Расскажите, пожалуйста, про пластиковые волокна применительно к структурированным кабельным системам. Слышу про них не первый раз, но толком никто ничего сказать не может, а из спецификаций на оптические кабели, которые предлагают купить, следует, что все световоды сделаны не из пластика/оргстекла, а из кварцевого стекла.
Тема полимерных волокон (правильно их называть по-русски именно так, хотя в разговорной речи иногда говорят «пластиковые волокна» и «пластиковые световоды») периодически всплывает и оживленно обсуждается с восьмидесятых годов, но затем все снова стихает – видимо, до момента, пока технологии изготовления и использования не будут доведены до уровня, приемлемого для широкого коммерческого использования в структурированных кабельных системах. В других областях полимерные волокна применяются и сейчас, об этом чуть позже, но в СКС они не используются.
У полимерных волокон есть несколько ключевых отличий от неорганических волокон на основе кварцевого стекла. Эти отличия накладываются и на размеры, и на область применения таких световодов. Однако есть и общие закономерности, и начать рассмотрение лучше именно с этого.
И у волокон из кварцевого стекла, широко применяемых в передаче данных, и у полимерных волокон принципиальное строение одинаково: ядро с определенным показателем преломления обрамлено демпфером с меньшим показателем преломления – так в световоде создаются условия, необходимые для реализации явления полного внутреннего отражения. Для кварцевых волокон характерен показатель преломления ядра в диапазоне от 1.46 до 1.48, в то время как у полимерных волокон диапазон шире – от 1.3 до 1.6 – в зависимости от используемого типа полимера (полимеров), хотя некоторые из них тоже оказываются в области значений 1.4 с хвостиком.
Кварц имеет четкую кристаллическую решетку, не обладает гибкими свойствами, поэтому световоды приходится делать очень тонкими. Если изготовить кварцевый световод толщиной, например, 1 мм, его радиус изгиба будет очень велик. Если его попытаться согнуть, такой световод просто сломается. По этой причине внешний диаметр кварцевых световодов (т.е. диаметр демпфера) ограничен 125 микронами (0.125 мм). Ядро в таких волокнах имеет небольшой диаметр, и это осложняет подачу в него излучения – пучки лучей приходится тщательно фокусировать. Активное оборудование, способное на это, стоит недешево. Полимерные же волокна достаточно гибки и при большом диаметре, из них можно изготовить световоды диаметром и 500 мкм, и 1000 мкм, и больше, и подать излучение в такие ядра не составляет особого труда. К тому же при таких размерах не будет столь строгих требований к точности изготовления коннекторов. Если в разъемах для кварцевых световодов допуски лежат в диапазоне от долей микрона до нескольких микрон (для одномода строже, для многомода – допуски шире), то в полимерном волокне диаметром 1000 мкм о такой строгости можно забыть, она просто не нужна. Соответственно, производство удешевится, продукция будет стоить существенно меньше.
На рисунке для сравнения в масштабе показаны торцы волокон из кварцевого стекла и из полимера, причем полимерное волокно с такими размерами – одно из самых маленьких. Остальные варианты существенно крупнее (диаметр демпфера может составлять и 750 мкм, и 1000, и даже больше).
Обратите внимание: почти все поперечное сечение пластикового волокна занято ядром; в передаче сигналов используется максимально доступная площадь. При этом минимально допустимый радиус изгиба у полимерных волокон, несмотря на то, что они толще, может быть даже меньше, чем у кварцевых волокон, благодаря гибкости материала.
Кроме гибкости есть и другие свойства, отличающие полимерные волокна от кварцевых. Полимерные волокна упруги и способны выдерживать значительно большие деформации растяжения, чем кварцевые. Полимерные волокна обладают большей механической прочностью, выдерживают многократные изгибы. В отличие от кварца, полимерная масса не тускнеет под воздействием гамма-излучения (хотя может страдать от других факторов). Если в передаче данных по кварцевым световодам задействованы длины волн от 850 нм до 1550 нм (или длиннее), т.е. инфракрасный диапазон, то в полимерных волокнах передача ведется в видимом диапазоне, поскольку доступные окна прозрачности полимеров приходятся именно на эту область. К тому же тогда для передачи можно использовать светодиоды, производимые в промышленных масштабах уже давно, это еще удешевляет производство и повышает экономическую выгоду.
Производители полимерных волокон заявляют об очень высокой температурной стойкости их продукции (80ºС, 100ºС, 120ºС, 140ºС и выше). Если говорить о самом материале, это действительно так, но в передаче данных, особенно на больших скоростях, необходимо учитывать еще и влияние температуры на показатель преломления. В полимерных волокнах он меняется существенно сильнее, чем в кварцевых – практически на порядок. К тому же длительное воздействие высоких температур на полимерные волокна может приводить к их необратимому потускнению из-за внутренних химических процессов. Химическая стойкость полимерных соединений в различных условиях – довольно сложная проблема, поэтому разработки новых стойких полимеров и полимерных смесей ведутся постоянно. Полимера, способного заменить по своим оптическим характеристикам кварц, пока нет. Учитывая оптические свойства органических соединений и влияние на прозрачность различных многоатомных групп, эта задача может оказаться неразрешимой в принципе.
И, наконец, очень существенное для передачи данных свойство: затухание. В полимерных волокнах оно очень велико. Если для кварцевого стекла максимальное затухание составляет 3.5 дБ/км (на длине волны 850 нм; на других длинах волн оно ниже), то в полимерных волокнах счет идет на сотни, а то и тысячи дБ. Это существенно ограничивает дальность передачи сигналов и сферу применения полимерных волокон. Разумеется, предпринимаются попытки уменьшить затухание, в частности, за счет применения градиентного показателя преломления. Возможно, значения удастся свести до десятков дБ. Определенные успехи в этой области есть, но все равно по этому параметру полимеры безнадежно уступают кварцу, по крайней мере пока.
Кварцевые волокна давно и прочно захватили область передачи данных, причем как в структурированных кабельных системах с их расстояниями до 3 км, так и в магистралях дальней связи с расстояниями в десятки километров. Если полимерные волокна и потеснят их в сфере СКС, то далеко не сразу. Говорят об этом давно, но передача данных по полимерным волокнам существенно ограничена по расстоянию, и сейчас в СКС полимерные волокна не используются вообще. Хотя экспериментальные разработки ведутся, но, скорее, с прицелом на отдаленную перспективу.
В то же время есть сферы, где полимерные волокна востребованы и широко применяются уже многие годы. На данный момент их используют в системах освещения, в рекламных инсталляциях, информационных табло и экранах, в авиационной и автомобильной промышленности, в станкостроении, в тестирующем и измерительном оборудовании, и даже в производстве бытовой техники (например, в различных типах датчиков или для выведения световых сигналов на приборные панели).
Полимерные волокна доказали свою полезность в медицине – огромное количество медицинской диагностической аппаратуры использует именно их. В последнее время волокна используют даже ландшафтные архитекторы и декораторы. Существуют решения, в которых полимерные световоды, объединенные в пучки, служат для передачи солнечного излучения
Возможно, системы на основе полимерных волокон будут востребованы в очень маленьких офисах и в жилом секторе – в домашних (точнее, внутриквартирных) кабельных сетях с расстояниями в 10-20 м. Системы на основе прозрачных полимеров очень привлекательны по цене, но технические характеристики делают перспективы их применения в СКС неопределенными, по крайней мере, в ближайшие 5-10 лет.
