Technologia światłowodów włóknistych Kable światłowodowe

Technologia światłowodów włóknistych
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
Okna telekomunikacyjne
i generacje systemów światłowodowych
Tłumienie włókna ze szkła krzemionkowego w
funkcji długości fali światła
[dB/km]
50
II okno
I okno
Tłumienie
10
5
III okno
30
3
1
0.5
0.3
0.1
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
[µm]
Długosc fali
(c) Sergiusz Patela 1999-2003
Technologia włókien i kable światłowodowe
2
Tłumienie światłowodu ze szkła krzemionkowego
50
mokre szkło
30
suche szkło (1 ppb O H -)
A bsorpcja O H 10
5
Tłum ienie
[dB/km ]
2.
3.
Absorpcja
molekularna:
tlenki Si,
G e,P,B
3
C r ++
1
Fe ++
0.5
0.3
R ozpraszanie R ayleigha ~λ -4
0.1
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
D ługosc fali
(c) Sergiusz Patela 1999-2003
Technologia włókien i kable światłowodowe
3
Właściwości szkła kwarcowego
Wzór chemiczny SiO2
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) ~2µm
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
4
Struktura szkła kwarcowego
Struktury kryształu kwarcu:
przedstawiono dwuwymiarową sieć
krystaliczną
modyfikatory
(c) Sergiusz Patela 1999-2003
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.
Technologia włókien i kable światłowodowe
5
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
6
Reakcje chemiczne wykorzystywane w procesach
CVD (osadzania szkła)
Reakcje podwyższające współczynnik załamania szkła
SiCl4 + O2 → SiO2 +2Cl2
GeCl4 + O2 → GeO2 +2Cl2
4POCl3 + 3O2 → 2P2O5 +6Cl2
Reakcje dające szkło o małym współczynniku załamania
SiCl4 + O2 → SiO2 +2Cl2
4BCl3 + 3O2 → 2B2O3 +6Cl2
(c) Sergiusz Patela 1999-2003
Technologia włókien i kable światłowodowe
7
Metoda podwójnego tygla
szkło:
rdzenia
płaszcza
obszar
dyfuzji
dysza: wewnętrzna
R = 0,5 do 1,5 mm
zewnętrzna
R = 2 do 3 mm
(c) Sergiusz Patela 1999-2003
Technologia włókien i kable światłowodowe
8
Wytwarzanie preformy - osadzanie zewnętrzne.
OVD „soot”
Prętwspornik
SiCl4, CH4,
O2, etc.
Soot preform
Po naniesieniu warstw centralny
pręt-wspornik jest usuwany
(c) Sergiusz Patela 1999-2003
Technologia włókien i kable światłowodowe
9
Osadzanie osiowe (VAD)
Uchwyt
Kontroler
Czyste powietrze
Czujnik
ciśnienia Powietrze
Analizator
średnicy
Zawór
Wylot gazów
SiCl4, O2, H2
Monitor
Kamera
SiCl4, O2, H2
SiCl4, GeCl4, O2, H2
(c) Sergiusz Patela 1999-2003
Profil
preformy
Pirometr
Sprzężenie
zwrotne
Uwaga: proces stosowany
do produkcji włókien
jednomodowych
Technologia włókien i kable światłowodowe
10
Osadzanie metodą MCVD (lub IVD)
Rura ze szkła
krzemionkowego
Reagenty
gazowe
Osadzanie cząsteczek
przed płomieniem
Spiek szklany
Wylot
SiCCl4, GeCl4, O2
Cl2, O2, SiO2
1600°C
Palnik wodorotlenowy
Rotacja rury
Przesuw palnika
(c) Sergiusz Patela 1999-2003
Technologia włókien i kable światłowodowe
11
Kolaps i tworzenie preformy
Procesy MCVD i OVD wymagają
przeprowadzenia operacji zasklepiania rury
(c) Sergiusz Patela 1999-2003
Technologia włókien i kable światłowodowe
12
Urządzenie do wyciągania światłowodów
Precyzyjne
urządzenie
podające
Piec
Kontrola średnicy rdzenia
Układ
sterowania
Piec
suszący
pokrycie
Precyzyjny
bęben
odbierający
Przesuw bębna
(c) Sergiusz Patela 1999-2003
Technologia włókien i kable światłowodowe
13
Preferowane technologie i najwięksi producenci
Preferowane technologie produkcji światłowodów
OVD
50% rośnie
MCVD
23% maleje
VAD
23% rośnie
PCVD
2%
MCVD-plazma
2%
Najwięksi producenci światłowodów (1996)
Corning
6 mln km
AT&T (Lucent)
4 mln km
Siecor
2 mln km
(c) Sergiusz Patela 1999-2003
Technologia włókien i kable światłowodowe
14
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
15
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
16
Wytwarzanie preformy światłowodu plastikowego
3000 obr/min,
70 oC
50 obr/min, 95 oC
24 godziny
110 oC
24 godziny
Wyciąganie włókna -160 oC... 230 oC
(c) Sergiusz Patela 1999-2003
Technologia włókien i kable światłowodowe
17
Metody wytwarzania światłowodów plastikowych
1. Wytłaczanie współbieżne (coextrusion)
granulowany materiał
płaszcza
wytłaczarki
2. Wyciąganie z preformy
granulowany materiał
rdzenia
preforma
piec
pomiar średnicy
pomiar średnicy
bęben
wałek napędowy
bęben
wałek napędowy
światłowód
plastikowy
(c) Sergiusz Patela 1999-2003
Technologia włókien i kable światłowodowe
światłowód
plastikowy
18
Właściwości - światłowody jednomodowe*
Tłumienie dopuszczalne
wg. normy:
Tłumienie typowe wg.
katalogu:
<0.5 dB/km - 1310 nm
< 0.35 dB/km - 1300 nm
<0.4 dB/km - 1500 nm
< 0.25 dB/km - 1550 nm
Dyspersja
długość fali (nm)
Max. dysp. chrom.
(ps/km.nm)
1288-1339
1271-1360
1550
3.5
5.3
18
* Na podstawie danych katalogowych światłowodu jednomodowego Corning SMF-28 i
standardu ITU G.652
(c) Sergiusz Patela 1999-2003
Technologia włókien i kable światłowodowe
19
Właściwości - światłowody wielomodowe
Tłumienie dopuszczalne
wg. normy:
Tłumienie typowe wg.
katalogu:
<4 dB/km - 850 nm
<2,5 dB/km - 850 nm
<2 dB/km - 1300 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
* 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.
(c) Sergiusz Patela 1999-2003
Technologia włókien i kable światłowodowe
20
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
21
Pytania kontrolne
1. Wymienić metody wytwarzania światłowodów włóknistych
2. Wymienić i zilustrować wykresem, składniki tłumienia
światłowodu ze szkła krzemionkowego
(c) Sergiusz Patela 1999-2003
Technologia włókien i kable światłowodowe
22