光ファイバーケーブルはどのような素材でできていますか?完全なガイド

光ファイバーケーブル内のコア材料

光ファイバーケーブル 主にから作られています 石英ガラス（SiO₂） 、高度に精製された二酸化ケイ素。このガラスは、すべての光ファイバーの最も内側の 2 つの層を形成します。 コア そして 被覆材 。コアは光が通過する中心のストランドであり、クラッドはわずかに低い屈折率でコアを囲み、全内部反射と呼ばれる原理によって光を閉じ込めます。

光ファイバーに使用されるガラスは、通常の窓ガラスよりもはるかに純粋です。標準的な石英ガラスには、数メートルの距離にわたって光を散乱または吸収する不純物が含まれています。対照的に、ファイバーグレードのシリカは、次のような低い減衰率を達成します。 0.2dB/km により、増幅が必要になる前に信号が数十キロメートル伝送できるようになります。

一部の用途、特に短距離ケーブルや民生用ケーブルでは、コアは次のように構成されています。 プラスチック光ファイバー (POF) 、通常はポリメチルメタクリレート（PMMA）です。プラスチック ファイバーは柔軟性が高く、終端費用も安価ですが、信号損失が大幅に高く (約 100 ～ 200 dB/km)、距離が 100 メートル未満に制限されます。

保護層: コーティング、バッファー、およびジャケット

裸のガラス繊維は壊れやすいです。一連の保護層がそれを包み込み、機械的耐久性と耐環境性を確保します。

• アクリレートコーティング — ガラス繊維を引き抜いた直後に最初の層を適用します。この UV 硬化ポリマー コーティング (通常は直径 250 μm) は、光学性能に影響を与えることなく、微小曲げや吸湿から保護します。
• 固いバッファまたは緩いチューブ — アクリレートでコーティングされたファイバーは、PVC またはナイロンのバッファー内にしっかりと包まれているか (タイトバッファー設計)、ゲルが充填されたプラスチックチューブ内に緩く配置されています (ルースチューブデザイン)。ルーズチューブ構造は、ファイバを引張応力や温度変動から隔離するため、屋外ケーブルの標準です。
• 戦力メンバー — アラミド繊維 (ケブラーなどの商品名で販売されている) またはグラスファイバーロッドが、ケーブル内で長手方向に織られるか敷設され、設置時の引張荷重を吸収し、グラスファイバーの伸びや破損を防ぎます。
• アウタージャケット — 最終的なシースは通常、次のものでできています。 ポリエチレン(PE) 屋外ケーブル用または PVC / LSZH (低煙ゼロハロゲン) 屋内用コンパウンド。 LSZH 材料は、火災にさらされたときに有毒ガスの放出が最小限に抑えられるため、建築基準法での要求がますます高まっています。

外装ケーブルでは、ジャケットの下に波形スチールまたはアルミニウムのテープ層を追加して、直接埋設または産業環境でのげっ歯類耐性と圧壊保護を実現します。

ガラスとプラスチック: 材料の選択がパフォーマンスに与える影響

3 番目のカテゴリ— ハードクラッドシリカ (HCS) ファイバー - 硬質プラスチックのクラッドを備えたガラスコアを使用します。全ガラス設計と全プラスチック設計の間のギャップを埋め、POF よりも低い損失を提供しながら、標準のシングルモード ガラス ファイバよりも大きな曲げ半径を許容します。 HCS ファイバーは医療機器やセンシング機器で一般的です。

光学特性を微調整する特殊ドーパント

純粋なシリカだけがすべてではありません。メーカーは、コアまたはクラッドガラスに低濃度のドーパント材料を導入して、屈折率プロファイル、つまり光の伝播方法を制御します。

• 二酸化ゲルマニウム (GeO₂) — クラッドと比較してコアの屈折率を高めるためにコアに追加されます。 GeO₂ ドーピングは、シングルモードおよびマルチモード通信ファイバーの両方で標準です。
• フッ素（F）または三酸化ホウ素（B₂O₃） — 屈折率を低減し、クラッドまたはディプレストクラッドのシングルモード設計で使用され、カットオフ波長性能が向上します。
• エルビウム (Er3⁺) — エルビウムドープファイバー増幅器（EDFA）は、ガラスマトリックスにエルビウムイオンを組み込みます。エルビウムは、980 nm レーザーで励起されると、長距離 WDM 伝送システムの基礎である光学領域で 1550 nm 信号を直接増幅します。
• 五酸化リン (P₂O₅) — 屈折率を上げてガラス転移温度を下げ、低温でのファイバーの接続や融着加工が容易になります。

化学蒸着 (CVD) 製造プロセス中に適用される正確なドーパント プロファイルによって、完成したファイバーが次のように動作するかどうかが決まります。 シングルモード (SMF) —帯域幅を最大化するために 1 つの光路をガイドする—または マルチモード (MMF) ：多くのパスをより短く、より低コストのリンクに誘導します。

製造プロセスが材料の品質をどのように形作るか

光ファイバーガラスの卓越した純度は、従来のガラス溶解ではなく、気相堆積プロセスによって実現されます。主な方法は次の 2 つです。

• 改良化学気相成長法 (MCVD) — ドーパントを含んだガスは、回転するシリカチューブを通って流れます。外部トーチからの熱によりガスが反応し、内壁にガラス状のすすが堆積します。次に、チューブを潰して固体のプリフォームロッドを形成します。
• 外部蒸着 (OVD) — すすが回転マンドレルの外側に堆積し、多孔質のプリフォームが生成され、その後焼結されて透明なガラスになります。 OVD は、シングルモード ファイバーの大量生産に適しています。

得られたプリフォーム（通常は長さ 1 ～ 2 メートル、直径 10 ～ 15 cm）は、 描かれた 2,000℃を超える温度の繊維引き抜き塔内で。プリフォームは柔らかくなり、毎分 2,000 メートルを超える延伸速度で直径わずか 125 μm (人間の髪の毛の幅とほぼ同じ) の連続繊維ストランドになります。インライン測定システムは、ファイバーが巻き取られる前に、直径、コーティングの同心度、減衰をリアルタイムで検証します。

原料の SiCl₄ 前駆体ガスから完成したケーブルに至るまで、この厳密に制御された製造チェーンにより、光ファイバー グラスは 並外れた光学的透明度 従来の素材ではこれに匹敵するものはありません。