Optiset kuidut ovat esimerkki siitä, kuinka tieteellinen tieto muuttuu teknologiseksi edistykseksi, mikä viime kädessä helpottaa keskivertoihmisen elämää. Kuituoptiikka on useiden vuosien ajan liitetty viestintävälineisiin sähköisten signaalien välittämiseksi. Hiuksen kokoisia ohuita filamentteja voidaan käyttää lähettämään monenlaisia signaaleja, joita tarvitaan puhelimen, Internet-yhteyden, television jne. käyttämiseen. Tietysti korkean suorituskyvyn ansiosta kuituoptiikkaa ei ole käytetty vain kotimaiset tarpeet.
Optinen signaalinsiirtotekniikka
Siisaan optisen kuidun käyttö signaalin kääntäjänä on vain osa julkistettua tietoa, jota tutkitaan valokuituoptiikan tieteellisessä osassa. Tämän alan asiantuntijat tutkivat tiedonvälitystä ja valon etenemistä yhdessä kontekstissa valooppaiden yhdistämänä. Viimeksi mainittuja käytetään sekä valon jakajina että tiedon välittäjinä. Muuten, nykyaikaiset laserteknologian kehitystrendit perustuvat LEDeihin. Tässä tapauksessa toinen kysymys on mielenkiintoisempi - mikä ilmiö on kuituoptiikan perusta? Tämä ilmiösähkömagneettisen (kokonais)säteilyn sisäinen heijastus eri taitekertoimien omaavien eristeiden välisessä rajapinnassa. Lisäksi tiedonsiirtoväline ei ole lainkaan sähkömagneettinen signaali, vaan koodattu valovirta. Valokuitukaapelien paremmuusasteen ymmärtämiseksi perinteisiin metallikaapeleihin verrattuna kannattaa jälleen kerran viitata niiden kaistanleveyteen. Jo mainittu kuitukierre, jonka paksuus on enintään 0,5 mm, pystyy välittämään sellaisen määrän tietoa, että tavallinen kuparijohdotus palvelee vain 50 mm:n paksuudella.
Kuituoptiset valmistusmenetelmät
Optista kuitua voidaan valmistaa kahdella päämenetelmällä. Se on ekstruusio- ja sulatustekniikka aihioiden avulla. Ensimmäinen tekniikka mahdollistaa huonolaatuisen muovipohjaisen materiaalin saamisen, joten nykyään sitä ei käytännössä käytetä. Toista menetelmää pidetään tärkeimpänä ja tehokkaimpana. Aihio on aihio, joka on rakenteessa, joka on suunniteltu lankojen vetämiseen. Nykystandardien mukaan aihiot voivat olla jopa useita kymmeniä metrejä korkeita. Ulkoisesti tämä on lasitanko, jonka halkaisija on noin 10 cm, josta langan ydin sulatetaan. Valmistusprosessin aikana ydin yhdessä kuitujen seoksen kanssa kuumennetaan korkeisiin lämpötiloihin, minkä jälkeen filamentit muodostuvat. Tuloksena olevan materiaalin pituus voi olla useita kilometrejä, vaikka halkaisija pysyy ennallaan - sitä ohjaavat automaattiset säätimet. Riippuen siitä, missä kuituoptiikkaa käytetään, materiaaliSe voidaan esikäsitellä pinnoitteilla, jotka tarjoavat kemiallisen ja fysikaalisen suojan. Mitä tulee itse filamenttisekoituksiin, ne sisältävät yleensä materiaaleja, kuten polyimidia, akrylaattia ja silikonia.
Kuitusuunnitteluominaisuudet
Kierteen keskiosa on ydin - kuidun ydin, joka levittää valoa käytön aikana. Ytimelle on ominaista kohonneet valon taitekertoimet, mikä saavutetaan käyttämällä lasiseostusta modifioituna erityisillä lisäaineilla. Esimerkiksi piidioksidikuituihin käytetään tyypillisiä taitekomponentteja, kuten seostusainetta. Kuori vuorostaan suorittaa useita tehtäviä, joista tärkein on ytimen suora fyysinen suoja. Tämä osa tarjoaa myös taitevaikutuksen, mutta vähimmäiskertoimella. Kahden materiaalin välinen raja muodostaa valonohjausrakenteen, joka ei päästä suurinta osaa valosta karkaamaan ytimestä. On myös syytä huomata, että kuituoptiikan perusteet viittaavat materiaaliin erilaisiin valojohtimiin. Tarkemmin sanottuna puhumme dielektrisistä a altoputkista, jotka lähettävät valosignaaleja.
Erilaisia optisia kuituja
Yleisimpiä ovat kvartsi-, muovi- ja fluorikuidut. Kvartsifilamentit perustuvat oksidisulaisiin tai rakenteeltaan samank altaisiin materiaaleihin, mukaan lukien seostettu piioksidi. Tämä pohja mahdollistaa joustavien ja pitkien kuitujen valmistamisen, jotka eroavat toisistaanja korkea mekaaninen lujuus. Muovikuituoptiikka on valmistettu polymeereistä, ja kuten jo todettiin, se ei voi tarjota korkeaa suorituskykyä. Erityisesti tällaisissa säikeissä on suuri datahäviön prosenttiosuus, mikä rajoittaa niiden käyttöä vaativilla alueilla. Toisa alta muovikuitujen kohtuuhintaisuus pitää tämän materiaalin kysynnän kotitaloussegmentin suunnassa. Mitä tulee fluoridioptisiin materiaaleihin, niiden perusta perustuu fluorosirkonaatti- ja fluoroaluminaattilaseihin. Nämä ovat varsin moderneja ja teknisiä ratkaisuja optisen viestinnän tarjoamiseen, mutta rakenteen raskasmetallipitoisuus ei myöskään salli niiden käyttöä esimerkiksi lääketeollisuudessa.
Kuitujen mittauslaitteet
Yleisimmät optisissa kuitusarjoissa käytetyt laitteet ovat anturit ja Bragg-ritilät. Kuituoptiset anturit ovat laitteita, jotka on suunniteltu kiinnittämään tiettyjä arvoja, jotka kuvaavat materiaalin tilaa tällä hetkellä. Esimerkiksi erilaiset anturit voivat havaita mekaanisen rasituksen, lämpötilan, tärinän, paineen ja muut suuret. Bragg-hila on toiminnassaan lähempänä optisia ominaisuuksia. Se korjaa kuituytimen ajoittainen taitehäiriön. Tämän mittauksen avulla voit määrittää, kuinka tehokas kuituoptiikka lähettää signaalia tietyissä olosuhteissa. Myös asiantuntijat käyttävät optisiaheijastusmittari, joka rekisteröi hajoamisen ja vastuksen.
Kuituoptiset vahvistimet ja laserit
Tämä on edistynein kuituoptisen teknologian pohj alta kehitetty tuote. Toisin kuin muun tyyppisissä lasereissa, optisten filamenttien käyttö mahdollistaa kompaktien ja samalla tehokkaiden laitteiden luomisen. Erityisesti valokuitutekniikka on mahdollistanut klassisten laserlaitteiden korvaamisen seuraavilla eduilla:
- Jäähdytyslevyn tehokkuus.
- Lisästynyt ulostulosäteily.
- Tehokas pumppaus.
- Laserin korkea luotettavuus ja vakaus.
- Kevyt varusteet.
Vahvistimia puolestaan voidaan käyttää tyypistä riippuen myös kotiverkon linjoissa, mikä lisää pääkuitulinjan suorituskykyä. Kuitutoiminnan laajuutta kannattaa kuitenkin harkita tarkemmin.
Mihin valokuitua käytetään?
Kuituoptisia materiaaleja käytetään useilla aloilla. Tämä on kotitalouskäyttöä, tietoliikennelaitteita ja tietokonelaitteita sekä pitkälle erikoistuneita markkinarakoja, mukaan lukien tietyt lääketieteen alat. Jokaiselle näistä segmenteistä valmistetaan erityistä kuituoptiikkaa. Käyttö tyypillisenä televisio- tai Internet-signaalin siirtokeinona rajoittuu esimerkiksi halpoihin ja keskilaatuisiin muovimalleihin. Mutta laserlaitteille ja kalliillelääkinnälliset laitteet käyttävät korkealaatuisia kvartsikuituja, jotka on myös varustettu lisämodifioinneilla.
Optisen kuidun käyttö lääketieteessä
Tällaisia kuituja voidaan käyttää lääketieteellisissä laitteissa ja instrumenteissa. Vakiotekniikka ehdottaa mahdollisuutta ottaa käyttöön erityinen taittuneisiin valokuituihin perustuva laite, joka voi lähettää signaalin ulkoiseen televisiokameraan, joka on jo itse kehossa. Kuituoptiikkaa käytetään lääketieteessä ja valaistusmateriaalina. Kuitumoduuleilla varustetut laitteet mahdollistavat mahalaukun, nenänielun jne. onteloiden kivuttoman valaisemisen.
Optisen kuidun käyttö tietokonelaitteissa
Ehkä tämä on yleisin markkinarako, jossa valokuitu on löytänyt paikkansa. Nykyään tietoliikenneyhteydet yksittäisten laitteiden välillä, jotka välittävät tietoa, eivät enää tule toimeen ilman sitä. Tämä koskee tietysti niitä alueita, joilla on mahdotonta tai epäkäytännöllistä käyttää langattomia yhteyksiä, jotka myös korvaavat aktiivisesti kaapeleita sellaisenaan. Esimerkiksi suurimmat teleyritykset rakentavat alueiden välisiä runkoverkkoja, joissa käytetään valokuitua. Tällaisten kanavien käyttö oheislaitteiden ja telepalvelujen tavallisten kuluttajien yhdistämiseen mahdollistaa verkkoinfrastruktuurin ylläpidon taloudellisten kustannusten optimoinnin ja lisää myös itse tiedonsiirron tehokkuutta.
Kuitujen haitat
Valitettavasti optiset säikeet eivät ole vailla heikkouksia. Vaikka tällaisten johtojen ylläpito on halvempaa, puhumattakaan siitä, ettei säännöllisiä päivityksiä tarvita, itse materiaalin hinta on paljon korkeampi kuin samojen metallisten vastineiden. Lisäksi kuituoptiikka ja sen käyttö lääketieteessä on äärimmäisen rajallista johtuen joidenkin seoksien lyijy- ja zirkoniumepäpuhtaudeista, jotka ovat myrkyllisiä ihmisille. Tämä koskee pääasiassa korkealaatuisia lasimalleja, ei muovimalleja.
Valokuitujen tuotanto Venäjällä
Osana tuontikorvausohjelmaa vuonna 2015 avattiin Optical Fiber Systems -tehdas Mordviaan. Tämä on Venäjän federaation ainoa yritys, joka yrittää tällä hetkellä vastata kotimaisten optisten kuitujen tarpeisiin mahdollisimman pitkälle. Vuoteen 2015 asti Venäjän teollisuus harjoitti myös valokuitumateriaalien valmistusta, mutta vain yksittäisten kohdennettujen projektien puitteissa. Sama tilanne jatkuu jossain määrin tänäkin päivänä. Jos jokin yritys tarvitsee valokuitua ja sen käyttö lääketieteessä tai tietoliikennealalla on taloudellisesti perusteltua, on monia tehtaita, jotka ovat valmiita työskentelemään tällaisista erikoistilauksista yksilöllisesti. Kuitenkin lähitulevaisuudessa vain Mordovian tehdas tuottaa sarjatuotantona samoja valokuitukaapeleita. Lisäksi se ei vielä pysty toimittamaan markkinoille kysyntää vastaavasti. Merkittävä osa tuotteista ostetaan edelleen Yhdysvalloista ja Japanista. Ja jopa kotimaisia tuotteita tuotetaan tuontinaraaka-aineet.
Johtopäätös
Kuituoptiset tuotteet ovat muodostuneet markkinasegmentiksi noin 15-20 vuotta. Kuluttaja on vuosien varrella kyennyt arvostamaan uusien kaapeleiden etuja, mutta kehitys ei ole pysähtynyt. Teknisten ja fyysisten ominaisuuksien parantuessa myös materiaalin käyttöalueet laajenevat. Etenkin uusinta nanoteknologiaan perustuvaa kuitua käytetään aktiivisesti öljy- ja kaasuteollisuudessa sekä puolustusteollisuudessa. Epälineaarinen kuituoptiikka puolestaan kehittää tällä hetkellä vain käsitteellisiä, mutta erittäin lupaavia teknologia-alueita. Niitä ovat kompressiolaserpulssit, optiset solitonit, ultralyhyt optinen säteily jne. Ilmeisestikin mahdollisia löytöjä sisältävän teoreettisen tutkimuksen lisäksi puhtaasti tieteellisen tiedon puitteissa uusi kehitys mahdollistaa myös uusien tarjousten tekemisen eritasoisille kuluttajille markkinoilla.
