Wie werden optische Fasern hergestellt?

Heute hat die Glasfaser Metalldrähte in der Hochgeschwindigkeitskommunikation ersetzt. Eine Glasfaser ist ein feines Filament mit einer Haarbreite, das aus geschmolzenem Quarzglas gezogen wird. Studenten fragen oft, wie Faser hergestellt wird, da es nicht offensichtlich ist, wie etwas, das nur 1/8 mm - 0,005 Zoll im Durchmesser hat, mit solcher Präzision hergestellt werden kann. In diesem Artikel werden wir einige grundlegende Fakten darüber diskutieren, wie Glasfasern hergestellt werden. Dies kann zu einem besseren Verständnis der Funktionsweise von Glasfasern führen.  

Im Kern

Wir haben im letzten Artikel untersucht, dass es zwei Haupttypen von Glasfasern gibt: Singlemode und Multimode. Beide haben zwei grundlegende konzentrische Glasstrukturen: den Kern und die Verkleidung.

Die Monomode-Faser hat einen kleineren Kern von 9 Mikron Durchmesser und nur die 6-fache Wellenlänge des Lichts, das sie durchlässt. Diese geringe Größe des Kerns begrenzt das transmittierte Licht in der Faser auf nur einen Prinzipmodus. Dadurch wird die Streuung der Lichtimpulse minimiert und der Abstand des gesendeten Signals vergrößert.

Multimode-Fasern haben einen großen Kerndurchmesser von 50 oder 62,5 Mikron im Vergleich zur Wellenlänge. Es verbreitet sich also mehr als ein Lichtmodus. Daher weist die Multimode-Faser eine höhere Dispersion auf als die Monomode-Faser.
Der Prozess der Umwandlung von Rohstoffen in sendefertige Glasfasern besteht aus zwei Hauptschritten.

1.    Herstellung der Vorform

Der erste Schritt ist die Herstellung eines massiven Glasstabes, der als Preform bezeichnet wird. Dabei werden hochreine Chemikalien, vor allem Siliziumtetrachlorid (SiCl4) und Germaniumtetrachlorid (GeCl4), in Glas umgewandelt. Diese Chemikalien sind in unterschiedlichen Anteilen hilfreich, um die Kernbereiche für verschiedene Arten von Preforms herzustellen.

Grundlegende chemische Reaktion ist:

• SiCl4 (Gas) + O2 > SiO2 (fest) + 2Cl2 (brennt)
• GeCl4 (Gas) + O2 > GeO2 (fest) + 2Cl2 (brennt)

Die Kernzusammensetzung aller Standardfasern besteht aus Siliziumdioxid, wobei unterschiedliche Mengen an Germanium zugesetzt werden, um den Brechungsindex der Faser zu erhöhen. Singlemode-Fasern haben typischerweise nur geringe Mengen an Germanien und eine einheitliche Zusammensetzung im Kern. Multimode-Fasern haben einen viel höheren Brechungsindex und damit einen viel höheren Germaniengehalt.

Es gibt noch mehrere andere Verfahren zur Herstellung von Preforms. Einer davon ist der MCVD-Prozess (Modified Chemical Vapor Deposition). In dieser streng kontrollierten Mischung von Chemikalien wird das Innere eines rotierenden Glasrohres aus reinem synthetischem SiO2 durchströmt. Die Gasdämpfe werden dann in einer speziellen Drehmaschine in ein synthetisches Siliziumdioxid- oder Quarzrohr geleitet.

2.    Ziehen von Fasern aus Preformrohlingen

Nach dem Testen des Preformrohlings wird er in einen Faserziehturm eingelegt, um ihn in eine haardünne Faser umzuwandeln.

Die Spitze des Preforms wird in einen Graphitrohrofen bei (1900 bis 2200 Grad Celsius) abgesenkt und die Spitze wird geschmolzen, bis ein geschmolzener Globus durch die Schwerkraft herunterfällt. Dann kühlt es ab und bildet einen Faden.

Die Fäden werden dann durch eine Reihe von Beschichtungsbechern (Pufferbeschichtung) und UV-Lichthärtungsöfen auf ein Traktorband gestrandet, das sich am Boden des Kühlturms befindet und auf Wickelwalzen aufgewickelt wird.  Mit einem Lasermikrometer wird der Durchmesser der Faser gemessen und Informationen werden an den Traktormechanismus zurückgegeben. Die Fasern werden mit einer Geschwindigkeit von 10 bis 20 m/s (33 bis 66 ft/s) aus dem Rohling gezogen. Spulen enthalten mehr als 2,2 km (1,4 Meilen) einer Glasfaser.

3.    Prüfung der fertigen Glasfaser

Die fertige Glasfaser wird auf folgende Faktoren geprüft

Zugfestigkeit - Sie muss 100.000 lb/in2 oder mehr aushalten.
Brechungsindexprofil - Bestimmen Sie die numerische Apertur und optische Fehler.
Fasergeometrie - Stellen Sie sicher, dass Kerndurchmesser, Hüllmaße und Beschichtungsdurchmesser einheitlich sind.
Dämpfung - Bestimmen Sie das Ausmaß, in dem die Signalstärke über die Entfernung abnimmt.
Die Informationsbelastbarkeit - Anzahl der Signale, die gleichzeitig übertragen werden können (multimodale Fasern).

Chromatische Dispersion/Betriebstemperatur/Feuchtigkeitsbereich/Fähigkeit zur Durchführung von Licht unter Wasser
Schließlich ist die getestete Faser bereit, an Telefongesellschaften, Kabelgesellschaften und Netzbetreiber verkauft zu werden.