Bevezetés az üvegoptikai szálak és a műanyag optikai szálak közötti különbségekbe

Bevezetés az üvegoptikai szálak és a műanyag optikai szálak közötti különbségekbe

I. Bevezetés: Két szál, két sors

Amikor a legtöbben az optikai szálra gondolnak, távközlési központi irodákat, tenger alatti kábeleket és 5G gerinchálózatokat képzelnek el,{1}}amelyek mindegyike szinte kizárólag üvegoptikai szálra (GOF) támaszkodik. De van egy másik típusú optikai szál, amelynek a magja nem üveg, hanem műanyag. Ezt műanyag optikai szálnak (POF) ismerik.

Érdekes módon a POF fejlesztése szinte egy időben kezdődött az üvegszáléval, mindkettő az 1960-as évekre nyúlik vissza. Az 1970-es évektől azonban az üvegszál rendkívüli ütemben fejlődött,-az átviteli vesztesége drámaian csökkent, teljesítménye pedig megugrott, így a modern távközlés sarokkövévé vált. Ezzel szemben a POF-ot továbbra is erős csillapítás gyötörte, és nehezen találta meg a lábát a hosszú távú kommunikációban.

Ez azonban nem jelenti azt, hogy a POF "megbukott". Valójában rövid-távolság, alacsony-költség és nagy-rugalmasság esetén a POF pótolhatatlan szerepet játszik-az autók környezeti világításában, az intelligens otthoni rendszerekben, az ipari érzékelőkben és az orvosi eszközökben a POF virágzik.

Tehát pontosan mi a különbség a két száltípus között? Hol vannak erősségeik és gyengeségeik? És mit jelentenek az SI és GI folyamatok a POF-ban? Ez a cikk hat dimenzióból nyújt átfogó elemzést: anyag, gyártási folyamat, sebességváltó teljesítmény, mechanikai jellemzők, telepítés és karbantartás, valamint tipikus alkalmazások.

II. Mi az a műanyag optikai szál? Mi az üvegoptikai szál?

Műanyag optikai szál (POF)

A POF magjaként polimer anyagokat használ. A gyakori maganyagok a következők:

- PMMA (polimetil-metakrilát) – közismert nevén akril vagy plexi

- PF-PMMA (fluorozott PMMA)

- Polikarbonát (PC) és más átlátszó polimerek

A POF magátmérője általában 0,25 mm és 3,0 mm között van, sokkal nagyobb, mint az üvegszálé. Ez a nagy átmérő rendkívül egyszerűvé teszi a könnyű csatlakoztatást; még a közönséges LED-ek is használhatók fényforrásként pontos beállítás nélkül.

Üveg optikai szál (GOF)

A GOF maganyagaként olvasztott szilícium-dioxidot (kvarcot) vagy speciális üveget használ. A mag átmérője rendkívül kicsi:

- Egymódusú-szál: a mag átmérője mindössze 8–10 μm (mikrométer)

- Többmódusú szál: a mag átmérője általában 50 μm vagy 62,5 μm

A GOF fényforrásként infravörös lézereket vagy nagy{0}}teljesítményű LED-eket igényel, a csatolási folyamat pedig precíz igazítást igényel rendkívül szűk csatlakozótűrés mellett.

III. A kulcsparaméterek egymás melletti--összehasonlítása

IV. Az SI és GI folyamatok részletes magyarázata műanyag optikai szálban

Az SI (Step{0}}Index) és a GI (Graded-Index) profilok közötti különbség megértése kulcsfontosságú a POF teljesítményének megértéséhez.

Mi az SI (Step{0}}Index) Fiber?

Az SI műanyag optikai szálban a mag törésmutatója egyenletes, míg a burkolat élesen alacsonyabb indexű, ami "lépést" hoz létre a felületen. A fénysugarak a teljes belső visszaverődésen keresztül terjednek, de a sugarak különböző hosszúságú pályákon haladnak,{1}}úgy, mint a futók a pálya belső és külső sávjain.

Ez problémát okoz: modális diszperzió. A szál középső tengelye mentén haladó sugarak a legrövidebb utat követik és először érkeznek, míg a meredekebb szögű sugarak hosszabb utat tesznek meg, és később érkeznek meg. Ez az időkésleltetés korlátozza a szál sávszélességét.

Az SI műanyag optikai szál jellemzői:

- Egyszerű gyártás nagy mennyiségben történő extrudálással

- Nagyobb csillapítás és kisebb sávszélesség (általában legfeljebb 100 Mb/s·100 m)

- Alacsony költség, kis-sebességű, kis{2}}távú alkalmazásokhoz alkalmas

- Ez az a típus, amelyet jelenleg Kínában{1}} gyártanak tömegesen

Mi az a GI (graded{0}}index) rost?

A GI műanyag optikai szál sokkal kifinomultabb kialakítású. A mag törésmutatója nem egyenletes, hanem fokozatosan csökken a középponttól a szélig, -a középpontban a legmagasabb, a burkolat közelében a legalacsonyabb.

A találékonyság ebben rejlik: a középtengely mentén haladó fénysugarak a legrövidebb utat teszik meg, de mivel ott a legmagasabb a törésmutató, lassabban haladnak. A középponttól távolabb haladó sugarak hosszabb utat tesznek meg, de mivel ott alacsonyabb a törésmutató, gyorsabban haladnak. Az úthossz-különbség és a sebességkülönbség egyensúlyba hozásával a diszperzió nagyrészt megszűnik, és az összes sugár közel azonos időben érkezik,{2}}jelentősen megnövelve a sávszélességet.

A GI műanyag optikai szál jellemzői:

- Jelentősen megnövelt sávszélesség, egyes modellek elérik a 10 Gb/s·100 métert

- 850 nm és 1300 nm hullámhosszon működik

- Sok esetben helyettesítheti az OM1, OM2 és OM3 multimódusú üvegszálakat

- Összetett gyártási folyamat előforma-rajzolással; magas technikai akadályok

- Magasabb költség; jelenleg nem Kínában{1}}termelik tömegesen, és a globális ipari lánc még kiforratlan

Egy hasznos analógia:

- Az SI-szál olyan, mint egy autópálya, ahol minden sávra ugyanaz a sebességkorlátozás-a külső sávnak hosszabb ideig tart a cél elérése.

- A GI-szál olyan, mint egy autópálya, ahol a belső sávban alacsonyabb, a külső sávban magasabb a sebességkorlátozás-bár a külső sáv hosszabb, de a nagyobb sebesség ezt kompenzálja, így az összes autó szinte egyszerre érkezik.

V. Gyártási folyamatok: extrudálás vs. rajz

SI műanyag optikai szál – extrudálás

Az extrudálás a kínai POF-gyártók által jelenleg alkalmazott fő eljárás. Egy tipikus extrudálósor egy garatból, adagolószivattyúból, magextruderből, burkolat-extruderből és-felvevő orsóból áll.

A folyamat menete:

1. A maghoz való PMMA pelletet a garatba adagolják.

2. A pelleteket a magextruderbe szállítják, ahol megolvasztják és extrudálják a magot.

3. A burkolóanyagot a burkoló extruder extrudálja a mag körül.

4. A szálat gyorsan lehűtjük, és feltekerjük-felfogó orsókra.

Az extrudálás előnyei: folyamatos gyártás, nagy hatékonyság, alacsony költség-jól-alkalmas SI POF tömeggyártására. Azonban nem tudja pontosan szabályozni a törésmutató-profilt a magon belül, így nem képes GI-rost előállítására.

GI műanyag optikai szál – rajz előformából

A rajzolási folyamathoz először egy előforma-nagy-átmérőjű, a kívánt törésmutató-profillal rendelkező-szálas nyersdarabot kell készítenie kémiai módszerekkel. Az előformát ezután magas hőmérsékletű kemencébe helyezik, meglágyítják, és a szükséges átmérőjű finom szálakká húzzák, hasonlóan a taffy húzásához.

A kritikus kihívás az előgyártmány-gyártásban rejlik. A GI szál összes átviteli tulajdonsága az előformába van "tervezve"; a rajzolási lépés csupán egy fizikai méretcsökkentés, amely nem változtatja meg a törésmutató-eloszlást. A középponttól a szélig pontosan osztályozott indexű előforma előállítása rendkívül kifinomult kémiai összetételt és folyamatszabályozást igényel.

Pontosan ez az oka annak, hogy a GI műanyag optikai szálakat még nem tapasztalták nagymértékben-nagyszabású-a műszaki akadályok, az alacsony hozam és a túl magas költségek továbbra is jelentős akadályok.

VI. Üveg optikai szál gyártási folyamata – Összehasonlítás

Az üvegoptikai szál gyártása is előforma + húzás útvonalat követ, de a technikai részletek meglehetősen eltérőek:

1. Előforma gyártás: Az olyan módszereket, mint az MCVD (módosított kémiai gőzfázisú leválasztás), az OVD (külső gőzfázisú leválasztás) vagy a VAD (axiális gőzleválasztás) használják a nagy-tisztaságú szilícium-dioxid kvarccsövekbe történő felhordására, és a törésmutató-profil szabályozására adalékanyagokat, például germániumot és fluort adnak hozzá.

2. Drawing: The preform is heated in a high-temperature draw tower (>2000 fok) és mikrométeres-léptékű szálba húzzuk, miközben két réteg gyantabevonatot alkalmazunk az üvegmag védelmére.

A teljes folyamatot szuper{0}}tiszta környezetben kell végrehajtani, amely drága berendezéseket és hatalmas energiafogyasztást igényel,-egy másik fő oka annak, hogy az üvegszál lényegesen többe kerül, mint a műanyagszál.

VII. Telepítés és karbantartás: Worlds Apart

Műanyag optikai szál – „Felhasználói{0}}minőségű” működés

A POF egyik legnagyobb erőssége a rendkívül egyszerű lezárása:

- Közönséges ollóval vagy erre a célra szolgáló vágószerszámmal vágható

- A végfelületeket kézi polírozással vagy egyszerű hővágással lehet kidolgozni

- A kapcsolatokhoz nincs szükség fúziós illesztőre; dugaszolható csatlakozók elegendőek

- A teljes útválasztási, kivágási és megszüntetési folyamatot maguk a végfelhasználók is elvégezhetik

Képzeljen el egy FTTR (Fiber to the Room) forgatókönyvet: a GI műanyag optikai szál segítségével a felhasználók olyan egyszerűen telepíthetik otthonukba az üvegszálat, mintha Ethernet-kábelt húznának{0}}nem kell megvárnia, amíg a szállító kiküld egy képzett technikust a fúziós illesztéshez. Ez jelentősen csökkentené a telepítési költségeket és a várakozási időt.

Üveg optikai szál – „Professzionális{0}}minőségű” működés

Az üvegoptikai szál lezárása teljesen más történet:

- A mag átmérője mindössze ~10 μm (az emberi hajszál vastagságának körülbelül 1/10-e)

- Fúziós splicer szükséges (a berendezés több tízezer dollárba kerül)

- Vége-a felület hasítási pontosságának kell lennie<0.1 μm

- A kapcsolat minőségének ellenőrzéséhez OTDR (Optical Time{1}}Domain Reflectometer) szükséges

- Szakképzett technikusoknak kell elvégezniük

Ez az egyik gyakorlati kihívás, amellyel az FTTR kiépítése szembesül manapság-a magas költségek és az otthoni száloptikás útválasztás és illesztések magas költsége és hosszadalmas időbeosztása megakadályozza, hogy az üvegszál „utolsó mérföldje” -az-otthoni lefedettséghez jusson.

VIII. Tipikus alkalmazási forgatókönyvek

A műanyag optikai szálak alkalmazásai

SI műanyag optikai szál (alacsony-sebesség, kis-távolság):

- Ipari vezérlőrendszerek (terepi busz, berendezések összekapcsolása)

- Autóipari multimédiás rendszerek (MOST busz,-járműkörnyezeti világítás)

- Otthoni audio optikai kábelek (SPDIF interfész)

- Egyszerű szenzorjelátvitel

GI műanyag optikai szál (közepes{0}}--nagy-sebességű, rövid{3}}távolság):

- Intelligens otthoni kábelezés (HDMI 2.1 optikai kábelek)

- Kis távolságú-adatközponti összeköttetések (az OM1/OM2 többmódusú optikai szál helyett)

- Orvosi endoszkópos megvilágítás és képalkotás

- Nagy sebességű{1}}adatátvitel az autóipari ADAS-ban (Advanced Driver Assistance Systems)

- FTTR az-otthoni kábelezésben (potenciális alternatíva)

Az üvegoptikai szálak alkalmazásai

- 5G/6G gerinchálózati kommunikációs hálózatok (helyközi és tartományközi fővonalak)

- Tengeralatti kábelrendszerek (óceánon túli kommunikáció)

- Felügyelet zord környezetben, például atomerőművekben és magas{1}}feszültségű adótornyokban

- Magváltás az adatközpontokban (ultra-nagy-távolság, ultra-nagy-sebesség)

- Tudományos kutatási létesítmények (részecskegyorsítók, csillagászati ​​teleszkópok)

IX. Összegzés és kitekintés

Jelenlegi hazai helyzet és jövőbeli trendek

A kínai POF-ipar jelenleg elsősorban az extrudálással előállított SI műanyag optikai szálakra összpontosít, elsősorban az ipari vezérlésben és az autóipari multimédiában,{0}}mindkettő alacsony sebességű{1}}. A GI műanyag optikai szálak gyártási technológiája továbbra is néhány nemzetközi szereplő köré összpontosul, és Kínában még nincs hazai tömeggyártási lehetőség-.

Az olyan feltörekvő alkalmazásoknál, mint az FTTR és a széles strukturált kábelezés{0}}építése, ahol a sávszélesség iránti igény gyorsan nő, a GI műanyag optikai szál jelentős elméleti potenciált rejt magában,{1}}egyszerűbb telepíteni, mint az üvegszál, és sokkal nagyobb sávszélességet kínál, mint a rézkábel. Ha a gyártási szűk keresztmetszetek leküzdhetők és a költségek csökkenthetők, ideális közeg lehet az üvegszálas hozzáférés "utolsó 100 métere" számára.

Sajnos a globális GI műanyag optikai szálas ipari lánc még mindig éretlen, és a nagyszabású{0}}kiépítés még mindig számos kihívással néz szembe. Mindazonáltal van okunk azt hinni, hogy az anyagtudomány és a gyártási folyamatok folyamatos fejlődésével a műanyag optikai szál-különösen a GI POF-előnyösebb pozíciót fog biztosítani a jövőbeni rövid-optikai kommunikációs piacon.

Mindkét szálnak megvannak a maga erősségei. A kettő közötti választás kulcsa nem az, hogy "melyik a jobb", hanem az, hogy "melyik a megfelelőbb". Kis-távolságú, rugalmas telepítésekhez a műanyag optikai szál a preferált választás. A nagy távolságú-zord-környezeti alkalmazásokhoz az üvegoptikai szál pótolhatatlan. Az alapvető különbségek megértése az egyetlen módja a megfelelő műszaki döntés meghozatalának.