สายไฟเบอร์ออปติกทำจากวัสดุอะไร? คู่มือฉบับสมบูรณ์

วัสดุหลักภายในสายเคเบิลไฟเบอร์ออปติก

สายเคเบิลใยแก้วนำแสง ทำมาจาก แก้วซิลิกา (SiO₂) ซึ่งเป็นรูปแบบซิลิคอนไดออกไซด์ที่มีความบริสุทธิ์สูง แก้วนี้ก่อตัวเป็นสองชั้นในสุดของใยแก้วนำแสงทุกชนิด: แกนกลาง และ หุ้ม . แกนกลางเป็นเกลียวกลางที่แสงเดินทางผ่าน ในขณะที่ส่วนหุ้มล้อมรอบด้วยดัชนีการหักเหของแสงที่ต่ำกว่าเล็กน้อย เพื่อจำกัดแสงผ่านหลักการที่เรียกว่าการสะท้อนภายในทั้งหมด

กระจกที่ใช้ในใยแก้วนำแสงมีความบริสุทธิ์มากกว่ากระจกหน้าต่างธรรมดามาก แก้วซิลิกามาตรฐานมีสิ่งเจือปนที่อาจกระจายหรือดูดซับแสงในระยะทางหลายเมตร ในทางตรงกันข้าม ซิลิกาเกรดไฟเบอร์มีอัตราการลดทอนที่ต่ำที่สุด 0.2 เดซิเบล/กม ทำให้สัญญาณสามารถเดินทางได้หลายสิบกิโลเมตรก่อนที่จะต้องขยายสัญญาณ

ในการใช้งานบางประเภท โดยเฉพาะสายเคเบิลระยะสั้นหรือระดับผู้บริโภค แกนทำจาก ใยแก้วนำแสงพลาสติก (POF) โดยทั่วไปคือโพลีเมทิลเมทาคริเลต (PMMA) เส้นใยพลาสติกมีความยืดหยุ่นมากกว่าและราคาถูกกว่าในการกำจัด แม้ว่าจะมีการสูญเสียสัญญาณสูงกว่ามาก (ประมาณ 100–200 เดซิเบล/กม.) โดยจำกัดไว้ที่ระยะทางไม่เกิน 100 เมตร

ชั้นป้องกัน: สารเคลือบ บัฟเฟอร์ และแจ็คเก็ต

ใยแก้วเปลือยมีความเปราะบาง ชุดของชั้นป้องกันห่อหุ้มเพื่อให้มั่นใจถึงความทนทานทางกลและความต้านทานต่อสิ่งแวดล้อม:

• เคลือบอะคริเลต — ชั้นแรกทาทันทีหลังจากวาดใยแก้ว การเคลือบโพลีเมอร์ที่บ่มด้วยรังสียูวี (โดยทั่วไปจะมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 250 µm) ป้องกันการดัดงอระดับจุลภาคและการดูดซับความชื้น โดยไม่ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการมองเห็น
• บัฟเฟอร์แน่นหรือท่อหลวม — ไฟเบอร์เคลือบอะคริเลตถูกหุ้มอย่างแน่นหนาในบัฟเฟอร์ PVC หรือไนลอน (ดีไซน์แบบบัฟเฟอร์แน่น) หรือวางไว้อย่างหลวมๆ ในหลอดพลาสติกเติมเจล (ดีไซน์ท่อหลวม) โครงสร้างท่อหลวมเป็นมาตรฐานสำหรับสายเคเบิลกลางแจ้ง เนื่องจากแยกเส้นใยออกจากความเค้นดึงและความผันผวนของอุณหภูมิ
• สมาชิกที่แข็งแกร่ง — เส้นใยอะรามิด (ขายภายใต้ชื่อทางการค้า เช่น เคฟลาร์) หรือแท่งไฟเบอร์กลาสถูกทอหรือวางตามยาวภายในสายเคเบิลเพื่อดูดซับแรงดึงระหว่างการติดตั้ง ป้องกันไม่ให้ใยแก้วยืดหรือแตกหัก
• เสื้อตัวนอก — ฝักสุดท้ายมักทำจาก โพลีเอทิลีน (PE) สำหรับสายเคเบิลกลางแจ้งหรือ PVC / LSZH (ฮาโลเจนไร้ควันต่ำ) สารประกอบสำหรับใช้ในร่ม วัสดุ LSZH มีความจำเป็นมากขึ้นในรหัสอาคาร เนื่องจากวัสดุเหล่านี้ปล่อยก๊าซพิษน้อยที่สุดเมื่อสัมผัสกับไฟ

สายเคเบิลหุ้มเกราะเพิ่มชั้นเทปเหล็กหรืออะลูมิเนียมลูกฟูกไว้ใต้แจ็คเก็ตเพื่อต้านทานหนูและป้องกันการกระแทกในสภาพแวดล้อมแบบฝังโดยตรงหรือในโรงงานอุตสาหกรรม

แก้วกับพลาสติก: การเลือกใช้วัสดุส่งผลต่อประสิทธิภาพอย่างไร

ประเภทที่สาม— เส้นใยซิลิกาหุ้มแข็ง (HCS) —ใช้แกนแก้วหุ้มด้วยพลาสติกแข็ง มันเชื่อมช่องว่างระหว่างการออกแบบกระจกทั้งหมดและพลาสติกทั้งหมด โดยให้การสูญเสียน้อยกว่า POF ในขณะที่ทนต่อรัศมีการโค้งงอที่ใหญ่กว่าใยแก้วโหมดเดี่ยวมาตรฐาน เส้นใย HCS พบได้ทั่วไปในเครื่องมือทางการแพทย์และการตรวจจับ

สารเจือปนพิเศษที่ปรับแต่งคุณสมบัติทางแสงอย่างละเอียด

ซิลิกาบริสุทธิ์ไม่ใช่เรื่องราวทั้งหมด ผู้ผลิตแนะนำวัสดุเจือปนที่มีความเข้มข้นเล็กน้อยลงในแกนกลางหรือกระจกหุ้มเพื่อควบคุมโปรไฟล์ดัชนีการหักเหของแสง และดังนั้นแสงจึงแพร่กระจาย:

• เจอร์เมเนียมไดออกไซด์ (GeO₂) — เพิ่มเข้าไปในแกนเพื่อเพิ่มดัชนีการหักเหของแสงที่สัมพันธ์กับการหุ้ม การเติม GeO₂ เป็นมาตรฐานในไฟเบอร์โทรคมนาคมทั้งโหมดเดี่ยวและมัลติโหมด
• ฟลูออรีน (F) หรือโบรอนไตรออกไซด์ (B₂O₃) — ลดดัชนีการหักเหของแสงและใช้ในการหุ้มหรือในการออกแบบโหมดเดียวที่มีการหุ้มแบบหดหู่ซึ่งปรับปรุงประสิทธิภาพการตัดความยาวคลื่น
• เออร์เบียม (Er³⁺) — เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์เจือเออร์เบียม (EDFA) รวมไอออนเออร์เบียมไว้ในเมทริกซ์แก้ว เมื่อปั๊มด้วยเลเซอร์ 980 นาโนเมตร เออร์เบียมจะขยายสัญญาณ 1550 นาโนเมตรโดยตรงในโดเมนออปติคัล ซึ่งเป็นรากฐานของระบบส่งสัญญาณ WDM ในระยะไกล
• ฟอสฟอรัสเพนทอกไซด์ (P₂O₅) — เพิ่มดัชนีการหักเหของแสงและลดอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว ทำให้การต่อเส้นใยและกระบวนการฟิวส์ง่ายขึ้นที่อุณหภูมิต่ำลง

โปรไฟล์สารเจือปนที่แม่นยำ ซึ่งนำไปใช้ในระหว่างกระบวนการผลิตการตกสะสมไอสารเคมี (CVD) จะเป็นตัวกำหนดว่าเส้นใยสำเร็จรูปจะมีพฤติกรรมเป็น โหมดเดียว (SMF) —นำทางเส้นทางแสงเดียวสำหรับแบนด์วิธสูงสุด—หรือ มัลติโหมด (MMF) —ชี้แนะเส้นทางมากมายสำหรับลิงค์ที่สั้นกว่าและมีต้นทุนต่ำกว่า

กระบวนการผลิตเป็นตัวกำหนดคุณภาพของวัสดุอย่างไร

ความบริสุทธิ์อันโดดเด่นของใยแก้วนำแสงนั้นเกิดขึ้นได้จากกระบวนการตกตะกอนด้วยเฟสไอ แทนที่จะใช้การหลอมแก้วแบบธรรมดา สองวิธีที่โดดเด่นคือ:

• การสะสมไอสารเคมีดัดแปลง (MCVD) — ก๊าซเจือปนภาระจะไหลผ่านท่อซิลิกาที่หมุนอยู่ ความร้อนจากคบเพลิงภายนอกทำให้ก๊าซทำปฏิกิริยาและสะสมเขม่าที่คล้ายแก้วไว้บนผนังด้านใน จากนั้นท่อจะยุบตัวเป็นแท่งพรีฟอร์มที่เป็นของแข็ง
• การสะสมไอภายนอก (OVD) — เขม่าสะสมอยู่ที่ด้านนอกของแกนหมุน ทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปขั้นต้นที่มีรูพรุน และนำไปเผาเป็นกระจกใสในภายหลัง OVD เป็นที่ต้องการสำหรับการผลิตเส้นใยโหมดเดี่ยวปริมาณสูง

ผลลัพธ์ที่ได้คือผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปขั้นต้น โดยทั่วไปจะมีความยาว 1–2 เมตร และมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 10–15 ซม วาด ในหอดึงเส้นใยที่อุณหภูมิสูงกว่า 2,000 °C ผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปขั้นต้นจะอ่อนตัวลงและถูกดึงเข้าไปในเส้นใยต่อเนื่องที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 125 µm (ประมาณความกว้างของเส้นผมมนุษย์) ที่ความเร็วการดึงเกิน 2,000 เมตรต่อนาที ระบบการวัดแบบอินไลน์จะตรวจสอบเส้นผ่านศูนย์กลาง ความเข้มข้นของการเคลือบ และการลดทอนแบบเรียลไทม์ก่อนที่ไฟเบอร์จะถูกสปูล

ห่วงโซ่การผลิตที่มีการควบคุมอย่างเข้มงวดนี้ ตั้งแต่ก๊าซสารตั้งต้น SiCl₄ ดิบไปจนถึงสายเคเบิลสำเร็จรูป เป็นสิ่งที่ช่วยให้ใยแก้วนำแสงสามารถบรรลุ ความคมชัดของแสงที่ไม่ธรรมดา ซึ่งไม่มีวัสดุแบบเดิมๆ ใดเทียบได้