Technologia światłowodów włóknistych

Technologia światłowodów włóknistych

Kable światłowodowe

Kable światłowodowe

Prezentacja zawiera kopie folii omawianych na wykładzie. Niniejsze
opracowanie chronione jest prawem autorskim. Wykorzystanie
niekomercyjne dozwolone pod warunkiem podania źródła.

© Sergiusz Patela 1999-2003

(c) Sergiusz Patela 1999-2003

Technologia włókien i kable światłowodowe

2

Okna telekomunikacyjne

i generacje systemów światłowodowych

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

0.3

0.5

1

0.1

3

5

10

30

50

Długosc fali

[

µm]

T

łumien

ie

[dB/km]

Tłumienie włókna ze szkła krzemionkowego w
funkcji długości fali światła

I okn

o

II okno

III

okn

o

(c) Sergiusz Patela 1999-2003

Technologia włókien i kable światłowodowe

3

Tłumienie światłowodu ze szkła krzemionkowego

Rozpraszanie Rayleigha ~

λ

-4

Absorpcja O H

-

2.

Absorpcja
molekularna:
tlenki Si,
G e,P,B

Cr

++

Fe

++

0.6 0.8 1.0 1.2

1.4

1.6

1.8

0.3

0.5

1

0.1

3

5

10

30

50

Długosc fali

Tłum ienie

[dB/km ]

3.

mokre szkło

suche szkło (1 ppb O H

-

)

(c) Sergiusz Patela 1999-2003

Technologia włókien i kable światłowodowe

4

Właściwości szkła kwarcowego

Wzór chemiczny SiO

2

Minimalne tłumienie włókna 0,2 dB/km

Przerwa energetyczna topionego kwarcu 9 eV (~137 nm)

(Szkło z tlenku germanu 185 nm)

Krawędź absorpcji w podczerwieni (pasma wibracyjne) ~2

µm

Rozpraszanie Rayleigh ~

λ

-4

Absorpcja w podczerwieni na jonach OH

-

: podstawowa 2.27 i

harmoniczne 1.37, 0.95 i 0.725

µm

(c) Sergiusz Patela 1999-2003

Technologia włókien i kable światłowodowe

5

Struktura szkła kwarcowego

Struktury kryształu kwarcu:
przedstawiono dwuwymiarową sieć
krystaliczną

modyfikatory

Struktura szkła kwarcowego. W
porównaniu ze strukturą kwarcu
uległa zmianie po dodaniu
modyfikatora lub przetopieniu. W
zaprezentowanej strukturze
występują fluktuacje gęstości i
składu szkła - i w konsekwencji
fluktuacje współczynnika
załamania.

(c) Sergiusz Patela 1999-2003

Technologia włókien i kable światłowodowe

6

Metody wytwarzania światłowodów włóknistych

1. Metoda podwójnego tygla
2. Metoda zewnętrznego osadzania szkła (OVD, "soot")
3. Metoda wewnętrznego osadzania szkła (MCVD, PCVD)
4. Metoda pionowego osadzania szkła (VAD - vapour phase

axial deposition)

(c) Sergiusz Patela 1999-2003

Technologia włókien i kable światłowodowe

7

Reakcje chemiczne wykorzystywane w procesach

CVD (osadzania szkła)

Reakcje podwyższające współczynnik załamania szkła
SiCl

4

+ O

2

→ SiO

2

+2Cl

2

GeCl

4

+ O

2

→ GeO

2

+2Cl

2

4POCl

3

+ 3O

2

→ 2P

2

O

5

+6Cl

2

Reakcje dające szkło o małym współczynniku załamania
SiCl

4

+ O

2

→ SiO

2

+2Cl

2

4BCl

3

+ 3O

2

→ 2B

2

O

3

+6Cl

2

(c) Sergiusz Patela 1999-2003

Technologia włókien i kable światłowodowe

8

Metoda podwójnego tygla

szkło:

rdzenia

płaszcza

obszar

dyfuzji

dysza: wewnętrzna

zewnętrzna

R = 0,5 do 1,5 mm

R = 2 do 3 mm

(c) Sergiusz Patela 1999-2003

Technologia włókien i kable światłowodowe

9

Wytwarzanie preformy - osadzanie zewnętrzne.

OVD „soot”

Po naniesieniu warstw centralny
pręt-wspornik jest usuwany

SiCl

4

, CH

4

,

O

2

, etc.

Pręt-

wspornik

Soot preform

(c) Sergiusz Patela 1999-2003

Technologia włókien i kable światłowodowe

10

Osadzanie osiowe (VAD)

Uwaga: proces stosowany
do produkcji włókien
jednomodowych

Uchwyt

Czyste powietrze

Monitor

Analizator

średnicy

SiCl

4

, O

2

, H

2

SiCl

4

, O

2

, H

2

SiCl

4

, GeCl

4

, O

2

, H

2

Czujnik

ciśnienia Powietrze

Zawór

Profil

preformy

Kontroler

Wylot gazów

Kamera

Pirometr

Sprzężenie

zwrotne

(c) Sergiusz Patela 1999-2003

Technologia włókien i kable światłowodowe

11

Osadzanie metodą MCVD (lub IVD)

Rura ze szkła

krzemionkowego

Reagenty

gazowe

Spiek szklany

Palnik wodorotlenowy

Przesuw palnika

Rotacja rury

Osadzanie cząsteczek

przed płomieniem

Wylot

1600°C

SiCCl

4

, GeCl

4

, O

2

Cl

2

, O

2

, SiO

2

(c) Sergiusz Patela 1999-2003

Technologia włókien i kable światłowodowe

12

Kolaps i tworzenie preformy

Procesy MCVD i OVD wymagają
przeprowadzenia operacji zasklepiania rury

(c) Sergiusz Patela 1999-2003

Technologia włókien i kable światłowodowe

13

Urządzenie do wyciągania światłowodów

Precyzyjne
urządzenie
podające

Piec

Kontrola średnicy rdzenia

Przesuw bębna

Układ
sterowania

Piec
suszący
pokrycie

Precyzyjny
bęben
odbierający

(c) Sergiusz Patela 1999-2003

Technologia włókien i kable światłowodowe

14

Preferowane technologie i najwięksi producenci

2 mln km

Siecor

4 mln km

AT&T (Lucent)

6 mln km

Corning

Najwięksi producenci światłowodów (1996)

2%

MCVD-plazma

2%

PCVD

23% rośnie

VAD

23% maleje

MCVD

50% rośnie

OVD

Preferowane technologie produkcji światłowodów

(c) Sergiusz Patela 1999-2003

Technologia włókien i kable światłowodowe

15

Polscy wytwórcy światłowodów i kabli światłowodowych

Światłowodowe kable telekomunikacyjne
• Fabryka Kabli "Ożarów", (Elektrim-kable)
• OTO-Lublin, Telekomunikacja Polska SA, Ośrodek Techniki

Optotelekomunikacyjnej

• Zakłady kablowe Tele-Fonika, Zakład kabli światłowodowych,

Myślenice

Światłowody plastikowe

• Fibrochem, Lublin

(c) Sergiusz Patela 1999-2003

Technologia włókien i kable światłowodowe

16

Możliwości produkcyjne

„Mała” firma

Włókno jednomodowe - 15 000 do 20 000 km/ miesiąc

Włókno wielomodowe - 1 500 do 2 000 km/ miesiąc

Cena od 30 USD/km

(c) Sergiusz Patela 1999-2003

Technologia włókien i kable światłowodowe

17

3000 obr/min,

70

o

C

50 obr/min, 95

o

C

24 godziny

110

o

C

24 godziny

Wyciąganie włókna -160

o

C... 230

o

C

Wytwarzanie preformy światłowodu plastikowego

(c) Sergiusz Patela 1999-2003

Technologia włókien i kable światłowodowe

18

1. Wytłaczanie współbieżne (coextrusion)

2. Wyciąganie z preformy

granulowany materiał

płaszcza

granulowany materiał

rdzenia

wytłaczarki

wałek napędowy

bęben

pomiar średnicy

światłowód

plastikowy

wałek napędowy

bęben

pomiar średnicy

światłowód

plastikowy

preforma

piec

Metody wytwarzania światłowodów plastikowych

(c) Sergiusz Patela 1999-2003

Technologia włókien i kable światłowodowe

19

Właściwości - światłowody jednomodowe*

Dyspersja

* Na podstawie danych katalogowych światłowodu jednomodowego Corning SMF-28 i
standardu ITU G.652

Tłumienie dopuszczalne
wg. normy:

<0.5 dB/km - 1310 nm

<0.4 dB/km - 1500 nm

Tłumienie typowe wg.
katalogu:

< 0.35 dB/km - 1300 nm

< 0.25 dB/km - 1550 nm

długość fali (nm)

Max. dysp. chrom.

(ps/km.nm)

1288-1339

3.5

1271-1360

5.3

1550

18

(c) Sergiusz Patela 1999-2003

Technologia włókien i kable światłowodowe

20

Właściwości - światłowody wielomodowe

Tłumienie dopuszczalne
wg. normy:

<4 dB/km - 850 nm

<2 dB/km - 1300 nm

* Na podstawie danych katalogowych światłowodu Corning i standardu ITU G.651

Uwagi. Standard telekomunikacyjny ITU.651 zaleca światłowód 50/125. Standardy sieciowe
np. IEEE 802.3 dopuszczają inne światłowody wielomodowe.

Tłumienie typowe wg.
katalogu:

<2,5 dB/km - 850 nm

<0,8 dB/km - 1300 nm

Dyspersja dla światłowodu wielomodowego definiowana jest w
dziedzinie częstotliwości:

wg normy:

katalogowa

>200 MHz/km - 850 nm

do 600 MHz/km - 850 nm

>200MHz/km - 1300 nm

do 800 MHz/km - 1300 nm

(c) Sergiusz Patela 1999-2003

Technologia włókien i kable światłowodowe

21

Właściwości - światłowody plastikowe

Materiał: PMMA

Typ światłowodu: skokowy

Tłumienie: 0,15 dB/m. (650 nm, standard communication grade
fibers)

Teoretyczne minimum tłumienia (absorpcja molekularna +
rozpraszanie Rayleigha) 37dB/km (516nm), 35dB/km (568nm),
106dB/km (650nm)

Dyspersja (660nm):

materiałowa - 7,8 ns/km (

∆λ 20nm), 0,78 ns/km (∆λ 2nm)

modowa - 240 ns/km (NA 0,5), 10 ns/km (NA 0,1)

(c) Sergiusz Patela 1999-2003

Technologia włókien i kable światłowodowe

22

Pytania kontrolne

1. Wymienić metody wytwarzania światłowodów włóknistych

2. Wymienić i zilustrować wykresem, składniki tłumienia
światłowodu ze szkła krzemionkowego