สายไฟเบอร์ออปติกทำจากวัสดุอะไร? คู่มือทีละชั้นฉบับสมบูรณ์

สายเคเบิลใยแก้วนำแสง ทำจากวัสดุที่ออกแบบมาอย่างแม่นยำหลายชนิดที่ทำงานร่วมกัน: แก้วซิลิกาบริสุทธิ์พิเศษหรือแกนพลาสติกที่ส่งสัญญาณแสง ชั้นหุ้มแก้วหรือโพลีเมอร์ที่สะท้อนแสงกลับเข้าไปในแกนกลาง ชั้นเคลือบป้องกันหนึ่งชั้นหรือมากกว่าของอะคริเลตโพลีเมอร์ที่บ่มด้วยรังสียูวี และโครงสร้างสายเคเบิลด้านนอกประกอบด้วยส่วนเสริมความแข็งแรง หลอดบัฟเฟอร์ และแจ็คเก็ตโพลีเอทิลีนหรือพีวีซี วัสดุแต่ละชนิดได้รับการคัดเลือกตามคุณสมบัติทางแสง เชิงกล และสิ่งแวดล้อมเฉพาะ ซึ่งร่วมกันกำหนดประสิทธิภาพ ความทนทาน และความเหมาะสมของสายเคเบิลสำหรับสภาพแวดล้อมการติดตั้งที่แตกต่างกัน

ความเข้าใจ สายไฟเบอร์ออปติกทำจากวัสดุอะไร เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับวิศวกรที่ระบุโครงสร้างพื้นฐานเครือข่าย การจัดการช่างเทคนิคและการต่อสายเคเบิล และผู้จัดการฝ่ายจัดซื้อที่เปรียบเทียบประเภทสายเคเบิลสำหรับการลากระยะไกล ศูนย์ข้อมูล หรือการใช้งานกลางแจ้ง คู่มือนี้ครอบคลุมทุกเลเยอร์และวัสดุโดยละเอียด พร้อมด้วยข้อมูลประสิทธิภาพ การเปรียบเทียบ และคำแนะนำในการเลือกที่เป็นประโยชน์

แกนหลัก: แก้วซิลิกาบริสุทธิ์พิเศษและทางเลือกพลาสติก

แกนกลางเป็นองค์ประกอบตรงกลางที่นำแสงของสายเคเบิลไฟเบอร์ออปติก และเป็นส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดในการมองเห็นในโครงสร้างทั้งหมด ในไฟเบอร์เกรดโทรคมนาคมมาตรฐาน แกนทำจากแก้วซิลิกาหลอมรวมที่มีความบริสุทธิ์สูงพิเศษ (ซิลิคอนไดออกไซด์, SiO2) ที่มีระดับความบริสุทธิ์เกิน 99.9999% ซึ่งบริสุทธิ์กว่ากระจกหน้าต่างหรือเลนส์สายตาที่ใช้ในการใช้งานอื่นๆ มาก

แกนแก้วซิลิกา: มาตรฐานอุตสาหกรรม

แก้วซิลิกาเป็นวัสดุหลักที่โดดเด่นเนื่องจากมีการลดทอนแสง (การสูญเสียสัญญาณ) ต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ตลอดความยาวคลื่นที่ใช้ในโทรคมนาคม การลดทอนขั้นต่ำตามทฤษฎีของใยแก้วซิลิกาอยู่ที่ประมาณ 0.148 dB/km ที่ความยาวคลื่น 1550 นาโนเมตร ซึ่งเป็นขีดจำกัดทางกายภาพที่เรียกว่าขีดจำกัดการกระเจิงของเรย์ลี ไฟเบอร์โหมดเดี่ยวเชิงพาณิชย์บรรลุค่าการลดทอนที่ 0.18–0.20 dB/km ที่ 1,550 นาโนเมตรในการผลิต ซึ่งเข้าใกล้ค่าต่ำสุดทางทฤษฎีนี้

เพื่อสร้างความแตกต่างของดัชนีการหักเหของแสงที่จำเป็นในการนำทางแสง แกนซิลิกาจะถูกเจือด้วยเจอร์เมเนียมไดออกไซด์ (GeO2) จำนวนเล็กน้อย ซึ่งโดยทั่วไปจะมีความเข้มข้น 3–10 โมล% การเติมเจอร์เมเนียมจะเพิ่มดัชนีการหักเหของแกนกลางให้สูงกว่าการหุ้มโดยรอบ ทำให้เกิดสภาพการสะท้อนภายในโดยรวมที่ดักจับและนำทางแสงไปตามแกนของเส้นใย สารเจือปนอื่นๆ ที่ใช้ในเส้นใยชนิดพิเศษ ได้แก่ ฟอสฟอรัสเพนทอกไซด์ (P2O5) และอะลูมิเนียมออกไซด์ (Al2O3) สำหรับการสร้างโปรไฟล์ดัชนีการหักเหของแสงเฉพาะ

ความแตกต่างของเส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลาง: โหมดเดี่ยวกับมัลติโหมด

ขนาดทางกายภาพของแกนแก้วแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญระหว่างเส้นใยหลักสองประเภท:

• ไฟเบอร์โหมดเดียว (SMF): เส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลาง 8–10 ไมโครเมตร แกนที่มีขนาดเล็กมากช่วยให้แสงสามารถแพร่กระจายได้เพียงโหมดเดียว ซึ่งช่วยลดการกระจายตัวของโมดัลและทำให้สามารถส่งสัญญาณได้ระยะทาง 40 กม. หรือมากกว่าระหว่างจุดขยายสัญญาณในเครือข่ายโทรคมนาคม
• มัลติโหมดไฟเบอร์ (MMF) — OM1/OM2: เส้นผ่านศูนย์กลางแกน 62.5 ไมโครเมตร (OM1) หรือ 50 ไมโครเมตร (OM2) แกนขนาดใหญ่ช่วยให้โหมดแสงหลายโหมดสามารถเผยแพร่พร้อมกัน โดยจำกัดแบนด์วิธด้วยการกระจายแบบโมดอล แต่ทำให้การจัดตำแหน่งและการเชื่อมต่อง่ายขึ้นและราคาถูกลง
• มัลติไฟเบอร์ (MMF) — OM3/OM4/OM5: เส้นผ่านศูนย์กลางแกน 50 ไมโครเมตรพร้อมโปรไฟล์ดัชนีการหักเหของดัชนีการหักเหของแสงที่ได้รับการปรับให้เหมาะสม ซึ่งชดเชยบางส่วนสำหรับการกระจายแบบโมดอล ช่วยให้อัตราข้อมูล 100 Gbps ในระยะทางสูงสุด 100 เมตร (OM4) สำหรับแอปพลิเคชันศูนย์ข้อมูล

วัสดุแกนใยแก้วนำแสงพลาสติก (POF)

สำหรับงานระยะสั้นราคาประหยัด ใยแก้วนำแสงพลาสติก ใช้แกนโพลีเมทิลเมทาคริเลต (PMMA) ซึ่งเป็นแก้วอะคริลิกแบบเดียวกับที่ใช้ในแผงจอแสดงผลและหน้าต่างโปร่งใส PMMA-core POF มีการลดทอนที่สูงกว่ามาก (โดยทั่วไปคือ 150–200 dB/km ที่ 650 นาโนเมตร) เมื่อเทียบกับซิลิกาไฟเบอร์ ซึ่งจำกัดระยะการส่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์ไว้ที่ประมาณ 50–100 เมตร อย่างไรก็ตาม แกนขนาดใหญ่ของเส้นใย PMMA (โดยทั่วไปคือ 980 ไมโครเมตรในเส้นผ่านศูนย์กลางรวม 1,000 ไมโครเมตร) และความยืดหยุ่นทำให้ใช้งานได้จริงกับเครือข่ายสาระบันเทิงในรถยนต์ ระบบไฟภายในบ้าน และการใช้งานเซ็นเซอร์ทางอุตสาหกรรม ซึ่งความเปราะบางของเส้นใยซิลิกาและแกนขนาดเล็กทำให้เกิดการจัดตำแหน่งและความยากลำบากในการจัดการ

เส้นใยพลาสติกแกนโพลีเมอร์เพอร์ฟลูออริเนต (PF โพลีเมอร์) ซึ่งบางครั้งเรียกว่าใยแก้วนำแสงพลาสติกดัชนีเกรด (GI-POF) ให้การลดทอนที่ลดลงอย่างมีนัยสำคัญที่ประมาณ 10–50 dB/km และแบนด์วิธที่สูงกว่า ซึ่งเชื่อมช่องว่างด้านประสิทธิภาพระหว่าง POF มาตรฐานและเส้นใยซิลิกาสำหรับการใช้งานเครือข่ายในสถานที่สูงถึง 300 เมตร

การหุ้ม: กระจกที่นำทางแสงด้วยการสะท้อนภายในทั้งหมด

การหุ้มเป็นชั้นของแก้วหรือพลาสติกที่ล้อมรอบแกนกลางและเป็นวัสดุที่มีความสำคัญทางแสงมากเป็นอันดับสองใน สายเคเบิลใยแก้วนำแสง . ฟังก์ชันด้านการมองเห็นเพียงอย่างเดียวคือต้องมีดัชนีการหักเหของแสงต่ำกว่าแกนกลางเล็กน้อย เพื่อให้แสงที่ตกกระทบขอบที่หุ้มแกนกลางในมุมที่มากกว่ามุมวิกฤตจะเกิดการสะท้อนกลับภายในทั้งหมด และถูกนำทางไปตามเส้นใย แทนที่จะเล็ดลอดเข้าไปในวัสดุที่อยู่รอบๆ

การหุ้มซิลิกาบริสุทธิ์

ในไฟเบอร์โทรคมนาคมโหมดเดี่ยวและมัลติโหมดมาตรฐานส่วนใหญ่ การหุ้มทำจากแก้วซิลิกาบริสุทธิ์ (ไม่ได้เจือ) โดยมีดัชนีการหักเหของแสงประมาณ 1.444 ที่ 1,550 นาโนเมตร แกนที่เจือด้วยเจอร์เมเนียมมีดัชนีการหักเหของแสงสูงกว่าเล็กน้อยประมาณ 1.447–1.452 ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารเจือปน ทำให้เกิดความแตกต่างของดัชนีการหักเหของแสง (เดลต้า) ที่ 0.2–0.35% ซึ่งกำหนดรูรับแสงตัวเลขของไฟเบอร์และมุมรับแสง

เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกหุ้มมาตรฐานสำหรับไฟเบอร์เกรดโทรคมนาคมคือ 125 ไมโครเมตรอย่างแม่นยำ ซึ่งเป็นมาตรฐานระดับโลกที่คงไว้ด้วยค่าเผื่อมิติที่บวกหรือลบ 1 ไมโครเมตร เส้นผ่านศูนย์กลางมาตรฐานนี้ช่วยให้ไฟเบอร์จากผู้ผลิตหลายรายสามารถต่อเข้าด้วยกันได้อย่างน่าเชื่อถือและเชื่อมต่อโดยใช้ตัวเชื่อมต่อมาตรฐานอุตสาหกรรมและอุปกรณ์ต่อประกบ

การหุ้มด้วยฟลูออรีน

การออกแบบไฟเบอร์บางชนิด — โดยเฉพาะอย่างยิ่งไฟเบอร์แบบโหมดเดี่ยวหุ้มแบบหดหู่ซึ่งใช้ในการใช้งานที่มีการเปลี่ยนการกระจายตัว — ใช้ซิลิกาที่เจือด้วยฟลูออรีนสำหรับการหุ้มด้านใน การเติมฟลูออรีนจะลดดัชนีการหักเหของซิลิกาให้ต่ำกว่ากระจกบริสุทธิ์ ช่วยให้สามารถออกแบบโปรไฟล์ดัชนีการหักเหของแสงที่ซับซ้อน (เช่น โปรไฟล์ W หรือโครงสร้างที่มีร่องลึกช่วย) ซึ่งปรับปรุงประสิทธิภาพการสูญเสียการโค้งงอ ตัดโหมดลำดับสูงที่ไม่ต้องการ และลดการกระจายตัว การหุ้มที่เจือด้วยฟลูออรีนพบได้ในไฟเบอร์ที่ไม่ไวต่อการโค้งงอ (มาตรฐาน ITU-T G.657) ที่ใช้ในการติดตั้งแบบไฟเบอร์ถึงบ้าน (FTTH) ซึ่งการโค้งงออย่างแน่นหนารอบมุมและในท่อร้อยสายขนาดเล็กเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้

การเคลือบผิว: ชั้นโพลีเมอร์อะคริเลตที่ผ่านการบ่มด้วยรังสียูวี

รอบๆ ฝาครอบกระจกขนาด 125 ไมโครเมตรทันทีจะมีการเคลือบโพลีเมอร์สองชั้นในระหว่างกระบวนการวาดเส้นใย ซึ่งเป็นชั้นป้องกันแรกที่เส้นใยจะได้รับหลังจากดึงออกจากผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปขั้นต้น การเคลือบนี้เป็นการป้องกันเชิงกลเบื้องต้นสำหรับใยแก้วและไม่มีฟังก์ชั่นการมองเห็น

การเคลือบเบื้องต้น: ชั้นด้านในแบบนุ่ม

สารเคลือบขั้นปฐมภูมิเป็นอะคริเลตโพลีเมอร์อะคริเลตที่มีค่าโมดูลัสต่ำและบ่มด้วยรังสียูวี ซึ่งใช้เคลือบโดยตรงกับพื้นผิวกระจกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกประมาณ 190–200 ไมโครเมตร โมดูลัสของ Young ที่ต่ำ (โดยทั่วไปคือ 0.5–1.0 MPa) ช่วยให้สามารถกันกระแทกกระจกจากความเครียดจากไมโครโค้งงอได้ — การเสียรูปเล็กน้อยที่เกิดจากความผิดปกติของพื้นผิวหรือแรงกดด้านข้างบนเส้นใยที่อาจเพิ่มการลดทอน การเคลือบขั้นปฐมภูมิยังช่วยปกป้องพื้นผิวกระจกที่บริสุทธิ์จากความชื้น ซึ่งจะทำให้เกิดการแตกร้าวของการกัดกร่อนจากความเค้น (หรือที่เรียกว่าความล้าแบบคงที่) ซึ่งจะทำให้เส้นใยซิลิกาอ่อนตัวลงเมื่อเวลาผ่านไป

การเคลือบผิวขั้นที่สอง: ชั้นนอกแบบแข็ง

การเคลือบขั้นที่สอง (ด้านนอก) เป็นโพลีเมอร์อะคริเลตโพลีเมอร์ที่แข็งตัวและมีโมดูลัสสูงกว่าซึ่งบ่มด้วยรังสียูวีซึ่งถูกนำไปใช้กับการเคลือบขั้นแรก ทำให้เส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นใยเคลือบทั้งหมดอยู่ที่ 245–250 ไมโครเมตรมาตรฐาน ความแข็งที่สูงขึ้น (โมดูลัสโดยทั่วไปคือ 50–100 MPa) ต้านทานการเสียดสี การจัดการความเสียหาย และแรงในแนวรัศมีที่อาจบีบอัดการเคลือบปฐมภูมิแบบอ่อนและทำให้เกิดการสูญเสียการดัดงอแบบไมโคร การเคลือบขั้นที่สองยังลงสีด้วยสารสีที่มีความเสถียรต่อรังสี UV สำหรับการระบุเส้นใย ซึ่งเป็นสีมาตรฐาน 12 สีของมาตรฐานการเข้ารหัสสี TIA-598 ที่ใช้ในสายแพและสายมัลติไฟเบอร์

วัสดุเคลือบชนิดพิเศษสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

• การเคลือบโพลีอิไมด์: สำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูงถึง 300°C (เช่น การตรวจจับบ่อน้ำมันและการบินและอวกาศ) การเคลือบอะคริเลตมาตรฐานจะถูกแทนที่ด้วยการเคลือบโพลีอิไมด์ (PI) ที่ใช้ในชั้นบางๆ โดยมีความหนา 5-7 ไมโครเมตรต่อการเคลือบ เส้นใยเคลือบโพลีอิไมด์มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกเพียง 155 ไมโครเมตร ช่วยให้บรรจุภัณฑ์ในเครื่องมือใต้หลุมและชุดสายไฟบนเครื่องบินแน่นหนายิ่งขึ้น
• การเคลือบคาร์บอนสุญญากาศ: ชั้นคาร์บอนอสัณฐานบางพิเศษ (0.02–0.05 ไมโครเมตร) ที่สะสมอยู่บนพื้นผิวกระจกก่อนการเคลือบอะคริเลตจะเป็นเกราะป้องกันความชื้นที่สมบูรณ์สำหรับสภาพแวดล้อมที่อุดมด้วยไฮโดรเจน เช่น สายเคเบิลใต้ทะเลและการใช้งานตรวจจับสารเคมีบางอย่าง เส้นใยคาร์บอนเฮอร์เมติกแสดงการสูญเสียอายุของไฮโดรเจนต่ำกว่า 0.01 เดซิเบล/กม. หลังจากใช้งานใต้ทะเลมา 25 ปี
• การเคลือบ Ormocer (เซรามิกดัดแปลงอินทรีย์): การเคลือบพอลิเมอร์อินทรีย์-อนินทรีย์แบบไฮบริดให้ความต้านทานรังสีที่เหนือกว่าสำหรับโรงงานนิวเคลียร์และระบบใยแก้วนำแสงตามพื้นที่ ซึ่งการเคลือบอะคริเลตแบบธรรมดาจะสลายตัวอย่างรวดเร็วภายใต้การสัมผัสรังสีไอออไนซ์
• สารเคลือบด้านนอกเป็นศูนย์ฮาโลเจนควันต่ำ (LSZH): สำหรับกองริบบิ้นไฟเบอร์ที่ใช้ในศูนย์ข้อมูลและการใช้งาน plenum ในร่ม วัสดุอะคริเลตเมทริกซ์ที่สอดคล้องกับ LSZH จะถูกนำมาใช้ซึ่งก่อให้เกิดควันพิษน้อยที่สุดและไม่มีสารประกอบฮาโลเจนเมื่อสัมผัสกับไฟ

เปรียบเทียบวัสดุแกนเคเบิลใยแก้วนำแสง: แก้วซิลิกากับพลาสติก

แก้วซิลิกาและพลาสติกเป็นทางเลือกวัสดุหลักพื้นฐานสองประการสำหรับสายเคเบิลใยแก้วนำแสง ตารางด้านล่างเปรียบเทียบประสิทธิภาพตามเกณฑ์ด้านการมองเห็น กลไก และการใช้งานที่สำคัญที่สุด

ตารางที่ 1: การเปรียบเทียบวัสดุซิลิกาแก้วและแกนพลาสติกที่ใช้ในสายเคเบิลใยแก้วนำแสงตามเกณฑ์ประสิทธิภาพและการใช้งานแปดประการ

วัสดุโครงสร้างสายเคเบิล: ส่วนเสริมแรง ท่อบัฟเฟอร์ และแจ็คเก็ต

นอกเหนือจากตัวไฟเบอร์แล้ว โครงสร้างสายเคเบิลด้านนอกยังประกอบด้วยชั้นวัสดุเพิ่มเติมหลายชั้นที่ปกป้องใยแก้วที่ละเอียดอ่อนจากความเครียดเชิงกล ความชื้น สัตว์ฟันแทะ การบด และการเสื่อมสภาพของรังสียูวีระหว่างการติดตั้งและตลอดอายุการใช้งานการออกแบบของสายเคเบิล 20–25 ปี ส่วนประกอบโครงสร้างแต่ละชิ้นทำจากวัสดุที่เลือกสำหรับคุณสมบัติการป้องกันเฉพาะ

สมาชิกที่แข็งแกร่ง: เส้นใยอะรามิด, ไฟเบอร์กลาส และเหล็ก

ส่วนเสริมความแข็งแรงจะรับแรงดึงที่จ่ายให้กับสายเคเบิลระหว่างการติดตั้งและการหมุนเวียนตามอุณหภูมิขณะใช้งาน เพื่อป้องกันเส้นใยนำแสงจากการยืดตัว (ซึ่งจะเพิ่มการลดทอนและอาจทำให้เกิดการแตกหักได้) วัสดุเสริมความแข็งแรงหลักสามชนิดที่ใช้ สายเคเบิลใยแก้วนำแสง construction คือ:

• เส้นด้ายใยอะรามิด (ชนิดเคฟล่า): สมาชิกที่แข็งแกร่งที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในสายในร่มและสายแพทช์ เส้นใยอะรามิดมีความต้านทานแรงดึงประมาณ 3,600 MPa และโมดูลัสของ Young ที่ 70–125 GPa ซึ่งแข็งแกร่งกว่าเหล็กประมาณห้าเท่าในน้ำหนักเท่ากัน สายแพทช์มาตรฐานประกอบด้วยเส้นด้ายอะรามิด 150–300 ดีเนียร์ สายเคเบิลกระจายใช้การวิ่งแบบดีเนียร์ที่หนักกว่า 1,420–2,840 อะรามิดไม่นำไฟฟ้า (สำคัญสำหรับการแยกทางไฟฟ้า) และมีการขยายตัวทางความร้อนต่ำ ทำให้เส้นใยมีความเค้นเป็นกลางตลอดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ
• ก้านพลาสติกเสริมไฟเบอร์กลาส (FRP): แท่ง FRP ตรงกลาง (โดยทั่วไปจะมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.5–3 มม.) ถูกใช้เป็นจุดแข็งส่วนกลางในสายเคเบิลกลางแจ้งแบบท่อหลวม FRP มีกำลังรับแรงอัดสูง (ต่างจากอะรามิดที่โค้งงอภายใต้แรงอัด) ทำให้เหมาะสำหรับสายเคเบิลที่ต้องต้านทานแรงกดทับในการติดตั้งแบบฝังหรือแบบท่อ แท่ง FRP มีความต้านทานแรงดึง 1,000–1,500 MPa และไม่นำไฟฟ้า เช่นเดียวกับอะรามิด
• ลวดเหล็กและเทปเหล็ก: ชิ้นส่วนที่มีความแข็งแรงของเหล็กถูกนำมาใช้ในสายเคเบิลทางอากาศที่รองรับตัวเอง (การออกแบบ ADSS และรูปที่ 8) สายเคเบิลหุ้มเกราะสำหรับการฝังโดยตรง และสายเคเบิลใต้น้ำ เหล็กให้ความสามารถในการรับแรงดึงสูงสุด — เส้นลวดเหล็กขนาด 6 มม. สามารถรองรับแรงดึงที่สูงกว่า 20 กิโลนิวตัน — แต่จะเพิ่มน้ำหนักและต้องมีการยึดติดทางไฟฟ้าและการต่อลงดินในการติดตั้งใกล้กับสายไฟ ใช้เหล็กชุบสังกะสีหรือสแตนเลส ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดการสัมผัสการกัดกร่อน

ท่อบัฟเฟอร์: PBT, PVDF และโพลีโพรพีลีน

หลอดบัฟเฟอร์เป็นโครงสร้างทรงกระบอกกลวงที่มีและป้องกันเส้นใยนำแสงหรือริบบอนไฟเบอร์แต่ละเส้นภายในสายเคเบิล โดยทำหน้าที่สองหน้าที่: ปกป้องเส้นใยจากแรงดันด้านข้าง และจัดให้มีบัฟเฟอร์การขยายตัวทางความร้อนที่ควบคุมได้ ซึ่งป้องกันไม่ให้เส้นใยถูกวางในความตึงเครียดระหว่างการหดตัวของสายเคเบิลที่อุณหภูมิเย็น วัสดุท่อบัฟเฟอร์ที่พบมากที่สุดคือ:

• โพลีบิวทิลีนเทเรฟทาเลต (PBT): วัสดุมาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับหลอดบัฟเฟอร์ท่อหลวมในสายเคเบิลกลางแจ้ง PBT ให้ความเสถียรของขนาดที่ดีเยี่ยมตลอดอุณหภูมิ (-40 ถึง 70°C) การดูดซับความชื้นต่ำ (น้อยกว่า 0.1%) ทนต่อสารเคมีได้ดี และความหนาของผนัง 0.3–0.6 มม. ที่ให้ความต้านทานการกระแทกอย่างมีนัยสำคัญ โดยทั่วไปแล้ว ท่อ PBT จะเต็มไปด้วยเจลปิดกั้นน้ำ (เจลไทโซโทรปิกไฮโดรคาร์บอน) หรือเทปปิดกั้นน้ำแห้งเพื่อป้องกันความชื้นซึมเข้าไป
• PVDF (โพลีไวนิลิดีนฟลูออไรด์): ใช้ในโครงสร้างบัฟเฟอร์แน่นสำหรับสายเคเบิลภายในอาคารและสภาพแวดล้อมทางเคมีที่รุนแรง PVDF ให้ความต้านทานที่เหนือกว่าต่อรังสี UV เปลวไฟ และสารเคมีหลากหลายชนิด ทำให้เหมาะสำหรับการเดินสายเคเบิลในโรงงานอุตสาหกรรมและการติดตั้งภายในอาคารที่ได้รับการจัดอันดับ Plenum การเคลือบบัฟเฟอร์แน่น PVDF จะถูกนำไปใช้ที่เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 900 ไมโครเมตร เหนือเส้นใยเคลือบ 250 ไมโครเมตรโดยตรง
• โพรพิลีน (พีพี): ทางเลือกที่มีต้นทุนต่ำกว่า PBT สำหรับการใช้งานสายเคเบิลกระจายระยะสั้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการออกแบบไฮบริดในร่มและกลางแจ้ง PP มีความคงตัวของขนาดต่ำกว่า PBT เล็กน้อยที่อุณหภูมิสูง แต่มีความทนทานต่อสารเคมีที่ดีเยี่ยมและมีลักษณะการประมวลผลที่ดีสำหรับการผลิตสายเคเบิลความเร็วสูง

วัสดุปิดกั้นน้ำ: เจล เทป และผง

น้ำเข้าเป็นหนึ่งในสาเหตุหลักของความล้มเหลวของสายเคเบิลใยแก้วนำแสงในการติดตั้งแบบฝังและแบบฝังโดยตรง มีการใช้วิธีการปิดกั้นน้ำสามวิธี แต่ละวิธีมีระบบวัสดุที่แตกต่างกัน:

• เจลเติมไฮโดรคาร์บอน: การปิดกั้นน้ำแบบดั้งเดิมในสายเคเบิลแบบท่อหลวมใช้เจลที่มีไทโซทรอปิกจากปิโตรเลียม ซึ่งจะเติมหลอดบัฟเฟอร์และคั่นระหว่างท่อ เจลยังคงเป็นของเหลวเพียงพอที่จะทำให้เส้นใยเคลื่อนที่ภายในท่อ แต่มีความหนืดเพียงพอที่จะป้องกันการเคลื่อนตัวของน้ำ สายเคเบิลที่เติมเจลต้องมีขั้นตอนการทำความสะอาดเจลพิเศษระหว่างการต่อและการสิ้นสุด
• เทปและเส้นด้าย Superabsorbent Polymer (SAP): สายเคเบิลปิดกั้นน้ำแห้งใช้เทปหรือเส้นด้ายเคลือบ SAP ซึ่งจะพองตัวอย่างรวดเร็วเมื่อสัมผัสกับน้ำ (ดูดซับได้มากถึง 400 เท่าของน้ำหนักของตัวเอง) ปิดกั้นการอพยพของน้ำโดยไม่เลอะเทอะกับเจลปิโตรเลียม ขณะนี้การปิดกั้นน้ำที่ใช้ SAP มีอิทธิพลเหนือการออกแบบสายเคเบิลใหม่ เนื่องจากการจัดการที่ง่ายกว่าและการตั้งค่าด้านสิ่งแวดล้อมมากกว่าเจลปิโตรเลียม
• SAP Powder ในหลอดบัฟเฟอร์: การออกแบบสายเคเบิลบางแบบใช้ผง SAP ที่ปัดฝุ่นภายในหลอดบัฟเฟอร์เป็นกลไกการปิดกั้นน้ำหลัก ทำให้ได้โครงสร้างแบบบล็อกแห้งน้ำหนักเบาพร้อมการผลิตที่ง่ายกว่าการพันเทป SAP

ชั้นเกราะ: เหล็กลูกฟูก อลูมิเนียม และโพลีเอทิลีน

สายเคเบิลไฟเบอร์ออปติกหุ้มเกราะประกอบด้วยชั้นเกราะโลหะหรือไดอิเล็กทริกระหว่างแกนกลางและแจ็คเก็ตด้านนอกเพื่อต้านทานการกระแทก การถูกโจมตีของสัตว์ฟันแทะ และการกระแทกทางกล เกราะหลักสามประเภทคือ:

• เกราะเทปเหล็กลูกฟูก (CST): เทปเหล็กลูกฟูกที่ใช้ตามยาว (โดยทั่วไปมีความหนา 0.15–0.25 มม.) ยึดติดกับแจ็คเก็ตโพลีเอทิลีนด้านใน เกราะ CST ให้ความต้านทานการกระแทกที่ดีเยี่ยม (โดยทั่วไปพิกัดที่ 3,000–4,000 N/100 มม.) และความต้านทานต่อหนูสำหรับสายเคเบิลฝังโดยตรงในพื้นที่ที่ทราบว่ามีกิจกรรมของสัตว์ฟันแทะ
• เทปอลูมิเนียมลูกฟูก: ใช้ในเรือดำน้ำและสายเคเบิลฝังโดยตรงบางชนิดซึ่งมีน้ำหนักที่น้อยกว่าระหว่างอะลูมิเนียมกับเหล็กซึ่งได้เปรียบ อลูมิเนียมยังทนต่อการกัดกร่อนได้ดีกว่าในสภาพแวดล้อมที่มีน้ำเค็ม
• เกราะที่เชื่อมต่อกัน: ลวดเหล็กชุบสังกะสีพันเกลียวรอบสายเคเบิลให้เกราะที่ยืดหยุ่นสำหรับสายเคเบิลตัวยกในร่มและกลางแจ้งที่ต้องการทั้งการต้านทานสัตว์ฟันแทะและความยืดหยุ่นในการติดตั้งบริเวณส่วนโค้ง

วัสดุแจ็คเก็ตด้านนอก: โพลีเอทิลีน, พีวีซี, LSZH และ PVDF

เสื้อชั้นนอกเป็นด่านแรกในการป้องกันความเสียหายทางกายภาพ รังสียูวี ความชื้น สารเคมี และอุณหภูมิสุดขั้ว การเลือกใช้วัสดุแจ็คเก็ตมีผลกระทบอย่างมากต่อความปลอดภัยจากอัคคีภัย การปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อม ความง่ายในการติดตั้ง และความทนทานในระยะยาว

ตารางที่ 2: การเปรียบเทียบวัสดุหุ้มด้านนอกที่ใช้ในสายเคเบิลไฟเบอร์ออปติกในด้านความต้านทานรังสียูวี ระดับเปลวไฟ ช่วงอุณหภูมิ ความเป็นพิษของควัน และสภาพแวดล้อมการใช้งานทั่วไป

วิธีการผลิตใยแก้วนำแสง: กระบวนการพรีฟอร์มและการวาดแบบ

ความเข้าใจ what สายเคเบิลใยแก้วนำแสงs are made of จะไม่สมบูรณ์หากไม่เข้าใจวิธีการผลิตแก้วซิลิกาบริสุทธิ์พิเศษ ซึ่งเป็นกระบวนการที่น่าทึ่งพอๆ กับประสิทธิภาพการมองเห็นของไฟเบอร์

การผลิตพรีฟอร์ม

ใยแก้วนำแสงเริ่มต้นจากแก้วพรีฟอร์ม ซึ่งเป็นแท่งแข็งของซิลิกาบริสุทธิ์พิเศษที่มีความยาวประมาณ 1 เมตรและมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 80–160 มม. ซึ่งมีโครงสร้างดัชนีการหักเหของแสงที่หุ้มแกนในขนาดใหญ่ กระบวนการผลิตผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปขั้นต้นที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดคือการสะสมไอสารเคมีดัดแปลง (MCVD) ซึ่งไอระเหยของซิลิคอนเตตระคลอไรด์ (SiCl4) และเจอร์เมเนียมเตตระคลอไรด์ (GeCl4) จะถูกออกซิไดซ์ภายในท่อซิลิกาที่กำลังหมุนที่อุณหภูมิ 1,500–1,900°C โดยจะสะสมชั้นของเขม่าแก้วที่เจือปนและเจือปนที่ไม่ติดกัน การสะสมไอภายนอก (OVD) และการสะสมไอตามแนวแกน (VAD) เป็นกระบวนการทางเลือกที่ผู้ผลิตหลายรายใช้เพื่อให้ได้อัตราการสะสมที่สูงขึ้นและขนาดผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปขั้นต้นมีขนาดใหญ่ขึ้น

การวาดเส้นใย

ผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปขั้นต้นจะถูกป้อนในแนวตั้งลงในเตาหลอมซึ่งส่วนปลายจะถูกให้ความร้อนถึงประมาณ 2,000°C ซึ่งต่ำกว่าจุดอ่อนตัวของซิลิกาเพียงเล็กน้อย และเส้นใยบางๆ จะถูกดึงลงด้านล่างด้วยความเร็ว 10–25 เมตรต่อวินาที เมื่อเส้นใยออกจากเตาหลอมและเย็นตัวลง เส้นใยจะผ่านห้องบ่มด้วยรังสียูวีซึ่งจะเคลือบอะคริเลตสองชั้นและบ่ม จากนั้นจึงเข้าสู่ถังดูดซับ กระบวนการทั้งหมดตั้งแต่ปลายพรีฟอร์มไปจนถึงไฟเบอร์เคลือบเกิดขึ้นในบรรยากาศที่มีการควบคุมอย่างแม่นยำ เพื่อป้องกันการปนเปื้อนบนพื้นผิวที่จะลดความแข็งแรงของไฟเบอร์ ความต้านทานแรงดึงของเส้นใยที่ดึงออกมาได้รับการทดสอบแบบออนไลน์อย่างต่อเนื่องที่ความเค้น 1% (ประมาณ 0.7 GPa) เพื่อรับประกันความต้านทานการแตกหักขั้นต่ำในสายเคเบิลสำเร็จรูป

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับวัสดุเคเบิลใยแก้วนำแสง

คำถามที่ 1: สายไฟเบอร์ออปติกทำจากแก้วหรือพลาสติก

สายเคเบิลใยแก้วนำแสงโทรคมนาคมและเครือข่ายข้อมูลส่วนใหญ่ทำด้วยแกนและหุ้มซิลิกาแก้ว เส้นใยแก้วนำแสงแบบพลาสติก (POF) มีอยู่และใช้ PMMA หรือแกนโพลีเมอร์เปอร์ฟลูออริเนต แต่คิดเป็นสัดส่วนเพียงเล็กน้อยของเส้นใยที่ติดตั้งทั่วโลก โดยหลักๆ ในการใช้งานเซ็นเซอร์ในยานยนต์ การตกแต่ง และในระยะสั้น เมื่อผู้คนอ้างถึง "สายเคเบิลใยแก้วนำแสง" ในบริบทของเครือข่ายหรือโครงสร้างพื้นฐานอินเทอร์เน็ต พวกเขามักจะหมายถึงซิลิกาไฟเบอร์แกนแก้วเกือบทุกครั้ง

คำถามที่ 2: เหตุใดแก้วซิลิกาจึงถูกนำมาใช้กับสายเคเบิลใยแก้วนำแสงแทนวัสดุอื่นๆ

แก้วซิลิกาถูกนำมาใช้เนื่องจากมีการลดทอนแสงต่ำสุดของวัสดุใดๆ ที่ความยาวคลื่นที่ใช้ในโทรคมนาคม (1310 นาโนเมตรและ 1550 นาโนเมตร) การลดทอนลงที่ 0.18–0.20 เดซิเบล/กม. ช่วยให้สัญญาณเดินทางได้ 40 กม. ขึ้นไปโดยไม่ต้องมีการขยายสัญญาณ ไม่มีวัสดุโปร่งใสที่เป็นของแข็งอื่นใดที่จะใกล้เคียงกับประสิทธิภาพนี้ที่ความยาวคลื่นเหล่านี้ ซิลิกายังมีความเสถียรทางเคมีที่ดีเยี่ยม ไม่ดูดความชื้น สามารถดึงเข้าไปในเส้นใยที่มีเนื้อสม่ำเสมอมาก และคุณสมบัติทางแสงของซิลิกาเป็นที่เข้าใจกันดีหลังจากการวิจัยและการผลิตเชิงพาณิชย์มานานหลายทศวรรษ

คำถามที่ 3: มีอะไรอยู่ในแจ็คเก็ตป้องกันของสายเคเบิลไฟเบอร์ออปติก?

ภายในแจ็คเก็ตด้านนอกของสายเคเบิลไฟเบอร์ออปติกกลางแจ้งแบบท่อหลวมทั่วไป คุณจะพบกับ: FRP ส่วนกลางหรือแท่งเหล็กเสริมแรง, หลอดบัฟเฟอร์ PBT รหัสสีหลายสี (แต่ละอันประกอบด้วยไฟเบอร์ออปติกรหัสสี 6-12 สีในเจลป้องกันน้ำหรือล้อมรอบด้วยเทป SAP), เส้นด้ายไฟเบอร์อะรามิดหรือส่วนประกอบเสริมความแข็งแรงของลวดเหล็กเพิ่มเติมพันรอบมัดท่อ และในรุ่นหุ้มเกราะ เทปเหล็กลูกฟูกระหว่างมัดท่อและแจ็คเก็ตด้านนอก สายเคเบิลบัฟเฟอร์แน่นในร่มมีโครงสร้างที่เรียบง่ายกว่า: เส้นใยแต่ละเส้นมี PVDF ขนาด 900 ไมโครเมตรหรือชั้นบัฟเฟอร์ไนลอนแน่นเหนือการเคลือบขนาด 250 ไมโครเมตรโดยตรง โดยมีส่วนประกอบความแข็งแรงของเส้นด้ายอะรามิดอยู่ใต้แจ็คเก็ตด้านนอก

คำถามที่ 4: กระจกในสายไฟเบอร์ออปติกมีความบริสุทธิ์แค่ไหน?

แก้วซิลิกาในสายเคเบิลใยแก้วนำแสงโทรคมนาคมเป็นหนึ่งในวัสดุบริสุทธิ์ที่สุดที่ผลิตในเชิงพาณิชย์ ปริมาณสารเจือปนของโลหะทั้งหมดต่ำกว่า 1 ส่วนในพันล้านส่วน (ppb) สำหรับโลหะทรานซิชัน เช่น เหล็ก ทองแดง และโครเมียม ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่ดูดซับแสงที่ความยาวคลื่นโทรคมนาคม และจะเพิ่มการลดทอนลงอย่างมาก ระดับความบริสุทธิ์นี้ซึ่งมี SiO2 เกิน 99.9999% เกิดขึ้นได้ผ่านกระบวนการสะสมไอสารเคมี ซึ่งสร้างแก้วจากสารตั้งต้นที่เป็นก๊าซบริสุทธิ์พิเศษ (SiCl4 ที่มีความบริสุทธิ์มากกว่า 99.9999%) แทนที่จะมาจากควอตซ์ธรรมชาติที่มีการปนเปื้อนของแร่ธาตุที่หลีกเลี่ยงไม่ได้

คำถามที่ 5: สายเคเบิลไฟเบอร์ออปติกสามารถทนต่อสภาพอากาศกลางแจ้งได้หรือไม่

ใช่ สายเคเบิลไฟเบอร์ออปติกที่จัดภายนอกอาคารได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมมาเป็นพิเศษเพื่อให้ทนทานต่อรังสียูวี การหมุนเวียนของอุณหภูมิ ความชื้น แรงลม และในบางกรณี อาจมีสัตว์ฟันแทะหรือการกระแทกทับได้เป็นเวลา 20-25 ปี สายเคเบิลหุ้มฉนวน HDPE สีดำมีคาร์บอนแบล็ค (2–3% โดยน้ำหนัก) ซึ่งดูดซับรังสี UV และป้องกันการเสื่อมสภาพของสายโซ่โพลีเมอร์ที่อาจทำให้เกิดการเปราะและแตกร้าวเมื่อเวลาผ่านไป โครงสร้างท่อหลวมที่เติมเจลหรือบล็อกแห้งช่วยป้องกันความชื้นไม่ให้เข้าถึงใยแก้ว เนื่องจากการซึมของน้ำรวมกับความเค้นเชิงกลจะช่วยเร่งความล้าจากการกัดกร่อนจากความเค้นในซิลิกา สายเคเบิลที่ติดตั้งทางอากาศยังต้องทนทานต่อการโหลดน้ำแข็งและความล้าจากแรงสั่นสะเทือนที่เกิดจากลม — ข้อกำหนดที่ระบุโดยการออกแบบเคเบิลย้อยที่เหมาะสมและขนาดความแข็งแกร่งของส่วนประกอบ

Q6: อะไรคือความแตกต่างระหว่างวัสดุแจ็คเก็ต LSZH และ PVC?

แจ็คเก็ต PVC (โพลีไวนิลคลอไรด์) มีสารหน่วงไฟและต้นทุนต่ำ แต่ปล่อยก๊าซไฮโดรเจนคลอไรด์ (HCl) และควันดำหนาแน่นเมื่อถูกเผา ซึ่งเป็นพิษและกัดกร่อนในพื้นที่จำกัด เช่น ศูนย์ข้อมูล อุโมงค์ขนส่ง หรืออาคารที่ถูกครอบครอง แจ็คเก็ต LSZH (ฮาโลเจนไร้ควันต่ำ) ผลิตจากโพลีเมอร์ปลอดฮาโลเจน (โดยทั่วไปคือสารประกอบโพลีโอเลฟินที่มีสารหน่วงการติดไฟจากแร่ เช่น อะลูมิเนียมไตรไฮเดรต) ซึ่งเมื่อสัมผัสกับไฟจะปล่อยควันน้อยที่สุดและไม่มีก๊าซกรดฮาโลเจน มาตรฐานเคเบิลของยุโรป (EN 50575) และรหัสอาคารระดับชาติหลายแห่งกำหนดให้ใช้สายเคเบิล LSZH ในอาคารสาธารณะ โครงสร้างพื้นฐานด้านการคมนาคมขนส่ง และสภาพแวดล้อมของศูนย์ข้อมูลที่มีประชากรหนาแน่น โดยทั่วไปแล้วสายเคเบิล LSZH จะมีราคาสูงกว่าสายเคเบิลหุ้ม PVC ที่เทียบเท่ากันถึง 15–30%

คำถามที่ 7: วัสดุหุ้มสายเคเบิลใยแก้วนำแสงส่งผลต่อประสิทธิภาพการส่งสัญญาณหรือไม่

วัสดุของแจ็คเก็ตนั้นไม่มีผลกระทบโดยตรงต่อการส่งผ่านแสงผ่านไฟเบอร์ เนื่องจากแสงเดินทางได้เฉพาะภายในแกนแก้วและส่วนหุ้มเท่านั้น อย่างไรก็ตาม วัสดุแจ็คเก็ตส่งผลทางอ้อมต่อประสิทธิภาพการมองเห็นในสองวิธี: ประการแรก วัสดุแจ็คเก็ตที่แข็งกว่าจะออกแรงด้านข้างมากขึ้นบนมัดไฟเบอร์ ซึ่งอาจส่งผลให้การลดทอนที่เกิดจากไมโครโค้งเพิ่มขึ้น หากการออกแบบท่อบัฟเฟอร์หรือการเคลือบไฟเบอร์ไม่ได้รับการปรับให้เหมาะสม ประการที่สอง วัสดุแจ็คเก็ตที่มีความคงตัวของขนาดต่ำที่อุณหภูมิสุดขั้ว (โดยเฉพาะวัสดุที่หดตัวอย่างมากที่อุณหภูมิต่ำ) สามารถทำให้เส้นใยเกิดความเค้นอัดหรือแรงดึงได้ หากการออกแบบสายเคเบิลไม่ได้ให้การบรรเทาความเครียดที่เพียงพอ สายเคเบิลที่ได้รับการออกแบบมาอย่างดีโดยใช้วัสดุแจ็คเก็ตมาตรฐานจะรักษาประสิทธิภาพการลดทอนตามที่กำหนดตลอดช่วงอุณหภูมิการทำงานพิกัดเต็ม

สรุป: เหตุใดการเลือกวัสดุจึงเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพของสายเคเบิลไฟเบอร์ออปติก

คำตอบของ สายไฟเบอร์ออปติกทำจากวัสดุอะไร เผยระบบวิศวกรรมที่ซับซ้อนแบบชั้นต่อชั้นซึ่งวัสดุทุกชิ้นถูกเลือกอย่างแม่นยำ: ซิลิกาเจือเจอร์เมเนียมบริสุทธิ์พิเศษสำหรับแกนกลางที่นำทางแสงโดยมีการสูญเสียน้อยที่สุด การหุ้มซิลิกาที่ไม่มีการเจือปนหรือเจือด้วยฟลูออรีนซึ่งสร้างขอบเขตการสะท้อนภายในทั้งหมด การเคลือบอะคริเลตเคลือบด้วยรังสียูวีสองชั้นที่ปกป้องกระจกจากไมโครโค้งงอและความชื้น และโครงสร้างสายเคเบิลด้านนอกของส่วนประกอบที่แข็งแกร่งของอะรามิดหรือ FRP, หลอดบัฟเฟอร์ PBT วัสดุ SAP ปิดกั้นน้ำ เกราะเหล็กเสริม และสารประกอบแจ็คเก็ตที่สอดคล้องกับความปลอดภัยจากอัคคีภัย ความต้านทานรังสียูวี ช่วงอุณหภูมิ และข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อมของการใช้งาน

แต่ละชั้นวัสดุมีบทบาทที่ไม่อาจทดแทนได้ ความล้มเหลวของส่วนประกอบเดี่ยวใดๆ เช่น ไดอะแฟรมแตกในชั้นเคลือบ น้ำซึมผ่านแจ็คเก็ตที่ไม่เสียหาย หรือการเสื่อมสภาพของรังสียูวีของปลอกกลางแจ้งที่ไม่มีการป้องกัน อาจทำให้ประสิทธิภาพหรืออายุการใช้งานของเคเบิลลิงค์ทั้งหมดลดลง สำหรับนักออกแบบเครือข่าย ผู้ติดตั้ง และวิศวกรฝ่ายจัดซื้อ การทำความเข้าใจวัสดุที่ประกอบขึ้น สายเคเบิลใยแก้วนำแสงs เป็นรากฐานสำหรับการตัดสินใจเกี่ยวกับข้อมูลจำเพาะที่ถูกต้องในการใช้งานโทรคมนาคม ศูนย์ข้อมูล อุตสาหกรรม และการใช้งานเฉพาะทางอย่างเต็มรูปแบบ