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

كابلات الألياف الضوئية مصنوعة من عدة مواد مصممة بدقة تعمل معًا: قلب من زجاج السيليكا أو البلاستيك فائق النقاء يحمل إشارات ضوئية، وطبقة من الزجاج أو البوليمر تعكس الضوء مرة أخرى إلى القلب، وطبقة طلاء واقية واحدة أو أكثر من بوليمر الأكريليت المعالج بالأشعة فوق البنفسجية، وهيكل كابل خارجي يتكون من أعضاء قوية، وأنابيب عازلة، وسترة من البولي إيثيلين أو بولي كلوريد الفينيل. يتم اختيار كل مادة وفقًا لخصائص بصرية وميكانيكية وبيئية محددة تحدد معًا أداء الكابل ومتانته وملاءمته لبيئات التثبيت المختلفة.

فهم ما هي المواد التي تصنع منها كابلات الألياف الضوئية يعد أمرًا ضروريًا للمهندسين الذين يحددون البنية التحتية للشبكة، والفنيين الذين يتعاملون مع الكابلات وربطها، ومديري المشتريات الذين يقارنون أنواع الكابلات لمسافات طويلة، أو مركز البيانات، أو النشر الخارجي. يغطي هذا الدليل كل طبقة وكل مادة بالتفصيل - مع بيانات الأداء والمقارنات وإرشادات الاختيار العملية.

الجوهر: زجاج السيليكا فائق النقاء والبدائل البلاستيكية

النواة هي العنصر المركزي الذي يوجه الضوء في كابل الألياف الضوئية، وهو العنصر الأكثر أهمية بصريًا في الهيكل بأكمله. في ألياف الاتصالات السلكية واللاسلكية القياسية، يتم تصنيع القلب من زجاج السيليكا المنصهر عالي النقاء (ثاني أكسيد السيليكون، SiO2) بمستوى نقاء يتجاوز 99.9999% - وهو أنقى بكثير من زجاج النوافذ أو العدسات البصرية المستخدمة في التطبيقات الأخرى.

قلب زجاج السيليكا: معيار الصناعة

يعتبر زجاج السيليكا هو المادة الأساسية المهيمنة لأنه يوفر أقل قدر ممكن من التوهين البصري (فقد الإشارة) عبر الأطوال الموجية المستخدمة في الاتصالات. يبلغ الحد الأدنى النظري للتوهين لألياف زجاج السيليكا حوالي 0.148 ديسيبل/كم عند طول موجة 1550 نانومتر - وهو حد مادي يُعرف باسم حد تشتت رايلي. تحقق الألياف التجارية أحادية الوضع قيم توهين تبلغ 0.18-0.20 ديسيبل/كم عند 1550 نانومتر في الإنتاج، مما يقترب من هذا الحد الأدنى النظري.

لإنشاء فرق معامل الانكسار الضروري لتوجيه الضوء، يتم تطعيم نواة السيليكا بكميات صغيرة من ثاني أكسيد الجرمانيوم (GeO2)، عادةً بتركيزات تتراوح بين 3-10 مول%. تعمل المنشطات الجرمانيوم على رفع معامل الانكسار للقلب أعلى من الكسوة المحيطة، مما يخلق حالة الانعكاس الداخلي الكلي الذي يحبس الضوء ويوجهه على طول محور الألياف. تشمل المنشطات الأخرى المستخدمة في الألياف المتخصصة خامس أكسيد الفوسفور (P2O5) وأكسيد الألومنيوم (Al2O3) لتشكيل ملف تعريف معامل الانكسار المحدد.

اختلافات القطر الأساسية: الوضع الفردي مقابل الوضع المتعدد

يختلف الحجم المادي للنواة الزجاجية بشكل كبير بين نوعي الألياف الرئيسيين:

• الألياف أحادية الوضع (SMF): قطر النواة 8-10 ميكرومتر. يسمح المركز الصغير للغاية بانتشار نمط واحد فقط من الضوء، مما يزيل التشتت النموذجي ويتيح مسافات نقل تصل إلى 40 كم أو أكثر بين نقاط التضخيم في شبكات الاتصالات.
• الألياف المتعددة الأوضاع (MMF) — OM1/OM2: قطر النواة 62.5 ميكرومتر (OM1) أو 50 ميكرومتر (OM2). يسمح المركز الأكبر حجمًا لأوضاع إضاءة متعددة بالانتشار في وقت واحد، مما يحد من عرض النطاق الترددي عن طريق التشتت المشروط ولكنه يجعل المحاذاة والاتصال أسهل وأقل تكلفة.
• الألياف المتعددة الأوضاع (MMF) — OM3/OM4/OM5: يبلغ القطر الأساسي 50 ميكرومترًا مع ملف تعريف مُحسَّن لمؤشر الانكسار المتدرج الذي يعوض جزئيًا عن التشتت المشروط، مما يتيح معدلات بيانات تبلغ 100 جيجابت في الثانية عبر مسافات تصل إلى 100 متر (OM4) لتطبيقات مراكز البيانات.

المواد الأساسية للألياف الضوئية البلاستيكية (POF).

للتطبيقات قصيرة المدى ومنخفضة التكلفة، الألياف الضوئية البلاستيكية يستخدم قلب بولي ميثيل ميثاكريليت (PMMA) - وهو نفس زجاج الأكريليك المستخدم في لوحات العرض والنوافذ الشفافة. يتمتع POF-PMMA بتوهين أعلى بكثير (عادةً 150-200 ديسيبل / كم عند 650 نانومتر) مقارنة بألياف السيليكا، مما يحد من مسافات النقل المفيدة إلى حوالي 50-100 متر. ومع ذلك، فإن النواة الكبيرة لألياف PMMA (عادةً 980 ميكرومتر في إجمالي قطر 1000 ميكرومتر) والمرونة تجعلها عملية لشبكات المعلومات والترفيه في السيارات، والإضاءة المنزلية، وتطبيقات الاستشعار الصناعية حيث تمثل هشاشة ألياف السيليكا والنواة الصغيرة صعوبات في المحاذاة والتعامل معها.

تحقق الألياف البلاستيكية الأساسية من البوليمر المشبع بالفلور (PF بوليمر)، والتي تسمى أحيانًا الألياف الضوئية البلاستيكية ذات المؤشر المتدرج (GI-POF)، توهينًا أقل بكثير يبلغ حوالي 10-50 ديسيبل / كم وعرض نطاق أعلى، مما يسد فجوة الأداء بين POF القياسي وألياف السيليكا لتطبيقات شبكات المباني حتى 300 متر.

الكسوة: الزجاج الذي يوجه الضوء بالانعكاس الداخلي الكلي

الكسوة هي طبقة من الزجاج أو البلاستيك تحيط بالقلب وهي ثاني أكثر المواد أهمية بصريًا في أي كابل الألياف الضوئية . وتتمثل وظيفتها البصرية الوحيدة في أن يكون معامل انكسارها أقل قليلاً من القلب، بحيث يمر الضوء الذي يضرب حدود الكسوة الأساسية بزوايا أكبر من الزاوية الحرجة بانعكاس داخلي كامل ويتم توجيهه على طول الألياف بدلاً من الهروب إلى المواد المحيطة.

الكسوة السيليكا النقية

في معظم ألياف الاتصالات السلكية واللاسلكية القياسية أحادية النمط ومتعددة الأنماط، تكون الكسوة مصنوعة من زجاج السيليكا النقي (غير المنقوع) مع معامل انكسار يبلغ حوالي 1.444 عند 1550 نانومتر. يحتوي القلب المشبع بالجرمانيوم على مؤشر انكسار أعلى قليلاً يبلغ حوالي 1.447-1.452 اعتمادًا على تركيز المنشطات، مما يخلق فرق معامل الانكسار (دلتا) بنسبة 0.2-0.35% الذي يحدد الفتحة العددية للألياف وزاوية قبول الضوء.

يبلغ القطر الخارجي القياسي للكسوة لألياف الاتصالات السلكية واللاسلكية 125 ميكرومترًا على وجه التحديد - وهو معيار عالمي يتم الحفاظ عليه مع تسامح الأبعاد بمقدار زائد أو ناقص 1 ميكرومتر. يسمح هذا القطر القياسي بربط الألياف من مختلف الشركات المصنعة معًا بشكل موثوق وتوصيلها باستخدام موصلات ومعدات الربط القياسية الصناعية.

الكسوة المشبعة بالفلور

تستخدم بعض تصميمات الألياف - وخاصة الألياف أحادية النمط ذات الكسوة المضغوطة المستخدمة في تطبيقات تحويل التشتت - السيليكا المشبعة بالفلور في الكسوة الداخلية. تعمل المنشطات بالفلور على خفض معامل انكسار السيليكا أقل من الزجاج النقي، مما يسمح بتصميم ملفات تعريف معقدة لمؤشر الانكسار (مثل ملف تعريف W أو الهياكل المدعومة بالخندق) التي تعمل على تحسين أداء فقدان الانحناء، وقطع أوضاع الترتيب العالي غير المرغوب فيها، وتقليل التشتت. تم العثور على الكسوة المغطاة بالفلور في الألياف غير الحساسة للانحناء (معيار ITU-T G.657) المستخدمة في تركيبات الألياف إلى المنزل (FTTH) حيث لا يمكن تجنب الانحناءات الضيقة حول الزوايا وفي القنوات الصغيرة.

الطلاء: طبقات بوليمر أكريليت معالج بالأشعة فوق البنفسجية

يحيط مباشرة بالكسوة الزجاجية التي يبلغ قطرها 125 ميكرومتر طبقة بوليمر مزدوجة الطبقة يتم تطبيقها أثناء عملية سحب الألياف - وهي الطبقة الواقية الأولى التي تتلقاها الألياف بعد سحبها من التشكيل. هذا الطلاء هو الحماية الميكانيكية الأساسية للألياف الزجاجية وليس له وظيفة بصرية.

الطلاء الأساسي: طبقة داخلية ناعمة

الطبقة الأولية عبارة عن بوليمر أكريليت ناعم ومنخفض المعامل معالج بالأشعة فوق البنفسجية يتم تطبيقه مباشرة على السطح الزجاجي بقطر خارجي يبلغ حوالي 190-200 ميكرومتر. إن معامل يونج المنخفض (عادةً 0.5-1.0 ميجا باسكال) يسمح له بحماية الزجاج من إجهاد الانحناء الدقيق، وهو تشوهات صغيرة ناجمة عن عدم انتظام السطح أو الضغط الجانبي على الألياف، مما قد يؤدي إلى زيادة التوهين. يحمي الطلاء الأساسي أيضًا سطح الزجاج الأصلي من الرطوبة، مما قد يؤدي إلى حدوث تشقق بسبب التآكل الإجهادي (يُسمى أيضًا التعب الساكن) الذي يضعف ألياف السيليكا تدريجيًا بمرور الوقت.

الطلاء الثانوي: طبقة خارجية صلبة

الطبقة الثانوية (الخارجية) عبارة عن بوليمر أكريليت أكثر صلابة ومعامل أعلى معالج بالأشعة فوق البنفسجية يتم تطبيقه على الطبقة الأولية، مما يجعل إجمالي قطر الألياف المطلية يصل إلى 245-250 ميكرومتر القياسي. صلابته العالية (معامل عادة 50-100 ميجا باسكال) تقاوم التآكل، والتعامل مع الضرر، والقوى الشعاعية التي من شأنها أن تضغط على الطلاء الأساسي الناعم وتتسبب في خسائر الانحناء الدقيق. يتم أيضًا صبغ الطبقة الثانوية بملونات مقاومة للأشعة فوق البنفسجية لتحديد الألياف - الألوان القياسية الـ 12 لمعيار ترميز الألوان TIA-598 المستخدم في الشريط والكابلات متعددة الألياف.

مواد طلاء متخصصة للبيئات القاسية

• طلاء بوليميد: بالنسبة لتطبيقات درجات الحرارة العالية التي تصل إلى 300 درجة مئوية (مثل استشعار آبار النفط والفضاء)، يتم استبدال طلاءات الأكريليت القياسية بطبقات بوليميد (PI) المطبقة في طبقات رقيقة من 5 إلى 7 ميكرومتر لكل طبقة. يبلغ القطر الخارجي للألياف المغطاة بالبوليميد 155 ميكرومترًا فقط، مما يتيح تعبئة أكثر إحكامًا في أدوات قاع البئر وحزم أسلاك الطائرات.
• طلاء الكربون المحكم: توفر طبقة الكربون غير المتبلورة الرقيقة للغاية (0.02-0.05 ميكرومتر) المترسب على السطح الزجاجي قبل طلاء الأكريليت حاجزًا كاملاً للرطوبة للبيئات الغنية بالهيدروجين مثل الكابلات البحرية وبعض تطبيقات الاستشعار الكيميائي. تُظهر الألياف الكربونية المحكم فقدان شيخوخة الهيدروجين أقل من 0.01 ديسيبل / كم بعد 25 عامًا من الخدمة تحت سطح البحر.
• طلاء Ormocer (السيراميك العضوي المعدل): طلاء بوليمر عضوي غير عضوي هجين يوفر مقاومة فائقة للإشعاع للمنشأة النووية وأنظمة الألياف الضوئية الفضائية، حيث تتحلل طبقات الأكريليت التقليدية بسرعة تحت التعرض للإشعاع المؤين.
• الطلاءات الخارجية الخالية من الهالوجين منخفضة الدخان (LSZH): بالنسبة لأكوام شريط الألياف المستخدمة في مراكز البيانات والتطبيقات الداخلية، يتم استخدام مواد مصفوفة الأكريليت المتوافقة مع LSZH والتي تنتج الحد الأدنى من الدخان السام ولا تحتوي على مركبات هالوجينية عند تعرضها للنار.

مقارنة المواد الأساسية لكابلات الألياف الضوئية: زجاج السيليكا مقابل البلاستيك

يعد زجاج السيليكا والبلاستيك خيارين أساسيين للمواد الأساسية لكابلات الألياف الضوئية. يقارن الجدول أدناه أدائها عبر أهم المعايير البصرية والميكانيكية والتطبيقية.

الجدول 1: مقارنة بين زجاج السيليكا والمواد الأساسية البلاستيكية المستخدمة في كابلات الألياف الضوئية عبر ثمانية معايير للأداء والتطبيق.

مواد هيكل الكابل: أعضاء القوة، والأنابيب العازلة، والسترات

بالإضافة إلى الألياف نفسها، يشتمل هيكل الكابل الخارجي على عدة طبقات من المواد الإضافية التي تحمي الألياف الزجاجية الحساسة من الإجهاد الميكانيكي والرطوبة والقوارض والسحق وتدهور الأشعة فوق البنفسجية أثناء التثبيت وعلى مدى عمر تصميم الكابل الذي يتراوح بين 20 و25 عامًا. يتكون كل مكون هيكلي من مواد مختارة لخصائص وقائية محددة.

أعضاء القوة: ألياف الأراميد، والألياف الزجاجية، والصلب

تحمل أعضاء القوة حمل الشد المطبق على الكابل أثناء التثبيت ودورة درجة الحرارة أثناء الخدمة، مما يحمي الألياف الضوئية من التمدد (مما يزيد التوهين ويمكن أن يسبب الكسر). المواد الأساسية الثلاثة لأعضاء القوة المستخدمة في كابل الألياف الضوئية construction هي:

• خيوط ألياف الأراميد (نوع كيفلر): عضو القوة الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في الكابلات الداخلية وكابلات التصحيح. تتمتع ألياف الأراميد بقوة شد تبلغ حوالي 3600 ميجا باسكال، ومعامل يونج يتراوح بين 70-125 جيجا باسكال، أي أقوى بخمس مرات تقريبًا من الفولاذ الذي له نفس الوزن. تحتوي أسلاك التصحيح القياسية على 150-300 دينير من خيوط الأراميد؛ تستخدم كابلات التوزيع تجوالات أثقل تتراوح ما بين 1420 إلى 2840 دينير. الأراميد غير موصل (مهم للعزل الكهربائي) وله تمدد حراري منخفض، مما يحافظ على إجهاد الألياف محايدًا عبر التغيرات في درجات الحرارة.
• قضيب من البلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية (FRP): يتم استخدام قضيب FRP مركزي (قطره عادةً 0.5-3 مم) كعضو قوة مركزي في الكابلات الخارجية ذات الأنبوب السائب. يوفر FRP قوة ضغط عالية (على عكس الأراميد، الذي ينثني تحت الضغط)، مما يجعله مناسبًا للكابلات التي يجب أن تقاوم قوى السحق في التركيبات المدفونة أو مجاري الهواء. تتمتع قضبان FRP بقوة شد تتراوح بين 1000 و1500 ميجا باسكال، وهي غير موصلة للكهرباء مثل الأراميد.
• أسلاك الفولاذ والشريط الفولاذي: يتم استخدام أعضاء القوة الفولاذية في الكابلات الهوائية ذاتية الدعم (تصميمات ADSS والشكل 8)، والكابلات المدرعة للدفن المباشر، والكابلات البحرية. يوفر الفولاذ أعلى قدرة حمل شد - يمكن لسلك فولاذي مقاس 6 مم أن يتحمل أحمال شد أعلى من 20 كيلو نيوتن - ولكنه يضيف وزنًا ويتطلب ربطًا كهربائيًا وتأريضًا في التركيبات القريبة من خطوط الكهرباء. يتم استخدام الفولاذ المجلفن أو الفولاذ المقاوم للصدأ اعتمادًا على متطلبات التعرض للتآكل.

الأنابيب العازلة: PBT، PVDF، والبولي بروبيلين

الأنابيب العازلة عبارة عن هياكل أسطوانية مجوفة تحتوي على ألياف بصرية فردية أو أشرطة ألياف داخل الكابل وتحميها. إنها تؤدي وظيفتين: حماية الألياف من الضغط الجانبي وتوفير مخزن مؤقت للتمدد الحراري يمكن التحكم فيه والذي يمنع وضع الألياف في حالة توتر أثناء انكماش الكابل في درجة الحرارة الباردة. المواد الأنبوبية العازلة الأكثر شيوعًا هي:

• بولي بيوتيلين تيريفثاليت (PBT): المادة المتوافقة مع معايير الصناعة للأنابيب العازلة ذات الأنابيب الفضفاضة في الكابلات الخارجية. يوفر PBT ثباتًا ممتازًا للأبعاد عبر درجة الحرارة (-40 إلى 70 درجة مئوية)، وامتصاص منخفض للرطوبة (أقل من 0.1٪)، ومقاومة كيميائية جيدة، وسمك جدار يتراوح بين 0.3 إلى 0.6 مم يوفر مقاومة ذات معنى للسحق. عادةً ما يتم ملء أنابيب PBT بهلام مانع للماء (جل هيدروكربوني متغير الانسيابية) أو شريط مانع للماء الجاف لمنع دخول الرطوبة.
• PVDF (فلوريد البولي فينيلدين): يستخدم في البناء العازل المحكم للكابلات الداخلية والبيئات الكيميائية القاسية. يوفر PVDF مقاومة فائقة للأشعة فوق البنفسجية واللهب ومجموعة واسعة من المواد الكيميائية، مما يجعله مناسبًا لكابلات المباني الصناعية والتركيبات الداخلية ذات التصنيف الكامل. يتم تطبيق الطلاءات العازلة الضيقة PVDF بقطر خارجي يبلغ 900 ميكرومتر مباشرة فوق الألياف المطلية بقطر 250 ميكرومتر.
• مادة البولي بروبيلين (PP): بديل أقل تكلفة لـ PBT لبعض تطبيقات كابلات التوزيع قصيرة المسافة، خاصة في التصميمات الهجينة الداخلية والخارجية. يتمتع PP بثبات أبعاد أقل قليلاً من PBT في درجات حرارة مرتفعة ولكنه يوفر مقاومة كيميائية ممتازة وخصائص معالجة جيدة لتصنيع الكابلات عالية السرعة.

مواد حجب الماء: الجل والشريط والمسحوق

يعد دخول المياه أحد الأسباب الرئيسية لفشل كابلات الألياف الضوئية في المنشآت المدفونة والدفن المباشر. يتم استخدام ثلاث طرق لحجب الماء، ولكل منها أنظمة مواد مختلفة:

• جل تعبئة الهيدروكربون: يستخدم حاجز الماء التقليدي في كابلات الأنابيب السائبة هلامًا بتروليًا متغير الانسيابية يملأ الأنبوب العازل والفجوات بين الأنابيب. يبقى الجل سائلاً بدرجة كافية للسماح بحركة الألياف داخل الأنبوب ولكنه لزج بدرجة كافية لمنع هجرة الماء. تتطلب الكابلات المملوءة بالهلام إجراءات خاصة لتنظيف الجل أثناء الربط والإنهاء.
• شريط وخيوط بوليمر فائق الامتصاص (SAP): تستخدم الكابلات الجافة المسدودة بالماء أشرطة أو خيوط مغلفة بـ SAP تنتفخ بسرعة عند ملامستها للماء (تمتص ما يصل إلى 400 مرة من وزنها)، مما يمنع انتقال الماء دون فوضى هلام البترول. يهيمن الآن حجب الماء المعتمد على SAP على تصميمات الكابلات الجديدة نظرًا لسهولة التعامل والتفضيلات البيئية على هلام البترول.
• مسحوق SAP في الأنابيب العازلة: تتضمن بعض تصميمات الكابلات مسحوق SAP المغطى بالغبار داخل الأنابيب العازلة كآلية أساسية لمنع الماء، مما يحقق الوزن الخفيف لبناء الكتل الجافة مع تصنيع أبسط من تغليف شريط SAP.

طبقات الدروع: الفولاذ المموج، والألومنيوم، والبولي إيثيلين

تشتمل كابلات الألياف الضوئية المدرعة على طبقات درع معدنية أو عازلة بين القلب والغلاف الخارجي لمقاومة السحق وهجوم القوارض والتأثير الميكانيكي. الأنواع الثلاثة الرئيسية للدروع هي:

• درع الشريط الفولاذي المموج (CST): شريط فولاذي مموج مطبق طوليًا (سمكه عادة 0.15-0.25 مم) مرتبط بغطاء داخلي من البولي إيثيلين. يوفر درع CST مقاومة ممتازة للسحق (تتراوح عادةً بين 3000-4000 نيوتن/100 ملم) ومقاومة للقوارض للكابلات المدفونة مباشرة في المناطق ذات نشاط القوارض المعروف.
• شريط الألمنيوم المموج: يستخدم في الكابلات البحرية وبعض كابلات الدفن المباشر حيث يكون الوزن المنخفض للألمنيوم مقابل الفولاذ مفيدًا. الألومنيوم أيضًا أكثر مقاومة للتآكل في بيئات المياه المالحة.
• درع متشابك: توفر الأسلاك الفولاذية المجلفنة الملفوفة بشكل حلزوني حول الكابل درعًا مرنًا للكابلات الصاعدة الداخلية والخارجية التي تتطلب مقاومة القوارض ومرونة التثبيت حول الانحناءات.

مواد الغلاف الخارجي: البولي إيثيلين، PVC، LSZH، وPVDF

الغلاف الخارجي هو خط الدفاع الأول ضد الأضرار المادية والأشعة فوق البنفسجية والرطوبة والمواد الكيميائية ودرجات الحرارة القصوى. إن اختيار مواد السترة له آثار كبيرة على السلامة من الحرائق، والامتثال البيئي، وسهولة التركيب، والمتانة على المدى الطويل.

الجدول 2: مقارنة مواد الغلاف الخارجي المستخدمة في كابلات الألياف الضوئية عبر مقاومة الأشعة فوق البنفسجية، وتصنيف اللهب، ونطاق درجة الحرارة، وسمية الدخان، وبيئة النشر النموذجية.

كيف يتم تصنيع الألياف الزجاجية الزجاجية: عملية التشكيل والرسم

فهم what كابل الألياف الضوئيةs are made of لا يكتمل هذا البحث دون فهم كيفية إنتاج زجاج السيليكا فائق النقاء، وهي عملية رائعة مثل الأداء البصري للألياف.

تصنيع التشكيل

تبدأ الألياف الضوئية كتشكيل زجاجي - وهو قضيب صلب من السيليكا فائقة النقاء يبلغ طوله حوالي متر واحد وقطره 80-160 ملم - يحتوي على بنية معامل الانكسار للكسوة الأساسية على نطاق واسع. عملية تصنيع التشكيل الأكثر استخدامًا هي ترسيب البخار الكيميائي المعدل (MCVD)، حيث يتم أكسدة أبخرة رباعي كلوريد السيليكون (SiCl4) ورابع كلوريد الجرمانيوم (GeCl4) داخل أنبوب سيليكا دوار عند درجة حرارة 1500-1900 درجة مئوية، مما يؤدي إلى ترسيب طبقات متتالية من السخام الزجاجي المخدر وغير المخدر. يعد ترسيب البخار الخارجي (OVD) والترسيب المحوري للبخار (VAD) من العمليات البديلة التي تستخدمها الشركات المصنعة المختلفة لتحقيق معدلات ترسيب أعلى وأحجام تشكيل أكبر.

رسم الألياف

يتم تغذية القالب عموديًا في فرن سحب حيث يتم تسخين طرفه إلى ما يقرب من 2000 درجة مئوية - أقل بقليل من نقطة تليين السيليكا - ويتم سحب الألياف الرقيقة إلى الأسفل بسرعة تتراوح من 10 إلى 25 مترًا في الثانية. عندما تخرج الألياف من الفرن وتبرد، فإنها تمر عبر غرف المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية التي تطبق وتعالج طبقة الأكريليت المزدوجة الطبقة، ثم على أسطوانة السحب. تتم العملية برمتها بدءًا من طرف التشكيل وحتى الألياف المطلية في جو يتم التحكم فيه بدقة لمنع تلوث السطح الذي قد يقلل من قوة الألياف. يتم اختبار قوة الشد للألياف المسحوبة بشكل مستمر عبر الإنترنت عند ضغوط تبلغ 1% (حوالي 0.7 جيجا باسكال) لضمان الحد الأدنى من قوة الكسر في الكابل النهائي.

الأسئلة المتداولة حول مواد كابلات الألياف الضوئية

س1: هل كابل الألياف الضوئية مصنوع من الزجاج أم البلاستيك؟

معظم كابلات الألياف الضوئية لشبكات الاتصالات والبيانات مصنوعة من زجاج السيليكا والكسوة. توجد الألياف الضوئية البلاستيكية (POF) وتستخدم PMMA أو نواة البوليمر المشبع بالفلور، ولكنها تمثل جزءًا صغيرًا من الألياف المثبتة عالميًا - في المقام الأول في تطبيقات السيارات والديكور وأجهزة الاستشعار للمسافات القصيرة. عندما يشير الأشخاص إلى "كابلات الألياف الضوئية" في سياق الشبكة أو البنية التحتية للإنترنت، فإنهم يقصدون دائمًا ألياف السيليكا ذات النواة الزجاجية.

س2: لماذا يستخدم زجاج السيليكا في صناعة كابلات الألياف الضوئية بدلا من المواد الأخرى؟

يتم استخدام زجاج السيليكا لأنه يحقق أقل توهين بصري لأي مادة عند الأطوال الموجية المستخدمة في الاتصالات (1310 نانومتر و1550 نانومتر). يسمح التوهين الذي يتراوح بين 0.18-0.20 ديسيبل/كم للإشارات بالانتقال لمسافة 40 كم أو أكثر دون تضخيم. لا توجد مادة صلبة شفافة أخرى تقترب من هذا الأداء عند هذه الأطوال الموجية. تتمتع السيليكا أيضًا بثبات كيميائي ممتاز، وهي ليست استرطابية، ويمكن سحبها إلى ألياف موحدة للغاية، كما أن خصائصها البصرية مفهومة جيدًا بعد عقود من البحث والإنتاج التجاري.

س3: ماذا يوجد داخل الغلاف الواقي لكابل الألياف الضوئية؟

داخل الغلاف الخارجي لكابل ألياف بصرية خارجي نموذجي ذو أنبوب فضفاض، ستجد: FRP مركزي أو قضيب قوة فولاذي، وأنابيب عازلة PBT متعددة الألوان مرمزة (يحتوي كل منها على 6-12 ألياف ضوئية مرمزة بالألوان في هلام مانع للماء أو محاط بشريط SAP)، وخيوط ألياف الأراميد أو أعضاء قوة أسلاك فولاذية إضافية ملفوفة حول حزمة الأنبوب، وفي الإصدارات المدرعة، شريط فولاذي مموج بين حزمة الأنبوب والغلاف الخارجي. تتميز الكابلات الداخلية ذات العازلة الضيقة ببنية أبسط: تحتوي كل ألياف على طبقة عازلة ضيقة من PVDF أو النايلون بقطر 900 ميكرومتر مباشرة فوق طبقة 250 ميكرومتر، مع أعضاء قوة خيوط الأراميد أسفل الغلاف الخارجي.

س 4: ما مدى نقاء الزجاج في كابل الألياف الضوئية؟

يعد زجاج السيليكا الموجود في كابلات الألياف الضوئية للاتصالات من أنقى المواد المصنعة تجاريًا. يبلغ إجمالي محتوى الشوائب المعدنية أقل من جزء واحد في المليار (ppb) بالنسبة للمعادن الانتقالية مثل الحديد والنحاس والكروم - وهي عناصر تمتص الضوء عند الأطوال الموجية للاتصالات السلكية واللاسلكية وستزيد التوهين بشكل كبير. يتم تحقيق مستوى النقاء هذا، الذي يتجاوز 99.9999% SiO2، من خلال عملية ترسيب البخار الكيميائي، التي تصنع الزجاج من سلائف غازية فائقة النقاء (SiCl4 بنقاء أكبر من 99.9999%) بدلاً من الكوارتز الطبيعي الذي يحتوي على تلوث معدني لا يمكن تجنبه.

س5: هل تستطيع كابلات الألياف الضوئية تحمل الظروف الجوية الخارجية؟

نعم، تم تصميم كابلات الألياف الضوئية ذات التصنيف الخارجي خصيصًا لتتحمل ما بين 20 إلى 25 عامًا من التعرض للأشعة فوق البنفسجية، وتدوير درجات الحرارة، والرطوبة، وتحميل الرياح، وفي بعض الحالات القوارض أو السحق. تحتوي الكابلات السوداء المغلفة HDPE على أسود الكربون (2-3% بالوزن) الذي يمتص الأشعة فوق البنفسجية ويمنع تدهور سلسلة البوليمر الذي قد يسبب الهشاشة والتشقق بمرور الوقت. يمنع بناء الأنبوب السائب المملوء بالهلام أو المسدود الجاف الرطوبة من الوصول إلى الألياف الزجاجية، نظرًا لأن دخول الماء جنبًا إلى جنب مع الضغط الميكانيكي يسرع من إجهاد التآكل في السيليكا. يجب أيضًا أن تتحمل الكابلات المثبتة جوًا أحمال الجليد والإجهاد الناجم عن الاهتزاز الناتج عن الرياح - وهي متطلبات يتم تناولها من خلال التصميم المناسب لترهل الكابلات وحجم أعضاء القوة.

س 6: ما هو الفرق بين مواد السترة LSZH و PVC؟

تعتبر سترات PVC (كلوريد البولي فينيل) مقاومة للهب ومنخفضة التكلفة، ولكنها تطلق غاز كلوريد الهيدروجين (HCl) ودخانًا أسود كثيفًا عند حرقها - سامة ومسببة للتآكل في الأماكن الضيقة مثل مراكز البيانات أو أنفاق العبور أو المباني المأهولة. يتم تصنيع سترات LSZH (منخفضة الدخان والهالوجين) من بوليمرات خالية من الهالوجين (عادةً مركبات البولي أوليفين مع مثبطات اللهب ذات الأساس المعدني مثل ثلاثي هيدرات الألومنيوم) والتي، عند تعرضها للنار، تنتج الحد الأدنى من الدخان ولا تنتج غازات حمض الهالوجين. تتطلب معايير الكابلات الأوروبية (EN 50575) والعديد من قوانين البناء الوطنية الآن استخدام كابلات LSZH في المباني العامة والبنية التحتية للنقل وبيئات مراكز البيانات المكتظة بالسكان. تكلف كابلات LSZH عادةً ما بين 15 إلى 30% أكثر من الكابلات المغطاة بطبقة PVC المكافئة.

س 7: هل تؤثر مادة غلاف كابل الألياف الضوئية على أداء نقل الإشارة؟

ليس لمادة الغلاف نفسها أي تأثير مباشر على انتقال الضوء عبر الألياف، حيث أن الضوء ينتقل فقط داخل قلب الزجاج والكسوة. ومع ذلك، تؤثر مادة الغلاف بشكل غير مباشر على الأداء البصري بطريقتين: أولاً، تفرض مواد الغلاف الأكثر صلابة قوى جانبية أكبر على حزمة الألياف، مما قد يتسبب في زيادة التوهين الناجم عن الانحناء الدقيق إذا لم يتم تحسين تصميمات الأنبوب العازل أو طلاء الألياف؛ ثانيًا، يمكن لمواد الغلاف ذات ثبات الأبعاد الضعيف عند درجات الحرارة القصوى (خاصة المواد التي تتقلص بشكل كبير عند درجات الحرارة المنخفضة) أن تضع الألياف في ضغط ضاغط أو شد إذا كان تصميم الكابل لا يوفر تخفيفًا مناسبًا للضغط. تحافظ الكابلات المصممة جيدًا والتي تستخدم مواد الغلاف القياسية على أداء التوهين المحدد لها عبر نطاق درجة حرارة التشغيل الكامل.

الخلاصة: لماذا يحدد اختيار المواد أداء كابلات الألياف الضوئية؟

الجواب على ما هي المواد التي تصنع منها كابلات الألياف الضوئية يكشف عن نظام هندسي متطور طبقة تلو طبقة يتم فيه اختيار كل مادة بدقة: السيليكا المشبعة بالجرمانيوم النقي للغاية لقلب يوجه الضوء بأقل قدر من الخسارة، وكسوة السيليكا غير المشابهة أو المطلية بالفلور التي تخلق حدود الانعكاس الداخلي الكلية، وطلاءات أكريليت مزدوجة الطبقة معالجة بالأشعة فوق البنفسجية تحمي الزجاج من الانحناءات الدقيقة والرطوبة، وهيكل كابل خارجي من عناصر قوة الأراميد أو FRP، وأنابيب عازلة PBT، وحجب الماء مواد SAP، ودرع فولاذي اختياري، ومركب سترة يتوافق مع متطلبات السلامة من الحرائق، ومقاومة الأشعة فوق البنفسجية، ونطاق درجة الحرارة، والمتطلبات البيئية للنشر.

تلعب كل طبقة مادية دورًا لا يمكن الاستغناء عنه. يمكن أن يؤدي فشل أي مكون منفرد - حدوث تشقق في الحجاب الحاجز في الطلاء، أو دخول الماء من خلال سترة معرضة للخطر، أو تدهور الأشعة فوق البنفسجية لغلاف خارجي غير محمي - إلى الإضرار بالأداء أو عمر الخدمة لوصلة الكابل بأكملها. لمصممي الشبكات والقائمين على التركيب ومهندسي المشتريات، فهم المواد التي تتكون منها كابل الألياف الضوئيةs هو الأساس لاتخاذ قرارات المواصفات الصحيحة عبر مجموعة كاملة من تطبيقات الاتصالات ومراكز البيانات والتطبيقات الصناعية والتخصصية.