Полимерные оптические волокна
advertisement
тема номера: специальные полимерные материалы Полимерные оптические волокна В.П. Буряк Бурное развитие телекоммуникационной индустрии стимулирует все более широкое использование оптоволоконных каналов связи, для которых в настоящее время используются, как правило, кварцевые световоды, способные передавать оптический сигнал с минимальными потерями на расстояние в несколько сотен километров. При меньших расстояниях расширяется применение известных и новых полимерных оптоволокон (ПОВ). 1. Состав и строение ПОВ. 2. Применение ПОВ. 3. Производство и свойства ПОВ. 4. Перспективы ПОВ. 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. В последние годы ситуация изменилась. 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. 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. 1. Состав и строение ПОВ ПОВ состоит из светопроводящего канала (сердечника, по которому проходит оптический сигнал), оболочки и защитного покрытия (рис. 1). В качестве материала сердечника используются полиметилметакрилат (ПММА), полистирол (ПС), поликарбонат (ПК), фторированные полимеры, в качестве материала оболочки – полимеры, имеющие показатель прелом- 16 ления немногим меньше, чем у сердечника, и хорошую адгезию к нему, например, полифторалкилакрилаты и сополимеры фторолефинов. Следует заметить, что хотя ПММА, ПС и ПК относят к группе аморфных термопластов, общим внешним признаком которых является высокая прозрачность (по сравнению с частично-кристаллическими термопластами), это не исключает наличия у них, хотя и в незначительном количестве, кристаллической фазы. В качестве материала защитного покрытия, повышающего механическую прочность волокна при микроизгибах и облегчающего обращение с волокном и его транспортирование, применяют полиэтилен (ПЭ), хлорированный ПЭ, полиамид (ПА), поливинилхлорид (ПВХ). Диаметр сердечника ПОВ, как правило, варьируется от 200 до 920 мкм, внешний диаметр оболочки – обычно на 20 – 50 мкм больше диаметра сердечника. Свет распространяется по сердечнику за счет эффекта полного внутреннего отражения от границы раздела «сердечник – оболочка». Большинство ПОВ являются многомодовыми волокнами, и по сердечнику ПОВ одновременно могут распространяться более 100 лучей (мод). Показатель n преломления света внутри сердечника может быть 1 2 3 Рис. 1. Структура типичного полимерного оптоволокна: 1 – сердечник; 2 – оболочка; 3 – защитное покрытие 2007/№05 тема номера: специальные полимерные материалы 1 1 2 2 n а n б Рис. 2. Профиль показателя n преломления в степ- (а) и градиентном (б) полимерных оптоволокнах: 1 – сердечник; 2 – оболочка однородным или изменяться по радиусу, в то время как значение n оболочки обычно является постоянным. Различают два основных типа ПОВ: • так называемые «степ-волокна», имеющие ступенчатый профиль изменения значения n в поперечном сечении сердечника (рис. 2, а); • градиентные ПОВ с плавным (близким к параболе) профилем n (рис. 2, б). Существуют и одномодовые ПОВ, выпускаемые, например, компанией Sentel Technologies (США). Сердечник таких ПОВ изготовлен из ПММА (диаметр – 5 ÷ 20 мкм), оболочка – из сополимера метилметакрилата со стиролом (ПММА/ПС). Однако 2007/№05 в одномодовых ПОВ наблюдается гораздо большее затухание световых лучей по сравнению с одномодовыми кварцевыми волокнами, и они лишены главного преимущества ПОВ – легкости монтажа и низкой стоимости соединительных элементов – коннекторов. Дело в том, что при малом диаметре сердечника требуется очень высокая точность соединения всех элементов оптоволоконного тракта, иначе резко увеличиваются потери. Чем больше диаметр сердечника, тем менее строги требования к точности «стыковки» волокон, к точности изготовления соединительных элементов – коннекторов, к точности «стыковки» волокон с конечными элементами оптоволоконного тракта – излучателями и приемниками. ПОВ имеют ряд важных преимуществ по сравнению с традиционными кварцевыми оптоволокнами – меньшую стоимость, более высокую гибкость и меньшую массу. Поэтому они занимают меньше места, что особенно важно, например, для бортовых систем самолетов или при монтаже системы связи в автомобилях. При сравнительно большом диаметре ПОВ (в типичном случае – около 1 мм) облегчается так называемое «оконцовывание» (совокупность операций по подготовке волокна к соединению с другими элементами оптоволоконного тракта), снижаются требования к точности изготовления и установки коннекторов, что, в свою очередь, уменьшает общую стоимость оптоволоконной системы. По сравнению с кварцевыми 17 тема номера: специальные полимерные материалы оптоволокнами требуется меньшее количество коннекторов, которые к тому же могут быть изготовлены из дешевых полимерных материалов (ПМ) литьем под давлением. Характеристики световода (полоса пропускания, оптические потери), состоящего из двух ПОВ, при нарушении юстировки снижаются в гораздо меньшей степени, чем у аналогичного световода, состоящего из двух кварцевых волокон. Эксплуатация ПОВ в видимом диапазоне оптического спектра позволяет использовать в качестве источников излучения более дешевые лазерные диоды и светодиоды, облегчает монтаж оптоволоконной линии связи за счет визуального контроля прохождения луча. 2. Применение ПОВ 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 могут быть успешно заменены на светопроводящие сети из ПОВ, поскольку при этом расширяется полоса пропускания при меньшем количестве кабелей. Лидером в этом отношении является Япония, где в более чем 10 млн домов используются ПОВ для подключения к Интернету и ожидается, что к 2010 г. 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 в 2010 г. около 10 млн подключений к сети Интернета будет осуществляться с помощью ПОВ. Использование ПОВ для замены кварцевых волокон в сетях «волокно к дому» предусмотрено в ЕС в рамках проекта POF-ALL – «Прокладывая дорогу в оптическое будущее с помощью доступных, быстрых, как молния, линий». 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); 18 • в гибких эндоскопах медицинского или технического назначения (транспортирование оптического изображения объекта контроля). 3. Производство и свойства ПОВ ПОВ на основе полиметилметакрилата В качестве материала световодного канала в ПОВ наиболее широко используется ПММА, который имеет относительно слабое поглощение света в диапазоне длин λ волн видимой области спектра (λ = 520 ÷ 780 нм) и по этому показателю значительно превосходит ПС и ПК (минимальный уровень ослабления оптического сигнала в ПК-ПОВ составляет 600 дБ/км при λ = 770 нм). Теплостойкость ПММА невысока – максимальная рабочая температура не превышает 85 ОС. При более высокой температуре ПММА окисляется, что приводит к увеличению оптических потерь. По теплостойкости ПОВ из ПММА уступают ПОВ из ПК, которые могут работать при температурах до 145 ОС. Оболочка ПММА-ПОВ часто изготавливается из полиамида или фторполимеров, например, полифторалкилакрилатов или полифторалкилметакрилатов. Ассортимент ПОВ из ПММА включает степ- и градиентные волокна. Степ-волокна из ПММА, которые с высокой производительностью изготавливают формованием из расплава, являются наиболее распространенным типом ПОВ. Показатель n преломления сердечника равен 1,492 и постоянен по всему сечению волокна, значение n оболочки варьируется в зависимости от материала от 1,412 до 1,417 (в случае использования фторполимеров). Степ-волокна характеризуются большим затуханием светового сигнала (150 дБ/км при λ = 650 нм). Максимальная величина полосы пропускания ПММА степ-волокон составляет около 100 МГц на расстоянии 100 м. Увеличить полосу пропускания степ-волокна можно путем формирования многоступенчатого профиля показателя преломления. Например, степ-волокно с двойным ступенчатым профилем показателя преломления, работающее на длине волны 520 нм, способно обеспечить скорость передачи оптического сигнала до 125 Мбит/с. Градиентные ПОВ из ПММА имеют плавный профиль изменения показателя n преломления с максимальным значением на оси сердечника и минимальным на его периферии. Близким к оптимальному является параболический профиль значения n, позволяющий получить максимальное значение полосы пропускания оптического сигнала. Такие ПОВ содержат специальную легирующую добавку (аддитив), которая при малой ее концентрации в основном полимере должна полностью в нем растворяться и не кристаллизоваться, а также иметь высокий коэффициент диффузии при температурах производства волокна и не диффундировать в волокне в условиях его эксплуатации. В градиентных ПОВ из ПММА в качестве легирующего аддитива используются материалы, содержащие полярные группы, связанные с ароматическими кольцами (в частности, бензолбензоат, дифенилсульфид). 2007/№05 тема номера: специальные полимерные материалы Процесс производства градиентных ПОВ из ПММА основан на технологии межфазной гель-полимеризации и заключается в предварительном получении заготовки (преформы) и ее последующей вытяжке в волокно. На первом этапе путем объемной полимеризации метилметакрилата (ММА) формируется трубчатая заготовка из ПММА, которая затем заполняется смесью ММА, легирующего аддитива, инициатора полимеризации и агента переноса цепи. При последующем нагревании внутренняя стенка трубы из ПММА разбухает под действием смеси ММА и легирующего аддитива, в результате чего образуется гель-полимерная фаза. Скорость реакции полимеризации играет важную роль в этом процессе, поскольку она влияет на диффузию молекул ММА и аддитива. Полимерная фаза растет по направлению от внутренней стенке трубы к ее центру, и молекулы аддитива, имеющие меньшую скорость диффузии по сравнению с молекулами ММА, концентрируются в центральной области сердечника, формируя требуемый профиль показателя преломления в радиальном направлении. Форму профиля можно регулировать, изменяя тип и концентрацию аддитива, инициатора полимеризации, агента переноса цепи. Процесс получения преформы заканчивается после полной полимеризации ММА, а затем проводится ее выдержка в вакууме для удаления летучих соединений. Заключительный этап – вытяжка в волокно. Преформа вводится в индукционную печь с градиентом температуры по оси, которая составляет на входе в печь от 90 до 130 ОС, в центральной части печи – 170 ОС, на выходе – около 40 ОС. В печи преформа нагревается за счет конвекции и излучения, и по мере приближения к центру печи диаметр преформы снижается и достигает минимума в области максимальной температуры, где и формируется волокно. Несмотря на резкое уменьшение первоначального диаметра преформы, в образующемся волокне сохраняется заданное соотношение между размерами сердечника и оболочки. В нижней части печи волокно охлаждается и после выхода из нее сматывается на бобину. В дальнейшем процесс вытяжки происходит с заданной скоростью, определяемой требуемым диаметром волокна. На заключительном этапе на волокно наносится защитное покрытие. По данной технологии изготавливаются, например, две марки ПОВ (табл. 1), выпускаемые фирмой Optimedia (Корея) и отличающиеся диаметрами волокна (750 и 1000 мкм) и сердечника (675 и 900 мкм соответственно). Таблица 1. Показатели свойств градиентных ПОВ из ПММА фирмы Optimedia Показатель Значение Диапазон рабочих температур, С 0 –30 ÷ + 60 Оптические потери*, дБ/км < 200 Полоса пропускания**, ГГц > 1,5 Минимальный радиус изгиба, мм 25 * При длине волны, равной 650 нм ** При длине ПОВ, равной 100 м 2007/№05 19 тема номера: специальные полимерные материалы Одним из важных показателей качества оптоволокна является его апертура, определяющая световой поток, который может быть пропущен по волокну. Чем больше апертура, тем более эффективна связь между источником излучения и волокном и тем меньше оптические потери при изгибе волокна. Для увеличения апертуры следует повышать концентрацию аддитива, но это может привести к искажению профиля показателя преломления и снижению температуры стеклования ПММА. Поэтому концентрация легирующего аддитива в ПММА не превышает 10 – 11 %. Колебательный и деформационный спектры связей С–Н, имеющихся не только в ПММА, но и в других «оптоволокнообразующих» ПМ – ПС и ПК, совпадают с частотным спектром излучения наиболее часто используемых в сетях связи лазерных диодов и светодиодов, излучающих в видимом и ближнем инфракрасном (ИК) диапазонах, что приводит к интенсивному затуханию оптического излучения в этих ПМ. Присутствие в ПММА карбоксильных групп обусловливает поглощение света в ближнем ИК-диапазоне, а карбонильных групп – в УФ-области спектра. Кроме того, тепло-, влаго- и химстойкость ПОВ из ПММА сравнительно невысоки. Еще одним недостатком ПММА является его возможная кристалличность, способствующая увеличению рассеяния света. Как следствие, высокий уровень затухания не позволяет использовать ПОВ на основе ПММА для передачи оптического сигнала на расстояния более 100 м. Дейтерированные ПОВ из ПММА, в котором атомы водорода заменены атомами дейтерия, хотя и имеют меньший уровень оптических потерь – около 20 дБ/км в видимой области спектра, не получили признания из-за высокой стоимости и значительного влагопоглощения. ПОВ на основе перфторированных полимеров Появившиеся на рынке около 5 лет назад ПОВ на основе перфторированных (с высоким содержанием атомов фтора) аморфных полимеров (ПФП), лишены недостатков, присущих ПОВ на основе ПММА. Атомы водорода в ПФП заменены на атомы фтора, и поскольку основные линии поглощения колебательного и деформационного спектров С–F связей сдвинуты в более длинноволновую область спектра, поглощение оптического сигнала в материале волокна существенно уменьшается. В диапазоне 800 ÷ 1300 нм оно не превышает 15 – 25 дБ/км, что позволяет использовать те же источники и приемники излучения, которые применяются в оптических сетях связи на основе кварцевых оптоволокон. Низкий уровень ослабления оптического сигнала в широком спектральном диапазоне дает возможность повысить пропускную способность ПФ-ПОВ, используя технологию мультиплексирования VDM – смешения сигналов с различными длинами волн, когда по одному светопроводящему каналу распространяется несколько лучей с различной длиной волны. В общем случае причинами затухания оптического излучения (условно – оптических потерь) в ПОВ являются его поглощение (диссипация) в результате необратимого перехода электромагнитной энергии оптического излучения в тепловую энергию, рэлеевское рассеяние, а также рассеяние излучения в результате его многократного отражения от структурных дефектов. В этом отношении ПФП, как материал сердечника ПОВ, выгодно отличается от ПММА и ПС (табл. 2). Рэлеевское рассеяние обусловлено флуктуациями плотности, ориентации и состава материала сердечника. Флуктуации ориентации связаны, в частности, с кристалличностью ПМ (наиболее высокой у ПС), флуктуации состава возникают, как правило, при введении в полимер легирующих аддитивов (в процессе производства градиентного волокна). Оба этих фактора потерь зависят от состава ПМ, из которого изготовлен сердечник ПОВ, и поэтому принципиально не могут быть устранены. Они характеризуют минимальный уровень оптических потерь, который можно получить в данном ПМ. Потери оптического излучения на структурных дефектах (микротрещины, микрораковины, неравнотолщинность сердечника, неровности границы раздела между сердечником и оболочкой и др.), возникающих в процессе производства ПОВ, могут быть исключены или хотя бы минимизированы по мере совершенствования технологии, позволяющей получить более оптически прозрачный ПМ. Ведущим мировым производителем ПОВ на основе ПФП является японская фирма Asahi Glass, по лицензии которой подобные ПОВ выпускает и фирма Nexans Research Center (Франция). В США такие ПОВ производит фирма Chromis Fiberoptics. Фирма Asahi Glass выпускает ПОВ марки Lucina из полимера CYTOP (на основе фторбутиленвинилового эфира) с температурой стеклования 108 ОС. Благодаря алициклической структуре элементарного звена Таблица 2. Структура оптических потерь (дБ/км) в ПОВ на основе различных ПМ [1] ПММА (λ = 568 нм ) ПС (λ = 672 нм) ПФП (λ = 1300 нм) 17 26 10 Рэлеевское рассеяние 18 43 2 Рассеяние от структурных дефектов 20 45 4 Суммарные потери 55 114 16 Минимально возможные (теоретические) потери 35 69 12 Фактор потерь Поглощение П р и м е ч а н и е. λ – длина волны оптического излучения 20 2007/№05 тема номера: специальные полимерные материалы CF2 CF CF O CF2 CF2 CF2 макромолекулы CYTOP мало подвержены ориентации в процессе вытяжки волокна, что в свою очередь уменьшает потери, связанные с рассеянием оптического излучения. В ПОВ марки Lucina (диаметр – 500 мкм) из ПФП выполнены и сердечник (n = 1,354; диаметр – 120 мкм), и оболочка (n = 1,342), так что здесь отсутствует проблема адгезии между ними. Параметром, в значительной мере определяющим максимальную полосу пропускания многомодового оптоволокна и обусловленным разной длиной пути, проходимой различными лучами в сердечнике, является модовая дисперсия. У ПОВ марки Lucina она во всем спектральном диапазоне значительно меньше, чем у ПОВ на основе ПММА, а в диапазоне длин волн менее 1000 нм выражена более слабо даже по сравнению с кварцевыми оптоволокнами. Полоса пропускания оптического сигнала зависит от условий ввода излучения в волокно и варьируется от сотен МГц/км (обычно – 400 МГц/км при λ = 850 нм) до нескольких ГГц/км (при полном и ограниченном заполнении сердечника излучением соответственно). ПОВ на основе ПФП могут использоваться для передачи оптического сигнала на расстояние до 100 м в Ethernet-сетях (со скоростью несколько Гбит/с) и в «быстрых» Интернет-сетях. При использовании специальных излучателей такие ПОВ способны передавать сигнал со скоростью до 10 Гбит/с, но на расстояние не более 50 м. Одной из последних разработок является ПОВ на основе ПФП, в котором между сердечником и оболочкой сформирована промежуточная область – так называемая «долина». Показатель преломления по сечению такого волокна имеет W-образный профиль – его значение плавно снижается по параболе от центра сердечника к его периферии, достигает минимума в «долине», а затем снова увеличивается в области оболочки. Такой профиль показателя преломления позволяет еще более уменьшить модовую дисперсию и соответственно увеличить полосу пропускания оптического излучения. Максимальная температура эксплуатации ПОВ на основе ПФП не так велика и составляет 70 ОС. Однако недавно появились сообщения о разработке в Японии ПОВ с максимальной рабочей температурой около 130 ОС. Производство градиентных ПОВ на основе ПФП осуществляется соэкструзией сердечника и оболочки. В один из двух экструзионных узлов, предназначенный для формования сердечника, аморфный ПФП подается с добавкой легирующего аддитива (например, хлортрифторэтилена, который хорошо смешивается с ПФП при температуре от 200 до 300 °С), а в другой (для формования оболочки) – без аддитива. К исходному полимеру предъявляются жесткие требования по 2007/№05 21 тема номера: специальные полимерные материалы чистоте (для того чтобы потери оптического сигнала в ПОВ не превышали 10 дБ/км, в одном погонном метре волокна с диаметром сердечника 100 мкм должно содержаться не более одной посторонней частицы размером до 5 мкм). В первой соэкструзионной головке потоки объединяются для формирования коаксиального потока с легированным ПФП в центре потока. Затем объединенный поток поступает в зону вытяжки, в которой и формируется волокно. Варьирование скорости потоков, температуры и времени нахождения в зоне вытяжки позволяет получить волокно с различным профилем показателя преломления и диаметром сердечника. Во вторую соэкструзионную головку из третьего экструдера дозируется материал защитного покрытия, в качестве которого может использоваться светопрозрачный ПМ (например, ПК). Технология соэкструзии ПОВ имеет значительные преимущества по сравнению с процессом вытяжки волокна из преформ – более высокая производительность, гибкость с точки зрения получения волокон с различным профилем показателя преломления, что сопряжено, однако, с более высокой стоимостью подобных ПОВ. В Японии – наиболее «продвинутой» стране в плане использования ПОВ на основе ПФП – уже осуществлено несколько успешных демонстрационных проектов телекоммуникационных сетей на основе градиентных ПФП. На другие рынки (в частности, на европейский) такие ПОВ входят пока с трудом. Следует, однако, отметить, что ПОВ на основе ПФП не вытесняют аналоги из ПММА, у каждого из них остаются «свои» ниши рынка (имеются в виду сети связи). Качество ПММА-ПОВ достаточно для использования в сетях связи протяженностью до 100 м, ПФП-ПОВ конкурируют с многомодовыми градиентными кварцевыми волокнами для передачи сигналов на большие расстояния (несколько сотен метров) благодаря своим высоким механическим характеристикам. Микроструктурированные ПОВ Микроструктурированные ПОВ (МПОВ), пионерами в разработке которых немногим более 5 лет назад выступили ученые Сиднейского университета (Австралия), имеют ряд уникальных свойств и очень непохожи на обычные ПОВ. Основное отличие заключается в том, что оболочка у них не сплошная, а пронизана большим количеством полых сквозных каналов, заполненных воздухом и простирающихся по всей длине волокна. Именно эта микроструктура определяет процесс прохождения света по волокну. По характеру распространения света различают два типа МПОВ – со сплошным сердечником (рис. 3, а) и с полым сердечником, заполненным воздухом (рис. 3, б). МПОВ второго типа называют также волокнами «со световой запрещенной зоной» (по аналогии с полупроводниками). Направленным выбором микроструктуры воздушных каналов можно получить волокно с любым профилем показателя преломления – ступенчатым, 22 1 1 2 2 3 а 3 б Рис. 3. Поперечное сечение микроструктурированных ПОВ со сплошным (а) и воздушным (б) сердечниками: 1 – оболочка; 2 – сердечник; 3 – воздушные каналы градиентным или другим, более сложным. Изготовление МПОВ из одного ПМ 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 легирующего аддитива (ввиду его отсутствия). Как следствие, МПОВ обладают существенно меньшими оптическими потерями. Одним из главных достоинств МПОВ первого типа – со сплошным сердечником (см. рис. 2, 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 микрооизгибы 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. 3, 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 нелинейны- 2007/№05 тема номера: специальные полимерные материалы ми 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 мм с минимальным расстоянием между отверстиями 0,1 мм. После этого осуществляются нагрев и вытягивание преформы в волокно, причем получение волокна может производиться или в одну стадию (преформа с отверстиями 2007/№05 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. Второй вариант предпочтителен в том случае, когда диаметр воздушных каналов в МПОВ очень мал (около 1 мкм) [2]. 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 23 тема номера: специальные полимерные материалы каналов в преформе. В форму заливается мономер, который при дальнейшем нагреве полимеризуется, после чего форму охлаждают и извлекают стержни. Затем полученную преформу вытягивают в волокно заданного диаметра. Данный способ позволяет получать МПОВ с произвольной формой сечения сквозных каналов и минимальной загрязненностью инородными включениями [3]. 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. 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. Как скоро МПОВ могут появиться на рынке? В различных оптических и электрооптических сенсорах длина оптоволоконного световода невелика, и здесь МПОВ уже начинают применяться. 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). 4. Перспективы ПОВ 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 24 длине 100 м скорость передачи сигнала до 1 Гбит/с. Большим потенциалом обладают МПОВ с воздушным сердечником. В России ПОВ пока 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 стране – 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. Кроме того, ИЦ ПОВ занимается разработкой технологии получения термостойких ПОВ. Росту потребления ПОВ должно способствовать включение новых типов волокон в соответствующие стандарты, предусматривающие, в частности, применение ПОВ в высокоскоростных системах связи. Автор выражает благодарность директору Центра по внедрению ПОВ д-ру Х. Пойзелю (Германия), д-ру А. Аргиросу (Сиднейский университет, Австралия), соредактору журнала «Laser Focus World» Д. Хехту (США) и директору ИЦ ПОВ В.М. Левину (г. Тверь) за информацию, полученную при подготовке статьи. Литература 1. Zubia J. et al. Plastic optical fibers: an introduction to their technological processes and applications// Optical Fiber Technology. – 2001, Vol. 7. – P. 101-140. 2. G. Barton et al. Fabrication of microstructured polymer optical fibres// Optical Fiber Technology. – 2004, No. 10. – P. 325-335. 3. Zhang Y. et al. Casting performs for microstructured polymer optical fibre fabrication// Optics Express. – 2006, Vol. 14, No. 12. – P. 5541-5547. Polymer Optical Fiber V.P. Buriyak Rapid development of telecommunications stimulates wider application of optoelectronic communication links requiring mainly silica light guides capable of transmitting optical sig-nals with minimum losses to several hundred kilometer distances. Now for shorter distance transmissions they more often use well known and newly developed polymer optical fibers. Their composition, structure, production and applications are discussed here. 2007/№05
