Sábado, abril 02 2011 20: 59

Fibras Ópticas

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As fibras ópticas são filamentos de vidro da espessura de um fio de cabelo, projetados para transmitir raios de luz ao longo de seu eixo. Diodos emissores de luz (LEDs) or diodos laser converter sinais elétricos nos sinais ópticos que são transmitidos através de um núcleo cilíndrico interno do cabo de fibra óptica. As propriedades de refração mais baixas do revestimento externo permitem que os sinais de luz sejam propagados por reflexão interna ao longo do núcleo cilíndrico interno. As fibras ópticas são projetadas e fabricadas para se propagar como um único feixe de luz ou como múltiplos feixes de luz transmitidos simultaneamente ao longo do núcleo. (Veja a figura 1.)

Figura 1. Fibras ópticas monomodo e multimodo

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A fibra monomodo é usada principalmente para telefonia, aplicações de televisão a cabo e backbones de campus. A fibra multimodo é comumente usada para comunicações de dados e redes locais.

Fabricação de fibra óptica

Materiais e processos especiais são necessários para fabricar fibras ópticas que atendam aos critérios básicos de projeto: (1) um núcleo com alto índice de refração e revestimento com baixo índice de refração, (2) baixa atenuação de sinal ou perda de potência e (3) uma baixa dispersão ou alargamento do feixe de luz.

Vidro de sílica de alta pureza com outros materiais de vidro (ou seja, vidros de fluoreto de metal pesado, vidros de calcogeneto) são os principais materiais atualmente usados ​​para fabricar fibras ópticas. Materiais policristalinos, materiais monocristalinos, guias de ondas ocas e materiais plásticos poliméricos também são usados. As matérias-primas devem ser relativamente puras com concentrações muito baixas de metais de transição e grupos formadores de hidroxila (abaixo do nível de partes por bilhão). Os métodos de processamento devem proteger o vidro formador de impurezas no ambiente de fabricação.

As fibras ópticas são fabricadas usando uma preparação de fase de vapor não convencional de uma pré-forma de vidro que é então transformada em fibra. Compostos voláteis de sílica são convertidos em SiO2 por hidrólise de chama, deposição química de vapor (CVD) ou oxidação em alta temperatura. Outros dopantes são adicionados ao vidro para alterar as propriedades do vidro. As variações no processo de deposição de vapor começam com o mesmo material, mas diferem no método usado para converter esse material em sílica.

Um dos seguintes métodos de deposição de fase de vapor é usado para fabricar fibras ópticas à base de sílica: (1) deposição química de vapor modificada (MCVD), (2) deposição química de vapor de plasma (PCVD), (3) deposição externa de vapor (OVD), e (4) deposição axial de fase de vapor (VAD) (ver figura 2). Tetracloreto de silício (SiCI4), tetracloreto de germânio (GeCI4) ou outros haletos líquidos voláteis convertem-se em gás quando ligeiramente aquecidos devido às suas altas pressões de vapor. Haleto gasoso é entregue a uma zona de reação e convertido em partículas de vidro (consulte também o capítulo Microeletrônica e semicondutores.)

Figura 2. Fluxograma de fabricação de fibra óptica

POT020F1

MCVD e PCVD processos. Um tubo de sílica fundida de alta qualidade é conectado a um torno de trabalho de vidro equipado com uma tocha de hidrogênio/oxigênio que atravessa seu comprimento. Um suprimento de material haleto é conectado a uma extremidade do tubo de vidro e um depurador na extremidade oposta para remover o excesso de material haleto. A superfície do tubo de vidro é primeiro limpa por polimento a fogo enquanto a tocha atravessa o comprimento do tubo. Vários reagentes são adicionados no sistema de vapor, dependendo do produto que está sendo fabricado. Uma reação química ocorre quando os haletos passam pela seção do tubo que está sendo aquecido. Os haletos se convertem em partículas de “fuligem” de sílica que se depositam na parede interna do tubo de vidro a jusante da tocha. As partículas depositadas são sinterizadas na camada de vidro. O processo PCVD é semelhante ao MCVD, exceto que os haletos são fornecidos por um sistema de borbulhador e são usadas micro-ondas em vez de uma tocha para converter o material haleto em vidro.

OVD e VAD processos. Na primeira etapa do processo de fabricação da fibra, o core e revestimento os vidros são vapor depositado em torno de uma haste alvo rotativa para formar uma pré-forma de “fuligem”. O material do núcleo é depositado primeiro, seguido pelo revestimento. Toda a pré-forma deve ser extremamente pura, pois tanto o núcleo quanto o revestimento são depositados por vapor. A geometria da fibra é determinada durante a fase de fabricação. Depois que a haste alvo é removida, a pré-forma é colocada em um forno, onde é consolidada em um vidro sólido e transparente e o orifício central é fechado. O gás é passado através da pré-forma para remover a umidade residual que afeta adversamente a atenuação da fibra (perda de sinal óptico à medida que a luz é transmitida ao longo do eixo da fibra). As pré-formas são então lavadas com ácido fluorídrico para garantir a pureza do vidro e remover os contaminantes.

A pré-forma de vidro consolidada é colocada em uma torre de extração para formar um fio contínuo de fibra de vidro. Primeiro, a pré-forma é carregada no topo de um forno de estiramento. Em seguida, a ponta da pré-forma é aquecida e um pedaço de vidro fundido começa a cair. À medida que esta peça é desenhada (puxada), ela passa por um monitor de diâmetro em linha para garantir que a fibra atenda a um diâmetro especificado exato (geralmente medido em mícrons). . O diâmetro externo do revestimento é usado como guia para alinhar os núcleos de fibra durante o uso final. Os núcleos devem estar alinhados para que a transferência de luz ocorra de forma eficiente.

Polímero de acrilato ou outros revestimentos são aplicados e curados com lâmpadas ultravioleta. Os revestimentos destinam-se a proteger a fibra óptica do meio ambiente durante o uso final. As fibras ópticas são testadas para garantir a conformidade com os padrões de fabricação quanto à resistência, atenuação e geometria. Comprimentos específicos de fibra são enrolados em bobinas de acordo com as especificações do cliente.

Vários perigos potenciais são encontrados durante a fabricação de fibras ópticas. Estes incluem: (1) exposição ao ácido fluorídrico (ao limpar pré-formas de vidro), (2) energia radiante e estresse térmico associado a ambientes de trabalho próximos a tornos e processos de deposição de vapor, (3) contato direto com superfícies quentes ou material fundido (pré-formas de vidro ), (4) exposição a revestimentos de polímero de acrilato (sensibilizadores da pele), (5) perfurações e lacerações da pele durante o manuseio da fibra e (6) uma variedade de perigos físicos descritos anteriormente.

 

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Referências de vidro, cerâmica e materiais relacionados

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