Z jakich materiałów wykonane są kable światłowodowe? Kompletny przewodnik warstwa po warstwie

Kable światłowodowe wykonane są z kilku precyzyjnie zaprojektowanych, współpracujących ze sobą materiałów: ultraczystego rdzenia ze szkła krzemionkowego lub tworzywa sztucznego, który przenosi sygnały świetlne, warstwy okładziny ze szkła lub polimeru, która odbija światło z powrotem do rdzenia, jednej lub więcej warstw powłoki ochronnej z polimeru akrylowego utwardzanego promieniowaniem UV oraz zewnętrznej struktury kabla składającej się z elementów wzmacniających, rurek buforowych i płaszcza z polietylenu lub PCV. Każdy materiał jest wybierany pod kątem określonych właściwości optycznych, mechanicznych i środowiskowych, które łącznie określają wydajność, trwałość i przydatność kabla do różnych środowisk instalacyjnych.

Zrozumienie z jakich materiałów wykonane są kable światłowodowe jest niezbędne dla inżynierów określających infrastrukturę sieciową, techników zajmujących się obsługą i łączeniem kabli oraz menedżerów ds. zaopatrzenia porównujących typy kabli do zastosowań długodystansowych, w centrach danych lub na zewnątrz. W tym przewodniku szczegółowo opisano każdą warstwę i materiał — z danymi dotyczącymi wydajności, porównaniami i praktycznymi wskazówkami dotyczącymi wyboru.

Rdzeń: ultraczyste szkło krzemionkowe i alternatywy z tworzyw sztucznych

Rdzeń jest centralnym elementem światłowodowym prowadzącym światło i jest najbardziej krytycznym optycznie elementem całej konstrukcji. W standardowym włóknie telekomunikacyjnym rdzeń wykonany jest ze szkła topionej krzemionki o ultrawysokiej czystości (dwutlenek krzemu, SiO2) o poziomie czystości przekraczającym 99,9999% — znacznie czystszym niż szkło okienne lub soczewki optyczne stosowane w innych zastosowaniach.

Rdzeń ze szkła krzemionkowego: standard branżowy

Szkło krzemionkowe jest dominującym materiałem rdzenia, ponieważ zapewnia najniższe możliwe tłumienie optyczne (stratę sygnału) w całej długości fali stosowanej w telekomunikacji. Teoretyczne minimalne tłumienie włókna szklanego krzemionkowego wynosi około 0,148 dB/km przy długości fali 1550 nm – jest to fizyczna granica znana jako granica rozproszenia Rayleigha. Komercyjne światłowód jednomodowy osiąga w produkcji wartości tłumienia 0,18–0,20 dB/km przy 1550 nm, zbliżając się do tego teoretycznego minimum.

Aby wytworzyć różnicę współczynnika załamania światła niezbędną do prowadzenia światła, rdzeń krzemionkowy domieszkuje się niewielkimi ilościami dwutlenku germanu (GeO2), zwykle w stężeniach 3–10% molowych. Domieszka germanu podnosi współczynnik załamania światła rdzenia powyżej współczynnika załamania otaczającego płaszcza, tworząc stan całkowitego wewnętrznego odbicia, który wychwytuje i prowadzi światło wzdłuż osi włókna. Inne domieszki stosowane we włóknach specjalistycznych obejmują pięciotlenek fosforu (P2O5) i tlenek glinu (Al2O3) w celu określonego kształtowania profilu współczynnika załamania światła.

Różnice w średnicy rdzenia: tryb jednomodowy i wielomodowy

Fizyczny rozmiar rdzenia szklanego różni się znacznie w przypadku dwóch głównych typów włókien:

• Światłowód jednomodowy (SMF): Średnica rdzenia 8–10 mikrometrów. Niezwykle mały rdzeń umożliwia propagację tylko jednego trybu światła, eliminując dyspersję modową i umożliwiając transmisję na odległość 40 km lub większą pomiędzy punktami wzmocnienia w sieciach telekomunikacyjnych.
• Światłowód wielomodowy (MMF) — OM1/OM2: Średnica rdzenia 62,5 mikrometra (OM1) lub 50 mikrometrów (OM2). Większy rdzeń umożliwia jednoczesną propagację wielu trybów światła, ograniczając szerokość pasma przez dyspersję modową, ale czyniąc wyrównanie i połączenie łatwiejszym i tańszym.
• Światłowód wielomodowy (MMF) — OM3/OM4/OM5: Średnica rdzenia 50 mikrometrów ze zoptymalizowanym profilem współczynnika załamania światła o stopniowanym współczynniku załamania światła, który częściowo kompensuje dyspersję modową, umożliwiając przesyłanie danych z szybkością 100 Gb/s na dystansach do 100 metrów (OM4) w zastosowaniach w centrach danych.

Materiał rdzenia światłowodu z tworzywa sztucznego (POF).

Do zastosowań na krótkich dystansach i przy niskich kosztach, światłowód z tworzywa sztucznego wykorzystuje rdzeń z polimetakrylanu metylu (PMMA) — to samo szkło akrylowe, które jest stosowane w przezroczystych panelach i oknach wystawowych. POF z rdzeniem PMMA charakteryzuje się znacznie wyższym tłumieniem (zwykle 150–200 dB/km przy 650 nm) w porównaniu z włóknem krzemionkowym, ograniczając użyteczne odległości transmisji do około 50–100 metrów. Jednakże duży rdzeń włókna PMMA (zwykle 980 mikrometrów przy całkowitej średnicy 1000 mikrometrów) i elastyczność sprawiają, że jest on praktyczny w samochodowych sieciach informacyjno-rozrywkowych, oświetleniu domów i czujnikach przemysłowych, gdzie kruchość włókna krzemionkowego i mały rdzeń stwarzają trudności w ustawieniu i obsłudze.

Włókno z tworzywa sztucznego z rdzeniem z polimeru perfluorowanego (PF), czasami nazywane włóknem optycznym z tworzywa sztucznego o stopniowanym indeksie (GI-POF), osiąga znacznie niższe tłumienie wynoszące około 10–50 dB/km i większą szerokość pasma, wypełniając lukę w wydajności pomiędzy standardowym światłowodem POF i włóknem krzemionkowym w zastosowaniach sieciowych w budynkach o długości do 300 metrów.

Okładzina: szkło, które kieruje światło poprzez całkowite wewnętrzne odbicie

Płaszcz to warstwa szkła lub tworzywa sztucznego otaczająca rdzeń i jest drugim pod względem optycznym materiałem w a kabel światłowodowy . Jego jedyną funkcją optyczną jest posiadanie nieco niższego współczynnika załamania światła niż rdzeń, dzięki czemu światło padające na granicę rdzeń-płaszcz pod kątem większym niż kąt krytyczny ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu i jest prowadzone wzdłuż włókna, a nie ucieka do otaczającego materiału.

Okładzina z czystej krzemionki

W większości standardowych jednomodowych i wielomodowych włókien telekomunikacyjnych płaszcz wykonany jest z czystego (niedomieszkowanego) szkła krzemionkowego o współczynniku załamania światła około 1,444 przy 1550 nm. Rdzeń domieszkowany germanem ma nieco wyższy współczynnik załamania światła, wynoszący około 1,447–1,452 w zależności od stężenia domieszki, tworząc różnicę współczynnika załamania światła (delta) wynoszącą 0,2–0,35%, która określa aperturę numeryczną włókna i kąt przyjmowania światła.

Standardowa średnica zewnętrzna płaszcza światłowodu telekomunikacyjnego wynosi dokładnie 125 mikrometrów – jest to światowy standard utrzymywany z tolerancją wymiarową plus minus 1 mikrometr. Ta znormalizowana średnica umożliwia niezawodne łączenie ze sobą włókien różnych producentów i łączenie przy użyciu standardowych złączy i sprzętu do łączenia.

Okładzina domieszkowana fluorem

Niektóre konstrukcje włókien — szczególnie światłowody jednomodowe z obniżonym płaszczem, stosowane w zastosowaniach ze przesuniętą dyspersją — wykorzystują krzemionkę domieszkowaną fluorem jako płaszcz wewnętrzny. Domieszkowanie fluorem obniża współczynnik załamania światła krzemionki poniżej współczynnika załamania czystego szkła, umożliwiając projektowanie złożonych profili współczynnika załamania światła (takich jak profil W lub konstrukcje wspomagane rowkiem), które poprawiają wydajność strat na zgięciach, odcinają niepożądane mody wyższego rzędu i zmniejszają dyspersję. Płaszcz domieszkowany fluorem znajduje się we włóknie odpornym na zginanie (norma ITU-T G.657) stosowanym w instalacjach światłowodowych do domu (FTTH), gdzie nieuniknione są ciasne zagięcia wokół narożników i w małych kanałach.

Powłoka: Warstwy polimeru akrylowego utwardzanego promieniami UV

Bezpośrednio wokół okładziny ze szkła o grubości 125 mikrometrów znajduje się dwuwarstwowa powłoka polimerowa nakładana podczas procesu ciągnienia włókna — pierwsza warstwa ochronna, jaką otrzymuje włókno po wyciągnięciu z preformy. Powłoka ta stanowi podstawową ochronę mechaniczną włókna szklanego i nie pełni funkcji optycznej.

Powłoka podstawowa: miękka warstwa wewnętrzna

Powłoka podstawowa to miękki, niskomodułowy polimer akrylowy, utwardzany promieniowaniem UV, nakładany bezpośrednio na powierzchnię szkła o średnicy zewnętrznej około 190–200 mikrometrów. Jego niski moduł Younga (zwykle 0,5–1,0 MPa) pozwala mu amortyzować szkło przed naprężeniami mikrozgięciowymi — drobnymi odkształceniami spowodowanymi nieregularnościami powierzchni lub bocznym naciskiem na włókno, które w przeciwnym razie zwiększyłoby tłumienie. Powłoka podstawowa chroni również nieskazitelną powierzchnię szkła przed wilgocią, która mogłaby zainicjować pękanie korozyjne naprężeniowe (zwane również zmęczeniem statycznym), które z czasem stopniowo osłabia włókno krzemionkowe.

Powłoka wtórna: twarda warstwa zewnętrzna

Powłoka wtórna (zewnętrzna) to twardszy, utwardzany promieniowaniem UV polimer akrylowy o wyższym module, nałożony na powłokę podstawową, dzięki czemu całkowita średnica powlekanych włókien wynosi standardowe 245–250 mikrometrów. Jej wyższa sztywność (moduł zazwyczaj 50–100 MPa) jest odporna na ścieranie, uszkodzenia podczas manipulacji i siły promieniowe, które w przeciwnym razie ściskałyby miękką powłokę podstawową i powodowałyby straty mikrozgięciowe. Powłoka wtórna jest również pigmentowana barwnikami odpornymi na promieniowanie UV do identyfikacji włókien — 12 standardowych kolorów standardu kodowania kolorami TIA-598 stosowanego w kablach taśmowych i wielowłóknowych.

Specjalne materiały powłokowe do stosowania w trudnych warunkach

• Powłoka poliimidowa: W zastosowaniach wysokotemperaturowych do 300°C (takich jak wykrywanie odwiertów naftowych i lotnictwo) standardowe powłoki akrylowe zastępuje się powłokami poliimidowymi (PI) nakładanymi w cienkich warstwach o grubości 5–7 mikrometrów na warstwę. Włókno pokryte poliimidem ma średnicę zewnętrzną wynoszącą zaledwie 155 mikrometrów, co umożliwia ściślejsze upakowanie w narzędziach wiertniczych i wiązkach przewodów lotniczych.
• Hermetyczna powłoka węglowa: Ultra cienka warstwa amorficznego węgla (0,02–0,05 mikrometra) osadzona na powierzchni szkła przed powłoką akrylową zapewnia pełną barierę dla wilgoci w środowiskach bogatych w wodór, takich jak kable podmorskie i niektóre zastosowania związane z wykrywaniem substancji chemicznych. Włókno hermetyczne węglowo wykazuje utratę starzenia wodorowego poniżej 0,01 dB/km po 25 latach pracy podmorskiej.
• Powłoka Ormocer (ceramika modyfikowana organicznie): Hybrydowa organiczno-nieorganiczna powłoka polimerowa zapewniająca doskonałą odporność na promieniowanie dla obiektów nuklearnych i kosmicznych systemów światłowodowych, gdzie konwencjonalne powłoki akrylowe szybko ulegają degradacji pod wpływem promieniowania jonizującego.
• Powłoki zewnętrzne o niskiej zawartości dymu i zerowej zawartości halogenu (LSZH): W przypadku stosów taśm światłowodowych stosowanych w centrach danych i zastosowaniach w pomieszczeniach zamkniętych stosuje się materiały z matrycą akrylową zgodne z LSZH, które pod wpływem ognia wytwarzają minimalną ilość toksycznego dymu i nie zawierają związków halogenowych.

Porównanie materiałów rdzenia kabla światłowodowego: szkło krzemionkowe i tworzywo sztuczne

Szkło krzemionkowe i plastik to dwa podstawowe materiały do wyboru w kablach światłowodowych. Poniższa tabela porównuje ich działanie według najważniejszych kryteriów optycznych, mechanicznych i aplikacyjnych.

Tabela 1: Porównanie materiałów rdzenia ze szkła krzemionkowego i tworzyw sztucznych stosowanych w kablach światłowodowych według ośmiu kryteriów wydajności i zastosowania.

Materiały na konstrukcję kabla: elementy wzmacniające, rury buforowe i płaszcze

Poza samym włóknem zewnętrzna struktura kabla składa się z kilku dodatkowych warstw materiału, które chronią delikatne włókno szklane przed naprężeniami mechanicznymi, wilgocią, gryzoniami, zgnieceniem i degradacją UV podczas instalacji i przez cały projektowany okres użytkowania kabla wynoszący 20–25 lat. Każdy element konstrukcyjny wykonany jest z materiałów dobranych pod kątem określonych właściwości ochronnych.

Elementy wzmacniające: włókno aramidowe, włókno szklane i stal

Elementy wzmacniające przenoszą obciążenie rozciągające działające na kabel podczas instalacji i zmiany temperatury podczas pracy, chroniąc światłowód przed rozciąganiem (co zwiększa tłumienie i może spowodować pęknięcie). Trzy główne materiały wzmacniające stosowane w kabel światłowodowy construction są:

• Przędza z włókna aramidowego (typu kevlarowego): Najczęściej stosowany element wzmacniający w kablach wewnętrznych i kablach krosowych. Włókno aramidowe ma wytrzymałość na rozciąganie około 3600 MPa i moduł Younga 70–125 GPa, czyli mniej więcej pięć razy więcej niż stal przy tej samej masie. Standardowe kable krosowe zawierają przędzę aramidową o gęstości 150–300 denierów; w kablach dystrybucyjnych stosuje się cięższe niedoprzędy o masie 1420–2840 denierów. Aramid jest nieprzewodzący (ważny dla izolacji elektrycznej) i ma niską rozszerzalność cieplną, dzięki czemu włókno jest neutralne pod względem naprężeń w przypadku zmian temperatury.
• Pręt z tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem szklanym (FRP): Centralny pręt FRP (zwykle o średnicy 0,5–3 mm) służy jako centralny element wzmacniający w kablach zewnętrznych z luźną rurką. FRP zapewnia wysoką wytrzymałość na ściskanie (w przeciwieństwie do aramidu, który wygina się pod wpływem ściskania), dzięki czemu nadaje się do kabli, które muszą wytrzymać siły zgniatające w instalacjach podziemnych lub kanałowych. Pręty FRP mają wytrzymałość na rozciąganie 1000–1500 MPa i podobnie jak aramid są nieprzewodzące.
• Drut stalowy i taśma stalowa: Stalowe elementy wzmacniające są stosowane w samonośnych kablach napowietrznych (konstrukcje ADSS i figura 8), kablach pancernych do bezpośredniego zakopania w ziemi oraz kablach podmorskich. Stal zapewnia najwyższą wytrzymałość na rozciąganie — splotka drutu stalowego o średnicy 6 mm może wytrzymać obciążenia rozciągające powyżej 20 kN — ale zwiększa wagę i wymaga połączeń elektrycznych i uziemienia w instalacjach w pobliżu linii energetycznych. W zależności od wymagań dotyczących narażenia na korozję stosuje się stal ocynkowaną lub stal nierdzewną.

Rurki buforowe: PBT, PVDF i polipropylen

Rurki buforowe to puste w środku cylindryczne struktury, które zawierają i chronią pojedyncze włókna optyczne lub taśmy włókien w kablu. Spełniają dwie funkcje: chronią włókna przed naciskiem bocznym i zapewniają bufor o kontrolowanej rozszerzalności cieplnej, który zapobiega rozciąganiu włókien podczas skurczu kabla w niskiej temperaturze. Najpopularniejszymi materiałami na rurki buforowe są:

• Politereftalan butylenu (PBT): Standardowy w branży materiał na rurki buforowe z luźną rurką w kablach zewnętrznych. PBT zapewnia doskonałą stabilność wymiarową w zakresie temperatur (-40 do 70°C), niską absorpcję wilgoci (poniżej 0,1%), dobrą odporność chemiczną i grubość ścianki 0,3–0,6 mm, która zapewnia znaczną odporność na zgniatanie. Rurki PBT są zazwyczaj wypełnione żelem blokującym wodę (tiksotropowym żelem węglowodorowym) lub suchą taśmą blokującą wodę, aby zapobiec wnikaniu wilgoci.
• PVDF (polifluorek winylidenu): Stosowany w konstrukcjach ze szczelnym buforem do kabli wewnętrznych i trudnych warunków chemicznych. PVDF zapewnia doskonałą odporność na promieniowanie UV, płomień i szeroką gamę chemikaliów, dzięki czemu nadaje się do okablowania obiektów przemysłowych i instalacji wewnętrznych w pomieszczeniach zamkniętych. Powłoki ściśle buforowe PVDF nakłada się przy średnicy zewnętrznej 900 mikrometrów bezpośrednio na powlekane włókno o średnicy 250 mikrometrów.
• Polipropylen (PP): Tańsza alternatywa dla PBT do niektórych zastosowań w kablach dystrybucyjnych na krótkich dystansach, szczególnie w hybrydowych konstrukcjach wewnętrznych i zewnętrznych. PP ma nieco niższą stabilność wymiarową niż PBT w podwyższonych temperaturach, ale oferuje doskonałą odporność chemiczną i dobre właściwości przetwórcze do szybkiej produkcji kabli.

Materiały blokujące wodę: żel, taśma i proszek

Wnikanie wody jest jedną z głównych przyczyn awarii kabli światłowodowych w instalacjach zakopanych bezpośrednio w ziemi. Stosowane są trzy podejścia do blokowania wody, każde z odrębnymi systemami materiałowymi:

• Żel wypełniający węglowodorowy: Tradycyjne blokowanie wody w kablach z luźną rurką wykorzystuje tiksotropowy żel na bazie ropy naftowej, który wypełnia rurę buforową i szczeliny między rurami. Żel pozostaje wystarczająco płynny, aby umożliwić ruch włókien w tubie, ale wystarczająco lepki, aby zapobiec migracji wody. Kable wypełnione żelem wymagają specjalnych procedur czyszczenia żelem podczas łączenia i zakańczania.
• Taśma i przędza z superchłonnego polimeru (SAP): W suchych kablach z blokadą wodną stosuje się taśmy lub przędze powlekane SAP, które szybko pęcznieją w kontakcie z wodą (pochłaniając do 400-krotność swojej masy), blokując migrację wody bez bałaganu w postaci żelu naftowego. Blokowanie wody oparte na SAP dominuje obecnie w nowych konstrukcjach kabli ze względu na łatwiejszą obsługę i preferencje środowiskowe w porównaniu z żelem naftowym.
• Proszek SAP w tubach buforowych: Niektóre konstrukcje kabli zawierają proszek SAP posypany wewnątrz rurek buforowych jako główny mechanizm blokujący wodę, co pozwala uzyskać lekkość konstrukcji z suchego bloku przy prostszej produkcji niż owijanie taśmą SAP.

Warstwy pancerza: stal falista, aluminium i polietylen

Opancerzone kable światłowodowe zawierają metalowe lub dielektryczne warstwy pancerza pomiędzy rdzeniem a płaszczem zewnętrznym, odporne na zgniatanie, ataki gryzoni i uderzenia mechaniczne. Trzy główne typy zbroi to:

• Pancerz z taśmy ze stali falistej (CST): Nałożona wzdłużnie falista taśma stalowa (zwykle o grubości 0,15–0,25 mm) połączona z wewnętrznym płaszczem polietylenowym. Pancerz CST zapewnia doskonałą odporność na zgniatanie (zwykle ocenianą na 3 000–4 000 N/100 mm) i odporność na gryzonie w przypadku kabli zakopanych bezpośrednio w obszarach o znanej aktywności gryzoni.
• Taśma aluminiowa falista: Stosowany w łodziach podwodnych i niektórych kablach do układania w ziemi, gdzie korzystna jest niższa waga aluminium w porównaniu ze stalą. Aluminium jest również bardziej odporne na korozję w środowisku słonej wody.
• Połączony pancerz: Druty ze stali ocynkowanej owinięte spiralnie wokół kabla zapewniają elastyczną zbroję dla kabli pionowych stosowanych w pomieszczeniach i na zewnątrz, które wymagają zarówno odporności na gryzonie, jak i elastyczności instalacji na zakrętach.

Materiały płaszcza zewnętrznego: polietylen, PCV, LSZH i PVDF

Kurtka zewnętrzna stanowi pierwszą linię obrony przed uszkodzeniami fizycznymi, promieniowaniem UV, wilgocią, chemikaliami i ekstremalnymi temperaturami. Wybór materiału na płaszcz ma znaczący wpływ na bezpieczeństwo przeciwpożarowe, zgodność z wymogami ochrony środowiska, łatwość montażu i długoterminową trwałość.

Tabela 2: Porównanie materiałów płaszcza zewnętrznego stosowanych w kablach światłowodowych pod względem odporności na promieniowanie UV, płomień, zakres temperatur, toksyczność dymu i typowe środowisko stosowania.

Jak powstaje szkło światłowodowe: proces preformy i ciągnienia

Zrozumienie what kabel światłowodowys are made of jest niekompletna bez zrozumienia, w jaki sposób wytwarzane jest ultraczyste szkło krzemionkowe — proces równie niezwykły jak parametry optyczne światłowodu.

Produkcja preform

Światłowód zaczyna się od szklanej preformy — stałego pręta z ultraczystej krzemionki o długości około 1 metra i średnicy 80–160 mm — zawierającej na dużą skalę strukturę współczynnika załamania światła rdzenia i płaszcza. Najszerzej stosowanym procesem wytwarzania preform jest modyfikowane chemiczne osadzanie z fazy gazowej (MCVD), w którym pary tetrachlorku krzemu (SiCl4) i tetrachlorku germanu (GeCl4) utleniają się w obracającej się rurze krzemionkowej w temperaturze 1500–1900°C, osadzając kolejne warstwy domieszkowanej i niedomieszkowanej sadzy szklanej. Zewnętrzne osadzanie z fazy gazowej (OVD) i osadzanie osiowe z fazy gazowej (VAD) to alternatywne procesy stosowane przez różnych producentów w celu osiągnięcia wyższych szybkości osadzania i większych rozmiarów preform.

Rysowanie włókien

Preforma jest podawana pionowo do pieca do ciągnienia, gdzie jej końcówka jest podgrzewana do temperatury około 2000°C – tuż poniżej temperatury mięknienia krzemionki – a cienkie włókno jest ciągnięte w dół z prędkością 10–25 metrów na sekundę. Gdy włókno opuszcza piec i schładza się, przechodzi przez komory utwardzające promieniami UV, w których nakłada się i utwardza ​​dwuwarstwową powłokę akrylową, a następnie trafia na bęben odbierający. Cały proces od końcówki preformy do powlekanego włókna odbywa się w precyzyjnie kontrolowanej atmosferze, aby zapobiec zanieczyszczeniu powierzchni, które mogłoby zmniejszyć wytrzymałość włókna. Wytrzymałość na rozciąganie rozciąganego włókna jest stale sprawdzana on-line przy naprężeniu 1% odkształcenia (około 0,7 GPa), aby zagwarantować minimalną wytrzymałość na zerwanie gotowego kabla.

Często zadawane pytania dotyczące materiałów na kable światłowodowe

P1: Czy kabel światłowodowy jest wykonany ze szkła czy tworzywa sztucznego?

Większość kabli światłowodowych do telekomunikacji i transmisji danych składa się z rdzenia i powłoki ze szkła krzemionkowego. Plastikowy światłowód (POF) istnieje i wykorzystuje rdzeń PMMA lub perfluorowany polimer, ale stanowi niewielką część zainstalowanych włókien na całym świecie – głównie w zastosowaniach motoryzacyjnych, dekoracyjnych i czujnikach krótkich. Kiedy ludzie odnoszą się do „kabla światłowodowego” w kontekście infrastruktury sieciowej lub internetowej, prawie zawsze mają na myśli włókno krzemionkowe z rdzeniem szklanym.

P2: Dlaczego w kablach światłowodowych zamiast innych materiałów stosuje się szkło krzemionkowe?

Stosowane jest szkło krzemionkowe, ponieważ osiąga ono najniższe tłumienie optyczne spośród wszystkich materiałów w zakresie długości fal stosowanych w telekomunikacji (1310 nm i 1550 nm). Jego tłumienie na poziomie 0,18–0,20 dB/km umożliwia przesyłanie sygnałów na odległość 40 km lub więcej bez wzmocnienia. Żaden inny stały, przezroczysty materiał nie jest w stanie zbliżyć się do tych parametrów przy tych długościach fal. Krzemionka ma również doskonałą stabilność chemiczną, nie jest higroskopijna, można ją rozciągnąć w niezwykle jednolite włókna, a jej właściwości optyczne są dobrze poznane po dziesięcioleciach badań i produkcji komercyjnej.

P3: Co znajduje się w płaszczu ochronnym kabla światłowodowego?

Wewnątrz zewnętrznego płaszcza typowego zewnętrznego kabla światłowodowego z luźną tubą znajdziesz: centralny pręt wzmacniający FRP lub stalowy, wiele kolorowych rur buforowych PBT (każda zawiera 6–12 kolorowych włókien optycznych w żelu blokującym wodę lub otoczona taśmą SAP), przędzę z włókien aramidowych lub dodatkowe elementy wzmacniające z drutu stalowego owinięte wokół wiązki rur, a w wersjach opancerzonych taśmę ze stali falistej pomiędzy wiązką rur a płaszczem zewnętrznym. Kable wewnętrzne ze ścisłym buforem mają prostszą konstrukcję: każde włókno ma 900-mikrometrową warstwę PVDF lub nylonową warstwę ciasnego bufora bezpośrednio nad powłoką o grubości 250 mikrometrów, z elementami wzmacniającymi z przędzy aramidowej pod płaszczem zewnętrznym.

P4: Jak czyste jest szkło w kablu światłowodowym?

Szkło krzemionkowe w telekomunikacyjnym kablu światłowodowym należy do najczystszych materiałów wytwarzanych na skalę przemysłową. Całkowita zawartość zanieczyszczeń metalicznych wynosi poniżej 1 części na miliard (ppb) w przypadku metali przejściowych, takich jak żelazo, miedź i chrom — pierwiastków, które pochłaniają światło na falach telekomunikacyjnych i znacznie zwiększają tłumienie. Ten poziom czystości, przekraczający 99,9999% SiO2, osiąga się w procesie chemicznego osadzania z fazy gazowej, podczas którego szkło powstaje z ultraczystych prekursorów gazowych (SiCl4 o czystości większej niż 99,9999%), a nie z naturalnego kwarcu zawierającego nieuniknione śladowe zanieczyszczenia mineralne.

P5: Czy kable światłowodowe są w stanie wytrzymać zewnętrzne warunki pogodowe?

Tak, kable światłowodowe do zastosowań zewnętrznych zostały specjalnie zaprojektowane tak, aby przetrwać 20–25 lat ekspozycji na promieniowanie UV, zmiany temperatury, wilgoć, obciążenie wiatrem, a w niektórych przypadkach gryzonie lub zgniecenie. Kable w czarnej osłonie HDPE zawierają sadzę (2–3% wagowych), która pochłania promieniowanie UV i zapobiega degradacji łańcucha polimerowego, która z czasem mogłaby powodować kruchość i pękanie. Wypełniona żelem lub sucho blokowana konstrukcja z luźnymi rurkami zapobiega przedostawaniu się wilgoci do włókna szklanego, ponieważ wnikanie wody w połączeniu z naprężeniami mechanicznymi przyspiesza zmęczenie korozją naprężeniową w krzemionce. Kable instalowane napowietrznie muszą również wytrzymywać obciążenie lodem i zmęczenie wibracyjne wywołane wiatrem – wymagania te spełniają odpowiednie wymiary zwisu kabla i wymiar elementów wzmacniających.

P6: Jaka jest różnica między materiałami LSZH i PVC?

Płaszcze z PVC (polichlorku winylu) są trudnopalne i niedrogie, ale podczas spalania wydzielają się chlorowodór (HCl) i gęsty czarny dym – toksyczny i żrący w zamkniętych przestrzeniach, takich jak centra danych, tunele tranzytowe lub zamieszkane budynki. Kurtki LSZH (Low Smoke Zero Halogen) są wykonane z polimerów bezhalogenowych (zwykle związków poliolefinowych ze środkami zmniejszającymi palność na bazie minerałów, takimi jak trójhydrat aluminium), które pod wpływem ognia wytwarzają minimalną ilość dymu i nie zawierają gazów zawierających kwas halogenowy. Europejskie normy dotyczące kabli (EN 50575) i wiele krajowych przepisów budowlanych wymagają obecnie stosowania kabli LSZH w budynkach użyteczności publicznej, infrastrukturze transportowej i gęsto zaludnionych środowiskach centrów danych. Kable LSZH kosztują zazwyczaj 15–30% więcej niż równoważne kable z płaszczem PVC.

P7: Czy materiał osłony kabla światłowodowego wpływa na wydajność transmisji sygnału?

Sam materiał płaszcza nie ma bezpośredniego wpływu na transmisję światła przez włókno, ponieważ światło przemieszcza się tylko wewnątrz szklanego rdzenia i płaszcza. Jednakże materiał płaszcza wpływa pośrednio na parametry optyczne na dwa sposoby: po pierwsze, sztywniejsze materiały płaszcza wywierają większe siły boczne na wiązkę włókien, potencjalnie powodując wzrost tłumienia wywołanego mikrozgięciami, jeśli konstrukcja rurki buforowej lub powłoki włókna nie zostanie zoptymalizowana; po drugie, materiały osłonowe o słabej stabilności wymiarowej w ekstremalnych temperaturach (szczególnie materiały, które znacznie kurczą się w niskich temperaturach) mogą narażać włókno na naprężenia ściskające lub rozciągające, jeśli konstrukcja kabla nie zapewnia odpowiedniego odciążenia. Dobrze zaprojektowane kable wykorzystujące standardowe materiały płaszcza zachowują określoną wydajność tłumienia w pełnym znamionowym zakresie temperatur pracy.

Wniosek: Dlaczego wybór materiału definiuje wydajność kabla światłowodowego

Odpowiedź na z jakich materiałów wykonane są kable światłowodowe ujawnia wyrafinowany system inżynierii warstwa po warstwie, w którym każdy materiał jest wybierany z precyzją: ultraczysta krzemionka domieszkowana germanem jako rdzeń prowadzący światło przy minimalnych stratach, powłoka z krzemionki niedomieszkowanej lub domieszkowanej fluorem, która tworzy całkowitą wewnętrzną granicę odbicia, dwuwarstwowe powłoki akrylowe utwardzane promieniami UV, które chronią szkło przed mikrozgięciami i wilgocią, oraz zewnętrzna struktura kabla z elementów wzmacniających aramidowych lub FRP, rurki buforowe PBT, SAP blokujący wodę materiały, opcjonalny pancerz stalowy i materiał płaszcza dostosowany do bezpieczeństwa pożarowego, odporności na promieniowanie UV, zakresu temperatur i wymagań środowiskowych wdrożenia.

Każda warstwa materiału odgrywa niezastąpioną rolę. Awaria dowolnego elementu — pęknięcie powłoki membrany, przedostanie się wody przez uszkodzony płaszcz lub degradacja pod wpływem promieni UV niezabezpieczonej powłoki zewnętrznej — może pogorszyć wydajność lub żywotność całego łącza kablowego. Dla projektantów sieci, instalatorów i inżynierów ds. zaopatrzenia – zrozumienie materiałów, z których się składa kabel światłowodowys stanowi podstawę do podejmowania właściwych decyzji dotyczących specyfikacji w pełnym zakresie zastosowań telekomunikacyjnych, centrów danych, przemysłowych i specjalistycznych.