Művelődés-, Tudomány- és Orvostörténeti Folyóirat
2017/14           ISSN: 2062-2597
Cím: Fényvezető szálak, száloptikás rendszerek

Title: Optical fibre, fibre-optics systems
[Letöltés]
Szerző(k): Kutasi Csaba
Rovat: Technikatörténeti források
Kötet: 2016/13
DOI: 10.17107/KH.2016.13.564-575
Kulcsszavak:
üvegszál, optikai szál, előforma, fényvezetés, teljes visszaverődés, jelátvitel, optikai kábel, telekommunikáció, természetes üvegszál
Keywords:
glass-fibres, fibre-optics, light transmission, full reflection, signal transmission, optic cables, telecommunication, natural glass fibres.
Abstract:

If we had no fibre-optic systems there were no options to diagnose conditions of specific cavities without opening of the human body let alone the latest developed keyhole surgery. Fibre optics founded the Internet and the extremely clear sound tracking.

Using this technique of light transmission we are able to rearrange temporal and spatial conditions thus information may be transferred from remote measuring sites to central laboratories equipped with special devices of processing and evaluation. Since the early 1990s Hungary changed for fibre-optic cables also in the traditional telephone network. Actually, there are widely used the fibre-optic cables for rapid transmission of information in our artificial environment.


     A fényvezető üvegszálas rendszerek nélkül, többek között, az emberi test felnyitása nélkül nem diagnosztizálhatna az orvos a belső üregekben és a kulcslyuk-sebészeti beavatkozásokra sem nyílna lehetőség. Nem lenne internet hozzáférés, a hangtechnikában nem értek volna el sokkal tisztább hatást.

A fényvezetés segítségével a mérési pontok a térben eltolhatók, a távoli mérőhelyekről könnyen eljut az információ az azokat feldolgozó és kiértékelő műszerekkel felszerelt laboratóriumokba. Az 1990-es évektől Magyarországon a postai telefon gerincvonalakat is optikai kábellel építik. Napjainkban szinte mindenütt megtalálhatók környezetünkben a fényvezető - üvegszálból felépülő -, az információk gyors továbbítására alkalmas jeltovábbító rendszerek.

   Az emberiség ősidők óta alkalmazza a fényjeleket, hiszen a nap sugarait visszaverő bronz-tükrökkel, a különböző fényforrású világítótornyokkal már régóta történt információtovábbítás. Később a jeltovábbító-tornyok láncolatát létrehozva, a jeladó-karos technikát alkalmazva létrejött az ún. optikai-telegráf. Jean Daniel Colladon (1802-1893) svájci fizikus, az 1840-es évek elején az optikai szál alapjait mutatta be egyik kísérletével. A vízzel telt szögletes üvegedénybe fénysugarat vezetett be az egyik oldalról, a fénysugár vonalában a szemközti oldalon pedig egy kör alakú kifolyónyíláson távozó vízsugárban továbbhaladt a fény. A vízsugáron belüli visszaverődés eredményeként a fény eljutott a felfogó edénybe. Ehhez a kísérlethez Jacques Babinet (1794-1872)  francia fizikus, matematikus és csillagász is jelentősen hozzájárult (1. ábra).

1. ábra J.D. Colladon és a fénykútja

1880-ban Alexander Graham Bell (1847-1922) skót születésű amerikai fizikus, Charles Summer Tainter (1854-1940) amerikai mérnökkel feltalálta a fotofont, amely az emberi hangot fénysugár segítségével továbbítja.

   A 20. században már kezdettől fogva nagy erőkkel dolgoztak és kísérleteztek olyan átvitel-technikai rendszer kidolgozásán és megvalósításán, amellyel nagyobb sebességű, megbízható jelátvitelt lehet elérni. 1954-ben félig rugalmas száloptikás gasztroszkópot (gyomortükröző eszköz) fejlesztettek ki. 1966-ban Charles Kuen Kao (1933-) - aki 2009-ben Nobel díjban részesült - és George Alfred Hockham kidolgozták a fényvezető szálas átvitel elvét. 1970 körül sikerült az elképzelést a gyakorlatban megvalósítani, 1975-ben már 20 dB/km alatti csillapítás értéket tudtak elérni. Ezt ún. multimodusú szállal és 850 nm-en sugárzó LED-eket tartalmazó jeladóval biztosították. A szálanyagok és szerkezetek továbbfejlesztésével, valamint lézerdiódák alkalmazásával az átviteli kapacitást megsokszorozták. Az 1990-es évek elején az optikai erősítők bevezetésével néhányszor 104 Gbit/s·km-re sikerült növelni az átviteli kapacitást.

    Az 1990-es évektől, többek között hazánkban a postai telefon gerincvonalakat is optikai kábellel építik. Napjainkban pedig számos helyen, széleskörű alkalmazással szinte mindenütt megtalálhatók környezetünkben a különböző információk gyors továbbítására alkalmas, fényvezető-üvegszálból felépülő jeltovábbító rendszerek. A meghatározó, funkcionális főszerepet betöltő mag és köpeny felépítésű üvegszál mellett, többek között a szálvédelmet ellátó védőköpenyek is textiles anyagokat ölelnek fel.

   Az első egyszerű (nem speciális fényvezető képességű) üvegszálak a 19. század végén kuriózumként már megjelentek, azonban ipari méretű előállításuk később kezdődött. 1893-ban Edward Drummond Libbey (1854-1925), a tengerentúli üvegipar megteremtője, a columbiai világkiállításon bemutatott egy olyan ruhát, amely olyan finomságú üvegszálakból készült, mint a valódi selyem. Ezt először az Egyesült Államok népszerű színésznője, Georgia Eva Cayvan viselte. Az üveggyapotot, mint az üvegszálas termékek egyikét 1932-1933-ban Russell Games Slayter (1896-1964) amerikai mérnök-feltaláló valósította meg. Kis sűrűségű építészeti változatát használják hőszigetelő anyagként, amelyben speciális adalékkal kis légbuborékokat alakítanak ki. Az üvegszálak elterjedését a kiváló hőállóság (éghetetlenség), a kedvező hőszigetelő-képesség, illetve a rendkívüli elektromos szigetelő hatás segítette elő. További alkalmazási területeket jelentett a nagy szilárdság, a jó vegyszerállóság, a kimagasló hangszigetelő-képesség is. Az üvegszál a szervetlen mesterséges szálak csoportjába tartozik, mint túlhűtött folyadék. Ameddig a természetes és a további mesterséges szálak mind láncmolekulákból felépülő polimerek, addig az üvegszálakat a folytonos térhálós szerkezet jellemzi.

   A szálgyártások során a húzott üvegszál sokkszerűen hűl le, így belső feszültségek halmozódnak fel és hibahely-mentes felület alakul ki. Ezzel magyarázható, hogy a tömbüveghez képest az üvegszálak rendkívül nagy szilárdsággal rendelkeznek (a nagy szakítóerejű szerves polimer szálaknál kétszer erősebbek). A különböző tulajdonságú üvegszálak képzésénél a felhasználásra kerülő üveg összetételének minőségi és mennyiségi változtatásával érik el a rendeltetésnek megfelelő tulajdonságokat (2. ábra).

 

2. ábra a hagyományos üvegszál előállítása

A fényvezetés lényege

   Az optikai szálnál a jelátvitel nem elektromos úton, hanem a fény modulálásával (pl. monokromatikus-fény, infravörös-sugárzás) létrejött hullámvezetéssel történik, ezt nevezik fényvezetésnek. Ennek során az optikailag különböző közeg határán kialakuló visszaverődés, illetve az irányt változtatva történő behatolás játssza a fő szerepet. 

   Az optikai szál egy kellően kis sűrűségkülönbségű mag és köpeny felépítésű üvegszál-szerkezetből épül fel. A magrész az optikailag valamivel sűrűbb közegű, a határoló köpenyüveg ritkább optikai jellemzőkkel rendelkezik. A fényvezetést a magvezetékben lejátszódó folytonos visszaverődés hozza létre. Lényeges fizikai jellemző a modus, amely a magátmérő és a benne futó fény hullámhosszának viszonyát fejezi ki (3. ábra).

  

3. ábra Optikai szál felépítése

   A teljes visszaverődés akkor valósul meg, ha a két közeg határfelületén úgy verődik vissza a fénysugár, hogy a másik közegbe egyátalán nem jut át. Ennek érdekében egyrészt a fény a sűrűbb, átlátszó anyagból érkezik a ritkább közeg határfelületéhez, másrészt annak betartása, hogy a beesési szög az ún. határszögnél nagyobb legyen. A teljes visszaverődés érdekében fontos, hogy a fény meghatározott kúpon belül érkezzen a szálba. A burkolat és a mag törésmutatójának viszonya határozza meg a befogadási fénykúp nyílásszögét(4. ábra).

  

4. ábra törésmutatók

Az optikai szálon/kábelen a jelátvitelt nemcsak a modulált-fény, illetve infravörös sugárzás szolgáltatja. Elterjedt a lézerdiódás sugárzás alkalmazása is, pl. gallium-arzenid (GaAs), valamint gallium-arzén-indium-foszfid (GaAsInP) sugárforrásokkal. A nagyteljesítményű gáz és szilárdtest lézerekkel 100 km-es távolságok is áthidalhatók erősítés nélkül, egy adó-vevő párral.

Fényvezető-szál szerkezetek

   Az alapanyagul szolgáló kvarcüveget, nagy tisztaságban, mesterségesen hozzák létre. Az amorf szerkezetű szilícium-dioxid olvadék nagy viszkozitású, ennek gázfázisú leválasztásával állítható elő a nagy tisztaságfokú kvarcüveg. A kvarchomokból, egyes szilikát-ásványokból kiindulva,  redukálás, majd klórozás (a vas szennyeződések eltávolítására) után desztilláció következik. A keletkező szilícium-tetrakloridból oxidáció útján jön létre a gázfázisú hidrolízissel leválasztható értékes kvarcüveg-alapanyag.

   A kvarcüveg-szálgyártás során először általában ún. előformát kell elkészíteni. Ez a szálhúzás alapját jelentő, de még rendkívül durva vastagság-viszonyokkal rendelkező mag-köpeny felépítésű üvegképződmény. A későbbi fázisokban az előformás keresztmetszet akár háromszázad részére csökkenhet, miközben az eredetileg kialakított mag-héj geometria mindvégig megmarad.

   Az előforma készítésére több módszer ismert, aszerint, hogy a leendő mag-köpeny szerkezetnek megfelelő felépítményt miként alakítják ki.

= Az üvegolvasztásos eljárásoknál a két önálló szerkezeti részt egyesítik:

- A „csőben rúd” technológia során a nagyobb törésmutatójú mag-részt üvegcsőbe helyezik (tehát két szilárd előforma a kiindulási anyag), melegítés, illetve húzás hatására alakul ki a köpennyel körülvett üvegszál. Ennél a módszernél jelentős a határfelületi hibák előfordulása, emiatt túl magas az így készült optikai kábel csillapítási értéke.

- A kéttengelyes technikánál nem alkalmaznak szilárd előformákat, hanem az olvadt mag és héjanyagot olvadékban koncentrikusan összevezetve, extrudálással alakul ki a tovább-feldolgozásra alkalmas, összetett szerkezetű anyag. Ennek az eljárásnak az előnye a folytonos törésmutatójú szálgyártás lehetősége, hátránya a tömeggyártás nehézsége (5. ábra).

  

5. ábra üvegolvasztásos szálelőállítás

= A gázfázisos leválasztás elvén alapuló eljárások több fajtája ismert, közös elvként a forgó üvegrúd, illetve a cső különböző felületein történő rétegezés kerül előtérbe:

- A forgó üvegrúd külső felületére történő leválasztásnál a rotációs mozgást végző üvegrudat transzlációs mozgást végző égővel melegítik (ennek megfelelően rétegelt nyers előforma jön létre). Újabb lépésként szakaszos, teljes hosszúságú felmelegítést végeznek, így alakul ki a belsejében zárt, hólyagmentes táblás üvegrúd.

- A forgó üvegrúd homlokfelületén végbemenő leválasztás során a kezdő rúd egyenletesen forog és emelkedik (eszerint gyarapszik a készülő előforma).

- A forgó üvegcső határfelületére történő leválasztásos eljárásnál a kiindulásként megjelenő kvarc-cső belső falára kerül a szükséges réteg.

   Az egyes eljárások valamelyikével előállított előformából szálhúzással alakítják ki az optikai kábel funkcionális erét, a mag-köpeny felépítményű kvarcüveget. Ennek érdekében az előformát 2.000 oC-ra felmelegítve kialakul a folyékony állapot, és mintegy 300 m/perc sebességgel történik a szálképzés. Az előforma és az optikai kábel alapját képező összetett-szálképzés között több százszoros keresztmetszet-csökkenés ellenére a kívánt geometriai-felépítmény mindvégig megmarad.

   A szilícium-dioxid alapanyag mellett pl. fluoro-circonátot, fluoro-aluminátot is használnak, főként a nagyobb hullámhosszú, infravörös tartományban használt eszközöknél. Műanyag optikai szál is ismert, 1 mm-es vagy nagyobb magátmérővel. Ezek nagyobb csillapítást okoznak (pl. 1 dB/m, vagy ennél több), ezért alkalmazhatóságuk korlátozott (6. ábra).  

  

6. ábra szálhúzás előformából

   A különböző törésmutatójú üvegszálak:

- a multimódusú szálak a legrégebbi technológiával készültek, ezért a nagy jelveszteség volt jellemző,

- a lépcsős (folytonosan változó) indexű típusoknál a mag törésmutatója folyamatosan csökken a tengely és a héj között (a hosszabb utat bejáró sugarak gyorsabban haladnak, így a megérkezés egyidőben történik),

- az egy módusú szálak kis magátmérővel készülnek, esetenként elliptikus vagy téglalap keresztmetszettel (7. ábra).

  

7. ábra fényvezető szálak tipusai

A fényvezető-üvegszálak alkalmazásai

   Az optikai szálat rendkívül széleskörűen alkalmazzák napjainkban.

- A rövid- és nagytávolságú telekommunikáció esetén a korábban alkalmazott, hagyományos rézvezetőjű csavart érpályás kábeleknél kb. két km-enként szükségessé vált a jel erősítése jelgenerátor közbeiktatásával. Az optikai kábellel akár 100 km-es távolságokat is át lehet hidalni jelfrissítés nélkül. Az ilyen hálózatok átviteli képességét jellemzi a sávszélesség és a távolság figyelembe vételével képzett mutató, amelynél pl. réz-vezetőnél a 100 MHz/km, az optikai kábelnél a 100 GHz/km a jellemző érték. Külön előny az üvegszálas telefonkábelek esetén, hogy a lehallgatási veszély minimális, miután az illegális beavatkozásnál a detektorra érkező fényenergia csökken (árulkodó jel észlelhető). Egyúttal az egységnyi sávszélességre eső fajlagos költségek is alacsonyabbak.

- A cég telephelyei közötti információs hálózatokat szintén optikai kábelekkel építik ki.

- A mérési pont térben eltolható, távoli mérőhelyekről juttatható el a fényvezető technikával információ (pl. erő, hőmérséklet, nyomás, stb.).

- Az orvostudomány a diagnosztikában és a hagyományos műtéti eljárásokat mellőző beavatkozásoknál (ún. kulcslyuk-sebészet) alkalmazza az endoszkópiát. Az ilyen szerkezeteknél a fényvezető üvegszálak több funkciót látnak el, így egy részük akár a megvilágító-fény bevezetéséről gondoskodik, az önálló optikai kábelér a képvezetés feladatát látja el (8. ábra).

 

8. ábra orvosi alkalmazásokban a száloptika

A másik, különálló üvegszál a beavatkozásokat biztosító lézersugár bevezetését biztosítja (közismert, hogy a lézersugár hőhatásaként a hajszálerek végei azonnal beforrnak, elmarad a műtéttechnikai okból és egyéb miatt bekövetkező vérzés). Az infravörös (nem látható tartományba eső) sugárzással működő műszerekkel pl. szem-műtéteket végeznek. A száloptikás mikroszkóp - az endoszkópos vizsgálatok mellett - várhatóan a műtőkben terjed el. Ez a technikai kiegészítő nem képes a végső diagnózis felállítására, de – mintegy patológiailag - segítséget jelent a műtéti eljárás irányításában (9. ábra).

  

9. ábra száloptikás mikrószkóp

- A dekorációs hasznosítások széles-körben ismertek, az üvegszálas lámpa hétköznapi kellékként is előfordul, az optikai-szál mennyezeten és padlón egyaránt megjelenik a különleges effektusokat igénylő terekben.

- A hangtechnikában is egyre jobban előtérbe kerül az optikai kábel alkalmazása, hiszen az optikai csatlakozókkal nagyobb jeltisztaság és tisztább hangzás érhető el.

- Adott jelzőfények (pl. repülőgépeken) tényleges működéséről korábban fényvezető-szálas technikával adtak információt a műszerfalon az irányítást végzőknek (pl. pilótáknak). A korszerű elektronikával megbízható a közvetett jeladás

- Az egyéb felhasználási területeket tekintve tovább szélesedik az alkalmazási skála, többek között riasztóhálózatoknál, térfigyelő-rendszereknél, katonai rendeltetéseknél, speciális méréstechnikáknál (pl. részecske-meghatározás) egyaránt jellemző az optikai szál/kábel. Optikai-szálat használnak a víz alatti mikrofonoknál, a szonár (visszhangszonda) rendszereknél is.

- A riasztási lehetőségekre jellemző, hogy az optikai kábelt érintő hackertámadás esetén  a kábel hajlítása a legegyszerűbb és legkevésbé érzékelhető módszer. A mikro-hajlítást befogó készülék az árulkodó kis fényjel érzékelésével és az illesztett optikai-elektromos átalakító segítségével értesít az illetéktelen beavatkozásról és annak következményéről (10. ábra).

10. ábraoptikai szálat érintő hackertámadás érzékelése

Az optikai kábel felépítése

    A különleges kialakítású üvegszál kis átmérőjű és fokozottan törékeny. A kábellé alakításkor a szálvédelem kiterjed a mechanikai, hőmérsékleti, vegyi igénybevételekre és a légnedvességgel kapcsolatos hatásokra.

    A védelem jellege attól függ, hogy kültéri (ún. légvezetékes, továbbá föld-, ill. tenger alatti), vagy beltéri alkalmazásra kerül-e sor, továbbá milyen különleges helyi behatásokkal kell számolni. A mechanikai védelemmel a kábelszereléssel, ill. használattal összefüggő káros igénybevételektől kell óvni a kábelt (tengelyirányú húzóerő, hajlító igénybevétel, súrlódásos kölcsönhatások stb.). A hőmérsékleti hatások elleni védekezésnél a különböző túlzott hő-igénybevételektől, ill. a drasztikus hőmérsékletváltozásoktól kell megkímélni az üvegszál-szerkezetet. A vegyi hatások kivédése során alapvetően a maró hatású savak, lúgok és egyéb agresszív vegyi anyagok, illetve az olaj okozta káros behatások elleni hatékony védelem fontos. A páraterhelt légtérben a szálfelületen kialakuló parányi repedéseken keresztül behatolhat a károsító víz, ezért ezt meg kell akadályozni. Az optimális védekezés hatékony köpenyezéssel, továbbá megfelelő erősítőelemekkel valósul meg.

    A mechanikai védelmet biztosító köpenybevonat lehet, ún. szoros (a primer réteghez szorosan tapadó), illetve laza (nincs tapadás a két felület között). Az erősítő elemek az említett bevonatos szerkezet speciális védőköpennyel történő ellátásánál meghatározók. A védelmi képesség szempontjából előnyös nagy rugalmassági modulusú anyagok viszont általában merevek, ezért a hajlékonyság javítására kisebb keresztmetszeti egységeket alkalmaznak sodort, vagy kötegelt alakban. Elsősorban a nagyteljesítményű harmadik generációs szálasanyagok pl. aromás poliamid (aramid), szupererős polietilén, szénszálak alkalmazása jellemző. Ezeken felül az üzemen kívüli üvegszálakat (nem a fényvezetésben, hanem erősítőelemként működnek közre) és ritkábban a hagyományos poliamid és poliészterszálakat is alkalmaznak. Az acélhuzal-páncélozás főként a hosszanti megerősítést fokozza.  

    Az optikai kábel védőköpenyeinek kialakítása a használat helyszínétől függően változik.

- A kültéri kábeleknél főként a szupererős – nagy molekulatömegű - polietilén alkalmazása terjedt el, esetenként alumínium záró réteggel, vagy anélkül. Hasonlóan ilyen funkciót látnak el a kis- és közepes sűrűségű polietilének.

- A beltéri alkalmazásoknál a helyi igénybevételek határozzák meg a védőköpeny anyagát. A lángálló képességű PVC-burkolat, a fluoralapú-műanyag köpeny 100 oC-feletti hőhatásnak is ellenáll (11. ábra).

11. ábra optikai behúzó kábel keresztmetszete

   A fotonikus kristályok felhasználásával 1991-ben sikerült fotonikus kristályszálat előállítani, amely nem a teljes visszaverődés elvén vezeti a fényt. Ezekkel nagyobb teljesítmény érhető el, miután a hullámhossz-függő tulajdonságok manipulálhatók a teljesítményfokozás érdekében.

A természetben is fellelhető az üvegszál

   A természetben is előfordul üvegszál, amely „Pele haja” elnevezéssel ismert (Pele a tűz és a vulkánok hawai-i istennője). Ez a vulkáni kitörések során az olvadt bazalt lávából természetes nyúlás hatására, főleg a vizes hűtés hatására képződő vékony üvegszál-halmaz. A forró láva hatására a víz forrni kezd, a táguló gőzbuborékok mérete egyre nő. A láva gyorsan lehűl, a vulkáni üveg buborékjainak kipukkanása és a szél hatására pehelyszerű üveg képződik. Takashi Katsura 1966-os felfedezése szerint a magmában előforduló plagioklászok (tektoszilikátok, mint a földpátok csoportjába tartozó ásványok) kristályosodni kezdenek 1160 ° C hőmérsékleten, mint a természetes üvegszál elő-anyaga.  A Pele haja képződmény kis sűrűségű, a szél gyakran továbbviszi, akár több kilométerre is. Így fordulnak elő fák tetején, elektromos oszlopokon és egyéb magas tárgyakon egyaránt. A természetes üvegszál a világon több helyen előfordul. Hawai-i vulkánokon kívül Nicaraguában (Masaya), Olaszországban (Etna) és Etiópiában (Erta 'Ale) szintén megtalálható az üvegszálas képződmény (12. ábra).

12. ábra Pele haja, mint  természetes üvegszál

   Az óceán mélyének sötétjében él egy olyan tengeri szivacs, amely vékony üvegszálakat növeszt. Ezek legalább annyira képesek a fény továbbítására, mint a telekommunikációban alkalmazott optikai szálak. Ugyanakkor a természetes üvegszál sokkal rugalmasabb, mint az ipari módon elállított mesterséges változat, amely eltörik, ha túlságosan meghajlítják.
Erre akár csomót is lehet kötni. Ezt az üveges szivacsot Vénusz virágkosárnak nevezik, amely természetes anyagokból, alacsony hőmérsékleten állítja elő hajlékony szálait. A szálak 5-17 cm hosszúságúak, vastagságuk nagyjából az emberi hajszáléval egyező. A szivacs még arra is képes, hogy nátriumot adjon a szálakhoz, mellyel növelni képes a fényvezetési képességet. A szivacs a trópusok mély vizeiben fordul elő, körülbelül 45 cm magas, tekervényes szilícium-dioxid hálós vázat alkotva, ami az apró rákoknak nyújt menedéket. Az üvegszálakból egy korona formálódik a szivacs alsó részén, ez segít az egyhelyben maradásban. Ezek a nem látó állatok elképesztő optikai tulajdonságokat hordoznak. Az Euplectella nevű szivacs által létrehozott optikai szál tulajdonságai jobbak, mint a mesterségesen előállított magas minőségi színvonalú társáé (13. ábra).

  

13. ábraEuplectella szivacs és üvegszál hálózata

Felhasznált irodalom:

[1] GERENCSÉR András: Elektronikus kommunikáció, 2005.

[2] KUTASI Csaba: Az optikai szál és kábel, Magyar Textiltechnika, 2009/2

[3] Wikipédia szócikkek