Milyen anyagokból készülnek az optikai kábelek? Egy teljes útmutató

Alapanyagok egy száloptikai kábelben

Száloptikai kábelek elsősorban abból készülnek szilikaüveg (SiO₂) , a szilícium-dioxid nagy tisztaságú formája. Ez az üveg alkotja minden optikai szál két legbelső rétegét: a mag és a burkolat . A mag az a központi szál, amelyen a fény áthalad, míg a burkolat valamivel alacsonyabb törésmutatóval veszi körül, hogy a fényt a teljes belső visszaverődésnek nevezett elven keresztül korlátozza.

A száloptikában használt üveg sokkal tisztább, mint a hagyományos ablaküveg. A szabványos szilícium-dioxid üveg olyan szennyeződéseket tartalmaz, amelyek méteres távolságra szórják vagy nyeljék el a fényt. Ezzel szemben a szálas minőségű szilícium-dioxid olyan alacsony csillapítási arányt ér el, mint 0,2 dB/km , amely lehetővé teszi, hogy a jelek több tíz kilométert utazzanak, mielőtt erősítést igényelnének.

Egyes alkalmazásokban – különösen a rövid hatótávolságú vagy fogyasztói minőségű kábeleknél – a mag készül műanyag optikai szál (POF) jellemzően polimetil-metakrilát (PMMA). A műanyag szál rugalmasabb és olcsóbb a lezárása, bár lényegesen nagyobb jelveszteséget hordoz (körülbelül 100-200 dB/km), ami 100 méter alatti távolságra korlátozza.

Védőrétegek: bevonatok, pufferek és kabátok

A csupasz üvegszál törékeny. Egy sor védőréteg borítja be, hogy biztosítsa a mechanikai tartósságot és a környezeti ellenállást:

• Akrilát bevonat — Az első réteg felhordása közvetlenül az üvegszál húzása után. Ez az UV-re keményedő polimer bevonat (jellemzően 250 µm átmérőjű) megvéd a mikrohajlítástól és a nedvességfelvételtől anélkül, hogy befolyásolná az optikai teljesítményt.
• Szoros puffer vagy laza cső — Az akriláttal bevont szál vagy szorosan PVC- vagy nejlonpufferbe van burkolva (tömören pufferolt kivitel), vagy lazán egy géllel töltött műanyag csőbe helyezik (laza csöves kivitel). A laza csöves konstrukció a kültéri kábeleknél szabványos, mivel elszigeteli a szálat a húzófeszültségtől és a hőmérséklet-ingadozásoktól.
• Erőtagok — Az aramid szálakat (pl. Kevlar márkanéven árulják) vagy üvegszálas rudakat szőnek vagy fektetnek hosszirányban a kábel belsejébe, hogy elnyeljék a szerelés során fellépő húzóterhelést, és megakadályozzák az üvegszál megnyúlását vagy törését.
• Külső kabát — A végső burkolat jellemzően ebből készül polietilén (PE) kültéri kábelekhez ill PVC / LSZH (Low Smoke Zero Halogen) vegyületek beltéri használatra. Az LSZH anyagokat egyre inkább előírják az építési szabályzatban, mert tűznek kitéve minimális mérgező gázt bocsátanak ki.

A páncélozott kábelek hullámos acél vagy alumínium szalagréteget adnak a köpeny alá, hogy ellenálljanak a rágcsálóknak, és védve legyenek a zúzódásoktól a közvetlen temetési vagy ipari környezetben.

Üveg kontra műanyag: Hogyan befolyásolja az anyagválasztás a teljesítményt

A harmadik kategória – kemény bevonatú szilícium-dioxid (HCS) szál — üvegmagot használ kemény műanyag burkolattal. Áthidalja a szakadékot a teljesen üvegből és műanyagból készült kialakítások között, kisebb veszteséget kínálva, mint a POF, ugyanakkor nagyobb hajlítási sugarakat is elvisel, mint a hagyományos egymódusú üvegszál. A HCS-szál gyakori az orvosi és érzékelő műszerekben.

Speciális adalékanyagok, amelyek finomítják az optikai tulajdonságokat

A tiszta szilícium-dioxid nem az egész történet. A gyártók kis koncentrációjú dópoló anyagokat visznek be a magba vagy a burkolóüvegbe, hogy szabályozzák a törésmutató-profilt – és így a fény terjedését:

• Germánium-dioxid (GeO₂) — Hozzáadva a maghoz, hogy növelje a törésmutatóját a burkolathoz képest. A GeO₂ adalékolás alapfelszereltség az egymódusú és többmódusú távközlési szálakban is.
• Fluor (F) vagy bór-trioxid (B2O3) — Csökkenti a törésmutatót, és a burkolatban vagy a lenyomott burkolatú egymódusú kialakításokban használatos, amelyek javítják a vágási hullámhossz teljesítményét.
• Erbium (Er³⁺) — Az erbiummal adalékolt szálerősítők (EDFA-k) erbiumionokat építenek be az üvegmátrixba. Ha 980 nm-es lézerrel pumpálják, az erbium közvetlenül az optikai tartományban erősíti fel az 1550 nm-es jeleket – ez a hosszú távú WDM átviteli rendszerek alapja.
• Foszfor-pentoxid (P2O5) — Növeli a törésmutatót és csökkenti az üvegesedési hőmérsékletet, ami megkönnyíti a szálak összeillesztését és alacsonyabb hőmérsékleten történő olvasztását.

A kémiai gőzfázisú leválasztás (CVD) gyártási folyamata során alkalmazott pontos adalékanyag profil határozza meg, hogy a kész szál úgy viselkedik-e, mint egymódusú (SMF) —egy fényút vezetése a maximális sávszélesség érdekében — vagy többmódusú (MMF) -Sok utat vezet a rövidebb, olcsóbb összeköttetésekhez.

Hogyan alakítja a gyártási folyamat az anyagminőséget

Az üvegszálas üveg kivételes tisztaságát gőzfázisú leválasztási eljárásokkal érik el a hagyományos üvegolvasztás helyett. A két domináns módszer a következő:

• Módosított kémiai gőzleválasztás (MCVD) — Az adalékanyaggal töltött gázok forgó szilícium-dioxid csövön áramlanak át. A külső égőből származó hő hatására a gázok reakcióba lépnek, és üveges korom rakódik le a belső falra. A csövet ezután szilárd előforma rúdká összenyomják.
• Külső gőzleválasztás (OVD) — Korom rakódik le egy forgó tüske külsején, porózus előformát hozva létre, amelyet később átlátszó üveggé szintereznek. Az OVD-t előnyben részesítik nagy volumenű egymódusú szálgyártáshoz.

Az így kapott előformát – jellemzően 1–2 méter hosszú és 10–15 cm átmérőjű – ezután rajzolt szálhúzó toronyban 2000 °C feletti hőmérsékleten. Az előforma meglágyul, és percenként 2000 métert meghaladó húzási sebességgel, mindössze 125 µm átmérőjű (körülbelül egy emberi hajszál szélessége) folytonos szálszálká húzódik. Az inline mérőrendszerek valós időben ellenőrzik az átmérőt, a bevonat koncentrikusságát és a csillapítást, mielőtt a szálat felcsavarják.

Ez a szigorúan ellenőrzött gyártási lánc – a nyers SiCl₄-prekurzor gáztól a kész kábelig – az, ami lehetővé teszi az üvegszálas üvegnek a rendkívüli optikai tisztaság hogy egyetlen hagyományos anyag sem egyezhet meg.