Sợi quang được sản xuất như thế nào: phôi, kéo sợi, phủ lớp bảo vệ và thử ứng suất

Sợi quang viễn thông là một sợi thủy tinh đường kính 125 µm, được kéo ra từ một phôi thủy tinh cỡ bằng một chiếc gậy bóng chày với tốc độ hàng chục mét mỗi giây, được phủ lớp bảo vệ trong chưa đầy một giây và chịu ứng suất kéo đến 1 % biến dạng dọc theo suốt chiều dài trước khi được bán ra. Quy trình sản xuất giải thích phần lớn các con số mà kỹ sư gặp sau này: vì sao đường kính trường mode được quy định với dung sai ±0,4 µm, vì sao mối hàn giữa sợi quang của các nhà sản xuất khác nhau bị suy hao nhiều hơn một chút, vì sao ứng suất lắp đặt bị giới hạn ở một phần của mức thử ứng suất, vì sao sợi quang hiện đại an toàn với hydro, và vì sao sợi quang 200 µm cần cài đặt máy hàn khác. Trang này theo dõi toàn bộ quy trình từ hóa chất thô cho đến cuộn sợi, và kết thúc bằng ý nghĩa của quy trình đó ở hiện trường.

Nguyên liệu

Nguyên liệu	Vai trò
SiCl₄ (silic tetraclorua)	nguồn silica siêu tinh khiết; bị oxy hóa hoặc thủy phân trong ngọn lửa hoặc lò để tạo thành bồ hóng SiO₂
GeCl₄ → GeO₂	làm tăng chiết suất — chất pha tạp lõi của hầu hết mọi sợi quang viễn thông; làm tăng nhẹ tán xạ Rayleigh
Flo (SiF₄, C₂F₆, SF₆)	làm giảm chiết suất — lớp vỏ chiết suất thấp, rãnh của sợi kháng uốn cong G.657, lớp vỏ của sợi lõi silica tinh khiết
POCl₃ → P₂O₅	làm giảm độ nhớt, dùng trong lớp vỏ chế tạo bằng MCVD; làm thủy tinh nhạy với hydro — một lý do khiến sợi quang cũ lão hóa xấu
Al₂O₃, Er, Yb, Tm	sợi quang tích cực dùng cho bộ khuếch đại và laser, được thêm vào bằng phương pháp pha tạp dung dịch lên bồ hóng xốp
Cl₂ và He	sấy khô và thiêu kết: clo loại bỏ OH xuống dưới 1 ppb (đỉnh hấp thụ nước thấp), heli thổi sạch phần thân xốp
Acrylate đóng rắn bằng UV	lớp phủ kép: lớp sơ cấp mềm (mô-đun đàn hồi ~1 MPa) đệm cho thủy tinh, lớp thứ cấp cứng (~1 GPa) bảo vệ nó
Mực màu, nền ma trận ruy băng	nhận dạng (12 màu) và lắp ráp ruy băng

Các quy trình chế tạo phôi

Quy trình	Cách hoạt động	Ai sử dụng	Ưu điểm
MCVD (lắng đọng hơi hóa học biến tính, Bell Labs năm 1974)	hơi hóa chất chảy bên trong một ống silica quay tròn được nung nóng bằng mỏ đốt bên ngoài; bồ hóng lắng đọng từng lớp (lớp vỏ trước, rồi đến lõi); ống được ép sụp thành một thanh đặc	hầu hết các nhà sản xuất, tất cả nhà sản xuất sợi quang chuyên dụng	linh hoạt: sợi pha tạp erbium, sợi giữ phân cực, sợi bù tán sắc; kích thước phôi vừa phải
PCVD (CVD kích hoạt bằng plasma)	giống MCVD, nhưng plasma vi sóng thay thế mỏ đốt; hàng nghìn lớp rất mỏng	nhà sản xuất sợi đa mode chiết suất gradient	biên dạng chiết suất chính xác — OM3/OM4/OM5
OVD (lắng đọng hơi bên ngoài)	bồ hóng từ ngọn lửa được lắng đọng lên một thanh đích quay tròn, lớp lõi trước; thanh được rút ra, phần thân xốp được sấy khô trong Cl₂ và thiêu kết thành thủy tinh trong suốt	sản xuất khối lượng lớn sợi đơn mode và đa mode	OH rất thấp, phôi lớn, lõi và lớp vỏ trong cùng một quy trình
VAD (lắng đọng theo trục pha hơi)	bồ hóng phát triển ở đầu một thanh quay tròn được kéo lên trên; quy trình liên tục	sản xuất khối lượng lớn sợi đơn mode	phôi rất dài, OH thấp, thông lượng cao
Bọc vỏ ngoài (RIC — thanh trong ống; bọc bằng bồ hóng; lồng ống)	thanh lõi, vốn mang toàn bộ biên dạng chiết suất, được bao quanh bởi silica tổng hợp giá rẻ — một ống trụ được nung chảy gắn vào trong lúc kéo sợi, hoặc thêm bồ hóng	mọi nhà sản xuất	thủy tinh pha tạp đắt tiền chỉ chiếm vài phần trăm thể tích

Một phôi hoàn chỉnh có đường kính 100–200 mm và dài 1–3 m. Một phôi 150 mm × 2 m kéo ra được khoảng 2 500–3 000 km sợi quang 125 µm; những phôi hiện đại lớn nhất cho ra hơn 5 000 km.

Kéo sợi

Bước	Diễn ra như thế nào	Số liệu
Lò nung	đầu phôi mềm ra trong lò cảm ứng than chì hoặc zirconia	1 900–2 100 °C
Thu hẹp cổ và kéo sợi	một sợi chỉ được kéo ra từ đầu nóng chảy; tốc độ quyết định đường kính	20–40 m/s (1 200–2 500 m/min), tháp kéo hiện đại nhanh hơn
Kiểm soát đường kính	máy đo laser đo sợi quang trần và phản hồi về tốc độ tang cuốn	quy định 125 ± 0,7 µm, đạt được ±0,1 µm
Làm nguội	ống chứa đầy heli làm nguội thủy tinh đủ để phủ lớp bảo vệ	vài trăm °C trong chưa đầy một mét
Phủ lớp sơ cấp	acrylate mềm được phủ qua khuôn áp lực, đóng rắn bằng đèn UV	đến ~190 µm
Phủ lớp thứ cấp	acrylate cứng, đóng rắn	tiêu chuẩn 245 ± 10 µm; 200 ± 10 µm cho cáp mật độ cao
Xoắn sợi	sợi quang được xoắn luân phiên theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ trong lúc kéo, trộn lẫn các trục lưỡng chiết	hệ số PMD < 0,1 ps/√km thay vì 0,5–2 ps/√km ở sợi quang thập niên 1980
Tang cuốn và quấn sợi	quấn lên cuộn với sức căng được kiểm soát	25–50 km mỗi cuộn; tháp kéo cao 20–40 m

Nhuộm màu bổ sung một lớp mực (hoặc lớp thứ cấp có màu); ruy băng liên kết 4–12 sợi quang có màu trong một nền ma trận, ruy băng có thể cuộn liên kết chúng một cách gián đoạn để có thể cuộn tròn thành ống.

Thử ứng suất và đảm bảo chất lượng

Phép thử	Phương pháp (IEC 60793-1-xx)	Yêu cầu kỹ thuật đối với G.652.D
Thử ứng suất	mỗi mét được kéo qua một lực căng 0,69 GPa (100 kpsi, ≈ 1 % biến dạng) trong ≥ 1 s (phần 1-30); sợi quang cáp biển và sợi đặc biệt 1,38 GPa	mọi khuyết tật có thể gãy dưới mức ứng suất đó sẽ gãy ở đây, không phải dưới đất
Hình học	đường kính lớp vỏ, độ không tròn, độ đồng tâm lõi–lớp vỏ (phần 1-20)	125 ± 0,7 µm; ≤ 1 %; ≤ 0,6 µm — độ căn chỉnh đầu nối và mối hàn phụ thuộc vào đây
Suy hao	phương pháp cutback (phần 1-40) tại 1310/1550/1625 nm cộng với quét phổ; OTDR trên mỗi cuộn để kiểm tra độ đồng đều và các khuyết tật điểm	điển hình ≤ 0,35 / 0,21 / 0,23 dB/km; khuyết tật điểm ≤ 0,05 dB
Đường kính trường mode	quét trường xa (phần 1-45)	9,2 ± 0,4 µm tại 1310 nm
Bước sóng cắt	phần 1-44	bước sóng cắt khi đã lắp cáp ≤ 1 260 nm
Tán sắc màu	dịch pha (phần 1-42)	λ₀ = 1 300–1 324 nm, độ dốc ≤ 0,092 ps/(nm²·km)
PMD	phần 1-48	giá trị thiết kế tuyến ≤ 0,20 ps/√km
Suy hao uốn cong vĩ mô	phần 1-47	≤ 0,1 dB cho 100 vòng ở bán kính 30 mm (1625 nm)
Lớp phủ	lực tuốt vỏ 1,3–8,9 N (phần 1-32), hình học lớp phủ, độ cong	tuốt vỏ ổn định ngoài hiện trường
Lão hóa do hydro	IEC 60793-2-50	tăng ≤ 0,01 dB/km sau khi phơi nhiễm — sợi quang hiện đại an toàn với hydro

Mỗi cuộn sợi xuất xưởng kèm theo một bảng số liệu đo được. Nhà sản xuất cáp lưu giữ ánh xạ cuộn sợi → cáp → số thứ tự sợi; hãy yêu cầu các bảng số liệu sợi quang đó trong quá trình nghiệm thu — chúng là giá trị tham chiếu đầu tiên của tuyến cáp của bạn (Tài liệu và ghi nhãn).

Các loại sợi quang đặc biệt và điểm khác biệt trong sản xuất

Sợi quang	Điểm khác biệt trong sản xuất	Ứng dụng
G.657 kháng uốn cong	một vành rãnh pha tạp flo được lắng đọng quanh lõi (MCVD/PCVD hoặc OVD)	FTTH, tủ phối quang mật độ cao, cáp 200 µm
Đa mode chiết suất gradient OM3–OM5	hàng nghìn lớp với biên dạng chiết suất parabol (α ≈ 2); độ trễ mode vi sai được đo trên mỗi phôi	liên kết VCSEL cự ly ngắn
Pha tạp erbium (EDF)	bồ hóng lõi xốp được ngâm trong dung dịch Er/Al trước khi thiêu kết; chiều dài ngắn (vài mét) cho mỗi bộ khuếch đại	EDFA
Giữ phân cực (PANDA, bow-tie)	các lỗ được khoan trong phôi và các thanh ứng suất pha tạp bor được đưa vào, hoặc các vùng ứng suất được tạo hình	bên trong transceiver coherent, cảm biến, bộ ghép bơm
Bù tán sắc (DCF)	lõi nhỏ với bước nhảy chiết suất lớn tạo ra tán sắc âm lớn	bù tán sắc cho hệ thống 10G/40G thế hệ cũ
Lõi silica tinh khiết G.654	lõi không pha tạp, lớp vỏ pha tạp flo; biến thể diện tích hiệu dụng lớn (G.654.E)	tuyến biển và đường dài coherent: 0,15–0,17 dB/km
Lõi rỗng (NANF và các loại liên quan)	xếp chồng và kéo các mao dẫn silica tạo thành lõi không khí; ánh sáng truyền nhanh hơn 1,46 lần và gần như không có hiệu ứng phi tuyến	liên kết nhạy độ trễ, nghiên cứu; suy hao dưới 0,2 dB/km được báo cáo trong thập niên 2020
Đa lõi	4–7 lõi trong một lớp vỏ 125–200 µm, được kéo từ một phôi xếp chồng	ghép kênh phân chia theo không gian, hệ thống cáp biển từ thập niên 2020
Kháng bức xạ	lõi và lớp vỏ pha tạp flo, không có germani	hạt nhân, không gian, máy gia tốc
Phủ carbon hoặc kim loại	lớp carbon kín khí được phủ trong tháp kéo trước lớp acrylate	dầu khí, môi trường giàu hydro và nhiệt độ cao

Vì sao kỹ sư mạng cần quan tâm

Thực tế sản xuất	Hệ quả tại hiện trường
MFD được quy định với dung sai ±0,4 µm	mối hàn giữa các sợi quang từ những nhà sản xuất hoặc thời kỳ khác nhau có thể suy hao thêm 0,02–0,05 dB; hiện tượng “gainer” và “loser” trên OTDR (Hàn nối và đấu cuối)
Thử ứng suất ở 1 % biến dạng	ứng suất lắp đặt lâu dài bị giới hạn ở 20 % mức thử ứng suất (0,2 %), khi lắp đặt tối đa 60 % (Độ tin cậy và lão hóa)
Độ đồng tâm ≤ 0,6 µm	suy hao đầu nối chủ yếu do ferrule và độ đánh bóng quyết định, không phải do thủy tinh
Xoắn sợi được áp dụng từ cuối thập niên 1990	100G coherent chạy được trên bất kỳ sợi quang nào sản xuất sau khoảng năm 2000; sợi quang trước năm 1995 cần kiểm tra PMD (Đặc trưng hóa sợi quang)
Sấy khô để giảm OH	đỉnh hấp thụ nước tại 1383 nm không còn nữa: có thể dùng CWDM băng E và giám sát ở 1625/1650 nm (Suy hao và các cửa sổ truyền dẫn)
Lớp phủ 200 µm	cáp nhỏ gọn hơn, nhưng đế giữ sợi, cài đặt máy tuốt vỏ và kẹp dao cắt sợi quang phải tương thích; hàn nối hỗn hợp 200/250 µm cần đúng loại đế giữ
Suy hao khi đã lắp cáp > suy hao của sợi quang trần	thiết kế theo giá trị đã lắp cáp lấy từ bảng số liệu của cáp, không dùng giá trị của sợi quang trần (Cấu tạo cáp)
Ruy băng	máy hàn nhiệt hàng loạt, 12 sợi mỗi lần hàn; nhận dạng theo vị trí trong ruy băng

Trong CodingBox

Transceiver không biết gì về cách sợi quang được sản xuất, nhưng các cự ly định mức của nó cho SMF, OM3 và OM4 giả định sợi quang được sản xuất theo đúng các dung sai này — G.652.D hoặc cấp OM đã nêu. CodingBox hiển thị các trường chiều dài đó; với sợi quang khác thường (G.654, G.653, lõi rỗng) các cự ly định mức không còn áp dụng, và quỹ công suất tuyến phải được xây dựng từ bảng số liệu riêng của sợi quang đó (Check transceiver, Các loại sợi quang).

Nếu bạn phát hiện thông tin chưa chính xác hoặc lỗi trong bài viết này, hãy chọn đoạn liên quan và nhấn Ctrl+Enter để .