Spezialfaser erklärt

Seit 2018 hat FOC mehr als 10 Artikel zur Herstellung von Fasern und Preforms bereitgestellt.Eine Serie von sieben Artikeln, die im Januar 2018 veröffentlicht und von Larry Donalds verfasst wurde, konzentriert sich auf die MCVD-Technologie und Probleme bei der Herstellung von Preforms.Die zweite Serie, die im Juli 2020 gestartet wurde und von Rick Tumminelli geschrieben wurde, umfasst drei Artikel über mit seltenen Erden dotierte Fasern.Den Link zur kompletten Bibliothek finden Sie am Ende dieses Artikels.Im folgenden Artikel bieten die beiden FOC-Fasermacher-Experten mehr Hintergrundwissen über das breite Spektrum an Spezialfasern, deren Unterschiede zu Standard-Kommunikationsfasern und Besonderheiten bei den Preform- und Ziehprozessen.

Kommunikationssysteme enthalten häufig Spezialfasern

Die Glasfasertechnologie hat die Kommunikationsbranche revolutioniert.Nach mehreren Jahrzehnten der Bereitstellung übertragen Glasfasernetzwerke Telefon-, Fernseh- und Internetdienste, entweder auf dem Weg zu den Endbenutzern oder in vielen Fällen bis nach Hause.Diese Dienste sind allgegenwärtig und werden gut genutzt.Im Jahr 2018 hatten Erwachsene in den USA durchschnittlich 8.5 Stunden pro Tag „Bildschirmzeit" - mit einem Smartphone, Fernseher, Tablet oder PC.Mit der Covid-19-Pandemie stieg der durchschnittliche Verbrauch von Erwachsenen im Jahr 50 um mehr als 13.5% auf 2020 Stunden pro Tag der Bildschirmzeit¹.

Der Nutzungssprung umfasste mehr Videokonferenzen und andere Videodienste, die mehr Netzwerkkapazität erfordern als Webseiten und Audiokommunikation.Die Glasfasernetzwerke bewältigten im Allgemeinen die höheren Lasten mit minimaler Störung.In einigen Fällen erhöhten die Netzbetreiber die Netzkapazität um
Mehr Fasern „aufleuchten", indem Wellenlängenkanäle hinzugefügt oder die Bitraten erhöht werden.Dies zeigt die enorme Kapazität und Flexibilität heutiger Glasfasernetzwerke.

Seit den 1980er Jahren wurden erhebliche Fortschritte bei der Kapazität von Fasersystemen erzielt, die sich durch Bandbreite und Entfernung auszeichnen.In den Anfangsjahren war die Bandbreite des Fasersystems größer als die von Kupfer, aber bei weitem nicht das, was heute benötigt wird.Die Entfernungsleistung wurde durch den optischen Verlust in der Faser begrenzt, so dass etwa alle 100 km Repeater-Stationen benötigt wurden, um das optische Signal zu empfangen, es elektronisch zu bereinigen (Umformung und Neuzeit) und es dann erneut zu übertragen.

All dies änderte sich mit der Entwicklung und Verwendung einer Spezialfaser - eine mit Erbium (Er), einem Seltenerdelement, dotierte - zur Herstellung optischer Verstärker.Der Er-Dotierstoff liefert eine optische Verstärkung über ein Wellenlängenband in der Nähe des verlustarmen 1.55-µm-Fensters der Kommunikationsfaser.Ein Er-dotierter Faserverstärker (EDFA) verstärkt das Übertragungssignal optisch und macht elektronische Repeater zum Umformen, Wiederholen und Regenerieren überflüssig.Ferner kann ein EDFA mehrere Wellenlängenkanäle in derselben Faser ohne Übersprechen verstärken, was eine enorme Erhöhung der Bandbreite des Fasersystems ermöglicht².In diesem Fall ergänzt die Spezialfaser die Verwendung der Kommunikationsfaser, um die Bandbreite und die Entfernungsleistung wesentlich zu verbessern.

Wie sich Spezialfasern von Kommunikationsfasern unterscheiden

"Spezialfasern" können als solche Fasern definiert werden, die NICHT den Single-Mode- und Multimode-Kommunikationsfaserstandards entsprechen.Für Single-Mode sind die Standards der International Telecommunications Union (ITU) weit verbreitet³.Für Multimode sind die Standards des Fiber Optics Tech Consortium (TIA FOTC) der US-amerikanischen Telecommunications Industry Association weit verbreitet.Diese MM-Faserspezifikationen werden auch von der International Electrotechnical Commission (ISO-IEC) der International Organization for Standardization standardisiert.⁴.

In beiden Fällen bedeutet „weit verbreitet", dass die Glasfaserspezifikationen von den Glasfaser- und Kabelherstellern sowie von Unternehmen verwendet werden, die Sende-Empfangskomponenten, Steckverbinder und andere Produkte herstellen, die mit den Fasern verbunden sind.Darüber hinaus wird auf diese Glasfaserstandards auch in Standards für lokale Netzwerke, Telekommunikationssysteme und andere Infrastrukturen verwiesen.Die Faserstandards legen geometrische, physikalische und optische Eigenschaften fest.

Kommunikationsfasern sind so ausgelegt, dass sie ein moduliertes optisches Signal bei bestimmten Wellenlängen übertragen.Das Faserdesign ist für verlustarme und modale Eigenschaften optimiert, die Entfernungs- und Bandbreitenanforderungen unterstützen.Spezialfasern sind für andere Anwendungen als die Signalübertragung optimiert, wie Verstärker, Sensoren, Laser, Filter, Ringresonatoren usw.Um solch unterschiedliche Anwendungen zu bedienen, gibt es Hunderte verschiedener Spezialfasertypen mit vielen Variationen in Glaszusammensetzung, Kern und Verkleidungsstrukturen, geometrische Eigenschaften, Beschichtungen und speziell zugeschnittene optische Leistungsmerkmale.Einige Hauptfamilien von Spezialfasern zeichnen sich aus durch:

• spezielle Dotierstoffe im Glas, insbesondere im Kern;
• Strukturen, die zu Doppelbrechung für polarisationserhaltende Fasern führen;
• Mehrfachverkleidungen;
• spezielle Indexprofile zur Anpassung der Starteigenschaften, der numerischen Apertur (NA), der effektiven Fläche, der Modenausbreitung und anderer Wellenleitereigenschaften;
• verschiedene Kombinationen dieser Merkmale.

Die folgende Tabelle enthält Beispiele für Spezialfasern und einige typische Anwendungen.In der Tabelle und im Rest dieses Artikels diskutieren wir Fasern auf Siliciumdioxidbasis, die für mindestens einen Teil des Vorformprozesses eine chemische Gasphasenabscheidung verwenden können.(Es gibt auch Spezialfasern, die auf Chalkogeniden, Fluoriden und anderen Glasmaterialien basieren.Diese Nicht-Silica-Fasern verwenden unterschiedliche Herstellungsverfahren und werden hier nicht behandelt.) Die Tabelle zeigt, dass viele Spezialfasertypen für Sensorsysteme ausgelegt sind.Faserbasierte Sensoren können eine Vielzahl chemischer, physikalischer, umweltbedingter und biologischer Parameter messen.Die Breite der Sensoranwendungen ist ein Hauptgrund, warum es so viele Arten von Spezialfasern gibt.

Kommunikationsfasern

Spezialfaser

(Diese beiden Tabellen stellen eine unvollständige Liste der Fasertypen und -anwendungen dar, wobei Beispiele ausgewählt wurden, um die Vielfalt der Spezialfasern und -anwendungen zu zeigen.)

Messung des Faserbedarfs in Kilometern oder Metern

Wie bereits erwähnt, hat die Welt der Spezialfasern deutlich mehr Produkte und Typen auf dem Markt.Kommunikationsfasern hingegen werden in viel größeren Mengen hergestellt.Im Jahr 2020 beispielsweise überstiegen die weltweiten Glasfaserinstallationen 450 Millionen Kilometer.⁵Mehr als 90% dieser Gesamtmenge waren ITU G.652.D-Standard-Single-Mode-Fasern.Der Rest umfasste Single-Mode-Fasern, die den Standards für verbesserte Dispersion, effektive Fläche und Biegeleistung entsprachen, sowie Standard-Multimode-Fasern.

FOC schätzt, dass die weltweite Gesamtnachfrage nach Spezialfasern in der Größenordnung von einer Million km pro Jahr liegt oder weniger als ein halbes Prozent der Nachfrage nach Kommunikationsfasern.Die Verwendung von polarisationserhaltenden (PM) Fasern in Gyroskopen kann sich auf Hunderttausende von Kilometern pro Jahr erstrecken, die Nachfrage nach anderen Typen ist jedoch viel geringer.Viele Anwendungen verwenden nur wenige Meter oder sogar weniger als einen Meter in einem Sensor, einem Faserlaser oder einem anderen Gerät.

Massenproduktion vs.Sonderproduktion

Die meisten Hersteller von Spezialfasern bieten viele Arten an und erfüllen im Wesentlichen eine große Anzahl kleiner oder kundenspezifischer Bestellungen.Infolgedessen werden Spezialfaserfabriken nicht für die Massenproduktion in der Art und Weise eingerichtet, wie Telekommunikationsfasern hergestellt werden.Einige schnelle Vergleiche:

Telekommunikationsfaser

• Die Länge des Vorformlings kann bis zu 3 Meter betragen, die meisten sind 1-3 Meter und eine Co.verwendet 6-Meter-Preforms.
• Vorformlingdurchmesser können bis zu 25 cm betragen!die meisten sind 10 bis 20.
• Die Ziehgeschwindigkeiten können 40 Meter pro Sekunde (bei erzwungener Kühlung) überschreiten, und typische Ziehgeschwindigkeiten betragen 10 bis 30 m / s.
• Die Fasermenge eines Vorformlings kann mit 5,000-Meter-Vorformlingen 3 km überschreiten.
• Single-Mode-Telekommunikations-Faserrollengrößen reichen typischerweise von 10 bis 50 km, weniger für Multimode.
• Die Standardpreise für Single-Mode (G.652.D) liegen unter 10.00 USD pro km oder unter einem Cent pro Meter.
  (Hinweis: Dies ist billiger als Drachenschnur, Angelschnur, Zahnseide oder Spaghetti pro km.)

Spezialfaser

• Eine übliche Vorformlinglänge beträgt einen Meter oder etwas weniger.Viele Spezialfaserhersteller, die das MCVD-Verfahren für Kernstäbe verwenden, beginnen mit einem XNUMX-Meter-Abscheidungsrohr
• Der Kernstab aus einem XNUMX-Meter-Rohr kann zwei- oder mehrmals gedehnt und ummantelt werden, um mehrere Vorformlinge zu erhalten, so dass ein einzelnes XNUMX-Meter-Abscheidungsrohr vier oder fünf Vorformlinge ergeben kann.
• Der Durchmesser (OD) eines Abscheidungsrohrs, das üblicherweise zur Herstellung von MCVD-Kernstäben verwendet wird, beträgt 2.5 cm.
• Der Durchmesser (OD) eines üblicherweise verwendeten Schlauches beträgt 3.2 cm.
• Ein Vorformling, der für die endgültige Zeichnung bereit ist, kann einen Außendurchmesser von einigen Zentimetern haben.
• Die Ziehgeschwindigkeiten betragen normalerweise weniger als fünf Meter pro Sekunde und viele weniger als einen Meter pro Sekunde, abhängig vom Fasertyp, der Profilkomplexität und den Materialien (Dotierstoffen) usw.
• Die Menge an Fasern, die aus einem Vorformling gezogen wird, variiert erheblich, da Spezialfasern mit einem weiten Bereich von Außendurchmessern bestellt werden.(Praktisch alle Telekommunikationsfasern haben einen Manteldurchmesser von 125 µm.)
• Ein Plattendurchmesser, der häufig für mit Seltenen Erden dotierte Fasern angegeben wird, beträgt 400 um.Bei dieser Größe kann ein Vorformling mit einem Außendurchmesser von 3 cm nach verschiedenen Ertragsfaktoren mehrere km Faser produzieren.
• Spezialfaser-Vorformlinge erfordern häufig mehrere Schritte wie Hülsen, Prügeln, Schneiden, erneutes Hülsen, Ätzen, Hinzufügen von Spannstäben oder anderen Elementen.Infolgedessen ist die Verarbeitungszeit des Vorformlings pro Gramm Material oder km Faser ein Vielfaches der von Telekommunikationsfasern.
• Spezialfasern weisen eine enorme Preisspanne auf, sind jedoch um ein Vielfaches teurer als Telekommunikationsfasern.Eine mit Seltenen Erden dotierte Faser kann mehr als 50.00 USD pro Meter oder 50,000 USD pro km kosten - drei Größenordnungen mehr als Telekommunikationsfasern.

Kurz gesagt, Standard-Telekommunikationsfasern verwenden alle dieselben Glasmaterialien und geometrischen Parameter.Die Nachfrage nach Fasern beträgt zig Millionen Faserkilometer pro Fabrik und erfordert Tausende Tonnen Vorformlinge.Für diese Anforderungen haben die Hersteller in Systeme für die Massenabscheidung, große Vorformlinge und Hochgeschwindigkeitszüge investiert.Einige dieser Systeme sind hoch automatisiert und können große Chargen mit minimaler Handhabung ausführen.

Spezialfasern werden in viel kleineren Mengen mit mehr Verarbeitung benötigt.Die Hersteller tun esnichtbrauchen Massenproduktion Ausrüstung.Ihre große Anforderung sind hochqualifizierte Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker - tiefes Fachwissen für die Produktpalette und die Verarbeitungsschritte.Hersteller von Spezialfasern müssen häufig die Ausgangschemikalien erforschen und vorbereiten, das Faserdesign und den Produktionsprozess an die Anwendungsanforderungen anpassen, Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zu Verarbeitungsverfahren durchführen und Produktionsprobleme beheben, um neue oder kundenspezifische Fasern herzustellen.

Maßgeschneiderte Materialien und geometrische Eigenschaften für verschiedene Anwendungen

Das Entwerfen und Herstellen von Fasern umfasst drei Schlüsselfaktoren.Das erste ist die Glaszusammensetzung.Das zweite sind geometrische Merkmale - Abmessungen und Form.Das dritte Brechungsindexprofil beruht teilweise auf den ersten beiden.Das heißt, das Brechungsindexprofil wird bestimmt, indem gesteuert wird, wo die verschiedenen Glasmaterialien in der Faser angeordnet sind.

Die Glaszusammensetzung wird mit verschiedenen Dotierstoffen variiert.Ziel ist es, die Absorption, Streuung, Dispersion und andere Phänomene der Faser bei bestimmten Wellenlängen zu steuern.Die Kontrolle der Glaszusammensetzung in verschiedenen „Teilen" der Faser passt die Leistung der Faser über viele Parameter weiter an.Mit "Teilen" meinen wir hauptsächlich konzentrische Schichten von der Mittelachse der Faser nach außen.(Es gibt auch einige Fasern mit nicht konzentrischen Teilen, wie z.B.Spannungsbereichen, zylindrischen Löchern, Hohlräumen usw.)

Hier kommen die Größe und die geometrischen Eigenschaften ins Spiel.Das Brechungsindexprofil ist eine grafische Darstellung des Brechungsindex der verschiedenen Materialien über den Abstand von der Mittelachse.Das Diagramm repräsentiert den Brechungsindex für einen Querschnitt der Faser.Der Index kann mit verschiedenen Dotierstoffen und verschiedenen Schichtdicken modifiziert werden, um Verlust, Dispersion, Biegeleistung, Modalausbreitung, Startbedingungen, Grenzwellenlänge und andere optische Eigenschaften zu steuern.

In den meisten Fasern ist der Brechungsindex symmetrisch - die „Merkmale" der Faser liegen in konzentrischen Schichten vor.Polarisationserhaltende Fasern weisen jedoch asymmetrische Merkmale auf, um Doppelbrechung zu erreichen.Im Gegensatz zur Ausbreitung in Kommunikationsfasern besteht das Ziel in PM-Fasern darin, dass sich zwei orthogonale Polarisationsmoden getrennt ausbreiten.In vielen Anwendungen werden die beiden Modi dann neu kombiniert, um die Zeitverzögerung, den Verlust oder andere Störungen zum Erfassen verschiedener Parameter zu messen.Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um die asymmetrischen Merkmale zu erreichen - Verwendung verschiedener Materialien, um dem Glas Spannung zu verleihen, oder Verwendung elliptischer oder anderer Kern- und Mantelformen.Diese Merkmale erfordern spezielle Herstellungsverfahren.

Komplexe Profile und Merkmale erhöhen die Komplexität der Fertigung

Durch Steuern der Materialien, Abmessungen und des Brechungsindexprofils kann der Spezialfaserhersteller die Transmission, Verstärkung, Doppelbrechung, Sensoreigenschaften und andere Eigenschaften einer Faser für verschiedene Anwendungen anpassen.Diese Entwurfsoptionen werfen jedoch auch komplexe Probleme bei der Herstellung der Vorformlinge und beim Ziehen der Fasern auf.

Die verschiedenen Glasmaterialien und Dotierstoffe haben unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE).Beim MCVD-Verfahren werden die Materialien bei hoher Temperatur abgeschieden und dann abgekühlt.Die Verwendung von Materialien mit unterschiedlichen CTEs führt zu Spannungen, die die Handhabung und Weiterverarbeitung des MCVD-Kernstabs oder -Vorformlings erschweren.

Sorgfältige Verfahren sind erforderlich, um das Risiko des Bruchs von Kernstangen oder Vorformlingen zu vermeiden und Fehler zu vermeiden, die Probleme beim Schlafen und Ziehen verursachen können.Die Verfahren variieren mit Dotierstoffen und Glaszusammensetzungen sowie mit Indexprofilen und -größen.Das Arbeiten mit unterschiedlichen Dotierstoffkonzentrationen und Glaszusammensetzungen wirft auch Probleme beim MCVD-Prozess auf - Kontrolle des Dampfdrucks und der Gleichmäßigkeit der Abscheidung.

Der Einbau verschiedener Dotierstoffe und die daraus resultierenden Spannungsfaktoren haben auch Auswirkungen auf das Zeichnen.Wie bereits erwähnt, variieren die Außendurchmesser und Beschichtungen zwischen den Spezialfasern erheblich, sodass der Ziehprozess diese Komplexität berücksichtigen muss.Darüber hinaus muss der Ziehvorgang die beabsichtigte Verteilung der Dotierstoffe aufrechterhalten und das Einbringen von Fehlern, Schwächen oder anderen Fehlern vermeiden.Dies bedeutet, dass die Ziehtemperatur, die Ziehgeschwindigkeit, die Vorformling-Vorschubgeschwindigkeit, die Zugkraft, die Beschichtungstemperatur und andere Ziehturmvariablen sorgfältig gesteuert werden müssen.

Die Optimierung des MCVD-Prozesses, die Verwaltung der CTE-Spannungen und die Minimierung von Ertragsproblemen während des mehrstufigen Prozesses erfordern umfangreiche Erfahrung in der Arbeit mit verschiedenen Arten von Vorformlingen.Um der Spezialfaserindustrie zu helfen, hat FOC einen technischen Beratungsdienst eingerichtet.Wir können Fragen von Spezialfaserherstellern, Anwendern und anderen Teilnehmern der Branche prüfen, um herauszufinden, wo wir zur Verbesserung der Faserverarbeitung und der Faserleistung beitragen können.

¹United Screen „Screen Time 2020 Report" unter Berufung auf Statistiken des Umfrageunternehmens Nielsen.(sehenwww.eyesafe.com/uhc)

²Derzeit bieten Hersteller von Telekommunikationsübertragungsgeräten Systeme an, mit denen 40, 80, 96 oder mehr Wellenlängen in eine einzelne Faser eingespeist werden können.In den neunziger Jahren kamen 1990-Gbit / s-Sender auf den Markt.Bis zum Jahr 2.5 haben sich 2000-Gbit / s-Sender gut etabliert, und im Jahr 10 wurden 40-Gbit / s-Sender demonstriert.Seitdem haben Forschungs- und Entwicklungsgruppen (und Standardausschüsse) Sender entwickelt, die auf kohärenter Erkennung basieren und Bitraten von 2004, 100, 200, erreichen.und sogar 400 Gbit / s.

³Die ITU-Standards sind in einem Bereich von G.652 bis G.657 nummeriert.Einige der Standards in dieser Reihe haben zwei oder mehr zugeordnete Klassen, die durch einen Buchstaben gekennzeichnet sind.Beispielsweise ist G.652.D die am häufigsten verwendete Telekommunikationsfaser.Seine Hauptmerkmale umfassen eine Dispersion von Null bei 1310 nm und einen geringen Verlust bei 1550 nm.Andere Standards in der G.65x-Serie betreffen dispersionsverschobene, großwirksame und biegeunempfindliche Fasern.Die großen Faserhersteller nehmen an den ITU-Normungsausschüssen teil und arbeiten ständig an neuen Spezifikationen und Verbesserungen.

⁴Die ISO ist eine internationale Organisation.Seine Mitgliedschaft umfasst die nationalen Normungsgremien von 165 Ländern.Die IEC der ISO entwickelt, veröffentlicht und zertifiziert Standards für elektrische und elektronische Technologien.Die TIA FOTC-Standards für MM-Fasern wurden vom TIA-42-Komitee entwickelt und als Teil der ANSI / TIA 568-Standards für strukturierte Verkabelungssysteme festgelegt.Die neueste Standardversion mit den Faserspezifikationen ist ANSI / TIA 568.3-D.Die entsprechenden ISO IEC-Standardnummern sind ISO / IEC-11801-1.Diese Standards definieren Klassen von 50/125-µm-Gradientenindexfasern mit unterschiedlichen Start-, Wellenlängen- und Bandbreiteneigenschaften.(Eine Klasse von 62.5 / 125-µm-Gradientenindexfasern war in früheren Standards enthalten, wird jedoch in aktuellen Versionen als veraltet angesehen.Sie wird immer noch in Legacy-Netzwerken betrieben und von vielen Herstellern nach Bedarf unterstützt.)

⁵CRU präsentierte diese Schätzung auf seiner 6.Weltkonferenz für optische Fasern und Kabel vom 26.bis 28.Oktober 2020 (eine virtuelle Konferenz).Diese Summe ist aufgrund der Covid-512-Pandemie und der Faktoren in Schlüsselmärkten wie China von 2018 Millionen installierten Glasfaserkilometern im Jahr 19 zurückgegangen.Auf der Konferenz 2020 prognostizierte die CRU, dass die Gesamtnachfrage im Jahr 2021 erneut eine halbe Milliarde Faserkilometer überschreiten wird.