Jak powstają kable światłowodowe?

Kable światłowodowe są kluczowym elementem współczesnych systemów komunikacyjnych, oferując wysoką szybkość i niezawodność przesyłu danych na duże odległości. Proces ich produkcji jest skomplikowany i wymaga zaawansowanych technologii. W tym artykule przekażemy szczegóły dotyczące różnych etapów produkcji oraz zastosowanych technologii.

Produkcja preformy – serce światłowodu

Proces produkcji włókien światłowodowych rozpoczyna się od przygotowania długich rur szklanych. Po oczyszczeniu w kwasie fluorowodorowym, rury są podgrzewane, a ich końce łączone. Do obracających się rur wprowadza się mieszankę gazów, m.in. z krzemem i germanem. W wyniku powtarzającego się cyklu podgrzewania i chłodzenia powstaje osad szklany, wzbogacony tymi pierwiastkami, co prowadzi do stworzenia wielowarstwowej struktury. Ostatecznym produktem jest szklany pręt, zwany preformą, gotowy do dalszej obróbki. Preforma jest wykonana z czystej krzemionki (SiO₂), która charakteryzuje się wyjątkową przejrzystością i niskim tłumieniem światła.

Metod produkcji samej preformy jest kilka, ale najbardzie popularne to:

• osadzanie pionowo‑osiowe (ang. Vapour Axial Deposition, VAD) jest odmianą metody OVD, w której materiał rdzenia oraz płaszcza mogą być nanoszone razem lub osobno; umożliwia wytworzenie preform mocno domieszkowanych;
• zmodyfikowane chemiczne osadzanie z oparów (ang. Modified Chemical Vapor Deposition, MCVD) wynika z technologii CVD (ang. Chemical Vapor Deposition), która stosowana jest w przemyśle elektronicznym do wytwarzania domieszkowanych warstw wewnątrz krzemowych rurek; charakteryzuje się dużą szybkością procesu poprzez ponad 10-krotne zwiększenie szybkości przepływu gazu w rurze; zwykle uzyskuje się od 30 do 100 warstw;

Każda z tych metod ma swoje specyficzne zastosowania w zależności od rodzaju włókna i jego przeznaczenia.

Produkcja pojedyńczego włókna światłowodowego

Po wytworzeniu preformy trafia ona do fabryki, która zajmuje sie strikte produkcją włókna. Preforme umieszcza się w wieży gdzie jest ona podgrzewana do temperatury ok. 2000°C w piecu indukcyjnym, dzięki czemu staje się plastyczna. Następnie pod wpływem działania temperatury zaczyna się jej skraplanie (dlatego mówi się, że włókno jest “wyciągane”), tworząc cienkie, elastyczne włókno o średnicy zazwyczaj wynoszącej od 180 do 250 mikrometrów (dla włókien z powłoką). Średnica ta jest ściśle kontrolowana przez różnego rodzaju czujniki, co zapewnia zgodność produktu z wymaganiami stawianymi dla danego typu włókna(G.652.x-G.657.x). Jest to process niezwykle prezycyjny ponieważ z preformy której średnica ma około 13-16cm i wysokości około 2m powstaje włóko o o długości ponoszącej nawet 5000km.

Powlekanie włókien – ochrona i stabilność

Po wyciągnięciu włókien światłowodowych, muszą one zostać pokryte warstwami ochronnymi, które zapewnią im odpowiednią wytrzymałość mechaniczną i ochronę przed uszkodzeniami. Powłoki te są dobierane w zależności od przeznaczenia światłowodu i warunków, w jakich będzie pracować. Najczęściej stosuje się podwójną warstwę akrylową – miękką wewnętrzną powłokę i twardszą zewnętrzną warstwę. Ten rodzaj powłoki znajduje zastosowanie w standardowych światłowodach telekomunikacyjnych. Inne powłoki, takie jak fluorakrylany czy silikon, są stosowane w bardziej wymagających środowiskach – np. w medycynie, przemyśle wojskowym czy aplikacjach lotniczych. Każda powłoka musi zapewnić włóknom odpowiednią ochronę przed zagięciami, wilgocią, czy chemikaliami.

Konfekcja włókien w tuby i produkcja kabli

W zależności od przeznaczenia, włókna światłowodowe są grupowane w wiązki i zabezpieczane dodatkowymi warstwami izolacji - tubami. Oczywiście są dostępne kable, które w swojej struktrze posiadają włókna niczym nie zabezpieczone np. kable abonenckie tzn. kable “ostatniej mili”. 

Są trzy główne sposoby konstrukcji kabli:

• Central Tube Cable(CTC) – to kabel, w którym jedno lub więcej włókien światłowodowych umieszczonych jest wewnątrz pojedynczej tuby centralnej. Tuba centralna jest zazwyczaj wypełniona żelem (ale nie zawsze – wszystko zależy od przeznaczenia kabla), który chroni włókna przed wilgocią i uszkodzeniami mechanicznymi. Ta konstrukcja używana jest najczęściej w przypadku kabli uniwersalnych lub też kabli wewnątrzbudynkowych.
• Loose Tube Cable (LTC) – w przypadku tej konstrukcji włókna światłowodowe są umieszczone w kilku oddzielnych tubach wokół centralnego elementu wzmacniającego. Każda tuba może zawierać kilka włókien i jest wypełniona żelem hydrofobowym aby chronić włókna przed wilgocią, naprężeniami oraz penetracją wody wzdłuż tuby. Taka konstrukcja pozwala na większą elastyczność i łatwość zarządzania włóknami podczas instalacji.
• Soft Tube Cable (STC) – niby rozwiązanie znane od kilku lat, ale jednak w Polsce nie jest tak popularne jak np. we Francji. Jest to kabel który w swojej konstrukcji zawiera tuby światłowodowe wypełnione włóknami, ale nie są one skręcone wokół prętu FRP – tam go poporostu nie ma. Pręty w takiej konstrukcji kabla oczywiście się znajdują, ale w powłoce zewnętrznej. W ilości 2 sztuk. Umieszone są po przeciwległych stronach.  Elastyczność pojedynczej tuby w takim kablu jest znacznie większa niż w przypadku kabli LTC. Kable takie są lżejsze i mają miejszą średnicę zewnętrzną. Ich zastosowanie jest podobne jak kabli LTC – kanalizacje teletechniczne oraz sieci napowietrzne.

Testowanie i kontrola jakości

Na każdym etapie produkcji, światłowody przechodzą rygorystyczne testy jakościowe, które mają na celu sprawdzenie ich wytrzymałości mechanicznej oraz parametrów optycznych.

Testy te obejmują:

• Testy optyczne i geometryczne włókien – po wypordukowaniu pojedyńczego włókna światłowodowego przeprowadza się kilkadziesią testów optyczncyh oraz geometrycznych. M.in:
  • operacyjna długość fali (ang. operating wavelength (nm))
  • tłumienie (ang. attenuation , dB)
  • tłumienność (ang. attenuation per km, dB/km)
  • dyspersja (ang. dispersion)
  • współczynniki załamania (ang. refraction index)
  • apertura numeryczna (ang. numerical aperture)
  • częstotliwość odcięcia oraz długość fali odcięcia (ang. cut-off frequency, cutoff wavelength )
  • właściwości modowe (typ modu, promień rdzenia), ( ang. mode field diameter)
  • średnica pola modu (ang. mode field diameter)

Celem testów jest sprawdzenie, czy włókno spełnia wymagania stawiane przez Międzynarodową Unię Telekomunikacyjną w zakresie konkretnego typu włókna tj. ITU-T (International Telecommunication Union - Telecommunication Standardization Sector). Natomiast dalej po każdym etapie produkcji kabli (konfekcja włókien w tuby, skręcanie tub wokół prot FRP oraz jako finalnych produkty) przeprowadza się testy z wykorzystaniem reflektometru oceniając, czy włókna zachowują ciągłość oraz czy poszczególne etapy produkcji nie wprowadziły tłumienności we włókna światłowodowe.

• Testy mechaniczne i środowiskowe kabli – jest to nieodzowny element produkcji kabli. Bez tych testów nie jest możliwe określenie podstawowych parametrów mechanicznych, takich jak wytrzymałość kabla na rozciąganie, odporność na uderzenia, czy odporność na ściskanie. Przeprowadza się kilkanaście podstawowych testów mechanicznyc oraz kilka testów środowiskowych, z których najważniejszy jest ten w komorze klimatycznej – aby sprawdzić odporność kabla na cyklincze zmiany temperatury.

Kable światłowodowe odgrywają kluczową rolę w telekomunikacji, oferując szybki i niezawodny transfer danych na duże odległości bez konieczności stosowania wzmacniaczy sygnału po drodze (w odróżnieniu od kabli miedzianych). Zastosowanie kabli światłowodowych jest bardzo szerokie:

• Internet szerokopasmowy: Światłowody umożliwiają dostarczanie szybkiego internetu do domów i firm, znacznie przewyższając inne metody transmisyjne (kable skrętkowe czy internet radiowy).
• Sieci szkieletowe: Kable światłowodowe tworzą rdzeń globalnych sieci telekomunikacyjnych, łącząc różne kraje i kontynenty.
• Centra danych: Światłowody łączą serwery i urządzenia w centrach danych, umożliwiając szybką wymianę informacji. Pamiętać należy, że ilość takich inwestycji w najbliższych latach będzie stale rosła z uwagi na wzrost ruchu w sieciach telekomunikacyjnych.
• Rozwój 5G: Światłowody są kluczowe dla infrastruktury sieci 5G, zapewniając połączenia o wysokiej przepustowości i niskich opóźnieniach.