Z jakých materiálů jsou vyrobeny optické kabely? Kompletní průvodce

Materiály jádra uvnitř kabelu z optických vláken

Optické kabely jsou vyrobeny především z křemičité sklo (SiO₂) , vysoce čištěná forma oxidu křemičitého. Toto sklo tvoří dvě nejvnitřnější vrstvy každého optického vlákna: jádro a opláštění . Jádro je centrální vlákno, kterým prochází světlo, zatímco plášť jej obklopuje s mírně nižším indexem lomu, aby bylo světlo omezeno principem nazývaným totální vnitřní odraz.

Sklo používané v optice je mnohem čistší než běžné okenní sklo. Standardní křemičité sklo obsahuje nečistoty, které by rozptylovaly nebo absorbovaly světlo na vzdálenost metrů. Naproti tomu vláknitý oxid křemičitý dosahuje rychlosti útlumu tak nízké jako 0,2 dB/km , umožňující signálům ujet desítky kilometrů, než budou vyžadovat zesílení.

V některých aplikacích – zejména u kabelů s krátkým dosahem nebo u kabelů pro spotřebitele – je jádro vyrobeno z plastové optické vlákno (POF) typicky polymethylmethakrylát (PMMA). Plastové vlákno je flexibilnější a méně nákladné na ukončení, i když s sebou nese výrazně vyšší ztrátu signálu (kolem 100–200 dB/km), což jej omezuje na vzdálenosti pod 100 metrů.

Ochranné vrstvy: povlaky, tlumiče a pláště

Holé skleněné vlákno je křehké. Série ochranných vrstev jej obaluje, aby byla zajištěna mechanická odolnost a odolnost vůči vlivům prostředí:

• Akrylátový nátěr — První vrstva nanesená ihned po natažení skleněného vlákna. Tento UV vytvrzený polymerní povlak (typicky o průměru 250 µm) chrání před mikroohybem a absorpcí vlhkosti, aniž by ovlivnil optický výkon.
• Těsný nárazník nebo uvolněná trubice — Vlákno potažené akrylátem je buď pevně zapouzdřeno v PVC nebo nylonovém pufru (provedení s pevným pufrem) nebo volně umístěno uvnitř gelem naplněné plastové trubice (provedení s volnou trubicí). Konstrukce s volnými trubkami je standardní pro venkovní kabely, protože izoluje vlákno od tahového napětí a teplotních výkyvů.
• Členové síly — Aramidová vlákna (prodávaná pod obchodními názvy, jako je Kevlar) nebo tyče ze skleněných vláken jsou tkané nebo položené podélně uvnitř kabelu, aby absorbovaly tahové zatížení během instalace a zabraňovaly natahování nebo lámání skleněného vlákna.
• Svrchní bunda — Konečný plášť je obvykle vyroben z polyethylen (PE) pro venkovní kabely popř PVC / LSZH (Low Smoke Zero Halogen) směsi pro vnitřní použití. Materiály LSZH jsou stále více vyžadovány ve stavebních předpisech, protože při vystavení ohni vypouštějí minimální toxický plyn.

Pancéřované kabely přidávají pod plášť vlnitou ocelovou nebo hliníkovou pásku pro odolnost proti hlodavcům a ochranu proti rozdrcení v přímém zakopání nebo v průmyslovém prostředí.

Sklo vs. plast: Jak výběr materiálu ovlivňuje výkon

Třetí kategorie - tvrdé křemičité (HCS) vlákno —používá skleněné jádro s pláštěm z tvrdého plastu. Překlenuje mezeru mezi celoskleněným a celoplastovým designem, nabízí nižší ztráty než POF a zároveň toleruje větší poloměry ohybu než standardní jednovidové skleněné vlákno. HCS vlákno je běžné v lékařských a snímacích přístrojích.

Speciální příměsi, které dolaďují optické vlastnosti

Čistý oxid křemičitý není celý příběh. Výrobci zavádějí malé koncentrace dopujících materiálů do jádra nebo krycího skla, aby řídili profil indexu lomu – a tedy i to, jak se světlo šíří:

• Oxid germičitý (GeO₂) — Přidáno do jádra pro zvýšení jeho indexu lomu vzhledem k plášti. Doping GeO₂ je standardem v jednovidových i vícevidových telekomunikačních vláknech.
• Fluor (F) nebo oxid boritý (B₂O3) — Snižuje index lomu a používá se v plášti nebo v jednovidových designech s protlačeným pláštěm, které zlepšují výkon mezní vlnové délky.
• Erbium (Er³⁺) — Erbiem dopované vláknové zesilovače (EDFA) začleňují ionty erbia do skleněné matrice. Když je erbium čerpáno 980 nm laserem, zesiluje 1550 nm signály přímo v optické doméně – základ dálkových přenosových systémů WDM.
• Oxid fosforečný (P₂O₅) — Zvyšuje index lomu a snižuje teplotu skelného přechodu, což usnadňuje spojování a tavení vláken při nižších teplotách.

Přesný profil dopantu aplikovaný během výrobního procesu chemického napařování (CVD) určuje, zda se hotové vlákno chová jako jeden režim (SMF) —vedení jedné světelné cesty pro maximální šířku pásma —nebo multimode (MMF) —vedení mnoha cest pro kratší a levnější spojení.

Jak výrobní proces utváří kvalitu materiálu

Výjimečné čistoty skla z optických vláken je dosaženo spíše procesy depozice v parní fázi než konvenčním tavením skla. Dvě dominantní metody jsou:

• Modifikovaná chemická depozice z plynné fáze (MCVD) — Plyny s příměsí dopantů proudí rotující trubicí z oxidu křemičitého. Teplo z externího hořáku způsobuje reakci plynů a usazování skelných sazí na vnitřní stěně. Trubka je poté složena do pevné tyče předlisku.
• Vnější depozice par (OVD) — Saze se ukládají na vnější stranu rotujícího trnu, čímž vzniká porézní předlisek, který se později slinuje do čirého skla. OVD je preferován pro velkoobjemovou výrobu jednovidových vláken.

Vznikne tak výsledný předlisek – obvykle 1–2 metry dlouhý a 10–15 cm v průměru nakreslený ve věži pro tažení vláken při teplotách nad 2 000 °C. Předlisek změkne a je vytažen do souvislého vlákna o průměru pouhých 125 µm (přibližně šířce lidského vlasu) při rychlosti tažení přesahující 2000 metrů za minutu. Inline měřicí systémy ověřují průměr, soustřednost povlaku a útlum v reálném čase před tím, než je vlákno navinuto.

Tento přísně kontrolovaný výrobní řetězec – od surového SiCl4 prekurzorového plynu po hotové kabely – umožňuje sklu z optických vláken dosáhnout mimořádná optická čistota kterému se žádný konvenční materiál nevyrovná.