באילו חומרים סיבים אופטיים משתמשים לייצור כבל סיב אופטי?

כבלים סיבים אופטיים הפכו לעמוד השדרה של התקשורת המודרנית, מציע העברת נתונים במהירות גבוהה למרחקים ארוכים עם אובדן אות מינימלי. הבנת החומרים המשמשים בייצור שלהם חיונית לתפיסת היעילות, עֲמִידוּת, ויכולת הסתגלות של כבלים אלו על פני יישומים שונים. במאמר זה, אנו חוקרים את חומרי הסיבים האופטיים העיקריים התורמים לייצור כבל סיבים אופטיים, ניתוח המאפיינים שלהם, תפקידים, והחידושים האחרונים בתחום זה.

1. חומרי ליבה: הלב של שידור אופטי

הליבה של כבל סיבים אופטיים היא המרכיב החיוני ביותר שלו, אחראי על העברת אותות אור. ה בחירת חומר הליבה משפיע ישירות על ביצועי הכבל מבחינת מהירות העברת הנתונים, יְעִילוּת, ואיבוד אות.

1.1. סיליקה (SiO₂)

החומר העיקרי המשמש לליבה ברוב כבלי הסיבים האופטיים הוא זכוכית סיליקה בטוהר גבוה (SiO₂). סיליקה נבחרה בזכות התכונות האופטיות המעולות שלה, לְרַבּוֹת:

• הנחתה נמוכה: סיליקה מציגה אובדן אות מינימלי, המאפשר העברת נתונים למרחקים ארוכים.
• רוחב פס גבוה: הוא תומך במגוון רחב של אורכי גל, מתן יכולת נשיאת נתונים גבוהה יותר.
• עמידות בטמפרטורה: היכולת של סיליקה לעמוד בטמפרטורות גבוהות הופכת אותו לאידיאלי עבור סביבות קשות.

וריאציות בהרכב הסיליקה:

• ליבות סיליקה טהורות: משמש בדרך כלל בסיבים חד-מצביים (לְמָשָׁל, G652D), מציע הנחתה נמוכה יותר ומתאים לתקשורת למרחקים ארוכים.
• ליבות סיליקה מסוימות: הוספת חומרים דומים כמו גרמניום או זרחן משנה את מקדם השבירה, שיפור הביצועים בסיבים מולטי-מודים.

1.2. משקפי פלואוריד

כוסות פלואוריד (לְמָשָׁל, ZBLAN) הם חומרים מיוחדים המשמשים בסיבים אופטיים מסוימים, בעיקר עבור יישומים הדורשים שידור בטווח האינפרא אדום הבינוני. חומרים אלה מציעים פיזור נמוך יותר ומשמשים ביישומים מיוחדים כגון לייזרים רפואיים ותקשורת צבאית.

1.3. סיבים אופטיים מפלסטיק (POF)

סיבים אופטיים מפלסטיק משתמשים בפולימתיל מתאקרילט (PMMA) או פולימרים אחרים עבור הליבה. אמנם יש להם הנחתה גבוהה יותר בהשוואה לסיבים מבוססי סיליקה, הם גמישים יותר, קל יותר לטיפול, ומתאימים לתקשורת למרחקים קצרים, כמו ברשתות ביתיות ומערכות רכב.

2. חומרי חיפוי: הבטחת כליאת אותות

שכבת החיפוי מקיפה את הליבה וממלאת תפקיד מכריע בשמירה על שלמות העברת האור על ידי החזרת אור חזרה לליבה באמצעות עיקרון השתקפות פנימית מוחלטת.

2.1. חיפוי סיליקה

סיליקה משמשת בדרך כלל גם לחומר החיפוי, אבל עם מקדם שבירה מעט נמוך יותר מאשר הליבה. ההבדל הזה במקדם השבירה הוא מה שמשאיר את האור כלוא בתוך הליבה, המאפשר העברת אותות יעילה.

2.2. חיפוי פולימרי

בסיבים אופטיים מפלסטיק, החיפוי עשוי בדרך כלל מפולימרים מופלרים. פולימרים אלה מציעים:

• גְמִישׁוּת: אידיאלי ליישומים הדורשים סיבים ניתנים לכיפוף.
• עֲמִידוּת: עמיד בפני כימיקלים וגורמים סביבתיים.

3. חומרי ציפוי: הגנה ועמידות

חומרי ציפוי מיושמים על החיפוי כדי להגן על הסיבים מפני נזקים פיזיים וגורמים סביבתיים כמו לחות ותנודות טמפרטורה.

3.1. ציפוי אקרילט

ציפוי אקרילט הם הנפוצים ביותר עבור סיבים אופטיים בשל ההגנה והגמישות המצוינים שלהם. הסוגים העיקריים כוללים:

• ציפוי ראשוני: רך, שכבת חיץ שמרפדת את הסיב, הגנה עליו מפני הפסדי כיפוף מיקרו.
• ציפוי משני: שכבה קשיחה יותר המספקת חוזק מכני נוסף.

3.2. ציפויי פוליאמיד

ציפויי פוליאמיד משמשים בסביבות הדורשות עמידות בטמפרטורה גבוהה יותר. ציפויים אלו יכולים לעמוד בטמפרטורות העולה על 300 מעלות צלזיוס, מה שהופך אותם מתאימים לצבא, תעופה וחלל, ויישומים תעשייתיים.

3.3. ציפוי סיליקון

ציפויים על בסיס סיליקון מציעים גמישות מעולה ועמידות לטמפרטורות קיצוניות. הם שימושיים במיוחד ביישומים רפואיים שבהם הסיבים צריכים להיות גמישים מאוד ותואמים ביו.

4. חומרי חוצץ: שיפור חוזק מכני

חוצצים הם שכבות נוספות המיושמות על הסיב המצופה כדי לספק הגנה נוספת מפני מתח פיזי וחשיפה סביבתית.

4.1. מאגר צמוד

חיץ הדוק הוא ציפוי מגן חד-שכבתי, בדרך כלל עשוי מחומרים תרמופלסטיים כמו פוליוויניל כלוריד (PVC) או ניילון. הוא מוחל ישירות על הסיב ומשמש בדרך כלל בכבלים פנימיים שבהם יש צורך בגמישות וטיפול קל.

4.2. מאגר צינור רופף

בכבלים חיצוניים ובינעירוניים, חיץ צינור רופף, עשוי בדרך כלל מפוליאתילן (פ), נעשה שימוש. גדילי הסיבים האופטיים ממוקמים בצינור רופף מלא ג'ל או ליבה יבשה, מה שעוזר להגן מפני חדירת לחות ושינויי טמפרטורה.

5. חומרי חיזוק: הבטחת שלמות הכבלים

לשמירה על שלמות מבנית ומניעת שבירת סיבים, חומרי חיזוק שונים משולבים בתכנון של כבלים סיבים אופטיים.

5.1. ארמיד חוט (קוולר)

חוט ארמיד, הידוע בכינויו Kevlar, משמש כדי לספק חוזק מתיחה ולהגן על הסיבים מפני מתח פיזי במהלך ההתקנה. קוולר הוא קל משקל, גָמִישׁ, ועמיד בפני מתיחה, מה שהופך אותו לחומר חיזוק אידיאלי.

5.2. חוט פלדה

בכמה כבלי סיבים אופטיים כבדים, חוטי פלדה כלולים כחברי חוזק. הם מספקים תמיכה מכנית נוספת, במיוחד בסביבות בהן הכבל נתון לעומסים כבדים או לתנאים קשים, כגון מתקנים תת ימיים או אוויריים.

5.3. מוטות פיברגלס

מוטות פיברגלס הם צורה נוספת של חומר חיזוק המשמש כדי לספק קשיחות ותמיכה לכבל, במיוחד בכבלי סיבים אופטיים משוריינים המיועדים לסביבות קשות.

6. חומרי מעיל חיצוני: מיגון מפני גורמים חיצוניים

המעיל החיצוני הוא כיסוי המגן שמגן על הרכיבים הפנימיים של כבל הסיבים האופטיים מפני נזק חיצוני. החומר המשמש למעיל החיצוני תלוי ביישום המיועד ובתנאי הסביבה.

6.1. פוליוויניל כלוריד (PVC)

PVC הוא אחד מחומרי המעיל החיצוניים הנפוצים ביותר, ידוע בה:

• עֲמִידוּת: עמיד בפני שחיקה וכימיקלים.
• גְמִישׁוּת: קל להתקנה בסביבות שונות.
• עלות-יעילות: אפשרות משתלמת עבור יישומים סטנדרטיים.

6.2. פוליאתילן (פ)

פוליאתילן מציע עמידות מצוינת ללחות, מה שהופך אותו לבחירה פופולרית עבור כבלים חיצוניים. זה גם מספק ביצועים טובים יותר בתנאי מזג אוויר קשים בהשוואה ל-PVC.

6.3. עשן נמוך אפס הלוגן (LSZH)

חומרי LSZH משמשים בסביבות שבהן בטיחות אש היא בראש סדר העדיפויות, כמו במבני ציבור, מנהרות, ומטוסים. LSZH מעילים אינם פולטים גזי הלוגן מזיקים בעת שריפה, הפחתת הסיכון לאדים רעילים.

6.4. פוליאוריטן תרמופלסטי (TPU)

TPU ידוע בעמידות הגבוהה שלו בשחיקה ובגמישות. הוא משמש לעתים קרובות ביישומים תעשייתיים וצבאיים שבהם הכבל עשוי להיות נתון ללחץ פיזי או לתנאי סביבה קיצוניים.

7. חומרי הגנה נוספים: שריון ואיטום מים

לכבלים המשמשים בסביבות מאתגרות, שכבות נוספות כמו שריון ואיטום כלולות כדי לשפר את העמידות.

7.1. שכבות שריון

לכבלי סיבים אופטיים משוריינים יש שכבת הגנה נוספת העשויה מסרט פלדה או אלומיניום. זה מספק הגנה מכנית משופרת מפני מכרסמים, עומסים כבדים, ונזק פיזי אחר. כבלים משוריינים נמצאים בשימוש נפוץ ביישומי קבורה ישירה ובהגדרות תעשייתיות.

7.2. חומרים חוסמי מים

ג'לים או סרטים חוסמי מים משולבים בעיצוב של כבלי סיבים אופטיים חיצוניים כדי למנוע חדירת מים. החומרים בהם נעשה שימוש כוללים:

• ג'ל טיקסוטרופי: חומר דמוי ג'לי הממלא את הצינור הרופף, הגנה על הסיבים מפני לחות.
• סרטים מתנפחים במים: סרטים מיוחדים המתרחבים במגע עם מים, איטום כל נקודות כניסה פוטנציאליות.

8. חידושים בחומרים סיבים אופטיים

תעשיית הסיבים האופטיים מתפתחת ללא הרף, עם מחקר מתמשך שמטרתו לשפר ביצועים, עֲמִידוּת, וקיימות.

8.1. ציפויי פולימרים מתקדמים

ציפויים פולימרים חדשים מפותחים כדי לשפר את ביצועי הסיבים בתנאים קיצוניים. לְמָשָׁל, ציפויי אקרילט מעובדים ב-UV נועדו להציע הגנה טובה יותר מפני קרינת UV וחשיפה כימית.

8.2. חומרים מתכלים

עם ההתמקדות הגוברת בקיימות סביבתית, חוקרים חוקרים חומרים מתכלים עבור רכיבים מסוימים של כבלים סיבים אופטיים, במיוחד ביישומים לא קריטיים שבהם צפוי שימוש לטווח קצר.

8.3. חומרים מרוכבים

חומרים מרוכבים המשלבים פולימרים שונים ואלמנטים חיזוקים מוצגים כדי לשפר את התכונות המכניות של כבלים, מה שהופך אותם לקלים יותר, חזק יותר, ועמיד יותר בפני גורמים חיצוניים.

ייצור כבלים סיבים אופטיים כרוך במשחק גומלין מורכב של חומרים שונים, כל אחד נבחר עבור המאפיינים הספציפיים שלו כדי להבטיח יעילות, אָמִין, וביצועים עמידים. מחומרי הליבה כמו סיליקה בטוהר גבוה הנושאים את הנתונים, למעילים החיצוניים ולציפויים המגנים מפני נזקים פיזיים וסביבתיים, כל רכיב ממלא תפקיד מכריע בפונקציונליות הכוללת של הכבל.

ככל שההתקדמות הטכנולוגית נמשכת, אנו יכולים לצפות לראות חידושים נוספים בחומרים סיבים אופטיים, התמקדות בשיפור מהירויות העברת הנתונים, הגברת העמידות, וקידום קיימות סביבתית. הבנת החומרים הללו ותפקידיהם היא בסיסית עבור כל מי שמחפש לחקור את העולם של תקשורת סיבים אופטיים, אם לטלקומוניקציה, יישומים רפואיים, או שימוש תעשייתי.

על ידי מעקב אחר הפיתוחים האחרונים והחידושים החומריים, תעשיות יכולות לייעל את פתרונות הסיבים האופטיים שלהן, סלול את הדרך לרשתות תקשורת יעילות ובת קיימא יותר בעתיד.