ما هي المواد التي تصنع منها كابلات الألياف الضوئية؟ دليل كامل

المواد الأساسية داخل كابل الألياف الضوئية

كابلات الألياف الضوئية مصنوعة في المقام الأول من زجاج السيليكا (SiO₂) ، وهو شكل عالي النقاء من ثاني أكسيد السيليكون. يشكل هذا الزجاج الطبقتين الأعمق لكل ألياف بصرية: الطبقة الأساسية و الكسوة . النواة هي الشريط المركزي الذي ينتقل من خلاله الضوء، في حين أن الكسوة تحيط به بمعامل انكسار أقل قليلاً لإبقاء الضوء محصوراً من خلال مبدأ يسمى الانعكاس الداخلي الكلي.

الزجاج المستخدم في الألياف الضوئية أنقى بكثير من زجاج النوافذ العادي. يحتوي زجاج السيليكا القياسي على شوائب من شأنها أن تبعثر الضوء أو تمتصه على مسافات تصل إلى أمتار. على النقيض من ذلك، تحقق السيليكا المصنوعة من الألياف معدلات توهين منخفضة تصل إلى 0.2 ديسيبل/كم مما يتيح للإشارات الانتقال لعشرات الكيلومترات قبل أن تتطلب التضخيم.

في بعض التطبيقات، وخاصة الكابلات قصيرة المدى أو الكابلات المخصصة للمستهلكين، يتم تصنيع القلب من الألياف الضوئية البلاستيكية (POF) ، عادة ميثاكريلات بولي ميثيل (PMMA). تعتبر الألياف البلاستيكية أكثر مرونة وأقل تكلفة في الإنهاء، على الرغم من أنها تحمل فقدان إشارة أعلى بكثير (حوالي 100-200 ديسيبل / كم)، مما يقتصر على مسافات أقل من 100 متر.

طبقات الحماية: الطلاءات والمخازن المؤقتة والسترات

الألياف الزجاجية العارية هشة. يتم تغليفه بسلسلة من الطبقات الواقية لضمان المتانة الميكانيكية والمقاومة البيئية:

طلاء اكريليت - يتم تطبيق الطبقة الأولى مباشرة بعد سحب الألياف الزجاجية. يحمي طلاء البوليمر المعالج بالأشعة فوق البنفسجية (قطره عادةً 250 ميكرومتر) من الانحناء الدقيق وامتصاص الرطوبة دون التأثير على الأداء البصري.
عازلة ضيقة أو أنبوب فضفاض - يتم تغليف الألياف المطلية بالأكريليت بإحكام في مادة عازلة من PVC أو النايلون (تصميم محكم الغلق) أو يتم وضعها بشكل غير محكم داخل أنبوب بلاستيكي مملوء بالهلام (تصميم أنبوب فضفاض). يعد بناء الأنبوب السائب أمرًا قياسيًا للكابلات الخارجية لأنه يعزل الألياف عن إجهاد الشد وتقلبات درجات الحرارة.
أعضاء القوة — يتم نسج ألياف الأراميد (التي تباع تحت أسماء تجارية مثل كيفلر) أو قضبان الألياف الزجاجية أو وضعها طوليًا داخل الكابل لامتصاص أحمال الشد أثناء التثبيت، مما يمنع الألياف الزجاجية من التمدد أو الانكسار.
سترة خارجية - الغلاف النهائي مصنوع عادة من البولي ايثيلين (بي) للكابلات الخارجية أو PVC / LSZH (منخفض الهالوجين بدون دخان) مركبات للاستخدام الداخلي. هناك حاجة متزايدة إلى مواد LSZH في قوانين البناء لأنها تنبعث منها الحد الأدنى من الغازات السامة عند تعرضها للنار.

تضيف الكابلات المدرعة طبقة من شريط الفولاذ أو الألومنيوم المموج أسفل الغلاف لمقاومة القوارض والحماية من السحق في البيئات الصناعية أو الدفن المباشر.

الزجاج مقابل البلاستيك: كيف يؤثر اختيار المواد على الأداء

مقارنة ألياف زجاج السيليكا والألياف الضوئية البلاستيكية عبر معايير الأداء الرئيسية.
الملكية	ألياف زجاج السيليكا	الألياف الضوئية البلاستيكية (POF)
المواد الأساسية	المنقى SiO₂	PMMA أو البوليسترين
التوهين النموذجي	0.2 – 3 ديسيبل/كم	100 – 200 ديسيبل/كم
أقصى مسافة عملية	مئات الكيلومترات	ما يصل إلى ~ 100 م
المرونة	معتدل (هش إذا كان مفرطًا)	عالية
التكلفة النسبية	عاليةer	أقل
تطبيقات نموذجية	الاتصالات ومراكز البيانات والكيبل التلفزيوني	السيارات، المركبات الاستهلاكية، الصناعات ذات الوصلات القصيرة

فئة ثالثة - ألياف السيليكا الصلبة (HCS). - يستخدم قلبًا زجاجيًا مع كسوة بلاستيكية صلبة. إنه يسد الفجوة بين التصميمات المصنوعة من الزجاج بالكامل والبلاستيك بالكامل، مما يوفر خسارة أقل من POF بينما يتحمل نصف قطر انحناء أكبر من الألياف الزجاجية القياسية أحادية الوضع. ألياف HCS شائعة في الأدوات الطبية وأجهزة الاستشعار.

المنشطات المتخصصة التي تعمل على ضبط الخصائص البصرية

السيليكا النقية ليست القصة بأكملها. يقوم المصنعون بإدخال تركيزات صغيرة من المواد المشابهة في الزجاج الأساسي أو الكسوة للتحكم في ملف معامل الانكسار - وبالتالي كيفية انتشار الضوء:

ثاني أكسيد الجرمانيوم (GeO₂) — يضاف إلى النواة لرفع معامل انكسارها نسبة إلى الكسوة. يعد المنشطات GeO₂ أمرًا قياسيًا في كل من ألياف الاتصالات أحادية الوضع ومتعددة الأوضاع.
الفلور (F) أو ثالث أكسيد البورون (B₂O₃) - يقلل من معامل الانكسار ويستخدم في الكسوة، أو في تصميمات الكسوة أحادية الوضع التي تعمل على تحسين أداء الطول الموجي المقطوع.
الإربيوم (Er³⁺) — تقوم مضخمات الألياف المشبعة بالإربيوم (EDFAs) بدمج أيونات الإربيوم في المصفوفة الزجاجية. عند ضخه بليزر 980 نانومتر، يقوم الإربيوم بتضخيم إشارات 1550 نانومتر مباشرة في المجال البصري، وهو أساس أنظمة نقل WDM طويلة المدى.
خامس أكسيد الفوسفور (P₂O₅) — يرفع معامل الانكسار ويخفض درجة حرارة التزجج، مما يسهل عملية لصق الألياف ودمجها في درجات حرارة منخفضة.

يحدد ملف الدوبانت الدقيق، المطبق أثناء عملية تصنيع ترسيب البخار الكيميائي (CVD)، ما إذا كانت الألياف النهائية تتصرف كما هي أم لا. وضع واحد (SMF) - توجيه مسار ضوئي واحد لأقصى عرض نطاق ترددي - أو المتعدد (MMF) - توجيه العديد من المسارات لروابط أقصر وأقل تكلفة.

كيف تشكل عملية التصنيع جودة المواد

يتم تحقيق النقاء الاستثنائي للألياف الزجاجية من خلال عمليات الترسيب في مرحلة البخار بدلاً من ذوبان الزجاج التقليدي. الطريقتان السائدتان هما:

ترسيب البخار الكيميائي المعدل (MCVD) - تتدفق الغازات المحملة بالدوبانت عبر أنبوب دوار من السيليكا. تتسبب الحرارة المنبعثة من الشعلة الخارجية في تفاعل الغازات وترسيب السخام الزجاجي على الجدار الداخلي. ثم يتم طي الأنبوب إلى قضيب تشكيل صلب.
ترسيب البخار الخارجي (OVD) — يتم ترسيب السخام على الجزء الخارجي من الشياق الدوار، مما ينتج عنه تشكيل مسامي يتم تلبيده لاحقًا في الزجاج الشفاف. يُفضل OVD لإنتاج الألياف أحادية الوضع بكميات كبيرة.

يتم بعد ذلك تشكيل القالب الناتج - الذي يبلغ طوله عادةً 1-2 متر وقطره 10-15 سم مرسومة في برج سحب الألياف عند درجات حرارة أعلى من 2000 درجة مئوية. يتم تليين القالب ويتم سحبه إلى حبلا من الألياف المستمرة يبلغ قطرها 125 ميكرومتر فقط (حوالي عرض شعرة الإنسان) بسرعات سحب تتجاوز 2000 متر في الدقيقة. تتحقق أنظمة القياس المضمنة من القطر وتركيز الطلاء والتوهين في الوقت الفعلي قبل تخزين الألياف.

إن سلسلة التصنيع التي يتم التحكم فيها بإحكام - بدءًا من غاز SiCl الخام الخام وحتى الكابلات النهائية - هي ما يسمح للألياف الزجاجية بتحقيق وضوح بصري غير عادي لا يمكن لأي مادة تقليدية أن تضاهيها.