Z jakich materiałów wykonane są kable światłowodowe? Kompletny przewodnik

Materiały rdzenia wewnątrz kabla światłowodowego

Kable światłowodowe wykonane są głównie z szkło krzemionkowe (SiO₂) , wysoce oczyszczona forma dwutlenku krzemu. Szkło to tworzy dwie najbardziej wewnętrzne warstwy każdego światłowodu: rdzeń i okładzina . Rdzeń to centralne pasmo, przez które przechodzi światło, natomiast płaszcz otacza go z nieco niższym współczynnikiem załamania światła, aby utrzymać światło w zamknięciu zgodnie z zasadą zwaną całkowitym odbiciem wewnętrznym.

Szkło stosowane w światłowodach jest znacznie czystsze niż zwykłe szkło okienne. Standardowe szkło krzemionkowe zawiera zanieczyszczenia, które rozpraszają lub pochłaniają światło na odległość kilku metrów. Natomiast krzemionka włóknista osiąga współczynnik tłumienia tak niski, jak 0,2 dB/km , umożliwiając sygnałom pokonanie dziesiątek kilometrów, zanim będą wymagały wzmocnienia.

W niektórych zastosowaniach – szczególnie w kablach krótkiego zasięgu lub kablach konsumenckich – rdzeń jest wykonany plastikowy światłowód (POF) , zazwyczaj polimetakrylan metylu (PMMA). Światłowód plastikowy jest bardziej elastyczny i tańszy w zakańczaniu, chociaż niesie ze sobą znacznie większą utratę sygnału (około 100–200 dB/km), ograniczając ją do odległości poniżej 100 metrów.

Warstwy ochronne: powłoki, bufory i kurtki

Gołe włókno szklane jest delikatne. Otacza go szereg warstw ochronnych zapewniających trwałość mechaniczną i odporność na warunki środowiskowe:

• Powłoka akrylowa — Pierwsza warstwa nakładana bezpośrednio po wyciągnięciu włókna szklanego. Ta utwardzana promieniowaniem UV powłoka polimerowa (zwykle o średnicy 250 µm) chroni przed mikrozgięciami i absorpcją wilgoci bez wpływu na właściwości optyczne.
• Ciasny bufor lub luźna tuba — Włókno pokryte akrylanem jest albo szczelnie zamknięte w buforze z PVC lub nylonu (konstrukcja ze szczelnym buforem), albo luźno umieszczone w plastikowej rurce wypełnionej żelem (konstrukcja z luźną rurką). Konstrukcja z luźną rurką jest standardem w przypadku kabli zewnętrznych, ponieważ izoluje włókno od naprężeń rozciągających i wahań temperatury.
• Członkowie siły — Włókna aramidowe (sprzedawane pod nazwami handlowymi, takimi jak Kevlar) lub pręty z włókna szklanego są tkane lub układane wzdłużnie wewnątrz kabla, aby absorbować obciążenia rozciągające podczas instalacji, zapobiegając rozciąganiu lub pękaniu włókna szklanego.
• Kurtka zewnętrzna — Końcowa osłona jest zwykle wykonana z polietylen (PE) do kabli zewnętrznych lub PVC / LSZH (bezhalogenowy o niskiej emisji dymu) mieszanki do użytku wewnętrznego. Materiały LSZH są coraz częściej wymagane w przepisach budowlanych, ponieważ pod wpływem ognia emitują minimalną ilość toksycznych gazów.

Kable pancerne dodają warstwę taśmy z falistej stali lub aluminium pod płaszczem, aby zapewnić odporność na gryzonie i ochronę przed zgnieceniem w bezpośrednim zakopywaniu lub w środowisku przemysłowym.

Szkło kontra plastik: jak wybór materiału wpływa na wydajność

Trzecia kategoria – twardo platerowane włókno krzemionkowe (HCS). — wykorzystuje szklany rdzeń z twardą okładziną z tworzywa sztucznego. Wypełnia lukę pomiędzy konstrukcjami wykonanymi całkowicie ze szkła i całkowicie z tworzywa sztucznego, oferując mniejsze straty niż POF, a jednocześnie tolerując większe promienie zgięcia niż standardowe włókno szklane jednomodowe. Włókno HCS jest powszechne w instrumentach medycznych i sensorycznych.

Specjalne domieszki dostosowujące właściwości optyczne

Czysta krzemionka to nie cała historia. Producenci wprowadzają do rdzenia lub szkła okładzinowego niewielkie stężenia materiałów domieszkujących, aby kontrolować profil współczynnika załamania światła, a tym samym sposób rozchodzenia się światła:

• Dwutlenek germanu (GeO₂) — Dodawany do rdzenia w celu podniesienia jego współczynnika załamania światła w stosunku do płaszcza. Domieszkowanie GeO₂ jest standardem zarówno w światłowodach jednomodowych, jak i wielomodowych.
• Fluor (F) lub trójtlenek boru (B₂O₃) — Zmniejsza współczynnik załamania światła i jest stosowany w okładzinach lub w konstrukcjach jednomodowych z obniżonym płaszczem, które poprawiają parametry długości fali odcięcia.
• Erb (Er³⁺) — Wzmacniacze światłowodowe domieszkowane erbem (EDFA) włączają jony erbu do szklanej matrycy. Pompowany za pomocą lasera 980 nm erb wzmacnia sygnały o długości fali 1550 nm bezpośrednio w domenie optycznej – co stanowi podstawę długodystansowych systemów transmisji WDM.
• Pięciotlenek fosforu (P₂O₅) — Podnosi współczynnik załamania światła i obniża temperaturę zeszklenia, ułatwiając łączenie i stapianie włókien w niższych temperaturach.

Precyzyjny profil domieszki zastosowany podczas procesu produkcyjnego chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD) określa, czy gotowe włókno zachowuje się jak jednomodowy (SMF) —kierowanie jedną ścieżką światła w celu uzyskania maksymalnej przepustowości —lub wielomodowy (MMF) —wyznaczanie wielu ścieżek krótszych i tańszych łączy.

Jak proces produkcyjny kształtuje jakość materiałów

Wyjątkową czystość szkła światłowodowego osiąga się poprzez procesy osadzania w fazie gazowej, a nie konwencjonalne stapianie szkła. Dwie dominujące metody to:

• Zmodyfikowane chemiczne osadzanie z fazy gazowej (MCVD) — Gazy zawierające domieszkę przepływają przez obracającą się rurkę krzemionkową. Ciepło z zewnętrznego palnika powoduje reakcję gazów i osadzanie się sadzy na wewnętrznej ścianie. Następnie rurkę zwija się w solidny pręt preformy.
• Zewnętrzne osadzanie z fazy gazowej (OVD) — Sadza osadza się na zewnątrz obracającego się trzpienia, tworząc porowatą preformę, która jest później spiekana w przezroczyste szkło. OVD jest preferowany do produkcji włókien jednomodowych na dużą skalę.

Powstała preforma – zwykle o długości 1–2 metrów i średnicy 10–15 cm – jest następnie poddawana obróbce narysowane w wieży do ciągnienia włókien w temperaturach powyżej 2000 °C. Preforma mięknie i jest wciągana w ciągłe pasmo włókien o średnicy zaledwie 125 µm (mniej więcej szerokości ludzkiego włosa) przy prędkości rozciągania przekraczającej 2000 metrów na minutę. Systemy pomiarowe inline weryfikują średnicę, koncentryczność powłoki i tłumienie w czasie rzeczywistym przed nawinięciem włókna.

Ten ściśle kontrolowany łańcuch produkcyjny – od surowego gazu prekursorowego SiCl₄ do gotowego kabla – umożliwia światłowodom osiągnięcie niezwykłą klarowność optyczną z którym nie może się równać żaden konwencjonalny materiał.