Z akých materiálov sú vyrobené káble z optických vlákien? Kompletný sprievodca

Materiály jadra vo vnútri kábla z optických vlákien

Káble z optických vlákien sú vyrobené predovšetkým z kremičité sklo (SiO₂) , vysoko čistená forma oxidu kremičitého. Toto sklo tvorí dve najvnútornejšie vrstvy každého optického vlákna: jadro a obklad . Jadro je centrálnym vláknom, cez ktoré prechádza svetlo, zatiaľ čo plášť ho obklopuje s mierne nižším indexom lomu, aby sa svetlo udržalo obmedzené prostredníctvom princípu nazývaného úplný vnútorný odraz.

Sklo používané v optike je oveľa čistejšie ako bežné okenné sklo. Štandardné kremičité sklo obsahuje nečistoty, ktoré by rozptyľovali alebo absorbovali svetlo na vzdialenosť metrov. Vláknitý oxid kremičitý naopak dosahuje miery útlmu tak nízke ako 0,2 dB/km , ktorý umožňuje signálom prejsť desiatky kilometrov predtým, ako si vyžiadajú zosilnenie.

V niektorých aplikáciách – najmä pri kábloch s krátkym dosahom alebo pri kábloch spotrebiteľskej kvality – je jadro vyrobené z plastové optické vlákno (POF) typicky polymetylmetakrylát (PMMA). Plastové vlákno je flexibilnejšie a menej nákladné na ukončenie, hoci prináša výrazne vyššiu stratu signálu (okolo 100–200 dB/km), čo ho obmedzuje na vzdialenosti pod 100 metrov.

Ochranné vrstvy: nátery, tlmiče a plášte

Holé sklenené vlákno je krehké. Séria ochranných vrstiev ho obklopuje, aby sa zabezpečila mechanická trvanlivosť a odolnosť voči životnému prostrediu:

• Akrylátový náter — Prvá vrstva aplikovaná ihneď po natiahnutí skleneného vlákna. Tento polymérny povlak vytvrdzovaný UV žiarením (zvyčajne s priemerom 250 µm) chráni pred mikroohybom a absorpciou vlhkosti bez ovplyvnenia optického výkonu.
• Tesný nárazník alebo voľná trubica — Vlákno potiahnuté akrylátom je buď pevne zapuzdrené v PVC alebo nylonovom tlmivom roztoku (tesne tlmený dizajn), alebo je voľne umiestnené vo vnútri gélom naplnenej plastovej trubice (prevedenie s voľnou trubicou). Konštrukcia voľnej rúrky je štandardom pre vonkajšie káble, pretože izoluje vlákno od ťahového napätia a teplotných výkyvov.
• Siloví členovia — Aramidové vlákna (predávané pod obchodnými názvami ako Kevlar) alebo tyče zo sklenených vlákien sú tkané alebo uložené pozdĺžne vo vnútri kábla, aby absorbovali ťahové zaťaženie počas inštalácie, čím sa zabráni roztiahnutiu alebo prasknutiu skleneného vlákna.
• Vonkajšia bunda — Konečný plášť je zvyčajne vyrobený z polyetylén (PE) pre vonkajšie káble resp PVC / LSZH (Low Smoke Zero Halogen) zlúčeniny pre vnútorné použitie. Materiály LSZH sa čoraz viac vyžadujú v stavebných predpisoch, pretože pri vystavení ohňu emitujú minimálne toxické plyny.

Pancierové káble pridávajú pod plášť vlnitú oceľovú alebo hliníkovú pásku pre odolnosť proti hlodavcom a ochranu proti rozdrveniu v priamom zakopaní alebo v priemyselnom prostredí.

Sklo verzus plast: Ako výber materiálu ovplyvňuje výkon

Tretia kategória - tvrdého kremičitého (HCS) vlákna —používa sklenené jadro s plášťom z tvrdého plastu. Premosťuje medzeru medzi celoskleneným a celoplastovým dizajnom, ponúka nižšie straty ako POF a zároveň toleruje väčšie polomery ohybu ako štandardné jednovidové sklenené vlákno. Vlákno HCS je bežné v lekárskych a snímacích prístrojoch.

Špeciálne prísady, ktoré dolaďujú optické vlastnosti

Čistý oxid kremičitý nie je celý príbeh. Výrobcovia zavádzajú malé koncentrácie dopujúcich materiálov do jadra alebo obkladového skla, aby kontrolovali profil indexu lomu – a teda, ako sa šíri svetlo:

• Oxid germánsky (GeO₂) — Pridané do jadra na zvýšenie jeho indexu lomu v porovnaní s plášťom. Doping GeO₂ je štandardom v jednovidových aj multimódových telekomunikačných vláknach.
• Fluór (F) alebo oxid boritý (B₂O3) — Znižuje index lomu a používa sa v plášťoch alebo v jednovidových dizajnoch so zníženým plášťom, ktoré zlepšujú výkon medznej vlnovej dĺžky.
• Erbium (Er³⁺) — Erbiom dopované vláknové zosilňovače (EDFA) začleňujú ióny erbia do sklenenej matrice. Keď je erbium čerpané 980 nm laserom, zosilňuje 1550 nm signály priamo v optickej doméne – základ diaľkových prenosových systémov WDM.
• Oxid fosforečný (P₂O₅) — Zvyšuje index lomu a znižuje teplotu skleného prechodu, vďaka čomu sa vlákno ľahšie spája a spája pri nižších teplotách.

Presný profil dopantu aplikovaný počas výrobného procesu chemického nanášania pár (CVD) určuje, či sa hotové vlákno správa ako jeden režim (SMF) —vedenie jednej svetelnej dráhy pre maximálnu šírku pásma — alebo multimode (MMF) —vedenie mnohých ciest pre kratšie a lacnejšie prepojenia.

Ako výrobný proces formuje kvalitu materiálu

Výnimočná čistota skla z optických vlákien sa dosahuje skôr procesmi nanášania v plynnej fáze než konvenčným tavením skla. Dve dominantné metódy sú:

• Modifikovaná chemická depozícia z pár (MCVD) — Plyny naplnené dopantom prúdia cez rotujúcu trubicu z oxidu kremičitého. Teplo z vonkajšieho horáka spôsobuje reakciu plynov a usadzovanie sklovitých sadzí na vnútornej stene. Rúrka sa potom zloží do pevnej tyče predlisku.
• Vonkajšie nanášanie pár (OVD) — Sadze sa ukladajú na vonkajšiu stranu rotujúceho tŕňa, čím vzniká porézny predlisok, ktorý sa neskôr speká do číreho skla. OVD je preferovaný pre veľkoobjemovú výrobu jednovidových vlákien.

Vznikne tak výsledný predlisok – zvyčajne 1–2 metre dlhý a 10–15 cm v priemere nakreslený vo veži na ťahanie vlákien pri teplotách nad 2 000 °C. Predlisok zmäkne a vytiahne sa do súvislého vlákna s priemerom len 125 µm (asi ako šírka ľudského vlasu) pri rýchlosti ťahania presahujúcej 2 000 metrov za minútu. Inline meracie systémy overujú priemer, sústrednosť povlaku a útlm v reálnom čase pred navinutím vlákna.

Tento prísne kontrolovaný výrobný reťazec – od surového SiCl4 prekurzorového plynu až po hotový kábel – umožňuje sklu z optických vlákien dosiahnuť mimoriadna optická čistota ktorému sa žiadny konvenčný materiál nevyrovná.