Od kojih su materijala napravljeni optički kabeli? Kompletan vodič

Materijali jezgre unutar optičkog kabela

Optički kabeli izrađeni su prvenstveno od silikatno staklo (SiO₂) , visoko pročišćeni oblik silicijeva dioksida. Ovo staklo tvori dva najdublja sloja svakog optičkog vlakna: jezgra i oblaganje . Jezgra je središnja nit kroz koju putuje svjetlost, dok je omotač okružuje s nešto nižim indeksom loma kako bi svjetlost bila ograničena kroz princip koji se zove potpuna unutarnja refleksija.

Staklo koje se koristi u optičkim vlaknima daleko je čišće od običnog prozorskog stakla. Standardno silikatno staklo sadrži nečistoće koje bi raspršile ili apsorbirale svjetlost na udaljenosti od nekoliko metara. Za razliku od toga, silicij-dioksid s vlaknima postiže niske stope prigušenja 0,2 dB/km , omogućujući signalima da putuju desecima kilometara prije nego što im je potrebno pojačanje.

U nekim primjenama—osobito kod kabela kratkog dometa ili kabela za potrošače—jezgra se sastoji od plastično optičko vlakno (POF) , obično polimetil metakrilat (PMMA). Plastično vlakno je fleksibilnije i jeftinije za završetak, iako nosi znatno veći gubitak signala (oko 100-200 dB/km), ograničavajući ga na udaljenosti ispod 100 metara.

Zaštitni slojevi: premazi, puferi i omotači

Gola staklena vlakna su krhka. Niz zaštitnih slojeva obavija ga kako bi se osigurala mehanička izdržljivost i otpornost na okoliš:

• Akrilatni premaz — Prvi sloj nanijeti odmah nakon izvlačenja staklenih vlakana. Ovaj UV polimerni premaz (obično 250 µm u promjeru) štiti od mikrosavijanja i upijanja vlage bez utjecaja na optičku izvedbu.
• Čvrsti pufer ili labava cijev — Vlakno obloženo akrilatom ili je čvrsto omotano u PVC ili najlonski pufer (dizajn s čvrstim puferom) ili je labavo smješteno unutar plastične cijevi ispunjene gelom (dizajn s labavom cijevi). Labava konstrukcija cijevi standardna je za vanjske kabele jer izolira vlakno od vlačnog naprezanja i temperaturnih fluktuacija.
• Članovi snage — Aramidna vlakna (prodaju se pod trgovačkim nazivima kao što je Kevlar) ili šipke od stakloplastike utkane su ili položene uzdužno unutar kabela kako bi apsorbirale vlačna opterećenja tijekom instalacije, sprječavajući istezanje ili lomljenje staklenih vlakana.
• Vanjska jakna — Završni omotač je obično izrađen od polietilen (PE) za vanjske kabele odn PVC / LSZH (malo dima bez halogena) spojevi za unutarnju upotrebu. Materijali LSZH sve su potrebniji u građevinskim propisima jer emitiraju minimalno otrovnih plinova kada su izloženi vatri.

Oklopljeni kabeli dodaju valoviti čelični ili aluminijski sloj trake ispod plašta za otpornost na glodavce i zaštitu od gnječenja u izravnom zakopavanju ili industrijskom okruženju.

Staklo naspram plastike: kako odabir materijala utječe na izvedbu

Treća kategorija - hard-clad silica (HCS) vlakno — koristi staklenu jezgru s oblogom od tvrde plastike. Premošćuje jaz između potpuno staklenih i potpuno plastičnih dizajna, nudeći niže gubitke od POF-a dok tolerira veće radijuse savijanja od standardnih jednomodnih staklenih vlakana. HCS vlakno je uobičajeno u medicinskim i senzorskim instrumentima.

Specijalni dodaci koji fino podešavaju optička svojstva

Čisti silicij nije cijela priča. Proizvođači uvode male koncentracije dopanta u jezgru ili staklenu oblogu kako bi kontrolirali profil indeksa loma—a time i način na koji se svjetlost širi:

• Germanijev dioksid (GeO₂) — Dodano u jezgru kako bi joj se povećao indeks loma u odnosu na oblogu. GeO₂ dopiranje standardno je u jednomodnim i višemodnim telekomunikacijskim vlaknima.
• Fluor (F) ili bor trioksid (B₂O₃) — Smanjuje indeks loma i koristi se u oblogama ili u dizajnu jednomodnih obloga s depresijom koji poboljšava performanse granične valne duljine.
• erbij (Er³⁺) — Vlaknasta pojačala dopirana erbijem (EDFA) uključuju ione erbija u staklenu matricu. Kada se pumpa laserom od 980 nm, erbij pojačava signale od 1550 nm izravno u optičkoj domeni—temelj WDM sustava prijenosa na velike udaljenosti.
• Fosforov pentoksid (P₂O₅) — Povećava indeks loma i snižava temperaturu staklenog prijelaza, čineći vlakna lakšim za spajanje i spajanje pri nižim temperaturama.

Precizan profil dopanta, primijenjen tijekom proizvodnog procesa kemijskog taloženja naparivanjem (CVD), određuje hoće li se gotovo vlakno ponašati kao jednomodni (SMF) —vođenje jedne svjetlosne staze za maksimalnu propusnost—ili višemodni (MMF) — vođenje mnogih putova za kraće, jeftinije veze.

Kako proces proizvodnje oblikuje kvalitetu materijala

Iznimna čistoća stakla od optičkih vlakana postiže se procesima taloženja u parnoj fazi, a ne konvencionalnim taljenjem stakla. Dvije dominantne metode su:

• Modificirano kemijsko taloženje iz pare (MCVD) — Plinovi puni dopanta teku kroz rotirajuću silikatnu cijev. Toplina vanjske baklje uzrokuje reakciju plinova i taloženje staklaste čađe na unutarnjoj stijenci. Cijev se zatim sklopi u čvrstu preformiranu šipku.
• Taloženje vanjske pare (OVD) — Čađa se taloži na vanjskoj strani rotirajućeg igla, stvarajući porozni preform koji se kasnije sinterira u prozirno staklo. OVD je poželjan za proizvodnju jednomodnih vlakana velike količine.

Dobiveni predforma—obično 1-2 metra duga i 10-15 cm u promjeru—tada se nacrtana u tornju za izvlačenje vlakana na temperaturama iznad 2000 °C. Predforma omekšava i izvlači se u kontinuiranu vlaknastu nit promjera samo 125 µm (otprilike širine ljudske vlasi) pri brzinama izvlačenja većim od 2000 metara u minuti. Inline mjerni sustavi provjeravaju promjer, koncentričnost premaza i slabljenje u stvarnom vremenu prije nego što se vlakno namota.

Ovaj strogo kontrolirani proizvodni lanac—od sirovog plina prekursora SiCl₄ do gotovog kabela—omogućuje staklenim vlaknima postizanje izvanredna optička jasnoća s kojim se nijedan konvencionalni materijal ne može mjeriti.