סיבים אופטיים מספקים דוגמה לאופן שבו ידע מדעי מתורגם לקידמה טכנולוגית, ובסופו של דבר מקל על החיים לאדם הממוצע. מזה מספר שנים, סיבים אופטיים מקושרים לאמצעי תקשורת להעברת אותות חשמליים. חוטים דקים בגודל שערה אנושית יכולים לשמש להעברת מגוון רחב של אותות הנדרשים להפעלת טלפון, חיבור לאינטרנט, טלוויזיה וכו'. כמובן שבשל ביצועיו הגבוהים, סיבים אופטיים מצאו שימוש לא רק ב צרכים ביתיים.
טכנולוגיית העברת אותות אופטית
כשלעצמו, השימוש בסיבים אופטיים כמתרגם אותות הוא רק חלק מהידע הנחשף שנחקר במדור המדעי של סיבים אופטיים. מומחים בתחום זה חוקרים את העברת המידע והפצת האור, ובהקשר אחד מאוחדים על ידי מדריכי אור. האחרונים משמשים הן כמפיצי אור והן כמעבירי מידע. אגב, מגמות מודרניות בפיתוח טכנולוגיות לייזר מבוססות על נוריות LED. במקרה זה, שאלה נוספת מעניינת יותר - איזו תופעה היא הבסיס של סיבים אופטיים? התופעה הזוהשתקפות פנימית של קרינה אלקטרומגנטית (סה"כ) בממשק בין דיאלקטרים בעלי מדדי שבירה שונים. יתרה מכך, נושא המידע אינו אות אלקטרומגנטי כלל, אלא שטף אור מקודד. כדי להבין את מידת העליונות של כבלי סיבים אופטיים על כבלי מתכת מסורתיים, כדאי להתייחס שוב לרוחב הפס שלהם. חוט הסיבים שהוזכר כבר, שעוביו אינו עולה על 0.5 מ"מ, מסוגל להעביר כמות מידע שחיווט נחושת רגיל ישרת רק בעובי של 50 מ"מ.
שיטות ייצור סיבים אופטיים
ישנן שתי שיטות עיקריות שבהן ניתן לייצר סיבים אופטיים. זוהי טכניקה של שחול והתכה באמצעות preforms. הטכנולוגיה הראשונה מאפשרת להשיג חומר באיכות נמוכה על בסיס פלסטיק, כך שכיום הוא כמעט לא בשימוש. השיטה השנייה נחשבת העיקרית והיעילה ביותר. פרפורם הוא פרפורם שנמצא במבנה המיועד לשרטוט חוטים. לפי סטנדרטים מודרניים, גובה הפרפורמים יכול להגיע לכמה עשרות מטרים. כלפי חוץ מדובר במוט זכוכית בקוטר של כ-10 ס מ, ממנו נמסה ליבת החוט. בתהליך הייצור, הליבה, יחד עם תערובת הסיבים, מחוממת לטמפרטורות גבוהות, ולאחר מכן נוצרים החוטים. אורך החומר המתקבל יכול להגיע למספר קילומטרים, אם כי הקוטר נותר ללא שינוי - הוא נשלט על ידי רגולטורים אוטומטיים. תלוי היכן ישמש סיבים אופטיים, החומר עבורניתן לטפל מראש בציפויים המספקים הגנה כימית ופיזית. באשר לתערובות החוטים עצמם, הם בדרך כלל כוללים חומרים כגון פוליאמיד, אקרילט וסיליקון.
תכונות עיצוב סיבים
החלק המרכזי של החוט הוא הליבה - עצם הליבה של הסיב, שתפיץ אור במהלך הפעולה. הליבה מאופיינת על ידי מדדי שבירה אור מוגברים, אשר מושגת על ידי שימוש בסימום זכוכית עם שינוי על ידי תוספים מיוחדים. לדוגמה, רכיבים שבירה טיפוסיים כמו חומר דוחה משמשים לסיבי סיליקה. בתורו, הקליפה מבצעת מספר משימות, שהעיקרית שבהן היא ההגנה הפיזית הישירה של הליבה. חלק זה מספק גם את השפעת השבירה, אך עם מקדם מינימלי. הגבול בין שני החומרים יוצר מבנה מנחה אור שאינו מאפשר לחלק הארי של האור לברוח מהליבה. ראוי גם לציין כי היסודות של סיבים אופטיים מפנים את החומר לזנים של מדריכי אור. ליתר דיוק, אנחנו מדברים על מוליכי גל דיאלקטריים המשדרים אותות אור.
זנים של סיבים אופטיים
הנפוצים ביותר הם סיבי קוורץ, פלסטיק ופלואוריד. חוטי קוורץ מבוססים על נמס תחמוצת או חומרים דומים במבנה, כולל תחמוצת סיליקון מסוממת. בסיס זה מאפשר לייצר סיבים גמישים וארוכים הנבדלים ביניהםוחוזק מכני גבוה. סיבים אופטיים מפלסטיק עשויים מפולימרים וכפי שכבר צוין, אינם יכולים לספק ביצועים גבוהים. במיוחד, לשרשורים כאלה יש אחוז גבוה של אובדן נתונים, מה שמגביל את השימוש בהם באזורים תובעניים. מצד שני, סבירותם של סיבי פלסטיק שומרת על הביקוש לחומר זה בכיוונים המתמקדים בגזרת משק הבית. באשר לחומרים אופטיים פלואוריד, הבסיס שלהם מבוסס על כוסות פלואורוזירקונט ופלואורואלמינאט. מדובר בפתרונות מודרניים וטכנולוגיים למדי למתן תקשורת אופטית, אך גם תכולת המתכות הכבדות במבנה אינה מאפשרת שימוש בהן, למשל, בתעשייה הרפואית.
ציוד למדידת סיבים
הציוד הנפוץ ביותר בשימוש בערכות סיבים אופטיים הם חיישנים ורשתות Bragg. חיישני סיבים אופטיים הם מכשירים שנועדו לתקן ערכים מסוימים המאפיינים את מצב החומר כרגע. לדוגמה, חיישנים שונים יכולים לזהות לחץ מכני, טמפרטורה, רטט, לחץ וכמויות אחרות. סורג ה-Bragg בתפקידו קרוב יותר למאפיינים האופטיים. זה מתקן הפרעת שבירה א-מחזורית בליבת הסיבים. מדידה זו מאפשרת לך לקבוע עד כמה יעילה סיבים אופטיים בהעברת אות בתנאים ספציפיים. כמו כן, מומחים משתמשים באופטירפלקטרומטר הרושם פיזור והתנגדות.
מגברי סיבים אופטיים ולייזרים
זהו המוצר המתקדם ביותר שפותח על בסיס טכנולוגיית סיבים אופטיים. בניגוד לסוגים אחרים של לייזרים, השימוש בפילמנטים אופטיים מאפשר ליצור מכשירים קומפקטיים ויחד עם זאת יעילים. במיוחד, טכנולוגיית סיבים אופטיים אפשרה להחליף מכשירי לייזר קלאסיים עם היתרונות הבאים:
- יעילות של גוף קירור.
- קרינת פלט מוגברת.
- שאיבה יעילה.
- אמינות ויציבות גבוהות של הלייזר.
- ציוד במשקל נמוך.
בתורו, מגברים, בהתאם לסוג, יכולים לשמש גם בקווי רשת ביתיים, מה שמגדיל את הביצועים של קו הסיבים הראשי. עם זאת, כדאי לשקול ביתר פירוט את היקף פעולת הסיבים.
למה משתמשים בסיבים אופטיים?
ישנם מספר תחומים שבהם נעשה שימוש בחומרים סיבים אופטיים. זהו תחום השימוש הביתי, ציוד טלקומוניקציה וציוד מחשבים, כמו גם נישות מיוחדות במיוחד, כולל תחומי רפואה מסוימים. עבור כל אחד מהמקטעים הללו מיוצרים סיבים אופטיים מיוחדים. יישום כאמצעי טיפוסי להעברת אות טלוויזיה או אינטרנט, למשל, מוגבל לדגמי פלסטיק זולים באיכות בינונית. אבל לציוד לייזר ויקרמכשירים רפואיים משתמשים בסיבי קוורץ באיכות גבוהה, מסופקים גם עם מתקנים נוספים.
יישום סיבים אופטיים ברפואה
ניתן להשתמש בסיבים כאלה בציוד ומכשור רפואי. הטכנולוגיה הסטנדרטית מציעה אפשרות להכניס מכשיר מיוחד המבוסס על סיבי אור נשברים, שיכול להעביר אות למצלמת טלוויזיה חיצונית שכבר נמצאת באיבר הגוף עצמו. סיבים אופטיים משמשים ברפואה וכחומר תאורה. התקנים המצוידים במודולי סיבים מאפשרים להאיר ללא כאבים את חללי הקיבה, האף-לוע וכו'.
שימוש בסיבים אופטיים בציוד מחשב
אולי זו הנישה הנפוצה ביותר בה סיב אופטי מצא את מקומו. כיום, קווי תקשורת בין מכשירים בודדים המשדרים מידע כבר לא יכולים בלעדיו. כמובן שזה תקף לאותם תחומים בהם אי אפשר או מעשי להשתמש בחיבורים אלחוטיים, שגם הם מחליפים באופן אקטיבי כבלים ככאלה. לדוגמה, חברות התקשורת הגדולות ביותר מקימות רשתות עמוד שדרה בין-אזוריות המשתמשות בסיבים אופטיים. השימוש בערוצים כאלה לחיבור ציוד היקפי וצרכנים רגילים של שירותי תקשורת מאפשר לך לייעל את העלויות הכספיות של תחזוקת תשתית הרשת, וגם מגביר את היעילות של העברת הנתונים עצמה.
חסרונות של סיבים
למרבה הצער, חוטים אופטיים אינם חפים מחולשות. למרות שהתחזוקה של חיווט כזה זולה יותר, שלא לדבר על היעדר הצורך בעדכונים תכופים, עלות החומר עצמו גבוהה בהרבה מאותם עמיתים מתכתיים. בנוסף, סיבים אופטיים והשימוש בהם ברפואה מוגבל ביותר בשל תכולת זיהומי עופרת וזירקוניום בחלק מהסגסוגות, הרעילות לבני אדם. זה חל בעיקר על דגמי הזכוכית האיכותיים ביותר, לא פלסטיק.
ייצור סיבים אופטיים ברוסיה
כחלק מתוכנית החלפת הייבוא ב-2015, נפתח מפעל מערכות סיבים אופטיים במורדוביה. זהו המיזם היחיד בפדרציה הרוסית, שמנסה כעת לענות על הצרכים של צרכנים מקומיים בסיבים אופטיים במידת האפשר. עד 2015, התעשייה הרוסית עסקה גם בייצור חומרים סיבים אופטיים, אך רק במסגרת פרויקטים ממוקדים בודדים. אותו מצב נמשך במידה מסוימת גם היום. אם חברה מסוימת זקוקה לסיבים אופטיים והשימוש בה ברפואה או בתחום הטלקומוניקציה מוצדק מבחינה כלכלית, הרי שיש מפעלים רבים שמוכנים לעבוד בהזמנות מיוחדות כאלה על בסיס אישי. עם זאת, בעתיד הקרוב, רק המפעל במורדובי יפיק ייצור סדרתי של אותם כבלים סיבים אופטיים. יתרה מכך, היא עדיין לא מסוגלת לספק לשוק בהתאם להיקף הביקוש. חלק ניכר מהמוצרים עדיין נרכשים מארה ב ויפן. ואפילו מוצרים מקומיים מיוצרים על יבואחומרי גלם.
מסקנה
מוצרי סיבים אופטיים נוצרים כפלח שוק במשך כ-15-20 שנה. במהלך השנים, הצרכן הצליח להעריך את היתרונות של כבלים חדשים, אך ההתקדמות אינה עומדת מלכת. עם שיפור האיכויות הטכניות והפיזיות, מתרחבים גם תחומי היישום של החומר. הסיבים העדכניים ביותר המבוססים על ננוטכנולוגיה, בפרט, נמצאים בשימוש פעיל בתעשיית הנפט והגז ובתעשייה הביטחונית. בתורו, סיבים אופטיים לא ליניאריים מפתחת כיום רק תחומי טכנולוגיה רעיוניים, אך מבטיחים מאוד. ביניהם פולסי לייזר דחיסה, סוליטונים אופטיים, קרינה אופטית קצרה במיוחד וכו'. ברור שבנוסף למחקר תיאורטי עם גילויים אפשריים ובמסגרת ידע מדעי גרידא, פיתוחים חדשים יאפשרו גם להציע הצעות חדשות לצרכנים ברמות שונות בשוק.
