rayon. За последующие несколько лет Mitsubishi Rayon сумела снизить потери почти до теоретического минимума, который равен примерно 150 дБ/км на длине волны 650 нм (так называемый «красный минимум»). В результате было создано волокно со ступенчатым профилем показателя преломления и полосой пропускания 50 Мбит/с на расстоянии больше ста метров.

Следующего серьезного прорыва добилась группа профессора Койке (Y. Koike) в университете Кейо (Япония) в 1990 г. Она разработала процесс производства градиентного полимерного оптического волокна (ГПОВ, GI-ПОВ) на основе того же ПММА.

Группа Койке объявила о получении ширины полосы 3 ГГц в волокне длиной 100 м, но минимальные потери оставались на уровне 150 дБ/км (на длине волны 650 нм).

Потери в волокне на основе ПMMA связаны с собственным поглощением материала и обусловлены взаимодействием с гармониками колебаний углеродноводородных (С–Н) групп. Снизить потери оказалось возможным при замене водорода более тяжелым изотопом – дейтерием. Однако использование дейтерия очень дорого и этот способ не нашел практического применения. Другая возможность – замена водорода фтором – была успешно реализована группой Койке в 1995 г. В результате было разработано перфторполимерное волокно, потери в котором удалось снизить до 50 дБ/км для диапазона длин волн 650– 1 300 нм. Теоретический минимум потерь в перфторполимере составляет порядка 10 дБ/км.

Следующим достижением стала одновременная разработка в 2001 г. группами из Австралии и Кореи микроструктурированного полого оптического полимерного волокна. Первый коммерческий вариант ПОВ-трансиверов был изготовлен компанией HP еще в 1992 году. С его помощью была осуществлена передача со скоростью 50 Мбит/с на расстояние 15 м через ПОВ со ступенчатым профилем.

В начале 2005 г. корейская компания Optimedia выпустила в свободную продажу ГПОВ на ПММА с диаметром 0,9 мм и полосой пропускания 100 Мбит/км. В 2005 г. компания Chromis Optical Fiber, дочерняя компания OFS и Bell Laboratories, получившая лицензию от Asahi, разработала процесс непрерывного прессования, позволивший изготавливать волокно более высокого качества, чем при «кусочном» производстве в компании Asahi, и объявила о серийном выпуске и свободной продаже перфторполимерного (ПФ) ГПОВ. Историю ПОВ иллюстрирует табл. 1 (основу таблицы составляют данные работы [19]). Развитие технологии производства ПОВ, конечно же, сопровождалось усовершенствованием недорогих передатчиков, приемников и коннекторов.

История ПОВ приведена в обзоре соавторов под руководством профессора МГУ им. М. В. Ломоносова О. Е. Наний [18], а также в обзоре [20].

В компании Дюпон разработан волокно из ПММА В компании Дюпон разработан ПММА-d Компания Дюпон технологии и патенты ПОВ продала компании Митсубиси Район Профессор Койке из университета Кейо объявил о разработке ГПОВ с полосой пропускания 3 ГГц/км ПОВ заинтересовалась компания ПОВIG США Plastic Optical Fiber Interest Group http://www.igigroup.com Группа проф. Койке доложила о получении скорости 2,5 Гбит/с на расстоянии более 100 м Группа Сасаки из университета Кейо делает доклад об оптическом усилителе для ПОВ Проведена передача сигнала на длине волны 650 нм (светодиод) со скоростью 2,5 Гбит/с на 100 м Университетом Кейо и компанией KAIST разработано перфторполимерное волокно Компания NEC сообщила о ПОВ-соединении со скоростью Asahi Glass докладывает о получении перфторполимерного градиентного волокна, потери в котором составляют треть от Компания DARPA основывает PAVNET, модификацию HSPN, совместно с присоединившейся к консорциуму компанией Lucent Technologies Компания Fujitsu сообщает о передаче сигнала со скоростью 2,5 Гбит/с на расстояние более 200 м по ГПОВ на длине Осуществлена передача информации со скоростью 5 Гбит/с Компания Lucent объявляет о достижении скорости 11 Гбит/с на расстоянии более 100 м по волокну Lucina (ПФ ГПОВ) Европейская комиссия запускает программу по ПОВ «Optomist», состоящую из трех подпрограмм: Agetha, I/O и Home Planet. Позднее в Нюрнберге основыван первый центр Корейские компании Redfern Optics и KAIST объявляют о разработке фотонно-кристаллического ПОВ Одобрен стандарт IEEE 1394B1, завершен стандарт для В 1986 году членами Комитета по Стандартам Микрокомпьютеров (Microcomputer Standards Committee) принято решение объединить существовавшие в то время различные варианты последовательной шины (Serial Bus) и в 1995 году принят стандарт IEEE 1394; The IEEE 1394 protocol model has designed to comply with the ISO/IEC 13213: [ANSI/IEEE Std 1212, 1994 Edition] Control and Status Register model at the Transaction layer.

На конференции ПОВ-2004 объявлено о первом серийно выпускаемом ПОВ на основе РММА Компания Chromis Fiberoptics объявляет о первом серийно выпускаемом ПФ ГПОВ Достигнута скорость передачи 40 Гбит/с на расстояние 30 м Осуществлена передача двух каналов по 5,35 Гбит/с на 1.3. Применение полимерных оптических волокон Сфера применения волокон определяется скоростью и расстоянием передачи по ним информации. Анализ возможностей с учетом этих факторов по использованию световодов в различных отраслях техники дан на рис. 1.2 [21].

Рис. 1.2. Области применения линий связи и возможности в этом плане ПОВ «Эска Экстра» (а) и волокон на основе измерительная техника (1); автоматизация исследований (2);

автоматизация управления авто- воздушным и морским транспортом (3); медицина (4); автоматизация атомных реакторов (5); обработка больших массивов данных (6); компьютеризация (7); новые системы связи (8); тяжелая индустрия (9); автоматизация процессов в системах На вопрос как наиболее экономично увеличить пропускную способность локальных оптических сетей и сетей доступа – ищут ответ поставщики услуг связи во всем мире [22]. Все аналитики согласны с тем, что наиболее перспективной архитектурой, способной удовлетворить все возрастающие потребности заказчиков, является архитектура «волокно в дом», сокращенно обозначаемая аббревиатурой FTTH (fiber to the home). Сегодняшняя концепция FTTH предусматривает прокладку оптических кабелей (ОК) на основе одномодового волокна, обладающего очень высокой пропускной способностью. Сети на основе одномодового волокна способны обеспечить заказчика всеми мыслимыми сегодня и будущими услугами связи. Единственный недостаток оптических сетей на основе одномодового волокна высокая стоимость инсталляции и обслуживания, а также необходимость привлечения высококвалифицированных кадров для проведения работ по прокладке сети и ее переконфигурированию. Решения на основе многомодового волокна, и особенно на основе полимерного оптического, являются экономичной альтернативой сетям на основе одномодового волокна.

Внедрение сетей FTTH («волокно к дому») в Европе запаздывает относительно Японии и других стран. По словам президента Европейского совета по FTTH (FTTH Council Europe) Гартвига Таубера (Hartwig Tauber), только 8 % оптических сетей доступа были созданы традиционными операторами связи, в то время как большую их часть построили муниципалитеты, энергетические компании и альтернативные операторы. Около 61 % высокоскоростных соединений эксплуатируют асимметричную цифровую абонентскую линию (ADSL), ее «медную» технологию, еще 32 % соединений, по большей части в северных районах, используют для подключения к сети кабельные модемы. Технология ADSL заняла лидирующее положение благодаря пассивной стратегии традиционных операторов, в соответствии с которой они намеревались выжать как можно больше денег из существующих медных инфраструктур. Крупные операторы не желают инвестировать огромные деньги в оптику до тех пор, пока у них не остается иного выбора. В то же время «интернет-серферы» с каждым днем все интенсивнее скачивают музыку и фильмы. В частности, использование одноранговых (P2P, peer-to-peer – от конечного пользователя к конечному пользователю) услуг очень быстро создает в сети так называемые «бутылочные горлышки», или «пробки»: 60 % всего интернет-трафика в конце 2004 года было основано на P2P-соединениях, а симметричная природа этих услуг приводит к тому, что 80 % полосы в восходящем (от абонента) потоке ежедневно расходуется на P2P.

Телекоммуникационные операторы не в состоянии справиться с растущим трафиком без экономичной и перспективной технологии, способной стать соединительным звеном между их городскими сетями и конечными потребителями. Полосу пропускания необходимо распределить между отдельными домами или апартаментами, которые обычно отстоят от ближайшего сетевого узла (располагающегося, например, на краю тротуара или в подвале многоквартирного здания) на расстоянии не больше 300 м. И именно этой части сети, требующей наибольших капитальных затрат, операторы «боятся» больше всего. В начале 2006 года девять европейских компаний и исследовательских институтов приступили к созданию технологии, способной заменить кварцевые волокна при строительстве FTTH-сети, существенно снизив ее стоимость. Этот проект, который получил название ПОВ-ALL (Paving the Optical Future with Affordable, Lightning-fast Links – «Прокладывая дорогу в оптическое будущее с помощью доступных, быстрых как молния линий») и на который Европейский союз выделил грант в размере 1,6 млн евро [23]. ПОВ выходят на первый план в локальных сетях связи со сравнительно небольшим радиусом передачи сигналов (до 1 км). Растущей областью применения ПОВ являются сети для подключения индивидуальных домов и офисов к Интернету.

Кабельные телевизионные сети успешно заменяются на более чем 10 млн домов используются ПОВ для подключения к Интернету и ожидается, что использование ПОВ для этих целей станет повсеместным. Важным достоинством такой телекоммуникационной технологии является то, что по одному оптическому световоду могут одновременно передаваться сигналы связи с Интернетом, телефонные и телевизионные сигналы. По этому же пути идет и Корея, где около 10 млн подключений к сети Интернета осуществлено с помощью ПОВ. Использование ПОВ для замены кварцевых волокон в сетях «волокно к дому» предусмотрено в ЕС в рамках проекта ПОВ-ALL – «Прокладывая дорогу в оптическое будущее с помощью доступных, быстрых, как молния, линий» [24].

ПОВ также применяются:

в автомобилях в качестве линий для информационной связи различных электронных устройств с центральным блоком управления или компьютером;

в осветительных системах (системы освещения на дорогах и в аэропортах, световая реклама, декоративные светильники в помещениях и др.), которые состоят из проектора, оптоволоконного жгута и оптических насадок;

в датчиках для измерения широкой гаммы физических и химических параметров различных сред – температуры, влажности, давления, уровня радиации, показателя преломления и др. (работа большинства датчиков с ПОВ основана на эффекте модуляции интенсивности света);

в качестве компонентов детекторов и счетчиков частиц в физике высоких энергий (специальные сцинтилляционные ПОВ, сердечник которых изготовлен из ПС, оболочка – из ПММА);

в гибких эндоскопах медицинского или технического назначения (транспортирование оптического изображения объекта контроля).

Одно из преимуществ ПОВ заключается в том, что в системах связи на их основе используется видимый свет вместо инфракрасного. Это сводит к нулю риск ожогов сетчатки и слепоты, который вовсе не исключен при работе с кварцевым волокном (подробнее см. [25]). В незащищенной среде (апартаментах) вообще нельзя иметь дело со стекловолокном, ведь дети могут причинить себе вред, просто посмотрев на трансивер. В использовании видимого света заключается еще одно преимущество – возможность визуального тестирования, другими словами, если конец волокна светится, можно быть уверенным, что сигнал поступает и система работает. Это просто подарок для службы поддержки абонентов при отладке сети и возможность сэкономить операторам несколько млн евро. В ПОВ-ALL-проекте использовались 2 длины волны: 520 нм для передачи данных на 300 м со скоростью 100 Мбит/с и 650 нм для 1 Гбит/с передачи на 100 м. Ослабление в ПОВ для этих длин волн составляет порядка 140 дБ/км на 650 нм и 80 дБ/км на 520 нм (см. гл. 3).

Вне зависимости от ширины частотного диапазона минимальная теоретическая мощность равна 14 дБ для 1 Гбит/с передачи на 650 нм и 24 дБ для 100 Мбит/с передачи на 520 нм. К сожалению, полоса пропускания для стандартного ПОВ со ступенчатым профилем показателя преломления обычно ограничена 30 МГц на 100 м. Это означает, что на скорости 100 Мбит/с понадобятся многоуровневые схемы кодирования для достижения нужного сочетания дальности и скорости. При передаче со скоростью 1 Гбит/с необходимо использование ПОВ с градиентным профилем показателя преломления, хотя ведется поиск альтернативных решений. Для сравнения, сегодняшние самые современные медиаконверторы Ethernet-over-ПОВ работают со скоростью 10 Мбит/с на расстоянии до 200 м или 100 Мбит/с до м при использовании ступенчатого полимерного волокна [26].

Хорошо известно, что скорость передачи информации по многоходовому волокну ограничена межмодовой дисперсией.

Межмодовая дисперсия – явление расширения оптических импульсов в многоходовом волокне, обусловленное различием времени прохождения через волокно разных мод распространения. Известно, что увеличить пропускную способность многомодового волокна можно, используя возбуждение ограниченного числа мод, распространяющихся с приблизительно одинаковыми скоростями [27]. Недавно ученые из технического университета Эйндховена (Eindhoven University of Technology, the Netherlands) продемонстрировали возможность одновременно передавать по многоходовому волокну несколько независимых потоков информации, используя для каждого потока разные группы мод многомодового волокна (рис. 1.3) [28].

Рис. 1.3. Оптическая схема пространственного Разные группы поперечных мод характеризуются различным пространственным распределением в поперечном сечении. Для примера на рис. 1.4 показано распределение интенсивности излучения в ближнем поле на выходе из участка градиентного многомодового ПОВ длиной 100 м при различных условиях возбуждения.

Рис. 1.4. Распределение поля в ближней зоне на выходе POF:

a) при возбуждении всех типов поперечных мод;

б) при возбуждении мод низкого порядка;

в) при возбуждении мод высокого порядка Из приведенных фотографий видно, что структуры распределения выходного излучения при возбуждении мод малого порядка и при возбуждении мод высокого порядка существенно различаются и, следовательно, информационные потоки, передаваемые с использованием этих двух групп мод, могут быть разделены приемной аппаратурой. В сумме эти два распределения интенсивности хорошо совпадают с распределением, соответствующим полному заполнению апертуры волокна излучением передатчика (рис. 1.4 а).

Идея передачи в многомодовом волокне одновременно многих потоков информации, используя для разных потоков разные моды распространения, довольно очевидна, но возможность этого была, как казалось до настоящего времени, опровергнута существованием сильного межмодового взаимодействия. Кунен и др. [29] практически продемонстрировали возможность передачи по полимерному многомодовому волокну одновременно по крайней мере двух независимых информационных потоков.

Появление новых информационных сервисов и модернизация традиционных оказывают мощное стимулирующее воздействие на рост объемов передачи информации. Это заставляет искать и внедрять в широкую повседневную практику новые технические средства для более эффективного построения сетей и распределения информационных потоков. Одно из таких средств – системы передачи информационных сигналов, линейный тракт которых построен на основе полимерных световодов [30].

Компьютеры и сети связи: внутриблочные и межблочные соединения, мультимедиа, интернет, видеоконференции, линии и сети связи внутри зданий.

Аэрокосмическая и военная техника:сети управления летательными аппаратами, сети обслуживания пассажиров, датчики уровня топлива, безопасности.

В автомобилях: навигационные системы, цифровое видео, аудио, датчики, освещение.

В офисах и на производстве: высокоскоростные сети и линии связи, не поддающиеся прослушиванию, не излучающие помехи, не чувствительные к внешним электромагнитным помехам, датчики безопасности, датчики качества продукции, безопасное освещение во взрывоопасных зонах (рис. 1.5), энергоэкономичное освещение многих точек.

Рис. 1.5. Безопасное освещение во взрывоопасных зонах В рекламе и торговле: рекламные динамические и статические вывески, указатели, панно, системы наблюдения и безопасности.

В домах: контроль всех коммуникационных услуг, кабельное телевидение, высокоскоростной доступ в интернет, системы безопасности жилья.

В медицине: датчики, лазерное облучение крови, эндоскопы, передача изображений от томографов.

Для декоративного оформления: светильники, подсветка в игрушках, различные декоративные эффекты (звездное небо (рис. 1.6), динамическое изображение, изменение цветовой гаммы и т. д.).

Возникновение электрической дуги в комплектных распределительных устройствах представляет собой большую опасность как для обслуживающего персонала, так и для дорогостоящего оборудования. Для предотвращения тяжёлых последствий, вызванных возникновением электрической дуги, необходимо отсеки комплектных распределительных устройств оборудовать системами дуговой защиты.

Существует несколько различных способов регистрации электрической дуги, а именно:

по изменению параметров электрической сети (напряжение, сопротивление, ток);

по повышению температуры, повышению давления внутри отсека комплектного распределительного устройства;

по сопровождающему электрическую дугу световому излучению.

Наиболее простым и перспективным способом определения возникновения электрической дуги внутри отсеков комплектных распределительных устройств является регистрация сопровождающего дугу светового излучения. Существует два вида оптических датчиков, регистрирующих световое излучение дуги:

полупроводниковые фотодатчики и волоконно-оптические датчики.

Устройства дуговой защиты с волоконно-оптическими датчиками (рис. 1.7): одним из наиболее перспективных способов борьбы с возникновением электрической дуги короткого замыкания являются устройства дуговой защиты, использующие для регистрации дуги оптические датчики на основе полимерного волоконно-оптического кабеля, которые имеют целый ряд преимуществ перед остальными устройствами дуговой защиты, а именно: высокое быстродействие; нечувствительность к электромагнитным помехам; гибкость и лёгкость монтажа; волоконно-оптический датчик не требует питания; материал волоконнооптического кабеля является диэлектриком; невысокая стоимость. Выпускаются волоконно-оптические датчики, регистрирующие возникновение электрической дуги как торцевой, так и боковой поверхностями, представляющие собой световоды с соединительными устройствами – один конец световода присоединяется к регистрирующему прибору, другой располагается в зоне возможного возникновения дуги. Излучение дуги воспринимается световодом и передаётся на вход регистрирующего прибора.

Полимерные оптические волокна применяются, в основном, в системах освещения и связи, в медицине, в аэрокосмической технике и автомобилестроении, при изготовлении различных датчиков, информационных панелей, бытовых электрических приборов и в некоторых других областях. Использование ПОВ оправдано в локальных системах связи (до 3 км) и для связи внутри объекта, поскольку стоимость линии, выполненной на основе ПОВ, будет до 70 % меньше, чем из традиционного оптоволоконного кабеля.

Волоконно-оптические датчики, в свою очередь, можно разделить на улавливающие излучение боковой поверхностью (распределенные датчики) или торцевой поверхностью. Применение распределенного оптического датчика, фиксирующего излучение боковой поверхностью, позволяет одним отрезком волоконно-оптического кабеля охватить одновременно несколько ячеек.

Использование датчиков, улавливающих излучение торцевой поверхностью, позволяет добиться высокой селективности путём подведения оптического кабеля непосредственно к местам возможного возникновения дуги.

Применение в датчиках достаточно толстого (рис. 1.8) и гибкого полимерного оптического волокна, а так же двойной защитной оболочки делает датчики достаточно прочными и надёжными. Как показывает опыт, при использовании датчиков на основе полимерного оптического волокна нет необходимости в их постоянном тестировании.

Рис. 1.8. POF обладает существенно большим диаметром, чем стеклянное волокно, что облегчает установку и Положительная сторона использование полимерных волокон явно видна при монтаже кабеля волоконных оптических линий связи, что объясняется его легкостью и низкой стоимостью за счет относительно малого веса. К тому же одним из главных преимуществ является уникальная защита от прослушивания передаваемой информации. Также пользователей волоконно-оптических линий связи радует значительно высокая пропускная способность.

Более эффективно волоконно-оптический кабель с полимерными волокнами работает за счет способности не воспринимать влияние электромагнитных сигналов и радиоволн. Это свойство дополняется диэлектрикой, то есть способностью такого вида оптического кабеля не излучать собственные электромагнитные волны.

Особый интерес в сфере ПОВ сейчас представляет его инновационное использование в автомобилестроении. В 2000 г. в Германии специалисты компании Deimler–Benz убедили шесть других европейских производителей включая BMW и Volkswagen объединиться для разработки стандарта, названного «Информационно ориентированные системы транспорта» (MOST, – Media Oriented Systems Transport)), и перейти на этот стандарт. Для координации усилий семь компаний сформировали организацию, названную MOST Cooperation. Сегодня в MOST Cooperation входят уже 16 автопроизводителей включая General Motors и более 60 производителей ПОВ (Скорость передачи, требуемая для работы навигационных, телеметрических систем, видеоаппаратуры заднего сиденья и разнообразных медийных средств, сможет обеспечить лишь совершенно новая шинная архитектура, ориентированная на обслуживание мультимедийных систем (Media Oriented Systems Transport – MOST). Интерес к этой архитектуре на основе волоконно-оптической шины со скоростью передачи до 25 Мбит/с проявили фирмы BMW, Becker Automotive Systems, DaimlerChrysler, Oasis Silicon Systems, образовавшие консорциумом MOST. Audi, BMW и DaimlerChrysler уже начали использовать MOST-технологию в новых запущенных в производство моделях машин высшего класса. С другой стороны, значительную поддержку получает стандарт IEEE 1394, или Firewire. Недавно была разработана его версия IDB 1394, учитывающая жесткие требования, предъявляемые к уровню электромагнитных помех и рабочей температуре автомобильных систем. Сильный аргумент в пользу стандарта IEEE 1394 – поддержка им широкой полосы передач, а также тот факт, что этот стандарт используется во многих бытовых изделиях: от портативных видеокамер, ПК, принтеров и сканеров до видеоигр и ЗУ большой емкости. Но существует и мнение, что лучшее решение для автомобильной сетевой системы – полное отсутствие проводов. Поэтому в автомобильных развлекательно-информационных системах растет конкуренция со стороны беспроводных устройств передачи данных. Все большее внимание производителей привлекают системы стандартов Bluetooth и Wi-Fi, или 802.11, обеспечивающие высокую скорость обмена данными без шин и соединителей.

На выставке бытовой электроники 2003 года фирма Delphi Delco Electronics демонстрировала систему передачи данных стандарта Bluetooth, установленную в Saab модели 9-3 2003 года. В одной из моделей BMW использована система MACH Voice Link фирмы Visteon на базе стандарта Bluetooth, распознающая более 100 базовых голосовых команд).

В конце 2003 г., спустя всего два года после выпуска первых автомобилей с сетью на основе ПОВ, 19 европейских моделей были оснащены шинами обмена данными на основе ПОВ (рис. 1.9). Количество проданных автомобильных терминалов, или узлов, достигло 9,5 миллионов, и с 2005 г. ожидается установка до 15 миллионов узлов в год [18].

Рис. 1.9. Сеть в автомобиле на основе ПОВ К концу 2005 г. 40 марок европейских автомобилей (от дешевых до дорогих) были оборудованы ПОВ-шинами обмена данными, на что потребовалось 25 миллионов оптических узлов.

Сочетание приемлемого стандарта и согласие группы автопроизводителей перейти к нему привело к экономии за счет масштабов производства. Сейчас передатчик для системы MOST, работающий на скорости 25 Мбит/с, обходится компаниям в 4,5 доллара, и ожидается, что к 2008 г. цена упадет до трех долларов, а скорость вырастет до 150 Мбит/с. Изначально система MOST была рассчитана на полосу пропускания 25 Мбит/с, но к 2008 г. планируется увеличить скорость до 150 Мбит/с. Поскольку стандарт MOST был разработан не для критически важных систем в автомобилях, BMW разработал также ПОВ-сеть на 10 Мбит/с типа «звезда», под названием ByteFlight для управления такими важными элементами, как, например, подушка безопасности. BMW уже установила 7 миллионов передатчиков ByteFlight в своих автомобилях. Сейчас конструируется третья автомобильная сеть на основе ПОВ – Flexray. В США и Японии автопроизводители планируют ввести более мощные системы, работающие на скорости 400 Мбит/с, и принять стандарт IBD-1394.

Ожидается, что эта система будет совместима со стандартом MOST. Еще одна область применения ПОВ – локальные и домашние сети (рис. 1.10).

Локальные сети распространяются уже повсеместно. Они есть у мелких и средних предпринимателей, в отделениях крупных компаний, а также в жилых домах. Для мелкого бизнеса и домашних сетей скорости 10–100 Мбит/с – обычное дело, и вскоре ожидаются 1 Гбит/с. Несколько компаний, занимающихся источниками излучения для ПОВ, недавно представили передатчики на 10–100 Мбит/с для приложений на основе технологии автомобильного стандарта MOST. Названа цена этих передатчиков – 12 долларов за пару.

Технология ПОВ получила известность вследствие широкого распространения в автомобильных информационных сетях, основанных на стандартах MOST и ByteFlight. На сегодняшний день более 25 млн MOST-трансиверов было установлено в 40 различных моделях машин таких производителей, как BMW, DaimlerChrysler, Porsche, Audi и Saab. Успех, которого добились производители ПОВ-систем в этой области благодаря высокой надежности, способствовал снижению цены соответствующих трансиверов до 2–4 евро. Самая низкая пропускная способность модема на основе ПОВ, 100 Мбит/с, в 20–100 раз превышает скорость DSL-соединений. Такой полосы достаточно для загрузки фильма DVD-качества менее чем за 3 мин, а также для получения услуги VoD («видео по требованию») и удаленного видеонаблюдения в реальном времени. Более того, ПОВ в отличие от асимметричной DSL может поддерживать одинаковые скорости в восходящем и нисходящем потоках, что делает возможными видеоконференции и P2P- передачу любительских фильмов.

Рис. 1.10. Область применения ПОВ – локальные и домашние сети (каталог фирмы Toray Industries) Максимальная дальность 100–300 м совпадает с типичными требованиями «краевых» сетей FTTH в европейских городских районах – это расстояние между оптическим волокном, проложенным до фундамента многоквартирного дома, и цифровым выводом в отдельных квартирах. 85 % «краевых» сетей в Италии основаны на стандарте FastWeb и имеют длину не более 300 м; подобная ситуация наблюдается в большинстве европейских стран.

Технологию, разработанную ПОВ-ALL, можно будет использовать для строительства широкополосной домашней сети, сохранив все достоинства гораздо более дорогих и сложных оптических соединений на базе кварцевого волокна. На самом деле, основное достоинство ПОВ заключается в том, что любой человек может установить его менее чем за 30 мин, если все необходимые инструменты окажутся под рукой. В отличие от стекловолоконных соединений, требующих утомительного склеивания и просушки, ПОВ можно отрезать ножницами, оболочку удалять с помощью зачищающих инструментов, а муфту металлического соединителя надевать на оболочку с помощью обжимного инструмента. Кроме того, ПОВ-коннекторы допускают присутствие остаточной пыли на торцах, а она является одной из основных проблем стекловолоконных соединителей (требующих тщательной очистки и полировки). Некоторые устройства могут работать вообще без коннектора: кабель можно просто отрезать лезвием и вставлять в нужное место, что гораздо дешевле установки стекловолокна. Впервые стало возможным в одиночку проложить кабельную сеть в собственном здании, что в свою очередь избавляет традиционных операторов от проблем, связанных с инсталляцией. ПОВ-кабели обладают высокой прочностью и способны выдерживать ударные воздействия, но при этом остаются достаточно гибкими для прокладки в электрических кабельных каналах вдоль стен. Примеры конструкций адаптеров и разъемов с использованем ПОВ приведены на (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Полимерные оптоволоконные адаптеры Полимерные оптические волокна, «степ-волокна» со ступенчатым профилем изменения показателя преломления n в поперечном сечении середника и градиентные ПОВ с плавным близким к параболе профилем n, имеют по сравнению с кварцевыми меньшую стоимость, высокую гибкость, меньшую массу, а при диаметре около 1 мм упрощаются операции по подготовке волокон к соединению с другими элементами оптоволоконного тракта (окольцовывание), а сами коннекторы изготавливаются из полимеров. ПОВ используется в сетях в связи с небольшим до 1 км радиусом передачи сигналов (рис. 1.12).

Использование полимерных волокон наделяет кабель хорошей гибкостью, что очень удобно при сварке оптоволокна в линиях связи. Также упрощается процесс состыковки комплектующих благодаря производству продукта точных форм. К тому же сварка оптического кабеля облегчается благодаря механической прочности и высокому проценту деформации.

К сожалению, говорить о полимерных оптических волокнах, как о лучшей передающей среде не приходится, поскольку они имеют существенные недостатки. Так, ПОВ склонны к быстрому старению, обладают низким коэффициентом широкополосности и невысокой абразивной прочностью. Кроме того, им свойственны высокие оптические потери. Несовершенство данного вида оптического волокна существенно снижает возможности его применения. Исследования по созданию новых материалов для ПОВ не прекращаются. Появляются новые типы полимерных оптических волокон (к примеру, многослойные с широкой полосой пропускания, ступенчатые, полые волокна). В связи с этим можно предположить, что со временем эффективность ПОВ повысится, а список тех областей, где станет возможным применение полимеров, существенно расширится.

Микроструктурированные ПОВ (МПОВ) со сплошным середником и с полым сердечником, заполненным воздухом отличаются процессами прохождения по ним света. В первом случае значительно увеличивается световой поток, проходящий по волокну, во втором – реализуются нелинейные эффекты, практически нулевая дисперсия оптического сигнала, а оптические характеристики не зависят от свойств полимера (99 % светового потока распространяется по воздушному сердечнику).

МПОВ с 2-мя сердечниками эффективны для регистрации сигналов в тензодатчиках. ПОВ с сердечником из ПММА и оболочкой из полифторакрилатов (со ступенчатым профилем n, многослойные с широкой полосой пропускания) производит Инженерный центр полимерного оптического волокна (Россия, ИЦ ПОВ, Тверь) [147].

По мнению большинства экспертов, основными областями применения ПОВ и в дальнейшем будут оставаться сети связи (локальные сети, сети типа «от дома – к дому», «быстрый» Интернет и т. п.), системы связи в автомобилях, различные сенсоры, хотя не во всех нишах рынка ПОВ будут чувствовать себя «спокойно». Основная задача при использовании ПОВ в автомобилях – повышение теплостойкости ПОВ (выше 125 °С), поскольку условия эксплуатации оптоволокон в автомобилях часто сопряжены с повышенными температурами, в частности, в подкапотном пространстве. Здесь им могут составить сильную конкуренцию волокна с кварцевым сердечником (диаметр 200 мкм) и полимерной оболочкой, имеющие более высокую теплостойкость и механическую прочность, меньшее значение минимального радиуса изгиба и более низкий уровень оптических потерь при изгибе волокна. Также важным фактором является уменьшение минимально возможного радиуса изгиба ПОВ (до 20 мм).

Возможности увеличения полосы пропускания и расстояния, на которое может быть передан по ПОВ оптический сигнал, связаны, в частности, с появлением градиентных ПОВ на основе ПММА (фирма Optimedia, Корея) и ПОВ с несколькими сердечниками (Asahi Chemical, Япония), позволяющими осуществлять на длине 100 м скорость передачи сигнала до 1 Гбит/с.

Полимерное оптоволокно производимое ООО «ТЦ ПОВ»

[31] диаметром от 0.2 до 3.0 мм, используется для связи, подсветки, в медицине (внутривенное облучение крови), люминесцентные ПОВ находят своё применение в различных датчиках.

В настоящее время компанией организовано производство полимерных оптических кабелей в защитной оболочке (одно и многожильных), находящих своё применение как для связи и передачи информации на короткие расстояния, так и во всевозможных видах подсветки. Так же налажено производство полимерных оптических жгутов с различными оконечными и соединительными устройствами, в том числе, используемых для регистрации электрической дуги в устройствах дуговой защиты.

В России и Украине ПОВ не получили широкого признания, в отличие, например, от Японии, где в разработку и реализацию проектов по внедрению ПОВ вкладываются большие средства.

Причин здесь несколько, включая и экономические, но не последней из них является слабая информированность потенциальных потребителей о возможностях и достоинствах ПОВ.

Если за рубежом ПОВ уже завоевали «место под солнцем» в автомобилях и системах бортовой связи и все более широко внедряются в различных локальных сетях связи, то в России основными секторами потребления ПОВ являются медицина, приборостроение, рекламная индустрия. Единственный производитель ПОВ в России – Инженерный центр полимерного оптического волокна (ИЦ ПОВ, г. Тверь). Его продукция – ПОВ с сердечником из ПММА и оболочкой из полифторакрилатов, включая оптоволокна со ступенчатым профилем показателя преломления, многослойные ПОВ с широкой полосой пропускания и др.

В настоящее время ПОВ в основном применяется в управлении производственными процессами и в автомобилестроении.

В области управления производственными процессами спрос на ПОВ диктуется в основном потребностью в каналах передачи данных, не подверженных радиопомехам, от устройств, находящихся под высоким напряжением, – таких как электросварочные аппараты, рентгеновские установки и оборудование для ионного легирования.

Можно ожидать, что при новых возможностях полимерного оптического волокна, при наличии компактных коннекторов и недорогих передатчиков компании, которые занимаются проектированием сетей и прокладкой кабеля, скоро перейдут на использование ПОВ.

В связи с малыми размерами, весом, устойчивостью к ударам и вибрации, высокой скоростью передачи данных на малые расстояния всерьез рассматривается вопрос об использовании ПОВ в самолетах, танках, кораблях, вертолетах, ракетах и космических кораблях.

В середине 1990-х гг. Агенство по передовым оборонным исследовательским проектам (DARPA) вложило крупные средства в разработку ПОВ и высокоскоростных соединений на его основе для военных нужд. К сожалению, технология в то время не была доведена до коммерческого использования. В эту программу были вовлечены такие крупные компании, как Honeywell, Delphi Electronics, Boeing и Lucent Technologies. Сегодня технология продвинулись вперед и готова к использованию в военной промышленности и самолетостроении. Так, компания Boeing уже проектирует аудиовизуальные системы на основе ПОВ (в частности для снижения веса самолетов).

Индустрия ПОВ разрабатывает волокно, стойкое к высоким температурам (до 125 °С) и волокно со сниженной горючестью для других военных и аэрокосмических приложений. ПОВ перспективны для использования в крупных центрах обработки и передачи данных и для соединения групп серверов и суперкомпьютеров.

Преимущество ПОВ перед медными соединениями состоит в меньшем энергопотреблении – основной причины высокой стоимости содержания суперкомпьютеров. И наконец, компания Intel и другие фирмы исследуют возможности использования оптической шины на основе ПОВ для обмена данными с материнской платой компьютера.

Серьезное преимущество данного подхода состоит в том, что оптическое соединение поддерживает гораздо более высокие скорости передачи информации, чем его электрический аналог.

Потенциально достижимы скорости в десятки или даже сотни Гбит/с, причем, соединение на основе ПОВ легко интегрируется в печатную плату и стыкуется с активной электроникой благодаря гибкости и большому диаметру сердцевины.

Поэтому конструкторы вычислительных систем и подсистем активно исследуют возможность применения оптических соединений в системных платах компьютеров, маршрутизаторов, переключателей, устройств памяти и в других типах электронных модулей, а также для соединения модулей, стоек и узлов в центрах обработки и передачи данных.

Проблема, с которой сталкиваются все производители ПОВ, заключается в высоком значении затухании. Первоначально затухание в ПОВ волокне было порядка сотен дБ/км, в последние годы оно значительно уменьшается. Как пример можно привести кабели ПОВ СК40 и SH4001, производства чешской компании «OPTOKON a.s.», у которых такой параметр как затухание составляет 200 дБ/км и 190 дБ/км, соответственно, на длине волны 650 нм. Для кварцевого же волокна максимальное затухание составляет 0,35 дБ/км. Такие параметры затухания существенно ограничивают дальность передачи сигналов и сферу применения полимерных волокон. Естественно, что производители полимерных волокон проводят массу исследований в этой области. Возможно, даже, значения затухания удастся снизить и свести до десятков дБ.

Такие параметры затухания в полимерных волокнах являются приемлемыми для использования или построения сетей типа «волокно в дом». Именно такое применения в телекоммуникациях в Европе и в США находит пластиковое волокно. В тоже время, ПОВ массово применяется в машиностроении и энергетике, аэрокосмических технологиях и военно-промышленном комплексе. Такое массовое применение ПОВ в этих областях объясняется тем, что был достигнут определенный успех в отношении повышения термического сопротивления оптических волокон ПОВ. Полимерное (пластиковое) оптическое волокно ПОВ сегодня может выдерживать температуры от 200 до 300 °C.

Пластиковые волокна уже давно широко используются для передачи информации при построении систем автоматизации технологических процессов. В производстве, где присутствуют установки, выделяющие электромагнитные помехи, передача информации по медному кабелю может быть нестабильной из-за большого электромагнитного фона. Электромагнитные помехи могут вызвать ошибки или даже полную потерю данных. Что в свою очередь приводит к сбоям в производственных процессах и, как следствие, возникающим из-за этого издержкам (как обычно – связь не замечают пока она есть). Также на основе ПОВ изготовляют гибкие изолирующие вставки, которые применяются на электрических подстанциях для обеспечения безопасности персонала, обслуживающего системы управления мощными выключателями. Есть и другие свойства, выгодно отличающие полимерные волокна от кварцевых.

Полимерные волокна упруги и способны выдерживать значительно большие деформации при растяжении, чем кварцевые волокна. Полимерные волокна обладают большей механической прочностью, что позволяет выдерживать им многократные изгибы. В отличие от кварцевого волокна, полимерная масса не тускнеет под воздействием гамма-излучения (именно это, а также масса других «выдающихся» свойств позволяют использовать ПОВ в атомной энергетике, горнодобывающей и химической промышленности, а также военно-промышленном комплексе). Если в передаче данных по кварцевым волокнам задействованы длины волн от 850 нм до 1 625 нм (т. е. инфракрасный диапазон), то в полимерных волокнах передача ведется в видимом диапазоне – поскольку, как упоминалось выше, доступные окна прозрачности у полимеров приходятся именно на эту область.

Кварцевые волокна давно и прочно захватили область передачи данных, причем как в структурированных кабельных сетях (СКС), так и в магистралях линиях связи. Однако полимерное волокно постепенно отвоевывает себе «место под солнцем».

Полимерное оптическое волокно является очень перспективным материалом для построения волоконно-оптических домашних сетей. В первую очередь, это достигается благодаря низкой стоимости самого ПОВ-кабеля, активных компонентов и незначительным затратам на инсталляцию. Конечно же, если сравнивать с кварцевым волокном.

Как пример можно привести использование ПОВ на производстве в компании «Картол» (г. Донецк). ПОВ на данном предприятии используется в системе управления оборудования при производстве картонных упаковок. Территориально распределенные блоки конвейерной линии соединены между собой и с управляющим компьютером с помощью оптического полимерного кабеля. Сеть, в которую увязаны все блоки производственной линии, построена по принципу однонаправленного плоского кольца. Общая протяженность ПОВ, соединяющего оборудование по производству картонной тары составляет порядка 500 м, а длина каждого сегмента, соединенного кабелем ПОВ составляет около 100 м. Сигналы, передающиеся по ПОВ-кабелю, позволяют контролировать и регулировать скорости работы транспортеров, положение укладчика, положение стола при наполнении и многие другие параметры.

Оптическое волокно, в данном случае ПОВ, является нечувствительным к электромагнитным помехам и, в свою очередь не создает их. Именно это послужило одной из причин использования ПОВ в оборудовании Simatic-7 вместо коаксиального кабеля. (Simatic Step 7 – программное обеспечение фирмы Siemens AG для разработки систем автоматизации на основе программируемых логических контроллеров Simatic S7).

Примеры построения локальных сетей на базе полимерного волокна Для организации связи между рабочими станциями рекомендуется использовать многопортовый сетевой коммутатор с абонентскими портами под полимерное пластиковое волокно и аплинком под установку сменного оптического модуля SFP. Сетевой коммутатор оборудован разъемами OptoLock, что позволяет использовать оптический кабель без предварительного оконечивания его специальными оптическими коннекторами. Это существенно влияет на скорость развертывания сети. В данном случае нет необходимости хранения складских запасов заранее подготовленных оптических патчкордов разной длины, что также существенно снижает начальные инвестиции в материалы.

Для подключения абонентского рабочего места используются оптические медиаконвертеры с внешним блоком питания или сетевые платы для установки непосредственно в персональный компьютер. Для подключения мобильного рабочего места может использоваться медиаконвертер, подключаемый к USB порту. Примеры оборудования приведены на рис. 1.12 в конце книги.

Для работы с оптическим кабелем рекомендуется использовать специальный нож – скалыватель для полимерного (пластикового) волокна, который позволяет сделать ровный скол, что минимизирует потери оптического сигнала в местах соединения оптического волокна. Каждая оптическая линия после выполнения монтажа должна быть протестирована на соответствие техническим требованиям и нормам. Для этого используется специализированные оптические тестеры для измерений параметров линии из полимерного волокна.

Для соединения нескольких сетевых коммутаторов между собой, увеличения емкости корпоративной сети, подключения сетевого коммутатора к вышестоящей сети используются традиционные методы подключения на базе кварцевого оптического волокна. Абонентские сетевые коммутаторы оборудованы слотами для установки сменного оптического модуля SFP, что позволяет подключить данное устройство к любому другому оборудованию с помощью оптического патч-корда. В то же время есть сферы, где полимерные волокна востребованы и широко применяются уже долгие годы. На данный момент их используют в системах освещения, в рекламных инсталляциях, информационных табло и экранах, в авиационной и автомобильной промышленности, в станкостроении, в тестирующем и измерительном оборудовании, и даже в производстве бытовой техники (например, в различных типах датчиков или для выведения световых сигналов на приборные панели). Полимерные волокна доказали свою полезность в медицине – огромное количество медицинской диагностической аппаратуры использует именно их. Как пример можно привести использование полимерных оптических волокон в различных зондах, используемых гастроэнтерологами, проктологами и пр. В последнее время широкое применение ПОВ волокна нашли у ландшафтных архитекторов, дизайнеров и декораторов (рис. 1.13).

Рис. 1.13. Использование ПОВ в декоративных целях, Давно и широко военные многих стран используют ПОВ для своих нужд. Это обусловлено рядом факторов. Примером использования ПОВ могут служить системы оперативного отслеживания боевой обстановки, наблюдения за состоянием и действиями военнослужащих, оценки ситуаций и т. д. Системы на основе ПОВ интегрированы в униформу, экипировку или другое снаряжение солдат. Ярким примером этого может служить комплект IST- RTG-095 (рис. 1.14).

Полимерные оптические кабели широко используются для обеспечения связью в полевых условиях (рис. 1.15). Диаметр центрального светопроводящего волокна у ПОВ больше, чем у кварцевого волокна, поэтому коннекторы для ПОВ не требуют точной центровки (допуск составляет около 100 микрон) и соединяются очень просто. И это является, пожалуй, самым большим преимуществом этих волокон – простая и легкая установка.

Рис. 1.14. Комплект IST- RTG-095 (вид снаружи и изнутри) Рис.1.15. Пример использования полимерных оптических кабелей для обеспечения связью (в нынешних условиях, скорее построение сети передачи данных и сети телефонной Несмотря на свою перспективность, в Украине технология ПОВ пока распространена относительно мало. Применение ПОВ находит:

для декоративного, архитектурного и ландшафтного освещения;

для подсветки бассейнов;

для подсветки в автомобилях и электронных приборах, для безопасного освещения взрывоопасных помещений;

для изготовления датчиков, систем визуальной индикации, информационных панелей, бытовой, промышленной и медицинской электроники;

для передачи данных и организации локальных вычислительных сетей;

для передачи без потери качества видеосигналов от видеокамер, оптических датчиков, телевизоров и DVD плееров.

Учитывая такие преимущества ПОВ как:

отсутствие влияния электромагнитных полей;

легкость выполнения работ по прокладке и сращиванию отсутствие перекрестных и взаимных помех, что повышает качество передачи данных;

небольшие размеры и минимальный вес (до 2,2 мм – наружный диаметр и вес 4 г/м для симплексного полимерного оптического волокна);

достаточно большой срок службы, низкие цены.

В настоящее время производятся ПОВ волокна диаметром 50, 62,5, 120 и 980 мкм и оболочкой диаметром 490 и 1000 мкм.

С помощью полимерного (пластикового) оптического волокна можно передать Ethernet 10/100 Вase-Т на расстоянии около 100 м, на длинах волн 650, 850 и 1 300 нм. Однако основное применение ПОВ находит на длинах волн в 650 нм. ПОВ-кабели предназначены в основном для работы в видимой области спектра.

За пределами видимой области в ультрафиолетовой и ближней инфракрасной зонах светопропускание используемых полимеров падает и эффективность их применения значительно снижается. Оптические потери ПОВ состоят из собственного поглощения, которое зависит от структуры и качества материала и целого ряда дополнительных факторов, вызванных различными оптическими примесями, присутствующими в материале, используемом для изготовления полимерного волокна. Кроме того, несобственные потери вызывают неровности в месте соприкосновения сердцевины и оболочки, а также двойное лучепреломление материала [32].

1.4. Микроструктурированные полимерные оптические волокна Микроструктурированные оптические волокна – новый тип оптических волноводов, чьи уникальные свойства представляют особенный интерес в контексте возможности решения насущных проблем современной оптики, лазерной физики, фотоники, оптической физики, биомедицины, фотохимии и телекоммуникаций. Волокна этого типа приводят к революционным изменениям в области оптической метрологии, нелинейной оптики, лазерной физики и оптики сверхкоротких импульсов.

Пионерами в разработке микроструктурированных ПОВ (МПОВ), выступили ученые Сиднейского университета из Австралии и Кореи, которые впервые представили новый класс оптических волокон – микроструктурированные полимерные оптические волокна имеющие ряд уникальных свойств и очень непохожи на обычные ПОВ.

Для передачи излучения в микроструктурированных волокнах служит сплошная или полая сердцевина, окруженная микроструктурированной оболочкой, содержащей систему ориентированных вдоль оси волокна цилиндрических воздушных каналов.

Эти волокна обычно изготавливаются из стекла, кварца или прозрачной пластмассы путем перетяжки из преформы, образованной из плотно упакованных трубок и стержней, собранной в соответствии с поперечным сечением волокна.

В зависимости от структуры поперечного сечения эти волокна имеют различные свойства, такие как одномодовый режим распространения в широком спектральном диапазоне, большая/малая площадь модового поля для увеличения/уменьшения нелинейных эффектов, низкие или высокие потери на изгибах, высокая нелинейность для генерации гармоник и суперконтинуума, точно управляемые поляризация, дисперсия групповой скорости, спектр пропускания и двулучепреломление.

Эти волокна уже производятся и используются на практике в ряде приложений. Перспективы использования в лазерной технике, нелинейной оптике, импульсной спектроскопии, оптической томографии вызывают потребность в контроле конструктивно геометрических параметров микроструктурированных волокон.

Волноводные моды электромагнитного излучения в микроструктурированных волокнах формируются в результате интерференции волн, возникающих при отражении и рассеянии на микронеоднородностях показателя преломления.

Внушительный прогресс, достигнутый на основе использования новых оптических волокон в этих и других направлениях научных исследований, выдвигает микроструктурированные волокна в ряд наиболее значительных достижений оптических технологий за последнее десятилетие.

Данные волокна способны поддерживать одномодовый режим в очень широком диапазоне длин волн, заданную дисперсию, высокую или низкую нелинейность (в зависимости от конструкции дырок).

Подобная конструкция волокон позволяет создавать одномодовые волокна с большой сердцевиной. В общем виде принцип действия микроструктурированных волокон иллюстрирует рис. 1.16.

В отличие от обычных оптических волокон (рис. 1.16 а), состоящих [33, 34] из сердцевины с показателем преломления nсоге и оболочки с показателем преломления nclad, микроструктурированные волокна представляют собой кварцевую или стеклянную основу с периодически либо апериодически расположенными воздушными отверстиями (рис. 1.16 б).

Подобная микроструктура обычно изготавливается путем вытяжки при высокой температуре из преформы, набранной из полых волокон.

Рис. 1.16. Схемы различных видов оптических волокон Дефект микроструктуры, соответствующий отсутствию одного или нескольких воздушных отверстий (в центре структуры на рис. 1.16 б), может выполнять функцию, аналогичную функции сердцевины стандартного волокна, и обеспечивать волноводный режим распространения электромагнитного излучения.

В стандартных волокнах полное внутреннее отражение обеспечивается при выполнении условия по показателю преломления nclad < nсоге Волноводные моды в микроструктурированных волокнах формируются в результате интерференции отраженных и рассеянных волн.

Наряду с обычными волноводными режимами, обеспечиваемыми явлением полного внутреннего отражения, микроструктурированные волокна при определенных условиях обеспечивают формирование волноводных мод электромагнитного излучения за счет высокой отражательной способности оболочки волокна в области фотонных запрещенных зон. Подобные режимы волноводного распространения реализуются в волокнах с оболочкой в виде двумерно-периодической микроструктуры (двумерного фотонного кристалла) и полой сердцевиной (рис. 16 г).

В течение последних лет при решении проблемы увеличения пропускной способности волоконно-оптических линий связи повышенный интерес разработчиков также вызывают именно микроструктурированные полимерные оптические волокна.

Как отмечалось выше, особенностью функционирования МПОВ является передача оптического сигнала по сплошной или полой сердцевине волокна, окруженной системой расположенных вдоль оси волокна воздушных каналов [35]. Изменение структуры поперечного сечения волокна оказывает влияние на свойства МПОВ, что, в свою очередь, позволяет решать широкий круг задач нелинейной оптики, сенсорики и высокоскоростной передачи информации [36].

Изобретение фотонно-кристаллических волокон (PCF) на основе кварцевого стекла с периодически расположенными полыми трубками микронного размера дало в руки ученых и инженеров исключительно гибкую и удобную технологию управления свойствами волокна. Единственный недостаток кварцевых PCF – высокая температура плавления кварца (около 2 000 °С), затрудняющая создание сложных структур и введение некоторых примесей. И тогда взгляды исследователей обратились к полимерным микроструктурированным волокнам. Управлять структурой полимеров значительно проще благодаря относительно низкой температуре плавления (175 С). Это позволило создавать не только двумерные периодические структуры, подобные структурам в кварцевых PCF, но также непериодические структуры, в частности, системы расположенных на концентрических окружностях отверстий программируемого переменного диаметра.

Именно по такой технологии создано полимерное волокно с градиентным профилем эффективного показателя преломления.

Поперечное сечение волокна показано на рис. 1.17 [37].

В разработке находятся и другие типы микроструктурированных волокон: волокна с двойной оболочкой; поддерживающие поляризацию волокна и управляемые волокна, чувствительные к внешнему электрическому полю.

В настоящее время интенсивные исследования уникальных свойств микроструктурированных волокон ведутся несколькими научными группами.

Реализуется новая архитектура оптического волокна, позволяющая варьировать в широком диапазоне дисперсионные свойства волноводных мод и степень локализации электромагнитного излучения в направляемых модах за счет управления геометрическими характеристиками волокна.

После первой демонстрации в 1996 микроструктурированных волокон из кремнезема [38], стало понятно, что широкого разнообразия оптических свойств можно достичь разнообразием микроструктур [39]. Использование воздушных дыр означало, что волокно может быть сделано из любого оптически прозрачного материала. Технология может быть перемещена из кремнезема к любому другому соответственно оптически прозрачному материалу, чтобы иметь более широкий ряд механических и оптических свойств.

Первым полимером из которого было сделано микроструктурированное полимерное волокно стал ПММА (mПОВ) [40] который широко использовался в производстве ПОВ [41].

В работах [42, 43, 44, 45, 46,] был рассмотрен прогресс достигнутый в разработках mПОВ, описаны методы производства и применяемые материалы. Отмечено, что наиболее востребованным полимером является по прежнему ПММА, который имеет окно прозрачности в области до 850 нм, а минимальные оптические потери составляют 0.15 Дб/м при 650 нм.

На протяжении последнего десятилетия мПОФ успешно используются в качестве активных элементов датчиков, а также в телекоммуникационных сетях. Нелинейные оптические эффекты, возникающие в волокне, позволяют минимизировать дисперсионные искажения сигналов, поэтому волокна указанного типа являются очень перспективными с точки зрения построения локальных вычислительных сетей большой емкости.

Применение микроструктурированных волокон накладывает определенные требования к точности формирования элементов структуры волокна в поперечном сечении, так как оптические свойства микроструктурированных волокон обусловлены периодической структурой оболочки и размером сердцевины. Управление дисперсией и профилем мод микроструктурированных волокон, как правило, осуществляется изменением формы сердцевины и структуры оболочки, а также варьированием геометрических параметров системы воздушных каналов в оболочке волокна (рис. 1.18). Периодичность расположения воздушных отверстий в оболочке волокна является ключевым фактором для формирования волноводных мод в микроструктурированных волокнах с полой сердцевиной (рис. 1.19). К геометрическим параметрам микроструктурированного оптического волокна можно отнести [47]:

диаметр воздушных отверстий, d;

межцентровое расстояние между соседними отверстиями (шаг), ;

количество концентрических периодических слоев, N;

нормированный диаметр отверстия, d/;

расположение отверстий.

Варьированием каждым из указанных геометрических параметров можно регулировать оптические свойства.

Так, при уменьшении диаметра воздушных отверстий увеличивается рассеивание модового поля, а следовательно, и увеличиваются потери передаваемой энергии.

Рис. 1.18. Разрез типичного одномодового волокна МПОВ (а) Рис. 1.19. Микроскопическое изображение поперечного разреза (а) микроструктурированного полимерного волокна из ПММА и SEM изображение центрального участка (b), размер отверстия 3,5 мкм, интервал между отверстиями 9,1 мкм, Такое разнообразие технологий получения МПОВ – их важное преимущество по сравнению с кварцевыми МОВ, поскольку позволяет значительно увеличить количество видов протяженных микроструктур, отличающихся различными формой и площадью сечения полых каналов, расстоянием между ними, что в конечном счете, существенно расширяет потенциальные возможности использования МПОВ в различных нишах рынка.

Пример МПОВ приведен на рис. 1.20 [48].

Кроме того, МПОВ более технологичны благодаря лучшему балансу между поверхностным натяжением и вязкостью расплава волокнообразующего ПМ, что делает процесс вытяжки МПОВ более устойчивым к возможному искажению структуры полых каналов. В различных оптических и электрооптических сенсорах длина оптоволоконного световода невелика, и здесь МПОВ уже начинают применяться.

На рис. 1.20 представлена фотография поперечного среза микроструктурированного оптического волокна. Диаметр отверстий микроструктуры и их взаимное расположение выбраны таким образом, чтобы сформировать градиентный профиль показателя преломления [48, 49, 50]. В сетях связи ситуация сложнее – реального использования МПОВ можно ожидать тогда, когда будет разработана и освоена воспроизводимая и надежная технология производства МПОВ из дешевых преформ, которая позволит получать волокна длиной до километра (в настоящее время максимальная длина МПОВ составляет около 100 м).

Микроструктура волокна, основное отличие которой заключается в том, что оболочка не сплошная, а пронизана большим количеством полых сквозных каналов, заполненных воздухом и простирающихся по всей длине волокна, что как раз и определяет процесс прохождения света по волокну. По характеру распространения света различают два типа МПОВ – со сплошным сердечником (рис. 1.21 а) и с полым сердечником, заполненным воздухом (рис. 1.21 б). МПОВ второго типа называют также волокнами «со световой запрещенной зоной» (по аналогии с полупроводниками).

Рис. 1.21. Поперечное сечение микроструктурированных ПОВ со сплошным (а) и воздушным (б) сердечниками:

1 – оболочка; 2 – сердечник; 3 – воздушные каналы Направленным выбором микроструктуры воздушных каналов можно получить волокно с любым профилем показателя преломления – ступенчатым, градиентным или другим, более сложным.

Изготовление МПОВ из одного полимерного материала решает проблемы, возникающие в обычных ПОВ и связанные с различными реологическими свойствами материалов сердечника и оболочки в процессе вытяжки волокна, а также с флуктуацией концентрации легирующих добавок (ввиду их отсутствия).

Как следствие, МПОВ обладают существенно меньшими оптическими потерями.

Одним из главных достоинств МПОВ первого типа – со сплошным сердечником (см. рис. 1.21 а) – является возможность реализации одномодового режима распространения света при относительно большом диаметре сердечника, который сложно обеспечить в обычном ПОВ и добиться большей разницы между показателями преломления сердечника и оболочки и, как следствие, значительного увеличения светового потока, проходящего по волокну.

В обычном ПОВ, изготовленном, например, из ПММА, значение сравнительно невелико ( = 1,492 – 1,412 = 0,08). В МПОВ из того же ПММА значение n у сердечника остается равным 1,492, а у оболочки становится близким к значению n у воздуха (n = 1) за счет большой доли сквозных воздушных каналов, и поэтому значение существенно увеличивается. На распространение света не влияют условия его ввода в волокно, макро- и микро изгибы МПОВ. Это делает МПОВ перспективным для использования в сетях связи для передачи оптического сигнала с минимальными потерями на большие расстояния.

В МПОВ второго типа – с воздушным сердечником (рис. 1.21 б) – свет преимущественно распространяется по полому сердечнику за счет формирования в оболочке световых «запрещенных» зон. При определенном соотношении между длиной волны света и геометрическими параметрами периодической микроструктуры воздушных каналов, которые должны быть расположены очень близко друг к другу, каждый окружной слой воздушных каналов действует как зеркало, отражая свет с длиной волны, соответствующей «запрещенной» световой зоне. В результате свет с определенной длиной волны, окруженный «зеркалами», захватывается в воздушном сердечнике и транспортируется по нему от входа к выходу. Такой характер распространения света позволяет создавать волокна с резко выраженными нелинейными свойствами, в том числе с практически нулевой дисперсией оптического сигнала (и соответственно с минимальными оптическими потерями) в определенном диапазоне длин волн (что может найти применение в различных датчиках и приборах, использующих нелинейные эффекты); волокна, передающие свет в спектральных диапазонах, где потери кварцевых оптоволокон велики, а применение других оптоволокон экономически не оправдано.

Оптические характеристики такого оптоволокна практически не зависят от свойств полимера, из которого изготовлено волокно, поскольку более 99 % светового потока распространяется по воздушному сердечнику. По полому световоду можно передать значительно большую мощность, и световоды из МПОВ могут найти применение в системах лазерной резки и гравировки для транспортирования излучения в зону обработки материала.

Ассортимент полимеров, из которых может быть изготовлено такое оптоволокно, значительно расширяется.

В качестве материала МПОВ используют, например, полимер с высокой температурой стеклования, что способствует повышению теплостойкости ПОВ. Еще один интересный тип МПОВ – волокна с двумя сплошными сердечниками, которые могут найти применение в различных датчиках, использующих оптические принципы регистрации сигнала (например, в тензодатчиках).

МПОВ получают как по технологии, применяемой для производства кварцевых микроструктурированных волокон (МОВ), так и другими способами. Стандартный подход заключается в следующем. Нескольких сотен полимерных волокон с внешним диаметром около 1 мм собираются в жгут, удерживаются вместе, сплавляются и вытягиваются в одно волокно, имеющее воздушные межволоконные капилляры.

По другому способу (технология сверления) в преформе, полученной, например, из ПММА, с помощью специального сверла высверливаются сквозные отверстия диаметром 1–2 мм с минимальным расстоянием между отверстиями 0,1 мм (рис. 1.22).

После этого осуществляются нагрев и вытягивание преформы в волокно, причем получение волокна может производиться или в одну стадию (преформа с отверстиями нагревается и вытягивается в волокно с требуемыми размерами), или в две стадии – с получением на первой стадии промежуточной преформы меньшего диаметра и ее последующей вытяжкой на второй стадии в волокно [50].

Второй вариант предпочтителен в том случае, когда диаметр воздушных каналов в МПОВ очень мал (около 1 мкм) [44, 51].

Преформы для МПОВ могут быть получены также в форме, в которой имеются жестко зафиксированные металлические стержни, количество и диаметр которых равны соответственно числу и диаметру сквозных каналов в преформе. В форму заливается мономер, который при дальнейшем нагреве полимеризуется, после чего форму охлаждают и извлекают стержни (высота стержней 50 см) (рис. 1.23). Затем полученную преформу вытягивают в волокно заданного диаметра. Данный способ позволяет получать МПОВ с произвольной формой сечения сквозных каналов и минимальной загрязненностью инородными включениями [50]. На рис. 1.24 приведено изображение волокна из поликарбоната со сканирующего электронного микроскопа [52], поликарбонатное ПОВ с минимумом оптических потерь 9,0 дБ/м на 800 нм и 3,1 дБ/м при 1 550 нм.

Рис.1.23 Шаблоны, которые используются для преформ:

а) шаблон для ядра, б) ансамбль из двух шаблонов Рис. 1.24. Изображение СЭМ волокна из поликарбоната.

Оптические потери в поликарбонатных волокнах 1.5. Флуоресцирующие волокна Сцинтилляторы – вещества, обладающие способностью излучать свет при поглощении ионизирующего излучения (гаммаквантов, электронов, альфа-частиц и т. д.). Органические сцинтилляторы обычно представляют собой двух-трёхкомпонентные смеси. Две активных компоненты в органических сцинтилляторах или растворяются в органической жидкости или смешиваются с органическим материалом так, чтобы образовать полимерную структуру. При такой технологии можно производить жидкий или пластиковый сцинтиллятор любой геометрической формы.

Стандартные сцинтилляционные волокна с одной оболочкой (Single-clad fibers) фирмы Saint Gobain Crystals состоит из сцинтиллирующего керна на основе полистирола с показателем преломления 1.60, плотностью 1,05 и обернутого пленкой из полиметилметакрилата с меньшим показателем преломления равным 1.49, чтобы обеспечить лучшую отражающую поверхность и, значит, увеличить длину затухания.

Образцы сцинтилляционных волокон фирмы Saint Gobain Crystals приведены на рис. 1.25. Схема передачи света по волокнам типа BCF-10, BCF-12, BCF-20 приведена на рис. 1.26. Оптические характеристики волокон даны в табл. 1.2.

Рис. 1.25. Образцы сцинтилляционных полимерных волокон фирмы Saint Gobain Crystals и схема прохождения света в волокне Рис. 1.26. Образцы сцинтилляционных полимерных волокон и пластмассовых сцинтиляторов фирмы KURARAY Также дополнительно может быть нанесено белое или черное покрытие на внешнюю поверхность оптоволокна для снижения оптических помех, возникающих в случае использования пучка связанных волокон. Внешнее покрытие снижает интенсивность сигнала полученного с волокна независимо от его длины.

Керн оптоволокна содержит в своем составе соединение из флуоресцирующих примесей подобранных таким образом, чтобы получить требуемые сцинтилляционные, оптические и радиационно-стойкие характеристики. Обычно сцинтилляционная эффективность волокна держится возле максимума и для оптоволокон типа BCF-10, BCF-12, BCF-20 составляет 2,4 % (номинальное значение). Это означает, что волокна данных типов создают 8 000 фотонов/МэВ из минимальной ионизирующей частицы. Однако эффективность захвата позволяет собрать только менее 4 % созданных фотонов для переноса через волокно.

Сцинтилляционные волокна с несколькими оболочками (Multi-clad fibers). Этот особый тип сцинтилляционных волокон имеет второй слой оболочки из фторированных акрилатов, обладающий меньшим показателем преломления – 1,42, что позволяет получить полное внутренне отражение от второй границы.

Дополнительные фотоны создаваемые в волокнах с несколькими оболочками увеличивают выходной сигнал до 60 % по сравнению со стандартными волокнами с одной оболочкой. Компания Saint Gobain Crystals предлагает стандартные размеры сцинтилляционного волокна от 0,25 мм до 5 мм в диаметре с поперечным сечением в виде круга или квадрата. Сцинтилляционное волокно может поставляться заказчикам в виде предварительно нарезанных кусков или катушек с намотанным волокном длиной до 500 метров [53].

Японская компания KURARAY изготавливает сцинтилляционное оптоволокно с 1992 года. Благодаря превосходной стабильности параметров сцинтилляционное оптоволокно фирмы KURARAY заслужило признание многих ученых и инженеров по всему миру. В 1993 году KURARAY впервые в мире разработала оптоволокно с несколькими оболочками, обладающее световыходом на 50 % больше по сравнению со стандартными волокнами с одной оболочкой. Благодаря этому достижению удалось улучшить свойства оптоволоконных детекторов для изучения физики высоких энергий. Оптоволокно KURARAY играет активную роль не только в научных исследованиях, но и в изучении атомной энергии. Образцы продукции фирмы KURARAY приведены на рис. 1.27.

Рис. 1.27. Внешний вид сцинтилляционного стрипа Компания KURARAY предлагает стандартные размеры сцинтилляционного волокна от 0,2 мм до 2 мм в диаметре с поперечным сечением в виде круга или квадрата. Сцинтилляционное волокно может поставляться заказчикам в виде предварительно нарезанных кусков или катушек с намотанным волокном длиной до 500 метров [54].

В последнее время широкое распространение получили сцинтилляционные детекторы со светосбором на основе спектросмещающих переизлучателей – шифтеров (WLS – wave length shifter) [55]. Сцинтилляционные фотоны, попадая внутрь шифтера, переизлучаются в зеленую часть спектра. Изготовленные из такого шифтера световоды-файберы используются для транспортировки переизлученных фотонов на фотоприемник. Длина затухания света в WLS-файбераx достигает нескольких метров и поэтому фотоны в них могут проходить значительные расстояния. Применение технологии WLS для светосбора в сцинтилляционных детекторах позволяет использовать более дешевый сцинтиллятор, компактные ФЭУ, а также создавать малогабаритные, легкие и дешевые конструкции.

В работе [56] представлены результаты математического моделирования светособирания в системе «стрип – волокно»

(рис. 1.27). Показано, что объемная длина затухания (BAL) существенно влияет на световой выход при значениях 20…150 см.

На основе анализа существующих способов получения сцинтилляционных стрипов предложена концепция бесшнековой экструзии из специально приготовленного сцинтилляционного полимера. Приведены технологическая схема и описание основных стадий процесса получения. Изготовлено и протестировано более 3 000 сцинтилляторов длиной 7 м с соэкструзионным светоотражающим покрытием. Представлены результаты измерения основных функциональных параметров пластмассовых сцинтилляторов. На лучших образцах стрипов достигнута высокая прозрачность (BAL = 150 см) и отражающая способность покрытия (R = 95…96 %). Световой выход сцинтилляционых стрипов достигает 9 фотоэлектронов, что на 40…50 % выше лучших мировых аналогов [57].

Для регистрации нейтральных и заряженных частиц в исследованиях по физике высоких энергий и ядерной физике используются модули калориметра, который состоит из чередующихся слоев поглотителя и сцинтиллятора, со сбором сцинтилляционного света с помощью спектросмещающих волокон, проходящих через отверстия в слоях поглотителя и сцинтиллятора, при этом отверстия в пластинах поглотителя и сцинтиллятора, через которые проходят переизлучающие волокна, располагаются по спирали. На рис. 1.28 показан общий вид модуля калориметра и вид сбоку и сверху его передней части. Модуль собран из пластин свинца 1, пластин сцинтиллятора 2 и спектросмещающих волокон 3. Модуль собран из 16 типов пластин свинца и сцинтиллятора, центры отверстий в которых для каждого типа сдвинуты по горизонтали и вертикали на несколько десятых долей миллиметра. Такое расположение отверстий обеспечивает спиральное расположение спектросмещающих волокон [58].

Для регистрации одиночного электрона ионизации применяется цилиндрический пропорциональный счетчик со спектросмещающими волокнами (рис. 1.29).

Рис. 1.28. Общий вид модуля калориметра Рис. 1.29. Цилиндрический пропорциональный счетчик со спектросмещающими волокнами:

1 – спектросмещающие волокна; 2 – проволочный катод;

На основе волокнистых полимерных сцинтилляторов разработан принципиально новый фильтрующий материал, соединяющий в себе способность к фильтрации радиоактивных загрязнений жидкостей и газов с возможностью осуществлять непрерывный контроль за уровнем радиоактивного загрязнения [59].

Для его изготовления использовалась технология производства нетканых фильтрующих материалов методом электростатического прядения. Получены ультратонкие волокна на основе полистирола с различными люминесцирующими добавками. Полученные бифункциональные фильтрующие материалы испытаны в лабораторных условиях в режиме реального времени в составе детектора на основе ФЭУ-100. Измерены эксплуатационные параметры: чувствительности детектора по радону, линейности радиационного отклика и радиационной устойчивости. В полистирольных сцинтилляторах в качестве первичной люминесцентной добавки применяется пара-терфенил (рТР) или дифенилоксазол (РРО) в количестве нескольких массовых процентов.

Для эффективности регистрации люминесценции аппаратурными методами обычно вводят сместитель спектра – вторичную добавку, например, дифенилоксазолилбензол (РОРОР) [9, 60, 61].

Для получения ультратонких волокон полимерного сцинтиллятора использовали процесс электропрядения в постоянном электрическом поле. Через тонкий капилляр – первый электрод – в область электрического поля подается жидкость. Между жидкостью в капилляре и противоэлектродом создается разность потенциалов высоковольтным источником. Вследствие контакта с электродом жидкость заряжается, затем под действием электрического поля ускоряется, вытягиваясь в тонкую струйку.

Если в качестве исследуемой жидкости используется полимерный раствор, то после испарения растворителя струйка фиксирует свою форму в виде тонкого волокна и оседает на противоэлектроде. Чем меньше расход подаваемой жидкости через капилляр и выше разность потенциалов, тем меньший диаметр имеет волокно. Волокно получали вытяжкой в постоянном электрическом поле напряженностью 30 кВ/м. Толщина изготовленных таким образом волокон находилась в интервале 1–5 мкм.

Волокна укладывались в виде мата. В зависимости от диаметра волокон удельная плотность мата составляла 40–70 г/м2.

Наряду с разработками полимерных волоконных сцинтилляторов разрабатываются и детекторы на неорганических материалах. Так, было показано [62], что использование в качестве чувствительных элементов радиационных детекторов волоконных и нанокристаллических сцинтилляторов вместо используемых обычно объемных монокристаллов способно существенно улучшить важнейшие детекторные параметры: чувствительность, пространственное, спектрометрическое и временное разрешения, радиационную прочность. Это обусловлено несколькими особенностями указанных новых форм сцинтилляторов: повышенной однородностью в распределении активаторов, увеличением доли мягких рентгеновских квантов во вторичном излучении за счет высокой частоты столкновений горячих электронов с поверхностью наночастиц, формированием оптических нанорезонаторов с высокой добротностью, ускоренной аннигиляцией радиационных дефектов при их быстром выходе на поверхность На рис. 1.30 приведен фотонный сендвичевый детектор, состоящий из сцинтиллятора BC404 и спектросмещающих полимерных волокон (WLS fibers-BCF 99-29AA) длиной 30–60 см [63].

В работе [64] приведены результаты исследования детекторов со светосбором на основе спектросмещающих волокон (файберов), вклеенных в регулярном порядке в сцинтилляционные пластины с одинаковой площадью (11 м2) и разной толщиной сцинтиллятора: 1, 3 и 5 см. Приводятся преимущества и недостатки таких счетчиков, с точки зрения их использования в ливневых установках ШАЛ.

В работе [65] представлены результаты исследований оптических и радиационных характеристик спектросмещающих волокон на кварц-полимерной основе, изготовленных путем нанесения пластмассовых покрытий с зеленой спектросмещающей добавкой К-27 на кварцевые керны волокон. Новые спектросмещающие волокна с покрытиями на основе фторированного ПММА показали уровень радиационной стойкости > 90 кГр.

Указаны возможные пути дальнейшего улучшения их оптических и радиационных характеристик. Одним из новых и перспективных направлений в солнечно-земной физике является мюонная диагностика активных процессов в атмосфере Земли и гелиосфере с целью их непрерывного мониторинга и раннего обнаружения [66]. Метод мюонной диагностики основан на регистрации и анализе в режиме реального времени пространственно-временных вариаций проникающей компоненты вторичных космических лучей – мюонов.

Основным подходом к решению задач мюонной диагностики является одновременная регистрация мюонов с различных направлений (годоскопический режим). Для его реализации необходимы широкоапертурные координатно-трековые детекторы большой площади – мюонные годоскопы, способные в режиме реального времени регистрировать и определять параметры трека каждого мюона, пересекающего установку. В качестве базовых элементов годоскопа используются длинные сцинтилляционные полоски стрипы (рис. 1.31). В середине одной из больших граней каждого стрипа сделана канавка (глубиной 2 мм, шириной 1,6 мм) для вклейки оптическим клеем (BC-600, Saint-Gobain, США) спектросмещающего оптического волокна (файбер, Kuraray Y11-175 1 mm, Япония). Один конец оптоволокна каждого стрипа заведён на соответствующий пиксель 64-анодного ФЭУ H7546 (Hamamatsu, Япония). При прохождении заряженных релятивистских частиц через стрип образуется сцинтилляционная вспышка, фотоны которой частично попадают в спектросмещающее оптоволокно и, переизлучаясь в зеленую часть спектра, доходят до ФЭУ. Обладая большой длиной ослабления, файбер позволяет использовать относительно недорогой сцинтиллятор, что существенно снижает стоимость годоскопа. Для улучшения светосбора со стрипов производится полировка обоих концов каждого файбера. Торец противоположенный ФЭУ и канавка заклеиваются посеребренным зеркальным скотчем на полиэфирной основе (3M, марки 850, США). Это увеличивает световыход с дальнего от ФЭУ конца стрипа более чем в два раза. Незаклеенные концы оптоволокна от каждого стрипа, располагающиеся в блоке оптической разводки, сведены в оптический разъём, с помощью которого центры концов файберов позиционируются напротив центров соответствующих ячеек фотокатода ФЭУ (см. рис. 1.31).

Рис. 1.31. Схема базового модуля сцинтилляционного мюонного годоскопа: слева – схема компоновки базового модуля; справа – оптический разъем На рис. 1.32 приведен мультипиксельный модуль со спектросмещающим волокном, который применяется в сцинтилляционных датчиках, расположенных в центре Финляндии [67, 68].

Оптимальным для решения задач мюонной диагностики является мюонный годоскоп на сцинтилляционных стрипах с оптоволоконным светосбором. Для обеспечения работоспособности такого годоскопа в условиях большой загрузки была разработана иерархическая информационно-измерительная система. В качестве базового регистрирующего элемента используются сцинтилляторы со вклеенными спектросмещающими оптическими волокнами-файберами, концы которых cводятся на 64-анодный ФЭУ H7546. 64 уложенные в едином светоизолированном прочном корпусе вместе с ФЭУ и блоком электроники, образуют базовый модуль детектирующей системы годоскопа (рис. 1.33) [69].

Рис. 1.32. Мультипиксельный модуль со Сцинтилляционные детекторы, установленные на сторонах мюонного детектора, представляют собой счетчики нового поколения со съемом света спектросмещающими волокнами (рис. 1.34) изготовленные в Объединенном Институте ядерных исследований [70]. Конструкция счетчика модернизированного центрального мюонного сцинтилляционного детектора приведена на рис. 1.34.