Как делают оптоволокно на заводе
Производство проходит четыре основных этапа.
- Из высокочистого сырья получают заготовку с нужными оптическими свойствами.
- Разогретый конец заготовки вытягивают в нить заданного диаметра.
- Стекло покрывают полимером, который защищает его поверхность.
- Готовое волокно проходит измерения и механическое испытание.
У каждого этапа своя задача. Состав стекла определяет оптические свойства, вытяжка задаёт размер, а покрытие сохраняет поверхность от повреждений. Поэтому внешний вид тонкой нити ещё не описывает весь продукт.
Далее в статье: структура заготовки, способы её изготовления, вытяжка, покрытие и заводские проверки.
В заготовке уже есть оптическая структура
Для производства такого волокна стекло синтезируют из высокочистых соединений кремния. Контролируемые добавки помогают получить нужные оптические свойства. В частности, состав влияет на показатель преломления, который описывает, как свет распространяется в материале. Чистота сырья нужна потому, что загрязнения могут мешать прохождению света. Эти задачи разбирает Corning в объяснении осаждения из паровой фазы.
По объяснению Fiber Optic Association, преформа уже имеет оптическое сечение будущего волокна в увеличенном размере. В ней есть область сердцевины и окружающая стеклянная оболочка. У сердцевины показатель преломления выше, чем у оболочки; это различие позволяет направлять свет вдоль волокна.
Получается, при вытяжке одновременно уменьшаются обе стеклянные области. Сердцевину не нужно отдельно протягивать через готовую тонкую трубку. Представление о заготовке как об увеличенной версии волокна помогает понять, почему производство начинается задолго до появления самой нити.
Подробное объяснение передачи сигнала есть в статье «Как свет передаёт данные».
Два способа получить преформу
На стадии заготовки встречаются разные промышленные технологии. В методе OVD мелкие частицы стекла осаждают снаружи вокруг стержня-основы. После её удаления пористую заготовку нагревают, и она превращается в плотное прозрачное стекло. Этот переход называется консолидацией. Его описывает Corning в разделе о производстве OVD.
Другой пример приведён в обзоре FOA на материалах изготовителя OFS. В методе MCVD стекло осаждают внутри стеклянной трубы. Затем трубу преобразуют в сплошной стержень. Для знакомства с процессом достаточно различать место, где наращивается материал.
| Метод | Где появляется новое стекло | Что получает следующий этап |
|---|---|---|
| OVD, внешнее осаждение из паровой фазы | Вокруг стержня-основы | После уплотнения заготовка поступает на вытяжку |
| MCVD, модифицированное химическое осаждение из паровой фазы | На внутренней поверхности стеклянной трубы | После превращения трубы в стержень получают заготовку |
Эта таблица объясняет два подхода к изготовлению преформы. По названию метода нельзя сделать вывод о качестве конкретной партии: для сравнения нужны измеренные характеристики готового волокна.
Как из стержня получается тонкая нить
На башне вытяжки конец преформы входит в печь. Стекло размягчается, и из него вытягивают непрерывную нить. Заготовка постепенно расходуется, пока линия получает волокно.
Во время вытяжки оборудование контролирует диаметр. Проверка размера прямо в процессе связывает работу линии с требуемой геометрией нити. Такой контроль описан в разделе Draw у Corning.
Сам термин «вытяжка» обозначает получение тонкого волокна из разогретой заготовки. Последующая работа с уже готовой нитью относится к другим операциям. При выборе оборудования полезно сначала уточнить, с каким продуктом предстоит работать: с преформой, волокном в покрытии или кабелем.
Зачем стеклу покрытие сразу после вытяжки
Свежую стеклянную поверхность нужно защищать от повреждений. В описанном Corning процессе на волокно при вытяжке наносят акрилатное покрытие, которое отверждают ультрафиолетом. В результате вокруг стекла появляется защитный полимерный слой. Эта стадия показана в разделе How optical fiber is made документа Corning WP1000.
В распространённой двухслойной конструкции внутреннее покрытие мягче и смягчает воздействие механических нагрузок. Наружный слой жёстче, он защищает от истирания. Поверхностные дефекты снижают прочность стекла, поэтому сохранность покрытия связана с тем, как волокно перенесёт дальнейшее обращение. Различие функций слоёв объяснено в обзоре защитного покрытия Corning CPC.
Здесь легко перепутать два значения слова «оболочка». Стеклянная оболочка окружает сердцевину и относится к оптической структуре. Полимерное покрытие лежит снаружи стекла и выполняет защитную работу. Оно увеличивает наружный диаметр готовой нити.
Например, в том же обзоре Corning рассматривается стекло диаметром 125 мкм с разными вариантами покрытия. Поэтому число в характеристиках нужно читать вместе с названием слоя. Один размер стекла не означает одинаковый наружный размер всех волокон.
Что проверяют перед поставкой
У готового волокна оценивают несколько групп свойств. Геометрические измерения относятся к его размерам и форме. Оптические показывают, как оно передаёт свет. В частности, затухание описывает ослабление оптического сигнала. Измерение геометрии не заменяет проверку оптических характеристик.
Отдельно проводят proof-test, испытание заданной растягивающей нагрузкой. Оно отсеивает участки, прочности которых недостаточно для выбранного уровня проверки. Механический смысл такого испытания разбирается в документе Corning WP1280.
Результат proof-test относится к условиям испытания. Он не означает, что волокно можно впоследствии растягивать как угодно или что новые повреждения поверхности безвредны. Для покупателя полезнее знать уровень проведённой проверки, чем ограничиться словом «прочное» в описании.
В перечне характеристик FOA размеры и затухание указаны раздельно. Для обсуждения поставки можно подготовить короткий список вопросов:
- К какому слою относится указанный диаметр?
- Какой тип покрытия у предлагаемого волокна?
- При какой длине волны указано затухание?
- Какое испытание прочности прошло волокно?
Эти вопросы помогают сопоставить предложения по одинаковым параметрам. Маркировку и сведения о партии подробнее разбирает статья «G.657.A2: что маркировка говорит о волокне».
Где заканчивается волокно и начинается кабель
После нанесения покрытия получена защищённая стеклянная нить. Для кабеля нужна дополнительная конструкция. В описании FOA волокна находятся вместе с силовыми элементами внутри наружной защитной оболочки.
Поэтому при чтении описания производства полезно следить за названием продукта. Стеклянная заготовка, волокно в полимерном покрытии и готовый оптический кабель относятся к разным стадиям. Характеристика одного из них не описывает автоматически остальные.
Частые вопросы
Оптоволокно делают из обычного стекла?
Для рассмотренного здесь волокна связи используют специально полученное высокочистое стекло на основе кремнезёма. В технологии OVD его получают из частиц, образующихся из исходных веществ в паровой фазе. Состав и загрязнения контролируют ещё на стадии изготовления заготовки, как описано в материале Corning о синтезе стекла.
Сердцевину вставляют в уже готовую нить?
В описанной FOA схеме производства оптическое сечение задаётся в преформе. При вытяжке получается уменьшенная стеклянная структура. Способ сборки самой большой заготовки может различаться, но отдельной операции продевания сердцевины сквозь готовое тонкое волокно в рассмотренной схеме нет.
Полимерное покрытие наносят перед нагревом заготовки?
В рассмотренном процессе акрилатное покрытие получает уже вытянутая стеклянная нить на линии вытяжки. Затем полимер отверждают ультрафиолетом. Такую последовательность описывает Corning WP1000. Стеклянная оболочка к этому моменту уже существует и не зависит от нанесения внешнего защитного слоя.
Испытание прочности означает, что волокно больше не порвётся?
Proof-test подтверждает прохождение заданной испытательной нагрузки и отсеивает слабые участки. Последующая прочность зависит и от обращения с волокном. В разборе Corning WP1280 рассматриваются дефекты и условия нагрузки; сам факт заводского испытания не разрешает произвольное растяжение готовой нити.
Можно ли выбрать волокно только по способу производства?
Названия OVD или MCVD описывают технологический подход к заготовке. Для выбора материала нужны характеристики предлагаемого изделия. Начать можно с вопросов о диаметрах, покрытии, затухании и испытании прочности. Метод изготовления полезен как информация о происхождении продукта, но не заменяет этих сведений.
Что читать в характеристиках готового волокна
Когда понятно, как делают оптоволокно, проще связать обозначения в документах с конкретными слоями материала. Начните с разбора толщины оптоволокна: он поможет различить размеры сердцевины, стеклянной оболочки и покрытия перед сравнением предложений.