Из каких материалов изготовлены оптоволоконные кабели? Полное руководство

Основные материалы внутри оптоволоконного кабеля

Оптоволоконные кабели состоят преимущественно из кварцевое стекло (SiO₂) , высокоочищенная форма диоксида кремния. Это стекло образует два самых внутренних слоя каждого оптического волокна: ядро и облицовка . Сердцевина — это центральная нить, по которой распространяется свет, а оболочка окружает ее с немного более низким показателем преломления, чтобы удерживать свет за счет принципа, называемого полным внутренним отражением.

Стекло, используемое в оптоволокне, намного чище обычного оконного стекла. Стандартное кварцевое стекло содержит примеси, которые рассеивают или поглощают свет на расстояния в несколько метров. Диоксид кремния с волокном, напротив, обеспечивает такие низкие показатели затухания, как 0,2 дБ/км , что позволяет сигналам преодолевать десятки километров, прежде чем потребуется усиление.

В некоторых применениях, особенно в кабелях ближнего радиуса действия или кабелях потребительского класса, сердцевина изготавливается из пластиковое оптическое волокно (POF) , обычно полиметилметакрилат (ПММА). Пластиковое волокно более гибкое и его дешевле заделывать, хотя потери сигнала при нем значительно выше (около 100–200 дБ/км), что ограничивает его расстояния до 100 метров.

Защитные слои: покрытия, буферы и оболочки

Голое стекловолокно хрупкое. Его покрывает ряд защитных слоев, обеспечивающих механическую прочность и устойчивость к воздействию окружающей среды:

• Акрилатное покрытие — Первый слой наносится сразу после вытягивания стекловолокна. Это полимерное покрытие, отверждаемое УФ-излучением (обычно диаметром 250 мкм), защищает от микроизгибов и поглощения влаги, не влияя на оптические характеристики.
• Плотный буфер или свободная трубка — Волокно с акрилатным покрытием либо плотно заключено в буфер из ПВХ или нейлона (конструкция с плотным буфером), либо свободно помещено внутри заполненной гелем пластиковой трубки (конструкция со свободной трубкой). Конструкция со свободной трубкой является стандартной для наружных кабелей, поскольку она изолирует волокно от растягивающих напряжений и колебаний температуры.
• Силовые члены — Арамидные волокна (продаваемые под такими торговыми марками, как «Кевлар») или стержни из стекловолокна вплетены или уложены продольно внутри кабеля, чтобы поглощать растягивающие нагрузки во время установки, предотвращая растяжение или разрыв стекловолокна.
• Внешняя куртка — Последняя оболочка обычно изготавливается из полиэтилен (ПЭ) для наружных кабелей или ПВХ / LSZH (с низким содержанием дыма, без галогенов) составы для внутреннего применения. Материалы LSZH все чаще используются в строительных нормах, поскольку при воздействии огня они выделяют минимальное количество токсичных газов.

Бронированные кабели имеют слой гофрированной стальной или алюминиевой ленты под оболочкой для защиты от грызунов и защиты от раздавливания при прямом захоронении или в промышленных условиях.

Стекло против пластика: как выбор материала влияет на производительность

Третья категория — волокно из твердого кремнезема (HCS) — используется стеклянный сердечник с твердой пластиковой оболочкой. Оно устраняет разрыв между полностью стеклянными и полностью пластиковыми конструкциями, предлагая меньшие потери, чем POF, и при этом выдерживает больший радиус изгиба, чем стандартное одномодовое стекловолокно. Волокно HCS широко распространено в медицинских и сенсорных инструментах.

Специальные легирующие добавки, которые точно настраивают оптические свойства

Чистый кремнезем – это еще не все. Производители вводят небольшие концентрации легирующих добавок в сердцевину или облицовочное стекло, чтобы контролировать профиль показателя преломления и, следовательно, то, как распространяется свет:

• Диоксид германия (GeO₂) — Добавлено в сердечник для повышения его показателя преломления относительно оболочки. Легирование GeO₂ является стандартным как для одномодовых, так и для многомодовых телекоммуникационных волокон.
• Фтор (F) или триоксид бора (B₂O₃) — Уменьшает показатель преломления и используется в оболочке или в одномодовых конструкциях с углубленной оболочкой, которые улучшают характеристики длины волны отсечки.
• Эрбий (Er³⁺) — Волоконные усилители, легированные эрбием (EDFA), содержат ионы эрбия в стеклянной матрице. При накачке лазером с длиной волны 980 нм эрбий усиливает сигналы с длиной волны 1550 нм непосредственно в оптической области — основу систем передачи WDM на большие расстояния.
• Пятиокись фосфора (P₂O₅) — Повышает показатель преломления и снижает температуру стеклования, что облегчает сращивание и плавление волокна при более низких температурах.

Точный профиль легирующей примеси, применяемый в процессе производства методом химического осаждения из паровой фазы (CVD), определяет, будет ли готовое волокно вести себя как нужно. одномодовый (SMF) — направление одного светового пути для максимальной пропускной способности — или многомодовый (ММФ) — указание многих путей для более коротких и недорогих ссылок.

Как производственный процесс влияет на качество материала

Исключительная чистота оптоволоконного стекла достигается за счет процессов осаждения из паровой фазы, а не за счет обычного плавления стекла. Двумя доминирующими методами являются:

• Модифицированное химическое осаждение из паровой фазы (MCVD) — Газы, содержащие легирующие примеси, проходят через вращающуюся кварцевую трубку. Тепло от внешней горелки вызывает реакцию газов и отложение стекловидной сажи на внутренней стенке. Затем трубка сжимается в твердый стержень-преформу.
• Наружное осаждение из паровой фазы (OVD) — Сажа осаждается на внешней стороне вращающейся оправки, образуя пористую заготовку, которая позже спекается в прозрачное стекло. OVD предпочтителен для производства одномодовых волокон в больших объемах.

Полученная заготовка (обычно 1–2 метра в длину и 10–15 см в диаметре) затем перерабатывается. нарисованный в башне вытяжки волокна при температуре выше 2000 °C. Преформа размягчается и вытягивается в непрерывную волокнистую прядь диаметром всего 125 мкм (примерно ширина человеческого волоса) при скорости вытяжки, превышающей 2000 метров в минуту. Линейные измерительные системы проверяют диаметр, концентричность покрытия и затухание в режиме реального времени перед намоткой волокна.

Эта строго контролируемая производственная цепочка — от сырого газа-прекурсора SiCl₄ до готового кабеля — позволяет волоконно-оптическому стеклу достигать высочайшего качества. исключительная оптическая прозрачность с которым не может сравниться ни один обычный материал.