Окно прозрачности оптического волокна

1. Главная

Окно прозрачности оптического волокна – это длина волны, распространяясь на которой сигнал затухает меньше чем на других длинах волн. Для простоты понимания сути процесса, рекомендую обратить внимание на обычное оконное стекло: если оно чистое (прозрачное) то свет в него проходит легко. 

На самом деле оптическое волокно имеет не одно, а несколько окон прозрачности, основные и самые используемые из них находятся на длинах волн 850 нм, 1300 нм, 1550 нм.

Рисунок 1 – окна прозрачности ступенчатого оптического волокна

 

Реже используются волокна с четвертым (1580 нм) и пятым (1400 нм) окнами прозрачности. А для построения систем волнового уплотнения на магистральных ВОЛС все чаще используются волокна имеющие хорошую прозрачность во всём ближнем инфракрасном диапазоне.

Рисунок 2 – спектральные диапазоны оптического волокна

 

На сегодня утверждены следующие спектральные диапазоны в интервале 1260…1675 нм

Обозначение	Диапазон, нм	Наименование (рус)	Наименование (англ)
O	1260…1360	Основной	Original
E	1360…1460	Расширенный	Extended
S	1460…1530	Коротковолновый	Short wavelength
C	1530…1565	Стандартный	Conventional
L	1565…1625	Длинноволновый	Long wavelength
U	1625…1675	Сверхдлинноволновый	Ultra-long wavelengh

Говоря про длины волн и окна прозрачности сам собой напрашивается вопрос: – где вообще находятся эти длины волн, как это представить визуально? Для начала обозначим, что длина волны – это величина обратная к частоте. λ = 1/F. Единица измерения длины волны – нм (нано метр), что равно 10⁻⁹ метра. Весь частотный диапазон можно разделить на: спектр низких частот (телефонные аппараты), высоких частот (радио, телевидение), микроволновый диапазон (микроволновые печи, мобильные телефоны, WiFi), оптический диапазон, спектр рентгеновского излучения.

Рисунок 3 – распределение частотного диапазона

 

Рассмотрим оптический диапазон более детально. Он разделяется на ультрафиолетовый, видимый и инфра красный. Известно, что белый солнечный свет при помощи дифракционной решетки легко разделяется на 7 цветов. Тепло же, которое мы ощущаем находясь под солнцем – это поток излучения в инфра красном диапазоне, называемый еще “тепловым”. Все рабочие длины волн, на которых осуществляется передача информации в оптическом волокне, находятся как раз в инфра красном диапазоне. Такое излучение не безопасно для человека, поэтому при работе с оборудованием ВОЛС требуется тщательное соблюдение правил техники безопасности.

Рисунок 4 – распределение длин волн оптического диапазона

Видео обзор спектров излучения “Пределы света. Что такое свет и цвет?”

Видео запись вебинара “Теоретические основы передачи информации в ВОЛС”

Чтобы задать вопрос докладчику вебинара отправьте письмо на адрес: [email protected]

Стенограмма вебинара «Механизмы возникновения потерь и отражений сигнала в оптическом волокне»

0:09:09

Может быть, вы помните из курса школы или института, что оптическое волокно или частицы оптического волокна иногда проявляют свои свойства как частица, а иногда как волна. Это так называемый корпускулярно-волновой дуализм. Как волна, свет проявляет себя. Собственно, как и все другие электромагнитные волны, они состоят из электрической магнитной составляющей, которая имеет все те же параметры: частота, период. Электрическая магнитная составляющая находится в ортогональных проекциях относительно друг друга. Рассмотрение в таком виде достаточно сложно, поэтому далее мы будем использовать представление частицы света фотона как частицы. Это не повлияет на наше понимание, но зато облегчит существенно.

0:10:12

Начнём с того, в каком же диапазоне частот передаётся информация в оптическом волокне. Если рассмотреть, в общем, все частоты, то

1. Низкочастотный спектр, в котором работают обычные телефонные аппараты 0,3-3,4 кГц.
2. Высокочастотный спектр: телевидение, радио.
3. Микроволновый диапазон: микроволновые печи, мобильные телефоны, Wi-Fi тоже в этом диапазоне работает.
4. Оптический диапазон
5. Спектр рентгеновского излучения.

0:10:52

Рассмотрим более подробно оптический диапазон. Он включает ультрафиолет, видимые длины волн (видимые цвета) и инфракрасный диапазон. Хочу привести небольшой пример. Вспомните, как летом на солнце мы чувствуем такие эффекты: во-первых, нам тепло, во-вторых, мы загораем. Ну и светло.

1. Светло нам потому, что если все видимые цвета смешать, то получается белый свет, от которых нам и светло.
2. Загораем из-за действия на нас ультрафиолетового света
3. Тепло нам от воздействия света в инфракрасном сдиапазоне.

Поэтому я хочу, чтобы вы запомнили: инфракрасный свет или все длины волн, которые находятся в инфракрасном диапазоне, очень тёплые.

0:11:45

Поэтому если посмотреть в источник света, то это лазерный поток попадает на сетчатку глаза и может пережечь её. Очень жаркий такой поток. Поэтому не рекомендую и по технике безопасности всегда объясняю, что смотреть в источник нельзя и направлять его нельзя на отражающие предметы, на зеркало, металлические, глянцевые поверхности, чтобы оно не отразилось и не попало никому в глаза.

0:21:31

Чем же отличается одномодовое волокно от многомодового?

• Диаметр сердцевины. Одномодовое волокно имеет диаметр сердцевины — 9 мкм чаще всего, но иногда пишут 8 мкм, вообще 9 ± 2 мкм. У многомодового волокна диаметр сердцевины равен 50 мкм (новый стандарт) и 62,5 мкм (старый стандарт). Сейчас используются и те, и те, но 62,5 мкм как-то медленно уходит. Оболочка, что у одномодового, что и у многомодового волокна одинакового диаметра – 125 мкм.
• Рабочие длины волн, которые чаще всего используются. В одномодовом волокне: 1310-1550 нм, у многомодового: 850-1300 нм. Хотя если говорить про одномодовое волокно, которое используется, например, в пассивных оптических сетях, то там используют и другие длины волн – например, 1490 нм или 1625 нм.
• Тип источника: в одномодовом волокне используется лазер, на следующем слайде поймём почему, в многомодовом используется светодиод.
• Затухание в одномодовом волокне составляет 0,2-0,5 дБ/км, у одномодового – 1-3 дБ/км.
• Область применения: в телекоммуникациях в основном используется одномодовое волокно, а многомодовое чаще всего используется в локальных сетях, центрах обработки данных и т. д., в тех сетях, которые имеют небольшую протяжённость.

0:23:23

 

Здесь хочу немножко разобрать понятие моды оптического волокна. Наверняка вы слышали фразы «Одномодовое волокно», «Многомодовое волокно». Что же такое мода? Если говорить простыми словами, то мода оптического волокна – это путь распространения одного из сигналов. Многомодовое волокно имеет диаметр сердцевины, как мы ранее говорили, 50 мкм или 62,5 мкм. Сердцевина одномодового – 8 мкм. Намного уже. Если светить светодиодом и в одномодовое и многомодовое волокно, ты мы видим, что в многомодовое волокно попадает несколько лучей и каждый из них имеет свою траекторию распространения, свой путь. Так как их здесь много, то это и есть многомодовое волокно. В одномодовом сердцевина очень узкая, поэтому туда попадает только один лучик. И такое волокно называется одномодовым.

0:25:11

Конечно, если таким образом светить, то мощность сигнала, который передаётся в данном случае по многомодовому кабелю или волокну, намного больше, чем мощность сигнала, который передаётся по одномодовому волокну. Поэтому в качестве источника света в одномодовых системах передач используется не светодиод, как здесь указано, а лазер. Он имеет более плотный спектр передачи.

0:25:17

Сейчас мы видим спектральную характеристику. О мощности передачи говорит площадь участка импульса. Площади характеристик для светодиода и лазера примерно равны, отличается только их форма. Поэтому, за счёт разности диаметров сердцевин, в качестве источника света для многомодового волокна можно использовать даже светодиод. А в одномодовых ВОЛС — пользоваться только источником лазерного света.

Поэтому и применение таким образом распределилось. Многомодовые кабели связи используются, как я говорил, в локальных сетях и центрах обработки данных, в тех местах, где расстояния очень маленькие. По стандартам, где-то до 2 км, хотя можно и чуть больше. В таких случаях хоть потери и больше 1,3 дБ/км, но зато сама система стоит дешевле. Потому что лазер – устройство дорогое, а если вместо лазера использовать светодиод, то общая стоимость системы значительно удешевляется. Поэтому если говорить про передачу информации на маленьких дистанциях, то это очень выгодное предложение. Тем более что никакие виды электромагнитных помех не влияют на это волокно. Соответственно, даже вопрос возникает: передать на 10 м или использовать высоко экранированный кабель 7-й категории или использовать оптическое волокно без всяких экранов? Всё равно информация передастся в очень хорошем качестве.

0:27:12

Окна прозрачности – это тоже очень важный параметр. Попытаюсь объяснить его тоже простыми словами. Что такое окно прозрачности? Это длина волны, на которой происходит минимальное затухание. Если окно прозрачное, то света проходит больше. Если окно непрозрачное, грязное, то света проходит меньше. То же самое и здесь. (Окна прозрачности на диаграмме находятся на длинах волн 850 нм (I), 1300 нм (II), 1550 нм (III).

Это характеристика для обычного оконного стекла. Если говорить про многомодовый кабель, то у многомодового кабеля затухание начинает повышаться примерно здесь (с длины волны 1300 нм) и примерно таким образом (презентатор показывает курсором мышки).

В одномодовом затухание распределяется таким образом. (презентатор показывает курсором мышки). 

Поэтому в одномодовом используется 1310 нм, 1550 нм и выше – до 1650 нм. У одномодового – 850-1300 нм.

Смотрите также:

Подписаться на рассылку статей

Окна прозрачности оптоволокна

Окно прозрачности — диапазон длин волн оптического излучения, в котором имеет место меньшее, по сравнению с другими диапазонами, затухание излучения в среде, в частности — в оптическом волокне. Стандартное ступенчатое оптическое волокно SMF имеет три окна прозрачности: 850 нм, 1310 нм и 1550 нм. К настоящему времени разработаны четвёртое (1580 нм) и пятое (1400 нм) окна прозрачности, а так же оптические волокна, имеющие относительно хорошую прозрачность во всём ближнем инфракрасном диапазоне.

Неоднородность затухания света в оптическом волокне в разных диапазонах длин волн обусловлено не идеальностью среды,наличием примесей, резонирующих на разных частотах.

Затухание в разных окнах прозрачности неодинаково: наименьшая его величина— 0,22 дБ/км наблюдается на длине волны1550 нм, поэтому третье окно прозрачности используется для организации связи на большие расстояния. Во втором окне прозрачности (1310 нм) затухание выше,однако для этой длины волны характерна нулевая дисперсия, поэтому второе окно используется на городских и зоновых сетях небольшой протяжённости. Первое окно прозрачности используется в офисных оптических сетях.

Первоначально, в 70-х годах, системы волоконно-оптической связи использовали первое окно прозрачности, поскольку выпускаемые в то время GaAs-лазеры работали на длине волны 850 нм. В настоящее время этот диапазон из-за большого затухания используется только в локальных сетях.

В 80-х годах были разработаны лазеры на тройных и четверных гетероструктурах, способные работать на длине волны 1310 нми второе окно прозрачности стало использоваться для дальней связи.Преимуществом данного диапазона явилась нулевая дисперсия на данной длине волны, что существенно уменьшало искажение оптических импульсов.

Рисунок 71 . Окна прозрачности оптоволокна.

Третье окно прозрачности было освоено вначале 90-х годов. Преимуществом третьего окна является не только минимум потерь, но и тот факт, что на длину волны 1550 нм приходится рабочий диапазон волоконно-оптических эрбиевых усилители (EDFA). Данный тип усилителей, имеяспособность усиливать все частоты рабочей области, предопределил использование третьего окна прозрачности для систем со спектральным уплотнением (WDM).

Четвёртое окно прозрачности простирается до длины волны 1620 нм, увеличивая рабочий диапазон систем WDM.

Пятое окно прозрачности появилось в результате тщательной очистки оптического волокна от посторонних примесей.Таким образом, было получено оптическое волокно AllWave, имеющее малые потери во всей области от 1280 нм до 1650 нм.

Рисунок 72. Окна прозрачности оптоволокна.

Данный тип оптического волокна,производимый фирмой Lucent является достаточно интересным усовершенствованием стандартного одномодового волокна. В отличие от стандартного одномодового волокна данное оптическое волокно не имеет так называемого «водяного пика», т. е. увеличения поглощения на длине волны1,385 мкм, соответствующей спектру поглощения ионов OH. На этой длине волны поглощение составляет 0,31 дБ/км. Данный тип оптического волокна предлагается использовать в локальных и местных сетях связи с небольшой протяженностью регенерационных участков, но с одновременным использованием всего спектрального диапазона от 1,3 до 1,6 мкм.

В связи с расширением рабочего диапазона оптических волокон Международным союзом электросвязи были утверждены новые спектральные диапазоны в интервале 1260…1675 нм:

Таблица 3 . Спектральные диапазоны

Обозначение	Диапазон, нм	Русское название	Английское название
O	1260…1360	Основной	Original
E	1360…1460	Расширенный	Extended
S	1460…1530	Коротковолновый	Short wavelength
C	1530…1565	Стандартный	Conventional
L	1565…1625	Длинноволновый	Long wavelength
U	1625…1675	Сверхдлинноволновый	Ultra-long wavelengh

 

Международный союз электросвязисокращённо МСЭ(англ. International Telecommunication Union, ITU) —международная организация, определяющая рекомендации в области телекоммуникаций и радио, а также регулирующая вопросы международного использования радиочастот(распределение радиочастот по назначениям и по странам).

 

В качестве источников излучения света в волоконно-оптических кабелях применяются:

· светодиоды;

· полупроводниковые лазеры.

Для передачи информации применяется свет с длиной волны 1550 нм (1,55 мкм), 1300 нм (1,3 мкм) и 850 нм (0,85 мкм).Светодиоды могут излучать свет с длиной волны 850 нм и 1300 нм. Излучатели сдлиной волны 850 нм существенно дешевле, чем излучатели с длиной волны 1300 нм,но полоса пропускания кабеля для волн 850 нм уже, например 200 МГц/км вместо500 МГц/км.

Лазерные излучатели работают на длинах волн 1300 и 1550 нм. Быстродействие современных лазеров позволяет модулировать световой поток с частотами 10 ГГц и выше. Лазерные излучатели создают когерентный поток света, за счет чего потери в оптических волокнах становятся меньше, чем при использовании не когерентного потока светодиодов.

Использование только нескольких длин волн для передачи информации в оптических волокнах связанно с особенностью их амплитудно-частотной характеристики. Именно для этих дискретных длин волн наблюдаются ярко выраженные максимумы передачи мощности сигнала, а для других волн затухание в волокнах существенно выше.

Волоконно-оптические кабели присоединяют к оборудованию разъемами MTRJ, ST, FC ,SC.

Рисунок 73 . Разъем FC

Рисунок 74 . Разъем SC

Рисунок 75 . Разъем MTRJ

Рисунок 76 . Разъем ST

 

Волоконно-оптические кабели обладают отличными характеристиками всех типов: электромагнитными, механическими (хорошо гнутся, а в соответствующей изоляции обладают хорошей механической прочностью). Однако у них есть один серьезный недостаток — сложность соединения волокон с разъемами и между собой при необходимости наращивания длины кабеля.

 

Узнать еще:

Теория, закон, принципы оптического волокна

В основе оптоволоконных технологий лежит принцип использования света, как основного источника информации. Отправитель преобразовывает информацию в световую волну, а адресат, получая последнюю, в свою очередь интепретирует свет как информацию.
Свет гораздо проще передать на дальние расстояние с меньшими потерями нежели электрический ток. Кроме того он не подвержен воздействию электромагнитных полей и способен передавать на порядки большее количество информации. С другой стороны оптические технологии во многом являются более тонкими, поэтому качественная реализация оптоволоконного проекта требует детального понимания механизма передачи света и применяемых законов оптики.

---

Закон оптики

Породить световую волну довольно просто, не так-то просто ее сохранить и управлять ею. Однако это возможно, если использовать оптические законы распространения света. В оптоволоконных технологиях используется волновая теория света. Т.е. свет рассматривается как электромагнитная волна определенной длины. Для ее транспортировки используются изолированные оптически прозрачные среды. В однородной среде электромагнитная волна распространяется прямолинейно, однако на границе изменения плотности среды ее направление и качественный состав меняются. В упрощенном варианте рассмотрим две граничащие среды с разной плотностью. Распространяясь в одной из них луч может достигать поверхности другой под некоторым углом a (к нормали поверхности). При этом волна частично отражается в среду из которой пришла под углом b и частично проникает в новую среду в измененном направлении под углом c.

Согласно физическим законам распространения света угол падения луча равен углу отражения, т.е. a=b. Также если обозначить величину плотности сред как n1 и n2, то угол преломления c, находится из соотношения n1*sin a = n2*sin c (1). Эффект преломления света может отсутствовать, т.е. возможна ситуация полного отражения света. Для этого достаточно, чтобы угол c был хотя бы нулевым. Трансформируя выражение (1) получаем достаточное условие полного отражения света: sin a = n2/n1. Именно за счет данного эффекта в современных оптоволоконных технологиях удается управлять распространением света в требуемой среде.

---

Принцип оптического волокна

Для того, чтобы передать свет на большие расстояния необходимо сохранить его мощность. Снизить потери при его передаче можно во-первых обеспечив достаточно оптически прозрачную среду распространения, тем самым сведя к минимуму поглощение волны, и во-вторых обеспечить правильную траекторию движения луча. Первая задача в настоящее время решается с помощью применения высокотехнологичных материалов, таких как чистое кварцевое стекло. Вторая задача решается с помощью закона оптики, описанного выше. За счет эффекта полного отражения света, можно заставить луч «гулять» внутри ограниченной замкнутой среды, проделывая путь от источника сигнала до его приемника. Однако для этого необходимо две среды с разной плотностью. Чаще всего в их качестве применяются кварцевые стекла различной плотности. Волну впускают в более плотную среду, ограниченную менее плотной. Среды вытягивают в так называемое оптическое волокно, сердцевину которого составляет более плотное стекло, в разрезе представляющее окружность и часто называемого световодом. Данный сердечник покрывают оболочкой из менее плотного стекла, при достижении которого транспортируемый сигнал будет полностью отражаться. Для предотвращения механических повреждений конструкция также снабжается защитной оболочкой, именуемой первичным покрытием.

Для достижения сигналом адресата, необходимо впускать в сердцевину лучи под углом к боковой поверхности не менее критического. В этом случае реализуется эффект полного отражения, и теоретически луч никогда не покинет сердечника кроме как через окончание волокна. Однако на практике все же существует некоторый процент преломляемых лучей. Это связанно во-первых со сложностью реализации подобного источника света, во-вторых с невозможностью изготовления идеально ровного волокна, и в-третьих с неидеальной инсталяцией оптического кабеля.

---

Межмодовая дисперсия

Поскольку источники излучения не идеальны, испускаемые ими волны не совсем идентичны и могут различаться по направлению распространения. Единичная независимая траектория распространения волны именуется модой. Очевидно, что луч, направленный параллельно оси световода проходит меньшее расстояние, нежели луч распространяющийся по траектории ломаной за счет эффекта отражения. Как следствие, лучи достигнут конца сердечника в разные моменты времени.

При учете неидеальных свойств применяемых источников светового сигнала возможна ситуация, когда изначальный световой импульс содержит некоторое множество волн, входящих в световод под разными углами. В итоге импульс раскладывается на множество отдельных волн, достигающих приемник в разные моменты. Именно этот разброс времени и называется межмодовой дисперсией.

---

Межчастотная дисперсия

Погрешность источников излучения еще состоит и в некотором разбросе генерируемых частот. Испускаемые волны не совсем идентичны и могут различаться по длине. Согласно законам физики более короткие волны распространяются быстрее, а следовательно волны достигают конца световода в разные моменты времени.

При учете неидеальных свойств применяемых источников светового сигнала возможна ситуация, когда изначальный световой импульс содержит некоторое множество входящих в световод волн с разной частотой. В итоге импульс раскладывается на множество отдельных волн, достигающих приемник в разное время. Именно этот разброс времени и называется межчастотной дисперсией.

---

Материальная дисперсия

Скорость преодоления расстояний волной зависит не только от частоты, но и от плотности среды распространения. В применяемых в настоящее время световодах распределение плотности сердечника может быть неравномерным, как в случае с градиентными волокнами (об этом позже). Вследствие этого волны, проходящие путь по разным траекториям обладают разными скоростями распространения и оказываются в приемнике в разное время. 

При учете неидеальных свойств применяемых источников светового сигнала возможна ситуация, когда изначальный световой импульс содержит некоторое множество волн, проходящих световод по разным траекториям, каждая из которых пересекает участки среды с разными плотностями. В итоге импульс раскладывается на множество отдельных волн, достигающих приемник в разное время. Именно этот разброс времени и называется материальной дисперсией.

---

Влияние дисперсии на пропускную способность канала

Дисперсия, будь то материальная, межчастотная или межмодовая, отрицательно влияет на пропускную способность канала. Дело в том, что современные оптоволоконные технологии используют цифровой способ передачи информации. Световой сигнал поступает импульсами. Чем сильнее размыт по времени импульс на выходе (эффект дисперсии), тем большие требуются интервалы между передаваемым сигналами, что и ограничивает в свою очередь пропускную способность канала. Поэтому необходимо снижать величины дисперсий, тем самым увеличивая возможное количество информационных сигналов за единицу времени. Вообще из-за эффекта дисперсии необходимо пытаться сократить количество проникающих одновременно мод (лучей) в световод.

---

Многомодовое ступенчатое волокно

Основное различие между вариантами оптического волокна состоит в свойствах применяемого в них сердечника. Самый простой вариант сердечника — это кварцевое стекло с равномерной плотностью. Если отобразить плотности распределения слоев волокна, то получится ступенчатая картина, что и отображено в названии этого типа волокна. При достаточно большом радиусе равномерно плотного световода наблюдается эффект межмодовой дисперсии. Ее влияние на производительность оптического канала оказывается много больше межчастотной и материальной. Поэтому при расчете пропускной способности канала пользуются именно ее показателями.
 

В настоящее время используют три стандартных диаметра сердечника многомодового волокна: 100 микрон, 62.5 микрон и 50 микрон. Наиболее распространены световоды диаметром 62.5 микрон, однако постепенно все более прочные позиции завоевывает сердечник 50 микрон. Вследствие простых геометрических законов распространения света несложно убедиться в его большей пропускной способности, поскольку он пропускает меньшее количество мод, тем самым уменьшая дисперсию импульса на выходе. Размер световодов выбран не случайно. Он непосредственно связан с используемой частотой световой волны. На данный момент выделяют три основных длины волны: 850 нм, 1300 нм и 1500 нм. Почему выбраны именно эти длины волн, мы поясним позже.
Многомодовые ступенчатые волокна обладают малой пропускной способностью относительно действительных возможностей света, в связи с этим чаще в многомодовой технологии используют градиентные волокна.

---

Многомодовое градиентное волокно

Название волокна говорит само за себя. Основное отличие градиентного волокна от ступенчатого заключается в неравномерной плотности материала световода. Если отобразить плотности распределение на графике, то получится параболическая картина. Эффект межмодовой дисперсии как и в случае ступенчатой схемы все же проявляется, однако намного меньше. Это легко объяснимо с точки зрении геометрии. На рисунке видно, что длины пути лучей сильно сокращены за счет сглаживания. Более того интересен тот факт, что лучи проходящие дальше от оси световода хотя и преодолевают большие расстояния, но при этом имеют большие скорости, так как плотность материала от центра к внешнему радиусу уменьшается. А световая волна распространяется тем быстрее, чем меньше плотность среды.
 

В итоге более длинные траектории компенсируются большей скоростью. При удачно сбалансированном распределении плотности стекла возможно свести к минимуму разницу во времени распространения, за счет этого межмодовая дисперсия градиентного волокна намного меньше. Как и в случае со ступенчатым волокном, в настоящее время используют три стандартных диаметра градиентного сердечника: 100 микрон, 62.5 микрон и 50 микрон, работающих также на частотах 850 нм, 1300 нм и 1500 нм. Однако насколько не были бы сбалансированны градиентные многомодовые волокна, их пропускная способность не сравниться с одномодовыми технологиями.

---

Одномодовое волокно

Согласно законам физики, при достаточно малом диаметре волокна и соответствующей длине волны через световод будет распространяться единственный луч. Вообще сам факт подбора диаметра сердечника под одномодовый режим распространения сигнала говорит о частности каждого отдельного варианта конструкции световода. Т.е. при употреблении понятий много- и одномодовости следует понимать характеристики волокна относительно конкретной частоты используемой волны.

Распространение лишь одного луча позволяет избавиться от межмодовой дисперсии. Как уже отмечалась именно эта дисперсия имеет наибольшее влияние на пропускную способность канала. Величины материальной и межчастотной дисперсии на порядки меньше межмодовой. Однако одномодовое волокно исключает возможность распространения нескольких лучей, поэтому межмодовая дисперсия отсутствует, в связи с чем одномодовые световоды на порядки производительнее. На данный момент применяется сердечник с внешним диаметром около 8 микрон. Как и в случае с многомодовыми световодами, используется и ступенчатая и градиентная плотность распределения материала. Второй вариант более производительный. Одномодовая технология более тонкая, дорогая и применяется в настоящее время в телекоммуникациях, многомодовые же кабели завоевали свою нишу в локальных компьютерных сетях.

---

Затухание сигнала, окна прозрачности

Кроме сложностей, связанных с уменьшением дисперсии волны, существует и проблема сохранения мощности передаваемого сигнала. Хотя световую волну сохранить легче, чем электрический ток, она испытывает эффект поглощения и рассеивания. Первый связан с преобразованием одного вида энергии в другой. Так волна определенной длины порождает в некоторых химических элементах изменение орбит электронов, в других происходит резонанс. Это в свою очередь и порождает преобразование энергии. Известно, что поглощение волны тем меньше, чем меньше ее длина. В связи с этим применять чрезмерно длинные волны невозможно, так как резко возрастают потери при нагреве световодов. Однако с другой стороны безгранично снижать длины волн тоже нецелесообразно, так как в этом случае возрастают потери на рассеивании сигнала. Именно баланс рассеивания и поглощения волны определяет диапазон применяемых волн в оптоволоконных технологиях.

Теоретически лучшие показатели достигаются на пересечении кривых поглощения и рассеивания. На практике зависимость затухания несколько сложнее и связана с химическим составом среды, в которой распространяется волна. В световодах основными химическими элементами являются кремний и кислород, каждый из которых проявляет активность на определенной частоте волны, с чем связано ухудшение теоретической прозрачности материала световода в двух окрестностях. В итоге образуются три окна в диапазоне длин волн. В рамках этих окон затухание волны имеет наименьшее значение. Сам параметр оптических потерь измеряется в децибелах на километр.

---

Используемые длины волн

Именно «окна прозрачности» определили длины волн, которые используются в современных оптоволоконных технологиях. Чаще всего это три длины — 850 нм, 1300 нм и 1500 нм. Наиболее качественной и высокоскоростной связью обладают каналы на основе волн длиной 1500 нм. Однако оконечное оборудование, способное работать на данной длине волны значительно дороже и предполагает применение только лазерных источников света. Поэтому зачастую возникает проблема оценки экономической целесообразности применения подобных сетей.
Рабочая длина волны 850 нм наиболее характерна для многомодовых волокон, тогда как одномодовые волокна применяются для волн длиной на 1500 нм.

Материалы предоставлены компаний AESP, известным производителем сетевого и коммуникационного оборудования, разработчиком кабельной системы SygnaMax. 

ЛВС на базе оптического волокна

Оптический световод (волокно) – канал из прозрачного материала, обеспечивающий передачу излучения на большие расстояния за счет явления полного внутреннего отражения.

Явление полного внутреннего отражения имеет место тогда, когда луч, распространяющийся в оптически более плотной среде (на рисунке показана синим цветом), подходит к границе раздела с оптически менее плотной средой (на рисунке показана голубым цветом) под пологим углом. Поскольку в оптике углы принято отсчитывать от нормали, то угол θ должен превышать критический угол α_c, по возможности приближаясь к 90º. В этом случае луч отразится обратно в оптически более плотную среду – граница раздела сред для него будет непроницаема. Отражение произойдет под таким же углом θ, что и падение, но главное – в таких условиях отражение произойдет полностью, без потерь. На рисунке такой луч показан зеленым цветом.

Оптически менее плотная среда

 

Оптически более плотная среда

 

 

Если угол падения φ₁ будет меньше критического угла α_c (красный луч), то на границе часть излучения претерпит преломление и покинет пределы оптически более плотной среды (угол выхода будет другим – φ₂, поскольку показатели преломления сред отличаются друг от друга), другая же составляющая красного луча претерпит отражение и вернется в исходную среду, однако с существенной потерей мощности.

Для передачи сигналов на большое расстояние в оптических световодах реализуется полное внутреннее отражение. Для этого достаточно, чтобы разница в показателях преломления составляла сотые или тысячные доли единицы, а лучи подходили к границе раздела сред по пологой траектории. Оптически более плотная среда – центральная часть волокна, ядро (сердечник). Чтобы сигнал чрезмерно не затухал из-за прохождения через толщу вещества, необходимо, чтобы материал ядра был прозрачен и вызывал как можно меньшее рассеяние излучения. В передаче данных для этой цели используется кварцевое стекло – один из наиболее прозрачных и одновременно стабильных материалов, обладающих приемлемыми механическими характеристиками и ценой.

Для организации границы раздела ядро обрамляется оптически менее плотной средой. Англоязычное название этого элемента световода – cladding; в отечественной литературе его называют оболочкой, однако это создает путаницу с другими оболочками, поэтому лучше использовать термин «демпфер». Задача демпфера – создать границу раздела сред, сам он не предназначен для распространения излучения. В принципе, было бы достаточно слоя демпфера толщиной в несколько микрон, однако механические свойства кварцевого стекла (его склонность к образованию микротрещин при вытягивании из заготовки) и соображения удобства монтажа привели к тому, что демпфер имеет внешний диаметр 125 мкм.

1. ядро (сердечник)

2. демпфер

Примечание: совокупность ядра и демпфера образуют световод – минимальную и неразборную конструктивную единицу, обеспечивающую реализацию полного внутреннего отражения.

3. первичное защитное покрытие световода (как правило, акрилат), необходимое для механической защиты

4. буфер, выполняющий функции дополнительной механической защиты волокна и цветовой идентификации.

На сегодняшний день среди прежнего многообразия оптических кабелей на рынке остались одномодовые волокна с диаметром ядра 8-9 мкм и многомодовые волокна с диаметром ядра 62.5 мкм или 50 мкм. Волокно 62.5 мкм постепенно выходит из использования, поскольку поддерживает 1-гигабитные приложения только на короткие расстояния и уступает по характеристикам волокну 50 мкм. В зависимости от производительности многомодовые волокна делятся на классы OM1-OM4, одномодовые – на классы OS1-OS2; это подробно описано в статье «Одномодовый и многомодовый волоконно-оптический кабель: отличия и правила выбора». Чем выше класс волокна, тем более требовательные приложения оно способно поддерживать.

Поддержка приложений Ethernet многомодовыми волокнами

Приложение	Мин. кол-во волокон	Гарантированное расстояние поддержки приложения в многомодовых системах, м
		OM1	OM2	OM3	OM4
10/100BASE-SX	2	300	300	300	300
100BASE-FX	2	2000	2000	2000	2000
1000BASE-SX	2	275	550	1000	1100
1000BASE-LX	2	550	550	550	550
10GBASE-S	2	33	82	300	400
10GBASE-LX4	2	300	300	300	300
10GBASE-LRM	2	220	220	220	220
40GBASE-SR4	8	―	―	100	150
100GBASE-SR4	8	―	―	70	100
100GBASE-SR10	20	―	―	100	150

 

Поддержка приложений Ethernet одномодовыми волокнами

Приложение	Мин. кол-во волокон	Гарантированное расстояние поддержки приложения в одномодовых системах, км
1000BASE-LX	2	5
10GBASE-LX4	2	10
10GBASE-E	2	40
10GBASE-L	2	10
40GBASE-LR4	2	10
40GBASE-ER4*	2	40
100GBASE-LR4	2	10
100GBASE-ER4*	2	40

 

* Сегменты длиннее 30 км (изначально указанной в стандартах цифры) требуют дополнительной инженерной проработки согласно материалам IEEE 802.3.

Ядро и демпфер отличаются составом – к ядру добавляется присадка, незначительно увеличивающая показатель преломления. Материал, из которого изготовлено ядро, дороже материала демпфера, в результате многомодовые волокна стоят дороже одномодовых, несмотря на то, что последние требуют большей точности при изготовлении. Однако активное оборудование для работы по многомодовому волокну существенно дешевле оборудования для одномода (это касается и светодиодных источников LED в старом оборудовании, и лазеров поверхностного излучения VCSEL в гигабитных системах – все они дешевле лазеров Фабри-Перо, применяемых в одномоде). Поэтому основной критерий для выбора типа волокна – не цена кабеля, а соотношение производительности приложений и расстояния, на котором гарантируется их работа. Данные, приведенные в таблицах выше, служат основой для выбора типа оптики под конкретные приложения.

Волокна из кварцевого стекла довольно хрупкие. После изготовления световода его покрывают как минимум одним слоем защитного покрытия. Как правило, поверх него идет второй защитный слой – буфер, одновременно используемый для цветовой идентификации волокон. Используется 12 базовых цветов: синий, оранжевый, зеленый, коричневый, серый, белый, красный, черный, желтый, фиолетовый, розовый и бирюзовый. Первые десять цветов списка заимствованы из цветовой раскладки 25-парного кабеля. Цвета и их порядок заданы стандартами по принципу контрастности, чтобы монтажникам было проще визуально отличать проводники/волокна друг от друга.

При многократных перегибах, особенно если радиус изгиба мал, микротрещины в волокне разрастаются, приводя к ухудшению параметров передачи. Закономерны попытки найти более прочные и стойкие к изгибам материалы, однако пока не удалось найти какое-нибудь соединение с прозрачностью, затуханием и другими свойствами, приближающимися к параметрам кварцевого стекла. Эксперименты по изготовлению и использованию пластиковых волокон показали, что затухание в них для передачи данных недопустимо велико – оно на порядки больше, чем у кварца. Температурная стойкость и выносливость к многократным изгибам пластика представляют интерес, однако пока его область применения ограничивается медициной, рекламными конструкциями, автомобиле- и самолетостроением, областями, где к качеству сигнала нет строгих требований, а расстояние не превышает нескольких метров. Совершенствуется технология изготовления волокон с кварцевой сердцевиной и пластиковым демпфером. Возможно, в перспективе такие решения найдут свое применение в телекоммуникациях.

На сегодня же все волокна для передачи данных делаются только из кварцевого стекла. Крупных мировых производителей немного: Corning, Draka, Fujikura, Sumitomo. И хотя применяемые ими технологические процессы имеют определенные особенности, в целом можно считать, что параметры волокон определенного класса идентичны друг другу и не зависят от конкретного изготовителя. Это объясняется тем, что характеристики волокон жестко регламентируются требованиями стандартов, которым обязаны следовать все изготовители.

Ориентировочные значения затухания в оптических кабелях

Длина волны	Погонное затухание
850
1300
1310, 1550
1300-1324

Цифры в таблице по мере развития технологий меняются в сторону уменьшения. Однако такие изменения постепенны и очень незначительны. В некоторых источниках для многомодового волокна встречаются значения 2.3 дБ/км и 0.6 дБ/км для окон прозрачности 850 нм и 1300 нм соответственно. Но они относятся не к какому-то более прозрачному или особо качественному волокну, а к обычным световодам, еще не ставшим частью кабеля. Погонные затухания для такого «uncabled fiber» могут быть и ниже, например, 2.1 дБ/км и 0.4 дБ/км для длин волн 850 нм и 1300 нм соответственно. Однако в составе готового кабеля, после многочисленных технологических операций по наращиванию буфера, сведению волокон в сборку, добавлению других конструктивных элементов кабеля и его внешней оболочки исходные параметры волокна неизбежно ухудшаются. Для «cabled fiber», волокна в составе готового кабеля, значения погонного затухания соответствуют тем, что приведены в таблице выше.

В итоге выбор оптического кабеля делается не по производителю, изготовившему световод, а по его типу (одномод, многомод) и классу характеристик в привязке к расстояниям, на которых необходимо гарантировать работу приложений.

См. также:

 

Оптическое волокно (оптоволокно)

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) давно занимают одну из лидирующих позиций на рынке телекоммуникаций. Имея ряд преимуществ перед другими способами передачи информации (витая пара, коаксиальный кабель, беспроводная связь…), ВОЛС широко используются в телекоммуникационных сетях разных уровней, а также в промышленности, энергетике, медицине, системах безопасности, высокопроизводительных вычислительных системах и во многих других областях.

Передача информации в ВОЛС осуществляется по оптическому волокну (optical fiber). Для того чтобы грамотно подойти к вопросу использования ВОЛС, важно хорошо понимать, что из себя представляет оптическое волокно как среда передачи данных, каковы его основные свойства и характеристики, какие бывают разновидности оптических волокон. Именно этим базовым вопросам теории волоконно-оптической связи и посвящена данная статья.

 

Структура оптического волокна

Оптическое волокно (оптоволокно) – это волновод с круглым поперечным сечением очень малого диаметра (сравним с толщиной человеческого волоса), по которому передается электромагнитное излучение оптического диапазона. Длины волн оптического излучения занимают область электромагнитного спектра от 100 нм до 1 мм, однако в ВОЛС обычно используется ближний инфракрасный (ИК) диапазон (760-1600 нм) и реже – видимый (380-760 нм). Оптическое волокно состоит из сердцевины (ядра) и оптической оболочки, изготовленных из материалов, прозрачных для оптического излучения (рис. 1).

Рис. 1. Конструкция оптического волокна

 

Свет распространяется по оптоволокну благодаря явлению полного внутреннего отражения. Показатель преломления сердцевины, обычно имеющий величину от 1,4 до 1,5, всегда немного больше, чем показатель преломления оптической оболочки (разница порядка 1%). Поэтому световые волны, распространяющиеся в сердцевине под углом, не превышающим некоторое критическое значение, претерпевают полное внутреннее отражение от оптической оболочки (рис. 2). Это следует из закона преломления Снеллиуса. Путем многократных переотражений от оболочки эти волны распространяются по оптическому волокну.

Рис. 2. Полное внутреннее отражение в оптическом волокне

 

На первых метрах оптической линии связи часть световых волн гасят друг друга вследствие явления интерференции. Световые волны, которые продолжают распространяться в оптоволокне на значительные расстояния, называются пространственными модами оптического излучения. Понятие моды описывается математически при помощи уравнений Максвелла для электромагнитных волн, однако в случае оптического излучения под модами удобно понимать траектории распространения разрешенных световых волн (обозначены черными линиями на рис. 2). Понятие моды является одним из основных в теории волоконно-оптической связи.

 

Основные характеристики оптического волокна

Способность оптического волокна передавать информационный сигнал описывается при помощи ряда геометрических и оптических параметров и характеристик, из которых наиболее важными являются затухание и дисперсия.

1. Геометрические параметры.

Помимо соотношения диаметров сердцевины и оболочки, большое значение для процесса передачи сигнала имеют и другие геометрические параметры оптоволокна, например:

• некруглость (эллиптичность) сердцевины и оболочки, определяемая как разность максимального и минимального диаметров сердцевины (оболочки), деленная на номинальный радиус, выражается в процентах;
• неконцентричность сердцевины и оболочки – расстояние между центрами сердцевины и оболочки (рис. 3).

Рис 3. Некруглость и неконцентричность сердцевины и оболочки

 

Геометрические параметры стандартизированы для разных типов оптического волокна. Благодаря совершенствованию технологии производства значения некруглости и неконцентричности удается свести к минимуму, так что влияние неточности геометрии оптоволокна на его оптические свойства оказывается несущественным.

 

2. Числовая апертура.

Числовая апертура (NA) – это синус максимального угла падения луча света на торец волокна, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения (рис. 4). Этот параметр определяет количество мод, распространяющихся в оптическом волокне. Также величина числовой апертуры влияет на точность, с которой должна производиться стыковка оптических волокон друг с другом и с другими компонентами линии.

Рис 4. Числовая апертура

 

3. Профиль показателя преломления.

Профиль показателя преломления – это зависимость показателя преломления сердцевины от ее поперечного радиуса. Если показатель преломления остается одинаковым во всех точках поперечного сечения сердцевины, такой профиль называется ступенчатым. Среди других профилей наибольшее распространение получил градиентный профиль, при котором показатель преломления плавно увеличивается от оболочки к оси (рис. 5). Помимо этих двух основных, встречаются и более сложные профили.

Рис. 5. Профили показателя преломления

 

4. Затухание (потери).

Затухание – это уменьшение мощности оптического излучения по мере распространения по оптическому волокну (измеряется в дБ/км). Затухание возникает вследствие различных физических процессов, происходящих в материале, из которого изготавливается оптоволокно. Основными механизмами возникновения потерь в оптическом волокне являются поглощение и рассеяние.

а) Поглощение. В результате взаимодействия оптического излучения с частицами (атомами, ионами…) материала сердцевины часть оптической мощности выделяется в виде тепла. Различают собственное поглощение, связанное со свойствами самого материала, и примесное поглощение, возникающее из-за взаимодействия световой волны с различными включениями, содержащимися в материале сердцевины (гидроксильные группы OH^—, ионы металлов…).

б) Рассеяние света, то есть отклонение от исходной траектории распространения, происходит на различных неоднородностях показателя преломления, геометрические размеры которых меньше или сравнимы с длиной волны излучения. Такие неоднородности являются следствием как наличия дефектов структуры волокна (рассеяние Ми), так и свойствами аморфного (некристаллического) вещества, из которого изготавливается волокно (рэлеевское рассеяние). Рэлеевское рассеяние является фундаментальным свойством материала и определяет нижний предел затухания оптического волокна. Существуют и другие виды рассеяния (Бриллюэна-Мандельштама, Рамана), которые проявляются при уровнях мощности излучения, превышающих те, которые обычно используются в телекоммуникациях.

Величина коэффициента затухания имеют сложную зависимость от длины волны излучения. Пример такой спектральной зависимости приведен на рис. 6. Область длин волн с низким затуханием называется окном прозрачности оптического волокна. Таких окон может быть несколько, и именно на этих длинах волн обычно осуществляется передача информационного сигнала.

Рис. 6. Спектральная зависимость коэффициента затухания

 

Потери мощности в волокне обуславливаются также различными внешними факторами. Так, механические воздействия (изгибы, растяжения, поперечные нагрузки) могут приводить к нарушению условия полного внутреннего отражения на границе сердцевины и оболочки и выходу части излучения из сердцевины. Определенное влияние на величину затухания оказывают условия окружающей среды (температура, влажность, радиационный фон…).

Поскольку приемник оптического излучения имеет некоторый порог чувствительности (минимальную мощность, которую должен иметь сигнал для корректного приема данных), затухание служит ограничивающим фактором для дальности передачи информации по оптическому волокну.

 

5.Дисперсионные свойства.

Помимо расстояния, на которое передается излучение по оптическому волокну, важным параметром является скорость передачи информации. Распространяясь по волокну, оптические импульсы уширяются во времени. При высокой частоте следования импульсов на определенном расстоянии от источника излучения может возникнуть ситуация, когда импульсы начнут перекрываться во времени (то есть следующий импульс придет на выход оптического волокна раньше, чем закончится предыдущий). Это явление носит название межсимвольной интерференции (англ. ISI – InterSymbol Interference, см. рис. 7). Приемник обработает полученный сигнал с ошибками.

Рис. 7. Перекрывание импульсов, вызывающее межсимвольную интерференцию: а) входной сигнал; б) сигнал, прошедший некоторое расстояние L1 по оптическому волокну; в) сигнал, прошедший расстояние L2>L1.

 

Уширение импульса, или дисперсия, обуславливается зависимостью фазовой скорости распространения света от длины волны излучения, а также другими механизмами (табл. 1).

Таблица 1. Виды дисперсии в оптическом волокне.

Название	Краткое описание	Параметр
1. Хроматическая дисперсия	Любой источник излучает не одну длину волны, а спектр незначительно отличающихся длин волн, которые распространяются с разной скоростью.	Коэффициент хроматической дисперсии, пс/(нм*км). Может быть положительным (спектральные составляющие с большей длиной волны двигаются быстрее) и отрицательным (наоборот). Существует длина волны с нулевой дисперсией.
а) Материальная хроматическая дисперсия	Связана со свойствами материала (зависимость показателя преломления от длины волны излучения)
б) Волноводная хроматическая дисперсия	Связана с наличием волноводной структуры (профиль показателя преломления)
2. Межмодовая дисперсия	Моды распространяются по разным траекториям, поэтому возникает задержка во времени их распространения.	Ширина полосы пропускания (bandwidth), МГц*км. Эта величина определяет максимальную частоту следования импульсов, при которой не происходит межсимвольной интерференции (сигнал передается без существенных искажений). Пропускная способность канала (Мбит/с) может численно отличаться от ширины полосы пропускания (МГц*км) в зависимости от способа кодирования информации.
3. Поляризационная модовая дисперсия, PMD	Мода имеет две взаимно перпендикулярные составляющие (поляризационные моды), которые могут распространяться с различными скоростями.	Коэффициент PMD, пс/√км. Временная задержка из-за PMD, нормируемая на 1 км.

 

Таким образом, дисперсия в оптическом волокне отрицательно сказывается как на дальности, так и на скорости передачи информации.

 

Разновидности и классификация оптических волокон

Рассмотренные свойства являются общими для всех оптических волокон. Однако описанные параметры и характеристики могут существенно отличаться и оказывать различное влияние на процесс передачи информации в зависимости от особенностей производства оптоволокна.

Фундаментальным является деление оптическим волокон по следующим критериям.

1. Материал. Основным материалом для изготовления сердцевины и оболочки оптического волокна является кварцевое стекло различного состава. Однако используется большое количество других прозрачных материалов, в частности, полимерные соединения.
2. Количество распространяющихся мод. В зависимости от геометрических размеров сердцевины и оболочки и величины показателя преломления в оптическом волокне может распространяться только одна (основная) или же большое количество пространственных мод. Поэтому все оптические волокна делят на два больших класса: одномодовые и многомодовые (рис. 8).

Рис. 8. Многомодовое и одномодовое волокно

 

На основании этих факторов можно выделить четыре основных класса оптических волокон, получивших распространение в телекоммуникациях:

1. Кварцевое многомодовое волокно.
2. Кварцевое одномодовое волокно.
3. Пластиковое, или полимерное, оптическое волокно (POF).
4. Кварцевое волокно с полимерной оболочкой (HCS).

Каждому из этих классов посвящена отдельная статья на нашем сайте. Внутри каждого из этих классов также существует своя классификация.

 

Производство оптических волокон

Процесс изготовления оптического волокна крайне сложен и требует большой точности. Технологический процесс проходит в два этапа: 1) создание заготовки, представляющей собой стержень из выбранного материала со сформированным профилем показателя преломления, и 2) вытягивание волокна в вытяжной башне, сопровождающееся покрытием защитной оболочкой. Существует большое количество различных технологий создания заготовки оптического волокна, разработка и совершенствование которых происходит постоянно.

 

Волоконно-оптические кабели

Практическое использование оптического волокна в качестве среды передачи информации невозможно без дополнительного упрочнения и защиты. Волоконно-оптическим кабелем называется конструкция, включающая в себя одно или множество оптических волокон, а также различные защитные покрытия, несущие и упрочняющие элементы, влагозащитные материалы. По причине большого разнообразия областей применения оптоволокна производители выпускают огромное количество самых разных волоконно-оптических кабелей, отличающихся конструкцией, размерами, используемыми материалами и стоимостью (рис. 9).

Рис.9. Волоконно-оптические кабели

Немного о волновом мультиплексировании

В современных системах связи огромнейшее значение имеет мультиплексирование, которое позволяет передавать по одному-единственному каналу сразу несколько информационных потоков.

Окна прозрачности

Самым распространенным одномодовым оптическим волокном является SMF G.652. Существует сразу несколько вариантов данного оптоволокна, каждый из которых имеет свои качественные отличия.

Важнейшими характеристиками оптического волокна являются удельное затухание и окна прозрачности. Окна прозрачности – это диапазон волн, в котором наблюдается наименьшее затухание в оптическом волокне.

Согласно действующим стандартам относительно окон прозрачности существуют следующие диапазоны:

• Основной: 1260 – 1360 нм;
• Расширенный: 1360 – 1460 нм;
• Коротковолновый: 1460 – 1530 нм;
• Стандартный: 1530 – 1565 нм;
• Длинноволновый: 1565 – 1625 нм;
• Сверхдлинноволновый: 1625 – 1675 нм.

Мультиплексирование с разделением по длине волны

Изначально для создания дуплексной линии связи требовалось два оптических волокна. То есть, по каждому из волокон передавалась информация в одном направлении.  Естественно, это было не очень удобно и расточительно. Поэтому абсолютно логичным кажется появление мультиплексирования по длине волны. Зачастую данную технологию обозначают аббревиатурой WDM (Wavelength Division Multiplexing).

Спектральное уплотнение обеспечивается за счет того, что волны различной длины способны распространятся в среде независимо друг от друга. Чаще всего сегодня в WDM используются волны длиной 1310 и 1550 нм. Данные длины волн являются оптимальными для кабельного телевидения. Технология WDM получила широкое распространение в построении магистральных и городских линий передачи данных.

CWDM и DWDM

WDM – это надежная технология, но она уже далеко не всегда соответствует современным условиям. Более совершенными методами уплотнения данных являются CWDM и DWDM. Первый вариант позволяет разбить одну линию связи сразу на 18 каналов, при втором варианте количество каналов может достигать 160. Естественно, технология DWDM обходится несколько дороже. При этом в CWDM используется все окно прозрачности, а в DWDM только стандартный диапазон, но с большим коэффициентом уплотнения каналов.

При создании оптических линий передачи данных при помощи мультиплексирования  всегда необходимо брать в расчет потери в оптическом волокне, чувствительность приемника и мощность излучения. Тут свою роль играет неравномерность затухания на различных длинах волн.

---

Информация по оптическому волокну — Интегра Кабель

Оптические волокна, используемые в волоконно-оптическом кабеле марки «Интегра Кабель»

A — одномодовое оптическое волокно, соответствующее рекомендации ITU-T G.652.D
A — одномодовое оптическое волокно, соответствующее рекомендации ITU-T G.657.A
H — одномодовое оптическое волокно с ненулевой смещенной дисперсией, соответствующее рекомендации ITU-T G.655
B — многомодовое оптическое волокно с сердцевиной, диаметром 62,5 мкм
M — многомодовое оптическое волокно с сердцевиной, диаметром 50 мкм, соответствующее рекомендации ITU-T G.651.1

Затухание на длинах волн

G.652. Стандартное одномодовое волокно

Является наиболее широко используемым одномодовым оптическим волокном в телекоммуникациях.

Одномодовое ступенчатое волокно с несмещенной дисперсией служит основополагающим компонентом оптической телекоммуникационной системы и классифицируется стандартом G.652. Наиболее распространенный вид волокна, оптимизированный для передачи сигнала на длине волны 1310 нм. Верхний предел длины волны L-диапазона составляет 1625 нм. Требования на микроизгиб — радиус оправки 30 мм.

Стандарт разделяет волокна на четыре подкатегории A, B, C, D.

Волокно G.652.А отвечает требованиям, необходимым для передачи информационных потоков уровня STM 16, — 10 Гбит/с (Ethernet) до 40 км, в соответствии с рекомендациями G.691 и G.957, а также уровня STM 256, согласно G.691.

Волокно G.652.B соответствует требованиям, необходимым для передачи информационных потоков уровня до STM 64 в соответствии с рекомендациями G.691 и G.692, и уровня STM 256, согласно G.691 и G.959.1.

Волокна G.652.C и G.652.D позволяют осуществлять передачу в расширенном диапазоне длин волн 1360-1530 нм и обладают пониженным затуханием на «пике воды» («пик воды» разделяет окна прозрачности в полосе пропускания одномодовых световодов в диапазонах 1300 нм и 1550 нм). В остальном аналогичны G.652.A и G.652.B.

G.652.A/B — эквивалент OS1 (классификация ISO/IEC 11801), G.652.C/D – эквивалент OS2.

Использование волокна G.652 при более высоких скоростях передачи на расстояния более 40 км приводит к несоответствию эксплуатационных качеств со стандартами для одномодового волокна, требует усложнения оконечной аппаратуры.

Стандартная расцветка волокон оптического кабеля в модуле

На оптических волокнах с 13 по 24 помимо стандартной расцветки нанесены кольцевые метки. По желанию заказчика может допускаться иная окраска оптических волокон и модулей. При необходимости оптические модули заменяются корделями заполнения.

G.655. Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF)

Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF оптимизировано для передачи не одной длины волны, а сразу нескольких длин волн (мультиплексного волнового сигнала WDM и высокоплотного волнового сигнала DWDM). Волокно защищено двойным акрилатным покрытием, обеспечивающим высокую надежность и работоспособность. Наружный диаметр покрытия равен 245 мкм.

Волокно с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF) предназначено для применения в магистральных волоконно-оптических линиях и глобальных сетях связи, использующих DWDM-технологии. В этом волокне поддерживается ограниченный коэффициент хроматической дисперсии во всем оптическом диапазоне, используемом в волновом мультиплексировании (WDM). Волокна NZDSF оптимизированы для использования в диапазоне волн от 1530 нм до 1565 нм.

Рекомендации разделяют волокна на три подкатегории: А, В, С, которые различаются по значениям коэффициента поляризационной модовой дисперсии, хроматической дисперсии и рабочему диапазону.

Оптические волокна категории G.655.А обладают параметрами, обеспечивающими их применение в одноканальных и многоканальных системах с оптическими усилителями (рекомендации G.691, G.692, G.693) и в оптических транспортных сетях (рекомендация G.959.1). Рабочие длины волн и дисперсия в волокне данной подкатегории ограничивают мощность входного сигнала и их применение в многоканальных системах.

Оптические волокна категории G.655.B аналогичны G.655.А. Но в зависимости от рабочей длины волны и дисперсионных характеристик мощность входного сигнала может быть выше, чем для G.655.А. Требования в части поляризационной модовой дисперсии обеспечивают функционирование систем уровня STM-64 на расстоянии до 400 км.

Категория волокон G.655.C подобна G.655.B, однако более строгие требования в части поляризационной модовой дисперсии позволяют использовать на данных оптических волокнах системы уровня STM-256 (рекомендация G.959.1) или же увеличивать дальность передачи систем STM-64.

Цветовая кодировка в соответствии со стандартом TIA/EIA-598

G.657. Одномодовое волокно с уменьшенными потерями на изгибах с малыми радиусами

Оптическое волокно повышенной гибкости версии G.657 находит широкое применение в оптических кабелях для прокладки в сетях многоэтажных домов, офисов и т.д. Волокно G.657.A по своим оптическим характеристикам полностью идентично стандартному волокну G.652.D и в то же время имеет вдвое меньший допустимый радиус при укладке – 15 мм. Волокно G.657.В применяется на ограниченных расстояниях и обладает особо малыми потерями на изгибах.

Одномодовые оптические волокна характеризуются малым уровнем потерь на изгибах, предназначены в первую очередь для сетей FTTH многоквартирных зданий, а их преимущества особенно очевидны на ограниченном пространстве. Работать с волокном стандарта G.657, можно практически как с медножильным кабелем.

Две подкатегории A и B, которые различаются диаметром сердцевины и работоспособностью при изгибах.

Для волокон типа G.657.A он составляет от 8,6 до 9,5 мкм, а для волокон типа G.657.B — от 6,3 до 9,5 мкм.

Нормы потерь на макроизгибах существенно ужесточены, поскольку этот параметр для G.657 является определяющим:

— десять витков волокна подкатегории G.657.A, намотанного на оправку радиусом 15 мм, не должны увеличивать затухание более чем на 0,25 дБ при длине волны 1550 нм. Один виток того же волокна, намотанного на оправку диаметром 10 мм, при условии, что остальные параметры не изменены, не должен увеличивать затухание более чем на 0,75 дБ;

— десять витков подкатегории G.657.B на оправке диаметром 15 мм, не должны увеличивать затухание более чем на 0,03 дБ при длине волны 1550 нм. Один виток на оправке диаметром 10 мм — более чем на 0,1 дБ, один виток на оправке диаметром 7,5 мм — более чем на 0,5 дБ.

Рекомендация ITU G.657.А определяет приоритет совместимости со стандартными волокнами по отношению к функциональности (с ITU-T G.652D). Рекомендация ITU-T G.657.В делает упор на нечувствительность к изгибам, а не на соответствие требованиям стандартов G.652.

Зависимость максимального затухания от радиуса изгиба на длинах волн 1550 и 1625 нм

OM 1 и OM2. Стандартные многомодовые волокна с сердцевиной 62,5 и 50 мкм соответственно

Кабели, патчкорды и пигтейлы с многомодовыми волокнами типов ОМ1 62,5/125 мкм и ОМ2 50/125 мкм уже давно применяются в СКС для обеспечения передачи данных с высокой скоростью и на относительно большие расстояния, которые требуется в магистралях. Наиболее важными функциональными параметрами ММ-волокна является затухание и коэффициент широкополосности. Оба параметра определяются для длин волн 850 нм и 1300 нм, на которых работает большая часть активного сетевого оборудования.

Является специально разработанным многомодовым оптическим волокном применяемое для сетей Gigabit и 10 Gigabit Ethernet, существует только с размером сердцевины 50 мкм.

OM4. Оптическое многомодовое волокно с сердцевиной 50 мкм «лазер-оптимизированное» нового поколения

Многомодовое волокно типа ОМ4 в настоящее время полностью соответствует современным стандартам волокон, предусмотренных для центров обработки данных и групп серверов следующего поколения. Оптическое волокно ОМ4 может быть использовано для более протяженных линий в сетях передачи данных нового поколения с высочайшей производительностью передачи данных. Это волокно представляет собой результат дальнейшей оптимизации характеристик волокна ОМ3, позволяющего придать волокну характеристики, обеспечивающие возможность достижения скорости передачи данных 10 Гбит/с на расстоянии 550 метров. Волокна типа OM4 характеризуются повышенной эффективной минимальной модальной полосой пропускания 4700 МГц*км при длине волны 850 нм (по сравнению с 2000 МГц*км волокна типа OM3).

Стандартная расцветка оптических модулей в повиве сердечника волоконно-оптического кабеля

Отсчет оптических модулей осуществляется от красного модуля в направлении зеленого.

оптических окон, поясняется энциклопедией RP Photonics; потери, диапазон прозрачности, клиновидные окна, очистка, направление луча, тепловые эффекты

Энциклопедия > буква О > оптические окна

можно найти в Руководстве покупателя RP Photonics. Среди них:

Дополнительные сведения о поставщике см. в конце этой статьи энциклопедии или перейдите на страницу

.

Вас еще нет в списке? Получите вход!

Используя наш рекламный пакет, вы можете разместить свой логотип и далее под описанием вашего продукта.

Определение: плоские прозрачные пластины оптического качества, используемые для защиты от окружающей среды

Более конкретный термин: окна Brewster

Немецкий: optische Fenster

Категория: общая оптика

Как цитировать статью; предложить дополнительную литературу

Автор: д-р Рюдигер Пашотта

URL: https://www.rp-photonics.com/optical_windows.html

Большинство оптических окон выполнены в виде плоских пластинок из прозрачной среды (т.грамм. стекло, хрусталь или полимер). Они часто используются для изоляции оптических систем или компонентов от вредных воздействий окружающей среды. Например, большинство фотодиодов и других типов фотоприемников часто содержат оптическое окно над светочувствительной областью для защиты от грязи, коррозионных воздействий и механических повреждений. Точно так же корпуса лазеров часто защищают оптическими окнами, чтобы защитить корпус от пыли.

В некоторых случаях, например для активных трубок газовых лазеров, таких как гелий-неоновые лазеры, имеются оптические окна, отделяющие внутренний объем газа низкого давления от внешней атмосферы.Точно так же окна необходимы для многопроходных газовых ячеек, используемых в спектроскопии. Если такие окна не соединены жестко, может потребоваться какой-либо подходящий тип уплотнений для обеспечения надежной герметичности корпуса. В вакуумные смотровые окна встроены специальные вакуумные окна, которые комплектуются соответствующими уплотнениями и крепежными деталями.

Существуют также сильно изогнутые оптические окна, называемые оптическими куполами.

Обычными оптическими материалами, используемыми для оптических окон, являются стекла, такие как плавленый кварц и BK7 для видимого или ближнего инфракрасного света.Для инфракрасной оптики на более длинных волнах также используются различные типы кристаллических материалов, таких как фторид кальция, а также полупроводники, такие как селенид цинка, кремний и германий. В частности, для недорогих массовых применений также часто используются некоторые полимерные материалы, например. акрил ПММА. Они могут быть оснащены покрытиями против царапин, чтобы сделать их более устойчивыми.

В некоторых случаях оптический элемент, такой как линза или зеркало, может одновременно выполнять функцию оптического окна, так что для этого не требуется отдельной детали.Обратите внимание, однако, что отдельное оптическое окно может быть выгодным в суровых условиях, поскольку его замена проще и дешевле по сравнению с заменой высококачественного оптического элемента.

Оптические потери

Обычно важно избегать значительных потерь оптического излучения, проходящего через оптическое окно. Такие потери могут возникать из-за разных эффектов:

• Материал, даже если он очень чистый, может демонстрировать некоторый уровень поглощения. Чтобы этого избежать, выбирают материал с достаточно большим диапазоном прозрачности длин волн, где поглощение минимально.Есть много стекол с диапазоном прозрачности, хорошо покрывающим всю видимую область, и другие, которые хорошо подходят для инфракрасного света. Кристаллические материалы также часто используются в инфракрасном диапазоне.
• Некоторый уровень потерь на рассеяние и/или искажение луча может возникнуть, если среда оптически неоднородна. Например, низкокачественные стекла могут иметь локальные изменения концентрации определенных веществ, что приводит к изменению показателя преломления.
• Кроме того, несовершенные оптические поверхности могут привести к рассеянию, а также к деформации профиля луча (см. ниже).Такие эффекты можно свести к минимуму путем подготовки поверхностей с высоким оптическим качеством, т. е. с высокой плоскостностью и малой шероховатостью.
• Наконец, на поверхностях обычно присутствует некоторый уровень оптических отражений. Это может быть проблематично не только с точки зрения потери мощности, но и когда паразитные обратные отражения раздражают, например, лазерное устройство, но последний эффект можно устранить, просто избегая почти нормального падения лазерного луча на окно. Для минимизации отражений обычно используют просветляющие покрытия.Они хорошо работают только в ограниченном диапазоне длин волн. Существуют широкополосные покрытия, работающие в большом диапазоне длин волн, но, как правило, с меньшим подавлением отражений, чем узкополосные покрытия (доступные для многих применений лазерных линий) могут быть достигнуты в небольшом диапазоне длин волн. Некоторые оптические окна продаются без покрытия, а затем пользователь покрывает их специальным покрытием.

Обратите внимание, что потери мощности в оптическом окне могут зависеть от поляризации, если падение света отличается от нормального.Крайним случаем является пластина Брюстера, где угол падения должен быть равен углу Брюстера, чтобы потери на отражение были очень малы для р-поляризации (без использования покрытия), но довольно высоки для s-поляризации. Такие окна называются окнами Брюстера. Например, они часто используются для трубок газовых лазеров.

Искажения луча

Выше уже упоминалось, что искажения луча (ошибки волнового фронта) могут быть вызваны оптическими окнами недостаточного качества.Это также может привести к потере качества луча лазерных лучей или искажению изображения в устройствах просмотра и камерах.

Качество поверхности имеет большое значение для некоторых применений.

Качество поверхности оптических окон часто измеряется с помощью измерений методом царапанья в соответствии со стандартом США MIL-PRF-13830B или, в качестве альтернативы, более строгим способом на основе ISO 10110-7. Кроме того, существуют определенные допуски на плоскостность и неровность поверхности. В статье о лазерных зеркалах, где качество поверхности имеет особенно важное значение, содержится более подробная информация по этим вопросам.

Оптическое окно особенно высокого качества продается также как плоскость интерферометра ; это делает их пригодными для использования в интерферометрах, где искажения ближнего луча часто имеют особое значение.

Помимо недостатков самого материала, могут быть неоднородности, вызванные механическим воздействием. Поэтому оптические окна следует монтировать таким образом, чтобы избежать эффектов напряжения.

Проблемы с грязью

Хорошее качество поверхности должно быть достигнуто не только при производстве, но и должно поддерживаться за счет осторожной транспортировки и монтажа оптических окон, а также за счет предотвращения неблагоприятных воздействий во время эксплуатации.Например, производительность может ухудшиться из-за отпечатков пальцев (при прикосновении к поверхностям), отложений пыли и грязи или из-за царапания поверхности при касании ее твердыми частями. В приложениях, связанных с интенсивными лазерными импульсами, например. от лазеров с модуляцией добротности пыль и другая грязь могут пригореть к поверхности, что затруднит ее последующее удаление.

Очистка оптических деталей может помочь, но только при применении соответствующих методов.

Некоторые виды загрязнений можно удалить с оптических окон с помощью соответствующих процедур очистки.Например, можно использовать мягкую чистящую ткань и несколько капель подходящего растворителя (например, чистящего спирта или ацетона), чтобы протереть поверхность, если она хорошо доступна. Следует избегать вытирания туда-сюда, только разнося грязь; вместо этого следует систематически протирать в одном направлении, удаляя любую грязь за пределы чувствительной области. В то же время необходимо соблюдать осторожность, чтобы не повредить оптические поверхности, т.е. прикасаясь к ним какими-либо твердыми предметами.

Для применения в суровых условиях можно использовать специальные держатели, облегчающие быструю замену поврежденных оптических окон.Например, некоторые окна используются в качестве экранов для защиты от мусора при лазерной обработке материалов, и, возможно, их придется регулярно заменять. Их еще называют жертвенными окнами . Можно также попытаться в некоторой степени защитить окна, например. с жесткой трубчатой ​​конструкцией.

Изменения положения или направления луча

Большинство оптических окон представляют собой параллельных окон , имеющих точно параллельные поверхности. Параллелизм часто определяется количественно, например. как <1 угловой секунды.При параллельных гранях направление луча не меняется, а только небольшое смещение положения луча зависит от угла падения и толщины; тогда часто нет необходимости в точном выравнивании окна.

Смещение луча также слабо зависит от длины волны оптического излучения, поскольку показатель преломления, зависящий от длины волны, приводит к тому, что направление луча внутри пластины зависит от длины волны. Однако редко такие эффекты вызывают проблемы.

Имеются также клиновидные окна , имеющие четко определенный угол между их поверхностями.Иногда это требуется для предотвращения эффектов интерференции между паразитными отражениями от двух поверхностей. Обратите внимание, что в этом случае имеется некоторый уровень отклонения луча, зависящий от ориентации окна. См. также статью о клиновидных призмах.

Тепловые эффекты

Для применений с очень высокой оптической силой, т.е. при лазерной обработке материала даже незначительное остаточное поглощение в оптическом окне может вызвать некоторый уровень теплового линзирования. (Небольшое количество грязи на поверхности может, конечно, сильно увеличить силу нагрева и его последствия.) Такие тепловые эффекты могут зависеть от множества свойств материала, в частности, от коэффициента поглощения, теплопроводности, температурной зависимости показателя преломления и коэффициентов фотоупругости. Для таких применений может потребоваться выбор специальных высококачественных материалов.

Различные соответствующие свойства

Различные другие подробные свойства оптических окон могут иметь значение для приложений. Некоторые примеры таких свойств:

• стоимость и простота приобретения
• отказ от компонентов стекла, таких как свинец и мышьяк (экологически безопасные материалы)
• подходящая геометрическая форма для легкой установки и замены
• высокий порог оптического повреждения (например,грамм. для импульсных лазеров)
• малая толщина и плотность, если вес имеет значение
• высокая твердость, если важна стойкость к механическим воздействиям
• проводящая поверхность, часто сделанная из ITO, используемая, например. для электрического экрана

Некоторые поставщики предлагают нестандартные окна со специальными характеристиками, часто для особых областей применения, таких как аэрокосмическая и военная промышленность.

Поставщики

В Руководстве покупателя RP Photonics указан 161 поставщик оптических окон.Среди них:

Shanghai Optics

Shanghai Optics Inc. современный завод, способный производить как большие оптические окна, так и микроокна для наноразмерных оптических сборок. На выбор предлагается широкий выбор оптических подложек, и, поскольку производство осуществляется собственными силами, наша команда дизайнеров сможет точно соответствовать вашим спецификациям при выполнении вашего заказа.

Knight Optical

Наши оконные подложки варьируются от оптических куполов, пластиковых, прецизионных классов N-BK7 (или эквивалентных), боросиликатных (или эквивалентных) и окон из флоат-стекла до B270 (или эквивалентных), кварцевых, УФ-плавленых кварцевых и ИК-стеклянных окон. кварц, белый флоат и закаленные окна; а также световоды.В зависимости от материала окна Knight Optical могут поставляться из широкого ассортимента со склада или в виде оптики, изготовленной по индивидуальному заказу.

Shalom EO

Shalom EO предлагает широкий выбор оптических окон:

• BK7 λ/4 окна
• BK7 λ/10 окон
• UVFS λ/4 окна
1 UVFS λ/4 окна 1 UVFS
• UVFS
• тонкие окна
• UVFS λ/10 Окна /UVFS

Также доступны инфракрасные оптические окна из BaF ₂ , CaF ₂ , германия, кремния, селенида цинка (ZnSe) и сапфира.Доступны как готовые, так и индивидуальные продукты.

Laserton

Laseron предлагает оптические окна из стекла BK7, плавленого кварца или фторида кальция. Они будут как щиты от мусора, например.

OPTOMAN

Оптические окна OPTOMAN с покрытием IBS оптимизированы для обеспечения превосходных спектральных характеристик, высокого порога повреждения, работы, не зависящей от температуры и влажности, и незначительного эффекта усталости. OPTOMAN может покрывать очень простые круглые и прямоугольные окна, а также клинья и призмы чрезвычайно сложной формы.Напыляемые антибликовые покрытия имеют коэффициент отражения на поверхность до R < 0,01%.

Artifex Engineering

Artifex Engineering предлагает индивидуальные оптические окна практически любой формы и дизайна, включая вырезы и отверстия. Доступен широкий спектр оптических подложек, включая N-BK7, плавленый кварц, сапфир, Ge, ZnSe и другие. Покрытия AR обычно наносятся на обе поверхности окна. Кроме того, Artifex предлагает специальные покрытия, такие как алмазоподобное углеродное (DLC) покрытие для инфракрасного излучения (германий, кремний).Посетите нашу страницу продукта для получения дополнительной информации. Мы с нетерпением ждем вашего запроса.

Intrinsic Crystal Technology

ICC поставляет оптические окна UV-VIS-IR из CaF ₂ , BaF ₂ , MgF ₂ , Si, Ge, ZnSe, BK7, UVFS, сапфир, борофлоат и т. д. , Эти материалы могут быть с покрытием или без покрытия размером от 3 мм до 350 мм.

Стекло IRD

Стекло IRD производит многие типы оптических окон – ультрафиолетовые окна, видимые окна, инфракрасные окна и экраны от мусора из .От 100″ до 16″ в высоту и толщиной от 0,008″ до 4″ с использованием широкого спектра материалов, включая nBK-7, B270, боросиликатное стекло, F-5, плавленый кварц, плавленый кварц, высокоиндексное стекло, сапфир , кремний и другие ИК-материалы.

Inrad Optics

Inrad Optics сочетает в себе опыт в области прочных оптических покрытий, больших высокоточных оптических плоскостей и механических конструкций для экстремальных условий, предлагая окна и оконные сборки, подходящие для LIDAR, сенсорных модулей и спектроскопии.

Edmund Optics

Оптические окна Edmund Optics предлагаются на различных материалах, таких как германий (Ge), кремний (Si), N-BK7, плавленый кварц УФ-излучения, селенид цинка (ZnSe) и бромид калия (KBr ). Доступны несколько вариантов антибликового покрытия для ультрафиолетового (УФ), видимого или инфракрасного (ИК).

ЭКСМА ОПТИКА

ЭКСМА Оптика имеет широкий выбор оптических окон из высококачественного плавленого кварца, ВК7, фторида кальция, фторида бария, фторида магния, селенида цинка и других оптических материалов.

Perkins Precision Developments

Perkins Precision Developments (PPD) производит лазерные окна с многослойным диэлектрическим тонкопленочным покрытием и прецизионные оптические клинья в дополнение к изготовленным на заказ подложкам без покрытия. Поскольку мы используем технологию покрытия ионно-лучевым напылением (IBS), наши параллельные окна и клиновые пары с антибликовым покрытием долговечны и легко чистятся. Кроме того, они демонстрируют низкие потери из-за поглощения и рассеяния, а также высокие пороги повреждения, что делает их идеальными как для внутрирезонаторных, так и для внерезонаторных лазеров.

Плоскопараллельные окна, окна Брюстера и согласованные пары клиньев доступны в различных формах и размерах от 2 мм до > 8 дюймов в диаметре и с погрешностью параллельности всего 1 угловая секунда. PPD производит прецизионные плоские подложки из широкого спектра материалов, включая плавленый кварц, плавленый кварц, инфрасил, N-BK7, YAG, кремний, SF11 и другие стекла с высоким индексом.

Специальные антиотражающие покрытия с малыми потерями (AR) с коэффициентом отражения менее 0,1% на поверхность также могут быть нанесены на поставляемые заказчиком подложки диаметром до 4 дюймов.Нажмите здесь, чтобы просмотреть последние данные LDT для просветляющего покрытия на длине волны 1064 нм.

Вопросы и комментарии от пользователей

Здесь вы можете оставить вопросы и комментарии. Если они будут приняты автором, они появятся над этим абзацем вместе с ответом автора. Автор принимает решение о принятии на основе определенных критериев. По существу, вопрос должен представлять достаточно широкий интерес.

Пожалуйста, не вводите здесь личные данные; в противном случае мы бы удалили его в ближайшее время.(См. также нашу декларацию о конфиденциальности.) Если вы хотите получить личную обратную связь или консультацию от автора, свяжитесь с ним, например. по электронной почте.

Отправляя информацию, вы даете свое согласие на возможную публикацию ваших материалов на нашем веб-сайте в соответствии с нашими правилами. (Если вы позже отзовете свое согласие, мы удалим эти материалы.) Поскольку ваши материалы сначала просматриваются автором, они могут быть опубликованы с некоторой задержкой.

См. также: пластины Брюстера, оптические купола, просветляющие покрытия
и другие изделия из категории общая оптика

Поделитесь этим с друзьями и коллегами, e.грамм. через социальные сети: Эти кнопки обмена реализованы с учетом конфиденциальности!

Код для ссылок на другие сайты

Если вы хотите разместить ссылку на эту статью на каком-либо другом ресурсе (например, на своем сайте, в социальных сетях, на дискуссионном форуме, в Википедии), вы можете получить необходимый код здесь.

HTML-ссылка на эту статью:

   
 Статья об оптических окнах 
 в  
 Энциклопедия RP Photonics  

С изображением для предварительного просмотра (см. поле чуть выше):

   
  alt ="статья">  

Для Википедии, например. в разделе «==Внешние ссылки==»:

  * [https://www.rp-photonics.com/optical_windows.html 
 статья об «Оптических окнах» в Энциклопедии RP Photonics]  

Понимание оптических окон | Эдмунд Оптикс

Оптические окна

— это плоские оптически прозрачные пластины, которые обычно предназначены для максимального пропускания в указанном диапазоне длин волн при минимальном отражении и поглощении.Они часто используются для защиты оптических систем и электронных датчиков от внешней среды. Поскольку окна не вносят в систему оптическую энергию, окна следует выбирать на основе свойств материала, характеристик оптической поверхности и механических свойств, соответствующих вашему применению.

Свойства материала

Свойства материала, включая коэффициент пропускания, показатель преломления и твердость подложки окна, могут иметь решающее значение для принятия решения о том, какое окно лучше всего подходит для вашего применения.На рисунке ниже показаны области пропускания различных материалов, которые Edmund Optics ^® предлагает в качестве окон.

Рис. 1: Зоны пропускания для оконных подложек Edmund Optics®.

Несколько других ключевых свойств для выбора подходящего окна для вашего приложения включают показатель преломления, число Аббе, плотность и коэффициент теплового расширения. В приведенном ниже руководстве по выбору перечислены оптические, механические и термические свойства наших доступных оконных подложек, а также диапазоны их размеров и толщины.

Руководство по выбору Windows
Материал	Показатель преломления (n d )	Номер Аббе (v d )	Плотность (г/см 3 )	Коэффициент теплового расширения (мкм/м°C)	Температура размягчения (°C)	Твердость по Кнупу	Диапазон размеров	Диапазон толщины
Б270	1.523	58,5	2,55	8.2	533	542	5 — 75 х 75 мм	1,0–3,0 мм
Фторид бария (BaF 2 )	1,48	81,61	4,89	18,1	800	82	5–50 мм	1,0–3,0 мм
BOROFLOAT®	1,472	65,7	2,20	3.25	820	480	5 — 200 мм	1,75–6,5 мм
Фторид кальция (CaF 2 )	1,434	95.1	3,18	18,85	800	158,3	5–50 мм	1,0–3,0 мм
Германий (Ge)	4.003	н/д	5,33	6.1	936	780	10–75 мм	1.0–5,0 мм
Стекло Gorilla®	1,509	н/д	2,44	7,88	843	5100	5 — 200 х 200 мм	1,1 мм
Фторид магния (MgF 2 )	1.413	106,2	3,18	13,7	1255	415	5–50 мм	1,0–3,0 мм
Н-БК7	1.517	64,2	2,46	7.1	557	610	5 — 75 х 75 мм	0,2–4,0 мм
Бромид калия (KBr)	1,527	33,6	2,75	43	730	7	13–50 мм	1,0–5,0 мм
Сапфир	1,768	72,2	3,97	5,3	2000	2200	2.5 — 75 мм	0,5–3,2 мм
Кремний (Si)	3.422	н/д	2,33	2,55	1500	1150	10–50 мм	1,0–3,0 мм
Хлорид натрия (NaCl)	1.491	42,9	2,17	44 ​​	801	18,2	13–50 мм	1,0–5,0 мм
УФ-плавленый кварц	1.458	67,80	2,20	0,55	1000	500	5 — 50 х 50 мм	1,0–5,0 мм
Селенид цинка (ZnSe)	2.403	н/д	5,27	7.1	250	120	10–75 мм	1,0–6,0 мм
Сульфид цинка (ZnS)	2,631	н/д	5,27	7.6	1525	120	12,5–50 мм	2,0–3,0 мм

Показатель преломления

Показатель преломления — это отношение скорости света в вакууме к скорости света в оптической среде, которое описывает, как свет замедляется при прохождении через материал. Показатель преломления оптических стекол (n _d ) указан для длины волны d-линии гелия 587,6 нм. Очки с низким показателем преломления обычно называют «коронами», а очки с высоким показателем преломления — «кремнями».»

Номер аббата

Число Аббе (v _d ) описывает дисперсию материала или изменение показателя преломления в зависимости от длины волны. Он определяется как (n _d — 1)/(n _F — n _C ), где n _F и n _C — показатели преломления при 486,1 нм (водородная f-линия) и 656,3 нм. (С-линия водорода) соответственно. Низкие числа Аббе указывают на высокую дисперсию. Стеклянные короны, как правило, имеют более высокие числа Аббе, чем кремни.

Плотность

Важно учитывать плотность стекла, поскольку она помогает определить вес оптического узла, что имеет решающее значение для приложений, чувствительных к весу.Как правило, показатель преломления стекла увеличивается с увеличением плотности. Однако зависимость между показателем преломления и плотностью не является линейной.

Коэффициент теплового расширения

Коэффициент теплового расширения описывает, как изменится размер стекла при изменении температуры. Это свойство является ключевым фактором в приложениях, связанных с экстремальными температурами и резкими перепадами температур.

Твердость по Купу

Твердость стекла по Кнупу является мерой его устойчивости к вдавливанию.Он определяется путем применения фиксированной силы с заданным индентором и измерения глубины полученного отпечатка. Чем меньше углубление, тем выше твердость по Кнупу. Как правило, материалы с высокой твердостью по Кнупу менее хрупкие и могут выдерживать большие перепады давления, чем материалы с меньшей твердостью по Кнупу.

Характеристики оптической поверхности

Характеристики поверхности оптических окон влияют на оптические характеристики и должны учитываться при выборе или спецификации окна.Важно убедиться, что ваше оптическое окно имеет соответствующие характеристики в отношении герметичности, чтобы соответствовать требованиям вашего приложения, но чрезмерный допуск окна приведет к излишнему увеличению стоимости.

Качество поверхности

Качество поверхности оптического окна — это оценка дефектов поверхности, которые могут быть вызваны во время изготовления или обращения с ним. Эти дефекты обычно вызывают небольшое снижение пропускной способности и небольшое увеличение рассеянного света, что практически не оказывает отрицательного влияния на общую производительность системы в большинстве приложений для обработки изображений или сбора света.Однако некоторые поверхности более чувствительны к этим дефектам, например поверхности в плоскостях изображения, поскольку дефекты поверхности находятся в фокусе. Окна с высоким уровнем мощности также чувствительны к поверхностным дефектам, поскольку они могут привести к повышенному поглощению энергии и повреждению окна.

Качество поверхности часто описывается стандартом США MIL-PRF-13830B. Обозначение царапин определяется путем сравнения царапин на поверхности с набором стандартных царапин в контролируемых условиях освещения.Это не прямое измерение размеров самих царапин. С другой стороны, обозначение раскопа напрямую связано с размером раскопа. Обозначение выемки рассчитывается путем деления диаметра выемки в микронах на 10.

Рис. 2: Проверка качества поверхности.

Scratch-Dig	Описание
80-50 или 40-40	Это наиболее часто используемые характеристики качества поверхности для коммерческих приложений и случаев, когда качество поверхности не является критическим.Окна для систем обработки изображений обычно попадают в эту категорию. Это наиболее экономичные варианты окон.
40-20	Используется для прецизионных операций, где важно качество поверхности. Это общая спецификация для лазерных систем малой и средней мощности и оптики меньшего размера. Есть некоторая премия по сравнению с окнами с более низким качеством поверхности.
20-10 или 10-5	Эти спецификации используются почти исключительно для мощных лазерных систем и систем очень высокой точности, где качество поверхности имеет решающее значение.Как правило, с этими характеристиками качества поверхности связана значительная надбавка к стоимости.

Таблица 2: В этой таблице показаны технические характеристики, необходимые для различных применений.

Чтобы узнать больше о спецификациях для раскопок, посетите наш раздел «Понимание спецификаций качества поверхности на основе примечаний по применению стандарта США MIL-PRF-13830B».

Плоскостность поверхности

Плоскостность поверхности измеряет отклонение окна от идеально плоской поверхности.Плоскостность поверхности образца для испытаний можно измерить с помощью оптической плоскости, которая представляет собой высокоточную плоскую эталонную поверхность. Когда поверхность контрольного окна прилегает к оптической плоскости, появляются полосы, форма которых определяет плоскостность поверхности контролируемого окна. Поверхность окна, по крайней мере, такая же плоская, как эталонная плоскость, если края равномерно расположены, прямые и параллельны. Если полосы изогнуты, ошибка плоскостности определяется количеством полос между двумя воображаемыми линиями: одной, касающейся центра полосы, и одной, проходящей через концы той же самой полосы.Отклонения плоскостности обычно измеряются в значениях волн (λ) или кратных длине волны тестируемого источника света. Каждая полоса соответствует половине волны. Неровность 1λ может использоваться для типичных приложений, но для высокоточных приложений, таких как мощные лазерные системы, требуются значения плоскостности вплоть до λ/20.

 

Рис. 3: Диаграмма, демонстрирующая работу оптической плоскости.

Плоскостность поверхности	Описание
≥1λ	Обычно используется для промышленных применений и в случаях, когда плоскостность поверхности не критична.Ровность поверхности ≥1λ является наиболее экономичным вариантом окна.
λ/4	Используется для прецизионных операций, где важно качество поверхности. Это общая спецификация для лазерных систем малой и средней мощности и оптики меньшего размера. Есть некоторая премия по сравнению с окнами с более низким качеством поверхности.
≤λ/10	Используется для мощных лазерных систем и высокоточных систем визуализации. Как правило, плоскостность поверхности ≤λ/10 связана со значительной надбавкой к стоимости.

Таблица 3: В этой таблице приведены характеристики плоскостности поверхности, необходимые для различных применений.

Плоскостность поверхности становится все более важной при использовании окна под углом обзора помимо нормального падения. Чтобы узнать больше о качестве поверхности, плоскостности поверхности и других характеристиках поверхности, ознакомьтесь с нашими рекомендациями по применению оптических характеристик.

Ошибка переданного волнового фронта

Ошибки поверхности, неоднородность показателя преломления и нагрузка на окно могут вызывать ошибки передаваемого волнового фронта.Это искажение передаваемого волнового фронта вызывает ухудшение качества изображения в системах формирования изображения и другие потери производительности в системах без формирования изображения. Ошибку передаваемого волнового фронта можно уменьшить, правильно установив окно и избегая излишней нагрузки на него. Ошибка переданного волнового фронта, наряду с плоскостностью поверхности, описывает общее качество и характеристики поверхности окна. Чтобы узнать больше о различных типах ошибок волнового фронта или оптических аберраций, посетите нашу статью «Сравнение оптических аберраций».

Антибликовые (AR) покрытия

Антиотражающие покрытия (AR) часто наносят на оптические окна, чтобы максимизировать передачу в желаемом диапазоне длин волн. Edmund Optics предлагает все окна TECHSPEC ^®  с различными вариантами антибликового (AR) покрытия, которые значительно повышают эффективность оптики за счет увеличения пропускания, повышения контрастности и устранения ложных изображений. Большинство просветляющих покрытий также очень долговечны, устойчивы как к физическим повреждениям, так и к повреждениям окружающей среды.По этим причинам подавляющее большинство передающей оптики имеет антибликовое покрытие в той или иной форме. При выборе просветляющего покрытия для вашего конкретного приложения вы должны сначала полностью знать весь спектральный диапазон вашей системы. Хотя просветляющее покрытие может значительно улучшить характеристики оптической системы, использование этого покрытия на длинах волн, выходящих за расчетный диапазон длин волн, потенциально может снизить производительность системы. На рисунке ниже показаны графики отражения всех стандартных просветляющих покрытий, которые мы предлагаем.

 

Чтобы узнать больше о просветляющих покрытиях и найти кривые покрытия для нашего полного ассортимента просветляющих покрытий, посетите наши примечания по применению антибликовых покрытий .

Эквивалентные типы стекла

Многие производители стекла предлагают материалы с одинаковыми характеристиками под разными торговыми названиями, и большинство из них модифицировали свои продукты и процессы, чтобы сделать их экологически безопасными (без содержания свинца и мышьяка). Edmund Optics использует экологически чистые очки во многих своих продуктах TECHSPEC®, но это обозначение может не отражаться в описаниях продуктов.Для продуктов, не производимых Edmund Optics, включение очков ECO зависит от производителя. После того, как предмет был переведен на стекло ECO, неэкологичные очки больше не будут использоваться. В зависимости от наличия, мы оставляем за собой право заменить эквивалентное стекло ECO в наших производственных циклах. В таблице ниже показаны стеклянные эквиваленты для обычных оптических стекол.

Эквиваленты стеклянных материалов
Перечисленное стекло Название	Номер стекла	Эквивалент Шотта	Эквивалент Охара	Эквивалент CDGM
Н-БК7	517/642	Н-БК7	С-БСЛ7	Х-К9Л
Н-К5	522/595	Н-К5	С-НСЛ5	Х-К50
Н-ПК51	529/770	Н-ПК51	–	–
Н-СК11	564/608	Н-СК11	С-БАЛ41	H-BaK6
Н-БАК4	569/561	Н-БАК4	С-БАЛ14	H-BaK7
Н-БАК1	573/576	Н-БАК1	С-БАЛ11	H-BaK8
Н-ССК8	618/498	Н-ССК8	С-БСМ 28	–
Н-ПСК53А	618/634	Н-ПСК53А	S-PHM52	–
Н-Ф2	620/364	Н-Ф2	S-ТИМ 2	H-F4
S-BSM18	639/554	–	С-БСМ18	Х-ЗК11
Н-СФ2	648/338	Н-СФ2	С-ТИМ 22	Х-ЗФ1
Н-ЛАК22	651/559	Н-ЛАК22	С-ЛАЛ54	H-LaK10
S-BAh21	667/483	–	S-BAH 11	Х-ЗБаФ16
Н-БАФ10	670/472	Н-БАФ10	S-BAH 10	Х-ЗБаФ52
Н-СФ5	673/322	Н-СФ5	С-ТИМ 25	Х-ЗФ2
N-SF8	689/312	Н-СФ8	S-ТИМ 28	Х-ЗФ10
Н-ЛАК14	697/554	Н-ЛАК14	С-ЛАЛ14	Х-ЛАК51
N-SF15	699/301	Н-СФ15	S-TIM35	Х-ЗФ11
Н-БАСФ64	704/394	Н-БАСФ64	–	–
Н-ЛАК8	713/538	Н-ЛАК8	С-ЛАЛ8	H-LAK7
С-ТИх28	722/293	–	С-ТИх28	–
N-SF10	728/284	Н-SF10	С-ТИх20	Х-ЗФ4
N-SF4	755/276	Н-СФ4	С-ТИх5	Х-ЗФ6
N-SF14	762/265	Н-СФ14	С-ТИх24	–
N-SF11	785/258	Н-СФ11	С-ТИх21	Х-ЗФ13
СФ65А	785/261	СФ65А	С-ТИх33	–
Н-ЛАСФ45	800/350	Н-ЛАСФ45	S-LAM66	H-ZLaF66
Н-ЛАСФ44	803/464	Н-ЛАСФ44	S-LAH65	Х-ЗЛаФ50Б
N-SF6	805/254	Н-SF6	С-ТИХ 6	Х-ЗФ7ЛА
N-SF57	847/238	Н-СФ57	С-ТИХ53	Х-ЗФ52
Н-ЛАСФ9	850/322	Н-ЛАСФ9	S-LAH71	–
С-НПх3	923/189	–	С-НПх3	–
N-SF66	923/209	Н-SF66	–	–

---

Нужно индивидуальное окно?

Благодаря нашим глобальным производственным возможностям мы можем сделать это для вас.

• Размеры от 3 до 500 мм с толщиной от 0,2 мм
• Десятки материалов из стандартных каталогов стекла Schott, Hoya, Ohara и CDGM
• Инфракрасные материалы, включая фториды, Ge, Si, ZnS и ZnSe
• Широкий выбор просветляющих покрытий, включая широкополосное, лазерное и токопроводящее ITO
• Варианты быстрого нанесения покрытия на готовые материалы без покрытия
• Через наши модифицированные стоковые службы
• Быстрое определение размера всех материалов из флоат-стекла по индивидуальному заказу

Оптическое волокно: Три окна – Vividcomm

Все электромагнитные сигналы распространяются на разных частотах.Электромагнитный (ЭМ) спектр – это диапазон всех видов ЭМ-излучения. Излучение — это энергия, которая перемещается и распространяется по мере своего продвижения: видимый свет, исходящий от лампы в вашем доме, и радиоволны, исходящие от радиостанции, — это два типа электромагнитного излучения. Другими типами электромагнитного излучения, которые составляют электромагнитный спектр, являются микроволны, инфракрасный свет, ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи и гамма-лучи.

Вы знаете об электромагнитном спектре больше, чем думаете.

На изображении слева показано, где вы можете столкнуться с каждой частью электромагнитного спектра в своей повседневной жизни.

Радио: Ваше радио улавливает радиоволны, излучаемые радиостанциями, и воспроизводит ваши любимые мелодии. Радиоволны также излучаются звездами и газами в космосе.

Микроволновая печь: Микроволновое излучение приготовит ваш попкорн всего за несколько минут, но оно также используется астрономами для изучения структуры ближайших галактик.

Инфракрасный: Очки ночного видения улавливают инфракрасный свет, излучаемый нашей кожей и объектами с теплом.В космосе инфракрасный свет помогает нам составить карту пыли между звездами.

Видимый: Наши глаза улавливают видимый свет. Светлячки, лампочки и звезды излучают видимый свет.

Ультрафиолет: Ультрафиолетовое излучение исходит от Солнца и является причиной загара и ожогов кожи. «Горячие» объекты в космосе также излучают УФ-излучение.

Рентген: Стоматолог использует рентгеновские лучи для визуализации ваших зубов, а служба безопасности аэропорта использует их, чтобы видеть сквозь вашу сумку. Горячие газы во Вселенной также испускают рентгеновские лучи.

Гамма-излучение: Врачи используют гамма-излучение, чтобы заглянуть внутрь вашего тела. Самым большим генератором гамма-излучения является Вселенная.

Большинство людей обычно знают, как мы относимся к частоте. Например, в Wi-Fi вы слышите о 2,4 ГГц и 5,0 ГГц. В других приложениях мы здесь около 900 МГц. Это простые способы описания частоты сигналов. Наука любит простоту, поэтому мы часто используем самые простые термины для описания сигнала. Электромагнитное излучение может быть выражено через энергию, длину волны или частоту.Частота измеряется в циклах в секунду или Герцах. Длина волны измеряется в метрах. Энергия измеряется в электрон-вольтах. Каждая из этих трех величин для описания электромагнитного излучения связана друг с другом точным математическим образом. Но зачем иметь три способа описания вещей, каждый из которых использует свой набор физических единиц? Все они описывают одно и то же — сигнал.

Короткий ответ заключается в том, что ученые не любят использовать числа больше или меньше, чем необходимо.Гораздо проще сказать или написать «два километра», чем «две тысячи метров». Как правило, ученые используют единицы измерения, наиболее подходящие для того типа электромагнитного излучения, с которым они работают.

Астрономы, изучающие радиоволны, обычно используют длины волн или частоты. Большая часть радиочасти электромагнитного спектра приходится на диапазон примерно от 1 см до 1 км, что соответствует частотам от 30 гигагерц (ГГц) до 300 килогерц (кГц). Радио — это очень широкая часть электромагнитного спектра.

Атмосфера как среда для электромагнитных сигналов

Инфракрасные и оптические астрономы обычно используют длину волны.Инфракрасные астрономы используют микроны (миллионные доли метра) для длин волн, поэтому их часть электромагнитного спектра находится в диапазоне от 1 до 100 микрон. Оптические астрономы используют как ангстремы (0,00000001 см, или 10-8 см), так и нанометры (0,0000001 см, или 10-7 см). Используя нанометры, фиолетовый, синий, зеленый, желтый, оранжевый и красный свет имеют длину волны от 400 до 700 нанометров. (Этот диапазон составляет всего лишь крошечную часть всего ЭМ-спектра, поэтому свет, который могут видеть наши глаза, — лишь малая часть всего ЭМ-излучения вокруг нас.)

Длины волн ультрафиолетовой, рентгеновской и гамма-областей спектра ЭМ очень малы. Вместо длины волны астрономы, изучающие эти части электромагнитного спектра, обычно называют эти фотоны их энергиями, измеряемыми в электрон-вольтах (эВ). Ультрафиолетовое излучение находится в диапазоне от нескольких электрон-вольт до примерно 100 эВ. Рентгеновские фотоны имеют энергию в диапазоне от 100 до 100 000 эВ (или 100 кэВ). Таким образом, гамма-лучи — это все фотоны с энергией более 100 кэВ.

Теперь, когда речь идет о оптоволоконных линиях связи, мы используем нанометры для описания длины волны. Длина волны настолько короткая, что другие способы ее описания неуклюжи и трудны для понимания.

Поскольку оптоволоконные сигналы должны распространяться через среду, часто через стекло, эта среда оказывает влияние на характеристики распространения. Не все частоты одинаково распространяются во всех средах. В оптическом волокне мы глобально остановились на трех окнах, когда стекло обеспечивает наибольшую пропускную способность.Эти окна:

• 850 нм – обычно используется для многомодовых каналов
• 1310 нм — обычно используется для одномодовых каналов — мультиплексирование с разделением курсовой волны (CWDM)
• 1550 нм — обычно используется для одномодовых каналов — плотное мультиплексирование с разделением волн (DWDM)

Мы используем нанометры для этих трех окон, так как энергия очень мала, а расстояние между пиками колебаний настолько маленькое, что его трудно описать.

Например:

• 850 нм равно 0.000033464567 дюймов
• 1310 нм равно 0,000051574803 дюйма
• 1550 нм равно 0,000061023622 дюйма

Итак, вы можете понять, почему использование термина «нанометры» гораздо проще для описания сигнала.

На заре оптоволоконной связи в качестве источника света использовался светодиод. Светодиоды в основном работают на длине волны 780 нм или 850 нм. Эта область называется первым окном передачи .

Светодиоды не могли использоваться для широкополосной передачи на большие расстояния из-за присущих им недостатков и были заменены лазерами.Лазер работает в двух диапазонах длин волн, а именно 1310 нм и 1550 нм, которые обычно называют вторым и третьим окном оптической передачи.

Волнистая линия на графике выше показывает характеристики распространения через стекло, и, как видно, она поднимается и опускается на разных длинах волн. Три цветные полосы — это три наиболее популярных окна, позволяющих свободно пропускать сигнал.

Эффекты дисперсии нулевые в окне 1310 нм, тогда как потери минимальны в окне 1550 нм.Современные оптоволоконные сети работают на длинах волн 1310 нм и 1550 нм, также набирает обороты 1490 нм благодаря системам GPON.

Диапазон длин волн 1550 нм также особенно важен для сетей WDM, которые все чаще развертываются в сетях по всему миру. Эти сети используют усилители для противодействия эффектам затухания. Обычно используемые усилители представляют собой волоконные усилители, легированные эрбием (EDFA), которые обеспечивают усиление сигнала в диапазоне длин волн около 1550 нм и 1625 нм.Это окно обычно называют окном EDFA.

Все это имеет смысл? Если у вас есть вопросы, задавайте их в комментариях, и я отвечу, как смогу.

Последнее замечание

Одной из моих главных проблем является массовая путаница в отношении пропускной способности и скорости передачи данных. Большинство людей используют эти термины взаимозаменяемо. Это в корне неверно. Да, это родственные термины, но они означают совершенно разные вещи. Если вы знаете пропускную способность, вы не можете просто транспонировать ее для скорости передачи данных.Скорость передачи данных определяется модуляцией сигнала, мощностью/энергией в эфире/среде, прямой коррекцией ошибок, расстоянием передачи, частотой, планом каналов, используемой средой, общей полезной нагрузкой, чистой полезной нагрузкой и, да, полосой пропускания. При использовании многих различных методов модуляции скорость передачи данных нельзя определить, просто зная ширину полосы или частоту сигнала. Хотя все это полезные части информации, они не совпадают и не указывают фактическую скорость передачи данных, а являются элементами, которые способствуют расчету скорости передачи данных.

Теперь ты знаешь.

---

Каталожные номера:

Смейл, А. (2013). Электромагнитный спектр . НАСА — Служба Исследовательского центра научного архива астрофизики высоких энергий (HEASARC), д-р Алан Смейл (директор), в составе Отдела астрофизических наук (ASD) НАСА / GSFC. Получено 23 декабря 2018 г. с https://imagine.gsfc.nasa.gov/science/toolbox/emspectrum1.html

.

---

Об авторе:

Майкл Мартин имеет более чем 35-летний опыт проектирования систем для широкополосных сетей, оптоволоконных, беспроводных и цифровых технологий связи.

Он является старшим руководителем группы GTS Network Services Group IBM Canada. За последние 13 лет в IBM он работал в Глобальном центре компетенций GBS в области энергетики и коммунальных услуг и Глобальном центре передового опыта GTS в области энергетики и коммунальных услуг. Ранее он был партнером-основателем и президентом MICAN Communications, а до этого был президентом Comlink Systems Limited и Ensat Broadcast Services, Inc., оба подразделения Cygnal Technologies Corporation (CYN: TSX).

В настоящее время Мартин входит в совет директоров TeraGo Inc. (TGO: TSX), а ранее работал в совете директоров Avante Logixx Inc. (XX: TSX.V).

Он является членом SCC ISO-IEC JTC 1/SC-41 – Интернет вещей и связанных с ним технологий, ISO – Международной организации по стандартизации, а также членом NIST SP 500-325 Концептуальная модель туманных вычислений, Национальная Институт стандартов и технологий.

Он работал в Совете управляющих Технологического института Университета Онтарио (UOIT) и в Совете советников пяти различных колледжей Онтарио.В течение 16 лет он входил в состав правления Общества инженеров кино и телевидения (SMPTE), секция Торонто.

Имеет три степени магистра в области бизнеса (MBA), коммуникаций (MA) и образования (MEd). Кроме того, он имеет дипломы и сертификаты в области бизнеса, компьютерного программирования, межсетевого взаимодействия, управления проектами, средств массовой информации, фотографии и коммуникационных технологий.

 

Прозрачное дерево может стать окном будущего

Автор: Эми Андрофф, Лаборатория лесных товаров, и Роберт Вестовер, Управление по связям с общественностью, Лесная служба Министерства сельского хозяйства США в Лесное хозяйство

29 июля 2021 г.

Кусок стекла на фотографии выше был сделан из дерева.Исследовательская работа в Лаборатории лесных товаров по использованию дерева для создания прозрачных окон продвигается вперед. (Фото Лесной службы Министерства сельского хозяйства США)

Может ли взгляд сквозь деревья быть взглядом на более зеленое будущее? Деревья, заменяющие прозрачные стекла в ваших окнах, — это не произведение научной фантастики. Это происходит сейчас.

Исследователь Лаборатории лесных товаров (FPL) Джуньонг Чжу в сотрудничестве с коллегами из Университета Мэриленда и Университета Колорадо разработал прозрачный древесный материал, который может стать окном завтрашнего дня.Исследователи обнаружили, что прозрачная древесина может превзойти стекло, используемое в настоящее время в строительстве, практически во всех отношениях.

Их результаты были опубликованы в журнале Advanced Functional Materials в статье «Чистая, прочная и теплоизолированная прозрачная древесина для энергоэффективных окон».

Несмотря на то, что стекло является наиболее распространенным материалом, используемым в оконных конструкциях, оно имеет высокую экономическую и экологическую цену.

Тепло легко передается через стекло, особенно через одно стекло, и приводит к более высоким счетам за электроэнергию, когда оно уходит в холодную погоду и проникает внутрь, когда тепло.Производство стекла в строительстве также имеет большой углеродный след. Производственные выбросы составляют примерно 25 000 метрических тонн в год.

Теперь прозрачная древесина становится одним из самых многообещающих материалов будущего.

Прозрачная древесина создается, когда древесину из быстрорастущего бальзового дерева с низкой плотностью обрабатывают при комнатной температуре в окислительной ванне, которая отбеливает почти всю видимость. Затем древесину пропитывают синтетическим полимером, называемым поливиниловым спиртом (ПВА), в результате чего получается практически прозрачный продукт.

Натуральная целлюлоза в структуре древесины и энергопоглощающий полимерный наполнитель в прозрачной древесине означают, что она намного прочнее и легче стекла. Он может выдерживать гораздо более сильные удары, чем стекло, и, в отличие от стекла, гнется или раскалывается, а не разбивается.

Переход на прозрачную древесину также может оказаться экономически выгодным. Он примерно в пять раз более термически эффективен, чем стекло, что снижает затраты на электроэнергию. Он изготовлен из устойчивого, возобновляемого ресурса с низким уровнем выбросов углерода.Он также совместим с существующим промышленным технологическим оборудованием, что упрощает переход к производству.

Со всеми этими потенциальными преимуществами для потребителей, производства и окружающей среды доводы в пользу прозрачной древесины не могут быть… яснее.

Написать ответ

Комментарии

Оптическая прозрачность — обзор

14.1 Введение

Халькогенидные стекла (ХС) известны как перспективные материалы оптоэлектроники с высокой оптической прозрачностью в инфракрасной (ИК) области телекоммуникационных окон 3-5 и 8-12 мкм [1, 2].В связи с этим ИК-прозрачность ХГ увеличивается в линии составов «сульфид-селенид-теллурид» [3]. Недавнее исследование [4] указывает на практическую возможность расширения окна прозрачности ХГ в ИК-диапазоне в сторону более длинных волн до 20 мкм без какой-либо очистки исходных элементов за счет добавления количества Te в систему Ge-Te-Se. ХГ, прозрачные в дальней ИК-области, могут быть использованы для решения задач, связанных с глобальным потеплением или «парниковым эффектом» [5], а именно для прямого спектрального анализа углекислого газа из-за его сильного поглощения в области 15 мкм, на разработку новых ИК-оптических материалов для космонавтики ([4] и ссылки в ней) и т.д.Современное направление исследований ХГ называется халькогенидной фотоникой [6].

Основным недостатком ХГ является их естественное физическое старение, которое может достигать 20 лет [7,8]. Авторы [9] показали, что радиационная обработка Se-богатых стекол As-Se высокоэнергетическими γ-квантами источников ⁶⁰ Со (средняя энергия — 1,25 МэВ) с общей продолжительностью около 2 месяцев, накопленная доза близка к 2 МГр, приводит к ускорению процессов физического старения. С другой стороны, γ-облучение может вызвать изменение структуры стекла и его физико-химических свойств.Так что в большей степени это будет происходить в сульфидной системе ХГ, для которых характерна повышенная чувствительность к радиационному воздействию [10].

Несмотря на многочисленные исследования радиационно-стимулированных процессов в ХГ, микро-/наноструктурные механизмы радиационно-индуцированных изменений, в том числе для модельного объекта типа As ₂ S ₃ , до конца не изучены и не интерпретированы. Это связано, прежде всего, с различными подходами к происхождению дефектов ХГ, подверженных внешним воздействиям (напр.г., фотооблучение и γ-облучение). Например, существует подход, основанный на образовании сверхкоординированных положительно заряженных и недокоординированных отрицательно заряженных координационных или заряженных дефектов при облучении [11,12] в результате разрыва ковалентной связи (гетеро- или гомоядерной) и ее переключение на другой (гомо- или гетероядерный) с появлением так называемых пар валентного чередования (ВАП) [13,14]. Но квантово-химические расчеты [15] показали, что общепринятое представление о ВАП необходимо пересмотреть, поскольку для образования пар разделенных заряженных точечных дефектов типа С ₃ ⁺ и С ₁ ⁻ требуется слишком много много энергии.В отличие от заряженных дефектов в дефектном механизме переключения связей, другим подходом является интерпретация фотоиндуцированных структурных изменений в g-As ₂ S ₃ (g- для стекловидного) по недефектному механизму в рамках модели искажения из-за искажения связей AsSAs при облучении [16]. Прогнозируется, что структурная характеристика радиационно-стимулированных процессов в ХГ с помощью высокоточных и информативных экспериментальных средств прольет свет на этот вопрос.

Таким образом, изучение радиационно-структурных изменений в ХГ, подвергнутых длительному γ-облучению, с помощью структурно-чувствительных методик представляет принципиальный и практический интерес.

Поскольку ХГ как типичные представители топологически неупорядоченных твердых тел характеризуются термодинамической метастабильностью [17], со структурной точки зрения существенную роль играет не только атомарная, но и пустотная организация. Таким образом, исследования радиационно-структурных изменений в ХГ необходимо проводить на атомно- и пустотном наноуровне.

Учитывая существующее широкое применение ХГ в качестве перспективных материалов для ИК оптических волокон, важно расширить практическую область их применения в халькогенидной фотонике.Известно, что композиционные волноводные материалы на основе оптически прозрачных диэлектриков и полупроводников с металлическими наночастицами (МНЧ), зондируемые лазерным излучением с пико- или фемтосекундными импульсами, демонстрируют потенциальные применения в оптоэлектронике и нелинейной оптике [18]. Коллективное возбуждение электронов проводимости в МНЧ (поверхностный плазмонный резонанс; ППР), индуцированное электромагнитной волной, и связанное с этим усиление локального поля стимулируют различные резонансные оптические и нелинейно-оптические эффекты частиц в широком спектральном диапазоне.Таким образом, очень важным в фундаментальном и практическом аспектах является изучение оптических и нелинейно-оптических свойств ХГ с МНЧ как перспективных новых композиционных материалов для фотоники.

Поэтому в настоящей работе мы обращаем внимание на наши недавние результаты, касающиеся структурной характеристики радиационно-стимулированных процессов в ХГ на наноуровне атомов и пустот и разработки новых композиционных материалов ХГ с МНЧ методом ионной имплантации.

Прозрачная пленка на основе нановолокна с регулируемой функцией регулировки оптической прозрачности для универсальных бионических приложений

Lee, S.ГРАММ.; Ли, Д.Ю.; Лим, HS; Ли, Д.Х.; Ли, С.; Чо, К. Переключаемая прозрачность и смачивание эластомерных смарт-окон. Доп. Матер. 2010 , 22 , 5013–5017.

КАС Статья Google ученый

Бехингер, К.; Феррере, С .; Забан, А .; Спраг, Дж.; Грегг Б.А. Фотоэлектрохромные окна и дисплеи. Природа 1996 , 383 , 608–610.

КАС Статья Google ученый

Божуж, П.М.; Рейнольдс, Дж. Р. Контроль цвета в π-сопряженных органических полимерах для использования в электрохромных устройствах. Хим. 2010 , 110 , 268–320.

КАС Статья Google ученый

Гранквист, К.Г. Оксидная электрохромия: введение в устройства и материалы. Сол. Энергия Матер. Сол. Ячейки 2012 , 99 , 1–13.

КАС Статья Google ученый

Гранквист, К.G. Электрохромные материалы для умных окон: тонкие пленки и устройства на основе оксидов. Тонкие твердые пленки 2014 , 564 , 1–38.

КАС Статья Google ученый

Lampert, C. M. Хромогенные умные материалы. Матер. Сегодня 2004 , 7 , 28–35.

КАС Статья Google ученый

Лю Ф.; Цао, Х .; Джи, П.Ф.; Лю, KQ; Эллахи, М.; Ян, З .; Ян, Х. Получение и электрооптические свойства полимерных дисперсных жидкокристаллических пленок на основе полиуретановой матрицы. Подбородок. Дж. Лик. Кристалл. Дисплеи 2013 , 28 , 1–6.

Google ученый

Ву, Дж. Ю.; Ким, Б.К. Влияние поверхностно-активных веществ на морфологию и переключение голографических PDLC на основе полиуретанакрилатов. Хим. физ. хим. 2007 , 8 , 175–180.

КАС Статья Google ученый

Батхелт, Р.; Буххаузер, Д.; Гардиц, К.; Паецольд, Р.; Веллманн, П. Извлечение света из органических светодиодов для освещения за счет рассеяния света. Орг. Электрон. 2007 , 8 , 293–299.

Артикул Google ученый

Гранквист, К.ГРАММ.; Грин, С .; Никлассон, Г.А.; Млюка, Н. Р.; фон Кремер, С.; Георген, П. Достижения в области хромогенных материалов и устройств. Тонкие твердые пленки 2010 , 518 , 3046–3053.

КАС Статья Google ученый

Гранквист, К. Г. Хромогенные окна. В адаптивных, активных и многофункциональных системах интеллектуальных материалов. 2013; стр. 108–117.

Эрнандес, Т. С.; Бариле, С.Дж.; Стрэнд, Массачусетс; Дайрит, TE; Слоткевидж, DJ; McGehee, MD. Бистабильные черные электрохромные окна на основе обратимого электроосаждения металлов Bi и Cu. ACS Energy Письмо. 2018 , 3 , 104–111.

КАС Статья Google ученый

Бариле, С. Дж.; Слоткевидж, DJ; Хоу, JY; Стрэнд, Массачусетс; Эрнандес, Т.С.; McGehee, MD. Динамические окна с нейтральным цветом, высокой контрастностью и превосходной долговечностью с использованием обратимого электроосаждения металла. Джоуль 2017 , 7 , 133–145.

Артикул Google ученый

Барклай, Д. Дж.; Берд, CL; Мартин, Д. Х. Соображения по скорости электрохромных дисплеев. Дж. Электрон. Матер. 1979 , 8 , 311–331.

КАС Статья Google ученый

Зон, К. С.; Тимильсина, С.; Сингх, С.П.; Ли, JW; Ким, Дж. С. Механолюминесцентный датчик ZnS:Cu/родамин/SiO ₂ /PDMS и пьезорезистивный гибридный датчик CNT/PDMS: излучение красного света и стандартизированная количественная оценка деформации. Приложение ACS Матер. Интерфейсы 2016 , 8 , 34777–34783.

КАС Статья Google ученый

Шин, Ю. В.; О, Дж. П.; Хонг, CW; Ким, Э. М.; Ву, Джей Джей; Хео, Г. С.; Ким, Дж. Х. Происхождение механолюминесценции от частиц ZnS, легированных медью, встроенных в эластомерную пленку, и ее применение в гибких электромеханолюминесцентных осветительных устройствах. Приложение ACS Матер. Интерфейсы 2016 , 8 , 1098–1103.

КАС Статья Google ученый

Чон, С. М.; Песня, С .; Джу, К.И.; Ким, Дж.; Хван, SH; Чон, Дж.; Ким, Х. Яркая, управляемая ветром белая механолюминесценция от микрочастиц сульфида цинка, встроенных в полидиметилсилоксановый эластомер. Энергетическая среда. науч. 2014 , 7 , 3338–3346.

КАС Статья Google ученый

Онодера Р.; Секи, Ю.; Секи, С .; Ямада, К.; Савада, Ю.; Учида, Т. Умные окна, переключаемые между прозрачным, зеркальным и черным состояниями, изготовленные с использованием шероховатой и гладкой пленки оксида индия-олова, нанесенной методом распыления химического осаждения из паровой фазы. Заяв. физ. Экспресс 2013 , 6 , 026503.

Артикул Google ученый

Мун, Х.К.; Лодж, ТП; Frisbie, CD Электрохемилюминесцентные ионные гели, пригодные для обработки в растворе, для гибких низковольтных излучающих дисплеев на пластике. Дж. Ам. хим. соц. 2014 , 136 , 3705–3712.

КАС Статья Google ученый

Иба, Х.; Чанг, Т .; Кагава, Ю. Оптически прозрачный композит с эпоксидной матрицей, армированный непрерывным стекловолокном: изготовление, оптические и механические свойства. Композ. науч. Технол. 2002 , 62 , 2043–2052.

КАС Статья Google ученый

Мэн, Л.Дж.; Ниу, FH; Дэн, П.Дж.; Ли, Н .; Лв, Ю.; Хуанг, М. Х. Опоры из нановолокна Electrospun с биоинспирированной модификацией позволили создать высокоэффективные композитные мембраны прямого осмоса. Композ. коммун. 2020 , 22 , 100473.

Артикул Google ученый

Рен, Х.В.; Сюй, С .; Ву, С. Т. Жидкий кристалл с градиентной полимерной сеткой с большим изменением показателя преломления. Опц. Экспресс 2012 , 20 , 26464–26472.

КАС Статья Google ученый

Кан С.; Лин, Х .; День, Д.Э.; Стоффер, Дж. О. Оптически прозрачные полиметилметакрилатные композиты, изготовленные из стеклянных волокон с переменным показателем преломления. Дж. Матер. Рез. 1997 , 12 , 1091–1101.

КАС Статья Google ученый

Круг, Д. Дж., III; Асунсьон, МЗ; Попова, В.; Лайне, Р. М. Прозрачные композиты, армированные стекловолокном. Композ. науч. Технол. 2013 , 77 , 95–100.

КАС Статья Google ученый

Новак Б. М. Гибридные нанокомпозитные материалы — между неорганическими стеклами и органическими полимерами. Доп. Матер. 1993 , 5 , 422–433.

КАС Статья Google ученый

Ноги, М.; Yano, H. Прозрачные нанокомпозиты на основе целлюлозы, вырабатываемой бактериями, предлагают потенциальные инновации в индустрии электронных устройств. Доп. Матер. 2008 , 20 , 1849–1852.

КАС Статья Google ученый

Чо, А. Р.; Ким, С.Х.; Ли, EW; Гвак, Г.; Джанг, Дж .; Park, L.S. Гибкий OLED-экран, изготовленный на пленке, армированной стеклотканью, с высокими эксплуатационными характеристиками. Мол. Кристалл. жидкость Кристалл. 2014 , 602 , 26–33.

КАС Статья Google ученый

Лим Ю.В.; Квон, О. Э.; Канг, С. М.; Чо, Х .; Ли, Дж.; Парк, Ю.С.; Чо, Н.С.; Джин, WY; Ли, Дж.; Ли, Х. и др. Встроенная гибридная силоксановая пленка, армированная матовой стеклотканью, для эффективных органических светоизлучающих диодов (OLED). Доп. Функц. Матер. 2018 , 28 , 1802944.

Артикул Google ученый

Ли, К.ЧАС.; Лим, HS; Ким, Дж.; Чо, Дж. Х. Обратимо переключаемая прозрачность в интеллектуальных окнах, индуцированная противоионами. ACS Nano 2011 , 5 , 7397–7403.

КАС Статья Google ученый

Ван Д.; Солнце, Г.; Chiou, B.S. Высокопроизводительный, контролируемый и экологически безопасный процесс изготовления термопластичных нановолокон. Макромоль. Матер. англ. 2007 , 292 , 407–414.

КАС Статья Google ученый

Сюэ Д.; Ван, В .; Пяо, Л.Х.; Ли, М.Ф.; Ван, С.; Сян, CX; Wang, D. PVA- co -PE нановолокна, синергетически армированные композитные пленки с высокой прозрачностью и гибкостью. Композ. коммун. 2020 , 20 , 100371.

Артикул Google ученый

Тойвонен, М.С.; Онелли, О. Д.; Джакуччи, Г.; Ловикка, В.; Рохас, О.Дж.; Иккала, О .; Виньолини, С. Аномальная диффузионная яркость в мембранах из нанофибрилл белой целлюлозы. Доп. Матер. 2018 , 30 , 1704050.

Артикул Google ученый

Caseri, W. Нанокомпозиты полимеров и металлов или полупроводников: исторический фон и оптические свойства. Макромоль. Быстрое общение. 2000 , 21 , 705–722.

КАС Статья Google ученый

Сюн Б.; Чжун, WB; Чжу, В.; Лю, К .; Ли, М.Ф.; Солнце, Г.; Ван, Д. Высокопрозрачные и скручивающиеся нановолокна PVA- co -PE, синергетически армированные эпоксидной пленкой, для гибких электронных устройств. Наномасштаб 2017 , 9 , 19216–19226.

КАС Статья Google ученый

Датчики | Бесплатный полнотекстовый | Поддержание прозрачности нагретой МЭМС-мембраны для обеспечения долгосрочных оптических измерений сажесодержащих выхлопных газов

1.Введение

Полная характеристика выхлопных газов необходима для соблюдения все более строгих требований к автомобильным выбросам. Современные датчики выхлопных газов основаны на устройствах, находящихся в непосредственном контакте с потоком газа, таких как электрохимические датчики для измерения состава газа [1] и датчики электропроводности (кондуктометрические) для твердых частиц (ТЧ) [2]. ]. Следующее поколение датчиков для проверки соответствия требованиям по выбросам должно быть пригодно для измерения количественной концентрации частиц сажи (PN) в зависимости от их распределения по размерам, чего трудно достичь при использовании современных кондуктометрических датчиков сажи. 3].Оптические методы обеспечивают более надежный подход в суровых условиях содержания сажесодержащего газа в выхлопной трубе двигателя внутреннего сгорания и позволяют бесконтактным способом собирать больше информации по сравнению с используемыми в настоящее время методами при условии, что поддерживается оптический доступ. Необходимо предотвратить отложение сажи на окне, из которого открывается вид на выхлопную трубу. Снижение пропускания света через окно с течением времени из-за накопления таких светопоглощающих слоев загрязняющих веществ на пути его распространения препятствовало реализации потенциально многообещающих оптических подходов к измерению свойств выхлопных газов [4].Интересующие свойства газа, такие как состав, можно анализировать с помощью абсорбционной спектроскопии, а распределение частиц сажи по размерам с помощью спектроскопии углового рассеяния. Сообщалось о результатах кратковременного измерения состава выхлопных газов на основе абсорбционной спектроскопии с использованием зондов из стекловолокна для пропускания света в выхлопную систему [5,6,7,8]. Оптическое окно также является функциональной частью зонда для исследования лазерно-индуцированного накаливания (LII) на частицах сажи [9]. Однако продолжительность отчетных испытаний на реальных выхлопных газах не превышает 30 мин [10].Таким образом, подходы к восстановлению или сохранению прозрачности окон являются важной предпосылкой для успешного внедрения оптических методов для долгосрочного мониторинга выбросов выхлопных газов на месте, как того требуют правила. Чем холоднее стенка выхлопной трубы, тем части при нормальной работе двигателя внутреннего сгорания. В результате горения образуются горячие отработавшие газы и, следовательно, температурные градиенты в выхлопной трубе с нисходящей максимальной температурой в центре любой площади поперечного сечения в осевом направлении и минимальной у стенки.Радиальный градиент температуры вызывает термофоретическую силу, которая притягивает частицы сажи в газовом потоке к более холодной внутренней поверхности стенки. Термофорез (или термомиграцию, или термодиффузию) можно объяснить, обратившись к температурной зависимости броуновского движения молекул газа, которое увеличивается с температурой. В очень упрощенной интерпретации молекулы газа между частицей и центром проточного канала вибрируют более энергично по сравнению с теми, что находятся между частицей и более холодной стенкой, что создает результирующую силу, толкающую частицу к стенке.Более фундаментальный анализ этого явления можно найти в литературе, например, у Баканова [11]. Термофорез фактически является частью рабочего механизма кондуктометрического датчика ТЧ. Напряжение смещения постоянного тока (DC) около 45 В прикладывается к двум встречно-штыревым электродам (IDE). Частицы сажи в отработавших газах, протекающих вдоль поверхности датчика, притягиваются к поверхности датчика из-за комбинированного действия термофоретической силы притяжения (из-за более холодной поверхности стенки, на которой установлен датчик) [12] и электрофоретической силы ( за счет электростатического поля), действующего на заряженные частицы [13].В результате частицы сажи оседают и образуют дендриты (соединенные цепочки частиц) на поверхности датчика, в конечном итоге соединяя два IDE. Поскольку углерод электропроводен, такой дендрит образует электропроводящую дорожку. Результирующее снижение сопротивления используется в качестве меры ПМ [2].

В этой работе окно, состоящее из оптически прозрачной собственной поли-SiC-мембраны диаметром от 100 мкм до 2000 мкм, было изготовлено по технологии микроэлектромеханических систем на основе кремния (МЭМС).Нагреватели поли-SiC, легированные N, изготавливаются поверх мембраны, и исследуются два режима работы для сохранения прозрачности. В первом режиме прозрачность окна периодически восстанавливается за счет импульсного нагрева мембраны с помощью встроенного резистора для нагрева до температур, приводящих к окислению (сгоранию) отложившейся сажи (600–700 °С). Во втором режиме мембрана остается прозрачной за счет непрерывного нагрева с использованием того же встроенного резистора, что приводит к увеличению температуры ΔT, обычно на 40–100 °C по сравнению с температурой окружающего газа, воздействию которого она подвергается (обычно на 400°С). °С).Возникающая в результате термофоретическая сила отталкивает находящиеся в воздухе частицы сажи в непосредственной близости от поверхности и предотвращает отложения на мембране. Предусмотрена комбинированная работа с непрерывным использованием режима 2 для сведения к минимуму отложений и режима 1 через равные промежутки времени для удаления любых оставшихся отложений. Типовая система включает в себя несколько окон, установленных на стенке выхлопной трубы, одни из которых обеспечивают доступ светового луча, предназначенного для взаимодействия с газом, а другие — обеспечивают передачу полученного информационного модулированного света на детектор.Интегральные резисторы

используются в кондуктометрическом датчике РМ для регулярного нагрева датчика до температуры около 600 °С для периодического окисления (сжигания) сажи, что называется «регенерацией поверхности» [12]. Этот известный механизм регенерации поверхности в принципе может быть реализован непосредственно для периодического восстановления прозрачности окна. Однако следует соблюдать осторожность с любыми оставшимися тонкими пленками, например, масла. В случае света с длиной волны λ остаток с (оптической) толщиной в диапазоне λ/10–λ/2 может вызвать интерференцию, существенно влияющую на оптическое спектральное пропускание, в то время как такая пленка может не оказывать заметного влияния на правильная работа кондуктивного датчика РМ.Следовательно, наличие и влияние таких пленок необходимо исследовать для оценки эффективности работы режима 1 для оптической регенерации поверхности мембраны. Термофорез был исследован в кондуктометрических датчиках PM как средство контроля чувствительности. Подтверждено снижение чувствительности при повышении температуры [12]. Термофорез также можно использовать для очистки выбранной области поверхности от отложений путем преднамеренного локального нагрева поверхности датчика до температур, немного превышающих температуру выхлопных газов, для отталкивания частиц в воздухе.Представлены результаты использования термофореза для поддержания прозрачности окна (называемого здесь режимом 2). Нагрев мембранных структур, изготовленных по кремниевой МЭМС-технологии, широко описан в литературе и обычно включает комбинацию материалов (поли) кремний, оксид кремния и нитрид кремния со встроенными резистивными нагревателями. Применения находятся в устройствах, которым требуется температура всего на несколько градусов выше температуры окружающей среды, таких как датчики теплового потока [14], в то время как нагрев используется в тонкопленочных датчиках газа на основе SnO ₂ для установки температуры поверхности для максимальной чувствительности [ 15].Для использования в инфракрасных (ИК) оптических приложениях были изготовлены излучатели черного тела с горячей проволокой [16]. Обычно обогреваемые устройства изготавливаются на мембранной или керамической подложке, чтобы ограничить потери тепла из-за теплопроводности в окружающую среду и, таким образом, обеспечить энергоэффективную работу.

Представленное здесь применение регенерируемого оптического окна предъявляет особые требования. Во-первых, выхлопная среда обычно считается агрессивной средой как с термической, так и с химической точек зрения.Нагрев до температуры мембраны 700 °С необходим для восстановления прозрачности окна путем окисления отложившейся сажи. Во-вторых, материал мембраны предпочтительно должен быть прозрачным в диапазоне от ближнего ультрафиолетового (УФ) (220 нм) до среднего ИК-диапазона (5 мкм). Обычный мембранный материал, такой как SiO ₂ , удовлетворяет этому требованию, в то время как другие материалы, такие как Si ₃ N ₄ , менее пригодны. Поликремний (поли-Si) можно считать прозрачным материалом только в ИК-диапазоне (и сильно поглощающим в видимом диапазоне спектра).Электропроводящие слои, используемые для изготовления нагревателя, желательно также должны быть прозрачными.

Карбид кремния (SiC) является очень подходящим строительным материалом как для прозрачной мембраны, так и для конструкции нагревателя. SiC имеет множество преимуществ по сравнению с основной кремниевой технологией. Большое значение для рассматриваемого здесь применения регенерируемого оптического окна имеют его высокая химическая инертность, оптические свойства и высокая температура плавления, но его высокая теплопроводность, высокое критическое электрическое поле, высокий модуль Юнга, высокая радиационная стойкость и высокая акустическая скорость являются значительными преимуществами. в других приложениях.Более того, из-за большой ширины запрещенной зоны микроэлектронные компоненты могут работать при повышенных температурах, даже выше 500 °C [17,18]. Технология на основе SiC уже считается зрелой для производства силовой электроники, но разработки в области разработки МЭМС-датчиков для суровых условий продолжаются [19]. Действительно, SiC уже рассматривался в литературе для изготовления нагревательных излучателей, работающих при высоких температурах [20]. Среди различных доступных форм и политипов наиболее распространенным кандидатом для обработки устройств МЭМС является 3C-SiC в поликристаллической форме.Преимущества этого материала заключаются в том, что его можно конформно осаждать в печи химического осаждения из паровой фазы низкого давления (LPCVD), в то время как легирование на месте применяется для контроля уровня легирования и уровня остаточного напряжения в полученном поликристаллическом слое. В этой работе используется потенциал интеграции осаждения материала поли-SiC с кремниевыми подложками вместе с портфелем кремниевых технологий. Подробная информация об осаждении и характеристике слоев, используемых в этой работе, сообщается в литературе [21].

Intrinsic SiC можно рассматривать как оптический материал с низкими потерями в спектральном диапазоне от 400 нм до 2 мкм. Однако, в зависимости от концентрации легирования, легированный SiC можно использовать в качестве оптического материала с приемлемыми характеристиками в спектральном диапазоне от 400 до 800 нм. Это ограничение, по сравнению с желательным преобразованием УФ в ИК, ограничивает область применения видимым светом. Показатель преломления n и коэффициент экстинкции k SiC и их зависимости от длины волны зависят от специфики осаждения.

Вопросы проектирования представлены в следующем разделе, после чего следует изготовление. Результаты экспериментальной проверки представлены в разделе 3. В заключении даны выводы и направления дальнейших исследований.

2. Материалы и методы

2.1. Дизайн SiC Windows

Концептуальная структура оптического окна с компонентами, необходимыми для восстановления или поддержания прозрачности путем (а) окисления отложений и (б) создания термофоретических сил, схематически показана на рисунке 1.Мембранный слой и кольцеобразный нагреватель четко различимы.

Структура в основном состоит из подвесной оптически прозрачной мембраны. Электропроводящий слой сверху выполнен в виде резистора и может использоваться для нагрева мембраны. Нагреватель можно использовать как для регенерации поверхности в режиме 1, так и для термофоретического отталкивания в режиме 2. Желательно, чтобы нагреватель был оптически прозрачным для эффективного использования всей площади мембраны в качестве окна.В случае значительных различий в оптическом пропускании между материалом мембраны и нагревателя или различий в их зависимости от длины волны в рассматриваемом спектральном диапазоне следует использовать конструкцию, блокирующую свет в месте расположения последнего, чтобы избежать зависимое среднее пропускание по всей площади окна. Уменьшенная площадь, доступная в качестве окна из-за непрозрачных электродов и нагревателя, иногда определяется в оптике с точки зрения «коэффициента заполнения» (т. Е. Доля площади, которая может быть фактически использована).Объемная микрообработка кремниевой подложки в процессе глубокого реактивного ионного травления (DRIE) применяется для изготовления диэлектрической мембраны, которая должна функционировать как оптическое окно.

Размеры мембраны представляют собой компромисс между минимальной апертурой, необходимой для прохождения практического светового луча, и максимальным диаметром, который может выдерживаться с учетом остаточного напряжения в слоях, составляющих мембрану, и ее толщины. Абсолютное значение растягивающего напряжения увеличивается с увеличением концентрации легирующей примеси в рассматриваемых слоях поли-SiC.Желательна растягивающая нагрузка от небольшой до умеренной для получения натянутой (т.е. плоской, не деформированной) мембраны. Слой SiO ₂ выполняет функцию посадочного слоя для сквозного травления, и его толщина была выбрана равной 2 мкм. Чтобы получить мембрану с минимальным оптическим ослаблением, ее толщина должна быть минимальной. С другой стороны, большая толщина обеспечивает более высокую механическую прочность, что требуется с учетом применения в автомобильной выхлопной среде.Толщина мембранного слоя была рассчитана на 500 нм. Диаметр окон колеблется от 50 мкм до 2000 мкм.

Для оптимальной работы прозрачного окна желателен равномерный температурный профиль с минимальной площадью мембраны, занимаемой обогревателями. Кроме того, следует учитывать энергоэффективность. Ограничение диффузии тепла от мембраны к окружающему ободу предполагает, что внешняя часть нагревателя должна находиться на определенном расстоянии от обода, что делает неизбежным компромисс между равномерным температурным профилем и малым рассеиванием мощности.Для анализа геометрии нагревателя и мембраны был применен трехмерный анализ методом конечных элементов (МКЭ) с использованием измеренных свойств материала и учетом реальных условий потока. Компоновка была оптимизирована для равномерной температуры при заданной рассеиваемой мощности.

LPCVD используется для осаждения собственной пленки SiC и пленки SiC с высоким содержанием примесей. Поверхностное сопротивление осажденных пленок измеряли с использованием четырехточечного измерения Кельвина. На основании большой разницы между сопротивлениями собственного SiC (около 440 Ом·см) и сильнолегированного слоя SiC (ρ _HIGH = 3.36 × 10 ⁻³ Ом·см) можно подсчитать, что плотности тока в этих слоях различаются на три порядка. Основываясь на большой разнице объемного электрического сопротивления между собственным и высоколегированным вариантом слоя поли-SiC, было решено, что пассивирующий слой между слоями нагревателя и мембраны не нужен, что способствует удобству изготовления. Эти значения были включены в модель конечных элементов (FEM) для анализа различных конструкций нагревателей в реальных условиях, и результаты показаны на рисунке 2.Учитывались потери тепла за счет теплопроводности в мембране и газе и конвекции через быстротекущий газ над мембраной, в то время как потери на излучение оценивались как намного меньшие кондуктивных потерь и не учитывались. Кроме того, в этих моделях не учитывается температурный коэффициент удельного сопротивления (ТКС) нелегированного SiC. Эти допущения ограничивают достоверность моделирования более низким диапазоном рабочих температур. Диаметр мембраны поддерживался постоянным на уровне 1000 мкм, и показан температурный профиль нагревателя с разным числом витков.Ширина проволоки составляла 20 мкм.

При постоянной подводимой мощности 3 Вт структура с большим количеством контуров нагревателя создает более высокую пиковую температуру в ее центре. Большинство реализаций основаны на конструкциях нагревателей с четырьмя петлями, позволяющих обеспечить пиковую температуру более 700 ° C для более чем 40% площади мембраны в случае диаметра, превышающего 1000 мкм.

Распространение сажи и ее накопление с течением времени при размещении в канале потока является еще одним важным аспектом конструкции мембраны, которую можно моделировать для различных условий эксплуатации.При моделировании использовался проточный канал диаметром 5 мм, а газ и стенка проточного канала имеют температуру 50 и 30 °C соответственно. При заданных размерах и потоке можно предположить ламинарный поток, что ограничивает чувствительность результатов к изменениям фактического диаметра канала потока. Наличие обогреваемого окна приводит к распределению температуры вдоль канала, что используется для расчета термофоретических сил, вызванных градиентом температуры, действующих на частицы.Частицы сажи переносятся ламинарным потоком со скоростью, изменяющейся от близкой к нулю в пограничном слое у стенок канала до максимального значения в центре. При моделировании предполагается, что осаждение происходит, когда скорость частицы в пограничном слое потока становится равной нулю из-за силы термофоретического увлечения. Взаимодействия между частицами в этих симуляциях не учитываются. На рис. 3 показан температурный профиль и результирующее накопление сажи вдоль канала, смоделированное в двухмерном поперечном сечении, с частицами сажи, поступающими слева, и положением площади мембраны между 3000 мкм и 4000 мкм по горизонтальной оси.На рис. 3а показано равномерное отложение частиц сажи на двух противоположных стенках проточного канала. Моделирование не учитывает какую-либо локальную турбулентность в потоке, которая пополняет частицы в пограничном слое потока путем перемешивания из центра, что приводит к кажущемуся истощению частиц сажи в потоке после длины 4000 мкм. Как показано на рисунке 3b, температурный градиент, вызванный наличием обогреваемого окна, предотвращает осаждение частиц на окне. Результаты моделирования также показывают, что отталкивающая термофоретическая сила, действующая на приближающиеся частицы, не только отталкивает частицы от области мембраны, но и приводит к накоплению отложений до того, как частицы достигнут области обогреваемого окна.Термофоретическое отталкивание противодействует движению частиц, приближающихся к мембране вдоль стенки, таким образом, оно ощущается как дополнительная сила притяжения с повышенным локальным отложением. На рис. 3б также видно, что количество частиц, осевших на противоположной стенке после мембраны, больше по сравнению с ненагретым случаем. Это можно объяснить тем, что термофоретическая сила действует на частицы вовне. Такого эффекта можно было ожидать только при ламинарном течении, в котором отсутствуют турбулентные силы, которые могли бы противодействовать термофоретической силе на больших расстояниях.

2.2. Изготовление

Собственный слой SiC используется в качестве оптического окна, а сильнолегированный слой формирует структуру нагревателя. Поликарбид кремния наносится с помощью LPCVD, где можно регулировать потоки газа-предшественника. Соотношение между двумя газами-предшественниками обозначается коэффициентом газового потока (GFR). СКФ существенно определяет состав слоя SiC и его физические свойства. Кроме того, во время осаждения может быть добавлен аммиак, что приводит к легированию азотом (n-тип).Для собственного (нелегированного) карбида СКФ выбирают таким образом, чтобы получить максимальное удельное сопротивление. Более подробная информация об осаждении поликристаллических слоев SiC представлена ​​Morana et al. [21].

Практическая реализация SiC в качестве материала для прозрачного окна требует независимого от длины волны показателя преломления n для широкополосного согласования показателя с воздухом или диэлектриками, такими как SiO ₂ , которые часто используются для поверхностного покрытия, и низкими значениями для коэффициент ослабления k для оптической передачи с малыми потерями.В предварительных экспериментах оптические свойства собственных и легированных слоев SiC измеряются с помощью спектроскопической эллипсометрии с переменным углом (J.A. Woollam M2000) на слоях толщиной 1000 нм на 500 нм SiO ₂ , термически выращенном на Si. Последующее моделирование в WVASE (J.A. Woollam) используется для получения оптических свойств во всем видимом спектральном диапазоне от 400 до 650 нм в виде показателя преломления n = 2,4 ± 0,2 и коэффициента экстинкции k < 0,1.

Изготовление прибора начинается с выращивания 2 мкм SiO ₂ термическим оксидированием кремниевой пластины, которая предназначена в качестве останавливающего (посадочного) слоя при сквозном травлении пластины и твердой маски на тыльной стороне (BS) для определения травление полости DRIE.Кроме того, этот слой обеспечивает некоторую тепловую изоляцию между подложкой и нанесенными впоследствии слоями поли-SiC. После термического окисления последовали два осаждения поли-SiC с помощью LPCVD, как показано на рисунке 4a, с использованием уже охарактеризованного внутреннего и высоколегированного слоя поли-SiC. Измеренное остаточное напряжение для собственного слоя составило 65 МПа, а для высоколегированного слоя — 503 МПа. Такие умеренные уровни напряжения при растяжении обеспечивают плоские мембраны без коробления. Следующим шагом является покрытие лицевой стороны (FS) пластины 4.Фоторезист AZ3027 (PR) 0 мкм и нанесение литографии. Травление по времени использовалось для определения структуры нагревателя из легированного слоя поли-SiC, как показано на рисунке 4b. Использовался травитель DRIE (SPTS Rapier i2L) в режиме индуктивно-связанной плазмы (ИСП). Рецепт травления основан на смеси SF ₆ /O ₂ при 0 °C для повышения селективности между PR и поли-SiC. После формирования структур нагревателя была выполнена стандартная очистка пластин с последующей металлизацией. На пять пластин был нанесен AlSi (1%) толщиной 500 нм, а на другой набор из пяти пластин был нанесен чистый титан (Ti) толщиной 500 нм.Оба напыления проводились при температуре 350 °C, чтобы обеспечить наилучшее качество металлизации и низкое контактное сопротивление. Была проведена литография, и узорчатые AlSi (1%) и Ti были протравлены с помощью плазменного травителя (Trikon Omega) при 25 ° C, после чего пластины были очищены от зачистки, достигнув стадии, как схематично показано на рисунке 4c. Жесткая маска на BS , который состоит из термического оксидного слоя и двух слоев поли-SiC, был открыт поэтапно. Выполняется первая литография обратной стороны, и поли-SiC травится с помощью травильного станка Omega ICP.Термический оксид впоследствии вскрывали с помощью влажного химического травления с использованием забуференного фтористоводородного (BHF) травильного раствора 1:7 (рис. 4d). Лицевая сторона пластины была покрыта фоторезистом для защиты металлизации. Травление через пластины было выполнено с помощью травильного станка SPTS Rapier DRIE (рис. 4e). Поскольку и поли-SiC, и термический оксид прозрачны в видимом диапазоне, можно использовать визуальный осмотр с помощью оптического микроскопа с подсветкой, чтобы увидеть, какая из мембран открыта, см. также рис. 4g.Из-за несоответствия напряжений между мембраной из поли-SiC толщиной 500 нм (умеренно растяжимой) и посадочным слоем из оксида кремния толщиной 2 мкм (сжимающей) мембраны деформируются. Поэтому важно как можно скорее удалить термический оксид, используемый в качестве посадочного слоя, после сквозного травления пластины. Для пластин с межсоединениями AlSi (1%) (IC) травление оксида было достигнуто в парах HF. Было использовано четыре цикла по 300 с каждый, чтобы получить успешный результат, как показано на рисунке 4f. На рис. 5а,б показаны соответственно передняя и задняя стороны устройств после удаления оксида кремния.Пластины с алюминиевой ИС были покрыты распылением после этого этапа высвобождения, чтобы можно было удалить фольгу для нарезки с тонких мембран при промывке ацетоном во время окончательной нарезки и упаковки. BHF использовали для удаления посадочного слоя термического оксида после того, как FS снова был защищен слоем PR с напылением и последующими этапами обжига. На рис. 6 показан результат после завершения обработки пластины. Пластины нарезаются на штампы 10 × 10 мм ² , а затем наклеиваются на печатную плату (PCB) с помощью 9.Отверстие диаметром 5 мм с помощью термоотверждаемого клея. Кристаллы выровнены таким образом, что все мембраны на кристалле могут быть освещены и осмотрены одновременно, как показано на рис. 6. Начальные эксперименты ограничены выхлопными газами при комнатной температуре, которую может выдержать печатная плата. Проволочное соединение алюминиевой проволокой применялось для микросхем с AlSi (1%) IC, тогда как соединение золотой проволокой использовалось для микросхем с Ti IC. Ниже, на и вокруг соединительных проводов был нанесен клей, отверждаемый УФ-излучением, для механической поддержки во время транспортировки и измерений.

3. Результаты

Фактическая проверка взаимодействия изготовленных окон с сажесодержащим газом осуществляется путем измерения непрозрачности на месте с использованием оптического микроскопа и установки для кондиционирования аэрозоля (рис. 7а). Jing MiniCAST 5201c создает воспроизводимое логарифмически нормальное распределение сажи со средним геометрическим диаметром около 80 нм путем сжигания пропана. Вакуумный насос и регулятор массового расхода используются для подачи потока через напечатанный на 3D-принтере корпус держателя образца со скоростью потока в диапазоне 100–1000 см 90 256 3 90 257 /мин.(Рисунок 7б). Корпус ограничивает печатную плату и предметное стекло, создавая оптический путь для наблюдения за отложением сажи с помощью оптической микроскопии в режиме пропускания. Обратите внимание, что в корпусе предусмотрен механизм наблюдения за образцом с нормального направления к площади поверхности, в то время как подвергающийся воздействию сажесодержащий аэрозоль течет по ортогональному пути. Образцы подвергались воздействию с обратной стороны мембраны. Оптический микроскоп Vickers, оснащенный USB-камерой с окуляром Dino-Lite, использовался для периодической визуализации с постоянными уровнями экспозиции, чтобы можно было наблюдать накопление сажи на нагретых и ненагретых мембранах (рис. 7c).Блок измерения источника (SMU) Keithley 2420 использовался для управления нагревателем при постоянном напряжении или постоянном токе, а сбор данных основан на Labview. Поток с высоким содержанием сажи был разбавлен, и для проверки фактического воздействия сажи на наш тестовый образец уровни были измерены с использованием датчика микросажи AVL и TSI DustTrak.

Номинальное сопротивление нагревателя при комнатной температуре для мембраны диаметром 1000 мкм составляет R _o = 36,85 кОм при 298 К. Сопротивление нагревателя коррелирует с температурой окна посредством экспериментов по калибровке печи и инфракрасной камеры.Для калибровки в печи использовалась установка, использующая трубчатую печь Lindberg/Blue M TF55035A и термопару типа Omega K, в то время как сопротивление постоянному току измерялось одновременно с помощью Keithley 2420. Инспекция с помощью инфракрасной камеры выполнялась с использованием камеры FLIR 325sc в в сочетании с двукратным зум-объективом при коэффициенте излучения 0,80. Линейная регрессия температуры с сопротивлением нагревателя используется для определения температуры образца в экспериментах по осаждению сажи, когда известно только сопротивление нагревателя.Полученное среднее значение TCR (α) для различных структур нагревателя равно α = −3289 ± 89 [частей на миллион/°C]. Предполагается, что неопределенность связана только с нелинейностью.

Цель – продемонстрировать восстановление оптической прозрачности мембран путем удаления осажденной сажи путем окисления при повышенных температурах. Из литературы известно, что реакция регенерации сажи является скачкообразной функцией температуры, с началом воспламенения примерно при 500 °С и полным сгоранием при 700 °С, в некоторой степени зависящим от условий эксплуатации [22].Устройства предназначены для поверхностной регенерации (режим 1) по всей площади мембраны. Однако температурная зависимость концентрации свободных носителей в собственной SiC-мембране приводит к локальному увеличению тока утечки в более теплых частях мембраны и, следовательно, к дальнейшему увеличению локального нагрева. При работе в режиме 1 этот механизм термоэлектрической обратной связи приводит к высоким температурам только в локализованных областях (горячих точках) над окном. Эти горячие точки использовались здесь для экспериментов по регенерации поверхности.Горячие точки возникают из-за более высокого, чем ожидалось, тока утечки между собственным слоем SiC и легированным SiC при повышенных температурах, и это связано с температурной зависимостью концентрации свободных носителей в собственном слое. Для достижения равномерно распределенного и высокопикового температурного профиля, необходимого для режима 1, необходимо предусмотреть диэлектрическую изоляцию между мембраной и нагревателем. На рис. 8а показана мембрана со значительным отложением сажи для режима испытаний 1. столкновение, а не диффузия в установке для накопления сажи в потоке, путем направления выхода разбавленного газа, богатого сажей, под углом примерно 60 градусов к задней стороне мембран.Преимуществом импакции является более высокая скорость осаждения сажи. Ток нагревателя медленно увеличивали до тех пор, пока не наблюдался процесс регенерации. Результат эксперимента по регенерации представлен на рисунке 8b. Время регенерации для достижения ситуации, показанной на рисунке 8b, по сравнению с ситуацией на рисунке 8a обычно составляет 5 минут. Рассеиваемая мощность для горячей точки размером около 40 мкм составляет 30 мВт, что эквивалентно 6 мкВт/мкм ² по сравнению с 0,95 мкВт/мкм ² , используемыми в моделировании всей мембраны.После успешного восстановления локальной прозрачности в местах горячих точек путем окисления сажи было исследовано влияние термофоретического отталкивания как подхода к предотвращению загрязнения (режим 2). На рис. 9а,б показаны изображения, полученные с ненагретой мембраны при t = 0 с и t = 70 700 с соответственно. Поток аэрозоля составлял 100 см 90 256 3 90 257 /мин, а концентрация сажи составляла 10–12 мг/м 90 256 3 90 257 . Сажа откладывается на обратной стороне мембраны, и образуется большой сажистый дендрит.Отложение сажи происходит за счет диффузии из ламинарного потока, о чем можно заключить по дендритам сажи в направлении потока. На рис. 10а, б показаны изображения, полученные с нагретой мембраны при t = 0 с и t = 70 700 с соответственно. Как можно заключить из этих изображений, нагретая мембрана остается чистой от отложений сажи при температурном градиенте между мембраной и насыщенным сажей газом около 35 °C. Хотя этот температурный градиент невелик, показано, что его достаточно для эффективного отталкивания сажи.При ближайшем рассмотрении с помощью оптической микроскопии задней стороны конструкции, как показано на рис. 11, обнаруживается значительно большее количество отложений сажи ниже по течению потока содержащего сажу газа и вблизи отверстия нагретой мембраны. Этот эффект, скорее всего, является результатом турбулентности на гребнях протравленного зазора и не связан с термофоретическим отталкиванием. Обратите внимание, что общая толщина пластины и печатной платы приводит к углублению около 2 мм в положении мембраны, которое простирается перпендикулярно направлению потока, что приводит к турбулентному потоку вблизи окна.Пониженная локальная скорость потока при прохождении зазора, вероятно, приведет к повышенному осаждению частиц ниже по потоку.

4. Обсуждение и выводы

Оптические МЭМС-мембраны из карбида кремния, изготовленные в этой работе, действительно обеспечивают предварительную проверку их пригодности в качестве прозрачной МЭМС-платформы с видом на содержащие сажу выхлопные газы. Было практически продемонстрировано восстановление прозрачности окна путем нагревания примерно до 600 ° C (режим работы 1). Хотя работа в режиме 1 была ограничена небольшими горячими точками, результаты показывают эффективное удаление копоти с окна, тем самым восстанавливая его прозрачность.Кроме того, продемонстрирован термофорез для поддержания прозрачности окна (режим 2) при нагреве на 35 °С выше температуры сажесодержащего газа. Следует подчеркнуть, что эти результаты являются предварительными, так как эксперименты проводились с использованием сажевого генератора CAST для создания потока частиц, близкого к комнатной температуре. Стойкость к высоким температурам была продемонстрирована в ходе испытаний на регенерацию, в ходе которых не наблюдалось ни постоянного изменения материала, ни изменений в работе устройства с электрической или механической точки зрения.Благоприятные оптические свойства карбида кремния были частью эксперимента, так как изображение отложений на обратной стороне мембраны, как показано на рис. 8, рис. 9 и рис. 10, происходило через мембрану и, таким образом, было подтверждено.

Конструкция нагревателя MEMS подходила для многократной демонстрации эффекта термофоретического отталкивания частиц сажи в выхлопных газах. Регенерация поверхности была продемонстрирована путем окисления сильных загрязнений ударной сажей. Регенерация была достигнута для площади горячей точки около 1000 мкм ² менее чем за 5 минут без какого-либо необратимого повреждения или деформации мембраны.Рассеиваемая мощность для горячей точки размером около 40 мкм составляет 30 мВт, что эквивалентно 6 мкВт/мкм ² по сравнению с 0,95 мкВт/мкм ² , использованными в моделировании. Разница в основном связана с малым диаметром пятна и ожидается улучшение согласия в случае полномембранного нагрева. Визуальный осмотр показал, что после регенерации прозрачность сохранялась. Возникновение горячих точек во время осаждения означает, что слой диэлектрической изоляции между мембраной и слоями поли-SiC нагревателя необходим для более крупной и более однородно нагретой мембраны.

Будущая работа включает оценку механической прочности и химической инертности мембран из поли-SiC в промышленной измерительной установке и высокотемпературной упаковке устройства. Кроме того, требуется более подробный МКЭ, чтобы лучше понять отталкивание и отложение сажи при локальной турбулентности. Кроме того, эффективность термофоретического отталкивания при повышенной температуре должна быть подтверждена в диапазоне разностей температур. Следует рассмотреть дополнительные механизмы, такие как электрофорез.Наконец, оптические свойства мембраны, такие как спектральное пропускание, следует измерять в зависимости от температуры мембраны.

Окно, напечатанное на 3D-принтере, не подходит для эксплуатации при высоких температурах. Следовательно, потребуется изменить дизайн упаковки, чтобы обеспечить воздействие реальных выхлопных газов.

Хотя моделирование и экспериментальная проверка термофоретического воздействия градиента температуры на взвешенные частицы, проходящие на небольшом расстоянии от ширины пограничного слоя потока, находятся в хорошем согласии, остаются некоторые вопросы, связанные с отложением сажи за пределами нагретого мембрана.