فناوری تولید فیبر نوری

فناوری تولید فیبر نوری، نحوه تولید فیبر نوری همواره پرسشی است که در صنعت شبکه مورد توجه قرار می گیرد، ‌اینکه چگونه میتوان با ایجاد فرایندی دقیق تارهای نوری با قطر 8.1 میکرون و نازکتر از موی انسان تولید نمود، قطعا شگفت آور است. در سال 1970 فیزیکدانان صنعتی شرکت کرنینگ ، Robert D. ، Peter C. Schultz  و Donald B. Keck توانستند تار فیبر نوری تولید کنند که میزان افت (سطح تضعیف) بسیار مهم 20 دسی بل را برای فیبر نوری مورد استفاده در مخابرات بدست آورد. دکتر کک Keck ، که مسئول اندازه گیری بود ، ابتدا این دستاورد را در دفترچه آزمایشگاه خود ثبت نمود.

این گروه با ترکیب شیشه سیلیس با تیتانیوم نوعی تار فیبر با افت نوری 17 دسی بل در هر کیلومتر را تولید نمودند. در ژوئن 1972 ، این تیم با استفاده از دی اکسید ژرمانیوم به عنوان عامل اصلی جذب کننده ،فیبر نوری فوق را توسعه دادند و با افت تنها 4 دسی بل در کیلومتر تولید نمودند و توانستند در نهایت با تولید فیبر های نوری با حداقل افت صنعت ارتباطات مخابراتی فیبر نوری را بهبود بخشند و اینترنت جهانی را فعال نمایند.

امروزه کرنینگ CORNING نام آشنا ترین شرکت در صنعت فیبر نوری می باشد که با تولید فیبر های نوری غیر حساس به خمش پیشتاز کیفیت و استاندارد سازی صنعت فیبر نوری است. برخی از حقایق اساسی در مورد نحوه تولید فیبر نوری ممکن است همیشه پنهان بماند، در نظر داشته باشید که تولید یک تار فیبر نوری با کیفیت نیازمند فناوری شکل دهی شیشه و ایجاد سطح یکنواختی به طول هزاران متر جهت ایجاد فرایند بازتابش کلی است، جهت درک بهتر نحوه عملکرد فیبر نوری، به بررسی اجمالی فرایند تولید تار ها و کابل فیبر نوری می پردازیم.

 

فناوری تولید فیبر نوری

فهرست مطالب

  1. فناوری تولید فیبر نوری
      1. تعریف هسته فیبر نوری ( کر Core )
      2. ساخت پریفرم
      3. واکنش شیمیایی اساسی
  2. تبدیل پریفرم به تار فیبر نوری
  3. تست و اندازه گیری

 

 

 

تعریف هسته فیبر نوری ( کر Core )

همانطور که می دانید ، دو نوع اصلی تار فیبر نوری وجود دارد: تک حالته (سینگل مد) و چند حالته (مالتی مد). هر دو نوع تارهای نوری از تنها دو ساختار شیشه ای مرکز مشترک تشکیل شده اند: هسته که سیگنال های نوری را حمل می نماید و روکش ( کلد Clad ) که نور را در داخل هسته به دام می اندازد و فرایند بازتابش کلی را ایجاد می نماید (شکل 1).

ضریب شکست

شکل 1

 

فیبر نوری تک حالته (سینگل مد) دارای هسته کوچکتری می باشد – قطر آن فقط 9 میکرون است – و تنها 6 برابر طول موج نوری است که منتقل می نماید. اندازه کوچک هسته فیبر نوری سینگل مد، نور منتقل شده در فیبر را تنها به یک حالت اصلی محدود می نماید ، که پراکندگی پالس های نور را به حداقل می رساند ، و فاصله ارسال سیگنال را افزایش می دهد.

فیبر نوری چند حالته (مالتی مد) در مقایسه با طول موج نور منتقل شده دارای قطر هسته بزرگتری است، 50 ویا 62.5 میکرون. بنابراین ، فیبر چند حالته بیش از یک حالت نور را منتشر می نماید ( مد به معنای حالت و مالتی مد به معنای چند حالت انتشار نور می باشد). فیبر چند حالته با هسته نسبتاً بزرگ خود ، پراکندگی بیشتری نسبت به نوع سینگل مد یا تک حالته دارد. نوع مالتی مد با هسته شاخص درجه بندی شده ( Graded index یا GI ) نسبت به نوع مالتی مد با هسته شاخص پله ای  ( Step Index ) امروزه بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد، چرا که GI به گونه ای طراحی شده است که هرچه از مرکز هسته دورتر می شوید، لایه های نور ضریب شکست کمتری دارند و پراکندگی به حداقل می رسد ، گرچه فرآیند تولید GI را پیچیده می نماید.

 

دو مرحله اصلی در فرآیند تولید تار فیبر نوری وجود دارد:

  1. تولید پریفرم (پروفیل شیشه یا میله استوانه ای شکل شیشه ای) شیشه خالص
  2. پریفرم کشی ( کشش سیمی یا مفتول کشی)

 

ساخت پریفرم Preform یا پروفیل شیشه ای فیبر نوری

 

اولین قدم در تولید تار فیبر نوری شیشه ای ، ساخت یک میله شیشه ای جامد است که به عنوان پریفرم و یا پروفیل  شناخته می شود. مواد شیمیایی فوق خالص- در درجه اول تتراکلراید سیلیکون (SiCl4) و تتراکلراید ژرمانیوم (GeCl4)-در حین ساخت پیش ساخته به شیشه تبدیل می شوند. این مواد شیمیایی در نسبت های مختلف برای ساختن مناطق اصلی برای انواع مختلف پریفرم استفاده می شوند.

 

واکنش شیمیایی اساسی تولید شیشه نوری به شرح زیر است:

SiCl4 (gas) + O2 > SiO2 (solid) + 2Cl2 (in the presence of heat)

 

GeCl4 (gas) + O2 > GeO2 (solid) + 2Cl2 (in the presence of heat)

 

ترکیب هسته مرکزی همه فیبرهای استاندارد ارتباطی در درجه اول از سیلیس تشکیل شده است ، با افزودن مقادیر متناوبی از ژرمانیوم جهت افزایش ضریب شکست فیبر به سطح مطلوب. فیبر نوری سینگل مد ( تک حالته) تنها دارای مقادیر کمی از ژرمانیوم است و ترکیب مرکزی هسته یکنواختی را دارا می باشد . فیبر نوری مالتی مد ( چند حالته) ضریب شکست بسیار بالاتری دارد و به همین دلیل میزان ژرمانیوم آن بسیار بیشتر است. همچنین ، ترکیب هسته و ضریب شکست تار فیبر چند حالته درجه بندی شده ( GI. ) در سراسر هسته فیبر تغییر می نماید تا ضریب شکست منحنی سهمی شکل ایجاد شود.

روشهای مختلفی برای تولید پریفرم شیشه استفاده می شود. در فرآیند رسوب گذاری شیمیایی بخار (MCVD) ، مخلوط بسیار کنترل شده ای از مواد شیمیایی که در بالا توضیح داده شد، از داخل یک لوله شیشه ای دوار ساخته شده از SiO2 مصنوعی خالص عبور می نماید.

 

پریفرم شیشه فیبر نوری

 

لوله استوانه ای سیلیس خالص بر روی تراش مجهز به مشعل حرارتی مخصوص نصب می شود. هنگامی که گازها در داخل لوله جریان می یابند ، با تشکیل ذرات جامد زیرمیکرون که “دوده” نامیده می شود ، در مجاورت ناحیه گرمایی به گرما واکنش نشان می دهند. پس از تشکیل دوده ، روی دیواره داخلی لوله رسوب می نمایند. همانطور که مشعل بر روی دوده رسوب شده حرکت می کند ، گرما این ذرات سفید جامد را به شیشه ای خالص و شفاف در فرآیندی به نام شیشه زایی تبدیل می نماید. مواد رسوب شده ، ناحیه اصلی فیبر نوری را تشکیل می دهند (برای نمودار کلی از فرایند به شکل 2 مراجعه کنید.)

 

تولید کابل فیبر نوری

فرآیند فوق جهت تشکیل لایه های ساختاری هسته تا چندین ساعت تکرار می شود. به ازای هر بار حرارت دهی مشعل ، تولید کننده می تواند ترکیب ، ویسکوزیته و ضخامت لایه رسوب شده را به منظور ایجاد طرح های خاص تار فیبر نوری تغییر دهد. فرایند فوق ، همراه با قابلیت تغییر سرعت حرکت مشعل و دمای شعله ، به ما این امکان را می دهد که طیف وسیعی از انواع فیبرهای نوری فوق خالص را تولید نماییم.

از طریق تحویل دقیق مواد شیمیایی اطمینان حاصل می شود که طراحی تجهیزات تولیدی به طور دقیق و سازگار عمل می نماید. به عنوان مثال ، کنترل کننده های جریان جرم جهت اندازه گیری مواد شیمیایی برای واکنش استفاده می شود. تمام پارامترهای مهم فرآیند توسط رایانه های آنلاین که برای جمع آوری تمام داده های مربوط به فرآیند برنامه ریزی شده اند ، در زمان واقعی نظارت و کنترل می شوند.

 

پس از رسوب مقدار مورد نظر از مواد هسته ، جریان شیمیایی از بین می رود ، سرعت مشعل کاهش می یابد و دمای شعله افزایش می یابد به طوری که لوله در یک میله جامد فرو می ریزد. در پایان این فرایند ، یک اپراتور پریفرم را از بقیه مجموعه شیشه جدا نموده و آن را به مرحله بعدی منتقل می نماید. کل فرایند تولید پیش ساخته با حداقل دخالت انسان کاملا خودکار می باشد.

 

ضریب شکست پریفرم تولید شده با استفاده از آنالایزر پریفرم شیشه اندازه گیری می شود. این ابزار پارامترهای اصلی حیاتی را اندازه گیری نموده و آنها را با مشخصات داخلی مقایسه می نماید. تمام پارامترهای مربوطه به طور خودکار در نمودارهای کنترل آماری ترسیم می شوند که اپراتورها برای هر اندازه گیری بررسی می نمایند.

 

سپس تیوب شیشه ای هسته بخشی از ناحیه روکش پریفرم شده است. منطقه روکش با فرآیند “روکش زدن” یا “فرایند فروریختگی” بیشتر افزایش می یابد. در این مرحله ، یک لوله سیلیکای خالص دیگر در خارج از پریفرم اصلی فرو ریخته و ابعاد هندسی پریفرم را به مشخصات نهایی می رساند.

 

یکی دیگر از فرایند های مورد استفاده ، رسوب خارج از بخار (OVD) است ، جایی که دوده بر روی سطح “میله مضاعف” ساخته شده از سیلیس خالص قرار می گیرد. لایه های نخستین هسته فیبر می باشند و روکش کلد اضافه می شود. پس از رسوب تمام لایه ها ، میله مضاعف برداشته می شود و پریفرم شیشه به روش مشابه MCVD هدایت و فرو می ریزد.

 

تولید فیبر نوری

 

تبدیل پریفرم فیبر نوری به تار فیبر نوری

گام بعدی در فرآیند تولید فیبر نوری ، تبدیل پریفرم تولید شده به یک فیبر نازک به اندازه سایز یک تار مو انسان است. این کار طی عملیاتی به نام کشش فیبر نوری صورت می پذیرد (شکل 3). نوک پریفرم در کوره گرافیتی با خلوص بالا داخل می شود. گازهای خالص به داخل کوره تزریق می شوند تا فضایی تمیز و رسانا ایجاد شود. در کوره ، دمای کنترل شده نزدیک به 1900 درجه سانتیگراد نوک پریفرم را نرم می نماید. هنگامی که نقطه نرم شدن نوک پریفرم به دست می آید ، نیروی جاذبه تاثیر خورد را میگزارد و به توده مذاب اجازه می دهد “سقوط آزاد” نماید تا زمانی که به شکل یک رشته نازک کشیده شود.

 

کشش فیبر نوری

 

اپراتور این رشته فیبر نوری را از طریق یک سری قالب های روکش دهی عبور می دهد و روند طراحی آغاز می شود. فیبر توسط کمربند اهرم متحرک واقع در پایین برج کشیده می شود و سپس بر روی قرقره های وینچ پیچیده می شود. در طول فرایند کشش سیمی ، پیش ساز (پریفرم) در دمای مطلوب گرم می شود تا به فشار کششی ایده آل برسد. سرعت کشش سیمی 10 – 20 متر بر ثانیه است که در صنعت غیر متدوال نیست.

در طول فرآیند کشش ، قطر فیبر کشیده شده تا 125 میکرون با تلرانس تنها 1 میکرون کنترل می شود. برای اندازه گیری قطر فیبر از یک قطر سنج مبتنی بر لیزر استفاده می شود. ضخامت سنج می تواند قطر فیبر را با سرعت بیش از 750 بار در ثانیه نمونه برداری نماید. مقدار واقعی قطر با قطر هدف 125 میکرون مقایسه می شود. انحرافات جزئی از قطر هدف به تغییرات سرعت کشش تبدیل شده و برای اصلاح به مکانیزم چرخه مجدد باز گردانده می شود. اگر قطر فیبر بیش از قطر هدف خود افزایش یابد ، سرعت کشش افزایش می یابد. اگر قطر فیبر شروع به کم شدن از قطر هدف نماید ، سرعت کشش کاهش می یابد. به طور معمول ، کنترل قطر 125 میکرون در فاصله شش سیگما با تلرانس 1 میکرون به دست می آید.

سپس یک روکش محافظ دو لایه به تار فیبر نوری اضافه می گردد – یک پوشش داخلی نرم و یک پوشش خارجی سخت. این روکش های محافظ دو لایه به جهت حفاظت مکانیکی در جابجایی از آسیب جلوگیری می نمایند و در عین حال از سطح دست نخورده فیبر در برابر شرایط محیطی سخت محافظت می نماید. این پوشش ها توسط لامپ های فرابنفش مهیا می شوند. فرآیند کششی فیبر به شکل مناسب و خودکار است و عملاً نیازی به تعامل اپراتور بعد از مرحله قرار دهی ندارد.

تست و اندازه گیری کابل فیبر نوری تولید شده

فیبر نوری کشیده شده در مرحله بعدی آزمایش می شود ، جایی که همه پارامترهای نوری و هندسی بررسی می شود تا اطمینان حاصل شود که الزامات سختگیرانه و ضروری را برآورده می نماید.

 

تست و اندازه گیری کابل فیبر نوری تولید شده
ابتدا مقاومت کششی فیبر نوری مورد آزمایش قرار می گیرد. هر قرقره از فیبر نوری کشیده شده در یک سری چرخه تسمه پیچیده شده و تحت بار قرار می گیرد تا اطمینان حاصل شود که فیبر دارای حداقل استحکام کششی مشخص شده است. سپس فیبر نوری بر روی قرقره های فیبر پیچیده می شوند و در طول های مشخص بریده می شوند.

 

تولید کابل فیبر نوری اپتیک
کابل فیبر جهت بررسی عدم وجود ایرادات نقطه ای با بازتاب سنج نوری (دستگاه OTDR) مورد آزمایش قرار می گیرد که از نور پراکنده برای نشان دادن محل هرگونه ناهنجاری در طول فیبر استفاده می نماید.

فیبر نوری پیچیده شده بطور خودکار برای پارامترهای انتقال از جمله:

  • تضعیف یا افت نوری (attenuation) : کاهش قدرت سیگنال در مسافت
  • پهنای باند ( Bandwidth ) : ظرفیت حمل اطلاعات ؛ اندازه گیری مهم برای فیبر چند حالته
  • دیافراگم عددی ( روزنه عددی NA یا Numerical aperture): اندازه گیری زاویه پذیرش نور یک فیبر
  • طول موج قطع شده( cut-off ) : در فیبر نوری تک حالته طول موج ای که بالای آن تنها یک حالت انتشار می یابد
  • قطر میدان مد ( mode field diameter ): در فیبر نوری تک حالته عرض شعاع پالس نور در فیبر ؛ جهت اتصال بسیار مهم است
  • پراکندگی رنگی(chromatic dispersion): گسترش پالس های نور در اثر تششع های طول موج های مختلف با سرعت های متفاوت که از طریق هسته انتشار می یابند. در فیبرهای تک حالته این عامل محدود کننده ظرفیت حمل اطلاعات(پهنای باند) می باشد.

 

علاوه بر این ، فیبر نوری مالتی مد و سینگل مد جهت بسیاری از پارامترهای هندسی از جمله:

  • قطر روکش ( کلد ) – cladding diameter
  • روکش غیر دایره ای ( کلد) / cladding non-circularity
  • پوشش قطر خارجی – coating outer diameter
  • پوشش غیر دایره ای بیرونی – coating outer non-circularity
  • خطای متمرکز بودن پوشش – coating concentricity error
  • خطای متمرکز بودن هسته / روکش ( کلد ) – core-clad concentricity error
  • غیر دایره ای بودن هسته
  • قطر هسته

آزمایشات محیطی و مکانیکی نیز به صورت دوره ای انجام می شود تا اطمینان حاصل شود که محصول یکپارچگی نوری و مکانیکی خود را حفظ نموده و با الزامات استاندارد ارائه به مصرف کننده مطابقت دارد. این آزمایشات عبارتند از:

  • تحمل نیروی کشش روکش
  • محدوده دمای کاربری فیبر
  • تضعیف وابسته به درجه حرارت
  • چرخه تحمل دما و رطوبت
  • استهلاک و طول عمر
  • غوطه وری در آب

 

فیبر نوری

سرانجام ، تار فیبر نوری مورد آزمایش به جهت محافظت از فیبر ها به فرایند تولید کابل فیبر نوری وارد می شود و پس از آن به دست مشتری نهایی میرسد و جهت نصب آماده کابل کشی است.

ویدئو تولید کابل فیبر نوری

 

کابل های فیبر نوری

link

کابل های شبکه مسی

link

تجهیزات فیبر نوری

link


linkedin

دیدگاه‌ها (0)

*
*