광섬유

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배경

광섬유는 용융 석영 유리에서 뽑아낸 하나의 머리카락 가는 필라멘트입니다. 이 광섬유는 정보를 빛으로 변환한 다음 광섬유 케이블을 통해 전송하는 고속, 고용량 통신 시스템에서 전송 매체로 금속 와이어를 대체하고 있습니다. 현재 미국 전화 회사는 광섬유 케이블의 최대 사용자를 대표하지만 이 기술은 전력선, 로컬 액세스 컴퓨터 네트워크 및 비디오 전송에도 사용됩니다.

전화 개발로 가장 잘 알려진 미국 발명가 알렉산더 그레이엄 벨(Alexander Graham Bell)은 1880년경에 빛을 사용하여 처음으로 통신을 시도했습니다. 그러나 광파 통신은 20세기 중반까지 첨단 기술이 전송 소스인 레이저, 그리고 효율적인 매체, 광섬유. 레이저는 1960년에 발명되었으며 6년 후 영국의 연구원들은 석영 유리 섬유가 상당한 감쇠나 신호 손실 없이 광파를 전달할 수 있음을 발견했습니다. 1970년에 새로운 유형의 레이저가 개발되었고 최초의 광섬유가 상업적으로 생산되었습니다.

광섬유 통신 시스템에서 광섬유로 만들어진 케이블은 레이저와 광 검출기가 포함된 데이터 링크를 연결합니다. 정보를 전송하기 위해 데이터 링크는 아날로그 전자 신호(전화 통화 또는 비디오 카메라 출력)를 레이저 광의 디지털 펄스로 변환합니다. 이들은 광섬유를 통해 다른 데이터 링크로 이동하고 광검출기가 이를 전자 신호로 다시 변환합니다.

원자재

광섬유는 주로 이산화규소(SiO ₂ ), 미량의 다른 화학 물질이 종종 추가됩니다. 고순도의 실리카 분말은 구식 도가니 제조법으로 사용하였으며, 액상 사염화규소(SiCl ₄ ) 순수 산소(02)의 기체 스트림에서 현재 널리 사용되는 기상 증착 방법을 위한 규소의 주요 공급원입니다. 사염화게르마늄(GeCl ₄ ) 및 옥시염화인(POC1 ₃ ) 코어 섬유 및 외부 쉘 또는 클래딩 생산에 사용할 수 있습니다. 기능별 광학적 특성이 있습니다.

광섬유에 사용되는 유리의 순도와 화학적 조성이 광섬유의 가장 중요한 특성인 감쇠 정도를 결정하기 때문에 현재 연구에서는 가능한 가장 높은 순도를 가진 유리를 개발하는 데 초점을 맞추고 있습니다. 불소 함량이 높은 안경은 가시광선 주파수의 거의 모든 범위에 투명하기 때문에 광섬유 성능을 향상시킬 가능성이 가장 높습니다. 따라서 수백 개의 개별 광파 신호를 동시에 전송할 수 있는 다중 모드 광섬유에 특히 유용합니다.

디자인

광섬유 케이블에서 많은 개별 광섬유가 지지를 위해 중앙 강철 케이블 또는 고강도 플라스틱 캐리어 주위에 함께 묶여 있습니다. 그런 다음 이 코어는 알루미늄, 케블라 및 폴리에틸렌(클래딩)과 같은 재료의 보호 층으로 덮여 있습니다. 코어와 클래딩이 약간 다른 재료로 구성되어 있기 때문에 빛이 광섬유를 만들기 위해 먼저 이산화규소 층이 속이 빈 기판 막대의 내부 표면에 증착됩니다. 이것은 다양한 화학 증기와 결합된 순수한 산소의 기체 흐름이 막대에 적용되는 수정된 화학 증기 증착을 사용하여 수행됩니다. 가스가 막대의 뜨거운 표면과 접촉함에 따라 막대 내부에 여러 층의 두꺼운 유리 그을음이 형성됩니다.
그을음이 원하는 두께로 만들어진 후, 기질 막대는 그을음 층에 갇혀 있는 습기와 거품을 몰아내기 위해 다른 가열 단계를 통해 이동됩니다. 가열하는 동안 기판 로드와 내부 그을음 층이 고순도 이산화규소의 부울 또는 프리폼을 형성하기 위해 응고됩니다. 다른 속도로 그들을 통해 이동합니다. 광섬유 코어에서 이동하는 광파가 코어와 클래딩 사이의 경계에 도달함에 따라 둘 사이의 이러한 구성 차이로 인해 광파가 코어로 다시 구부러집니다. 따라서 광 펄스가 광섬유를 통해 이동할 때 클래딩에서 지속적으로 반사됩니다. 펄스는 빛의 속도로 광섬유를 통해 이동합니다. 진공 상태에서 초당 186,290마일(초당 299,340킬로미터)이지만 실제로는 다소 느립니다. 유리 구조.

광섬유의 에너지 손실(감쇠)은 광섬유 거리당 손실(에너지 단위 데시벨)로 측정됩니다. 일반적으로 광섬유의 손실은 킬로미터당 0.2데시벨 정도로 낮습니다. 즉, 일정 거리 후에 신호가 약해져서 신호를 강화하거나 반복해야 합니다. 현재 데이터 링크 기술을 사용하면 장거리 케이블에서 약 30km(18.5마일)마다 레이저 신호 중계기가 필요합니다. 그러나 광학 재료 순도에 대한 지속적인 연구는 광섬유의 중계기 사이의 거리를 최대 100km(62마일)까지 확장하는 것을 목표로 합니다.

광섬유에는 두 가지 유형이 있습니다. 단일 모드 광섬유에서 코어는 직경이 일반적으로 10마이크로미터(마이크로미터는 100만분의 1미터)로 더 작고 클래딩의 직경은 100마이크로미터입니다. 단일 모드 광섬유는 매우 먼 거리에서 단 하나의 광파를 전달하는 데 사용됩니다. 단일 모드 광섬유 묶음은 장거리 전화선 및 해저 케이블에 사용됩니다. 코어 직경이 50마이크로미터이고 클래딩 직경이 125마이크로미터인 다중 모드 광섬유는 더 짧은 거리에서 수백 개의 개별 광파 신호를 전달할 수 있습니다. 이러한 유형의 광섬유는 분배를 위해 많은 신호를 중앙 교환국으로 전달해야 하는 도시 시스템에서 사용됩니다.

솔리드 글라스 프리폼이 준비되면 수직 드로잉 시스템으로 옮겨집니다. 이 시스템에서는 프리폼이 먼저 가열됩니다. 그 과정에서 용융 유리 덩어리가 끝 부분에 형성되었다가 떨어져 나가 내부의 단일 광섬유가 빠져 나올 수 있습니다.
섬유는 기계를 통과하여 직경을 확인하고 보호 코팅을 하고 열에 의해 경화됩니다. 마지막으로 스풀에 감겨 있습니다.

제조
프로세스

광섬유의 코어와 클래딩은 모두 고순도 석영 유리로 만들어집니다. 광섬유는 두 가지 방법 중 하나로 이산화규소로 제조됩니다. 첫째, 분말 실리카를 녹이는 도가니 방법은 많은 광파 신호의 단거리 전송에 적합한 더 두꺼운 다중 모드 섬유를 생성합니다. 두 번째, 증착 공정은 코어 및 클래딩 재료의 단단한 실린더를 생성한 다음 가열되어 장거리 통신을 위해 더 얇은 단일 모드 섬유로 당겨집니다.

기상 증착 기술에는 세 가지 유형이 있습니다. 외부 기상 증착, 기상 축 방향 증착 및 MCVD(변형 화학 기상 증착). 이 섹션에서는 현재 사용되는 가장 일반적인 제조 기술인 MCVD 공정에 초점을 맞출 것입니다. MCVD는 장거리 케이블에 적합한 저손실 광섬유를 생성합니다.

수정된 화학 증기
증착

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1 먼저, 중공 기판 봉의 내부 표면에 특별히 제조된 이산화규소 층을 증착하여 원통형 프리폼을 만듭니다. 층은 순수한 산소의 기체 스트림을 기판 로드에 적용하여 증착됩니다. 사염화규소(SiCl ₄ )와 같은 다양한 화학 증기 ), 사염화 게르마늄 (GeCl ₄ ) 및 옥시염화인(POC1 ₃ ), 산소 흐름에 추가됩니다. 산소가 막대의 뜨거운 표면과 접촉함에 따라(막대 아래의 불꽃이 막대의 벽을 매우 뜨겁게 유지함) 고순도의 이산화규소가 형성됩니다. 그 결과 막대 내부에 여러 겹의 두께로 쌓인 유리 그을음이 생성됩니다. 이 그을음이 핵심이 됩니다. 이러한 그을음 층의 특성은 사용된 화학 증기의 유형에 따라 변경될 수 있습니다.

2 그을음이 원하는 두께까지 쌓인 후 기판 로드를 다른 가열 단계를 통해 이동하여 일반적인 광섬유 케이블은 일반적으로 중앙 강철 케이블 주위에 여러 개의 광섬유를 포함합니다. 케이블이 위치할 환경의 가혹함에 따라 다양한 보호 층이 적용됩니다. 그을음 층에 갇힌 수분과 거품. 가열하는 동안 기판 로드와 내부 그을음 층이 고순도 이산화규소의 부울 또는 프리폼을 형성하기 위해 응고됩니다. 프리폼은 일반적으로 직경이 10~25밀리미터(0.39~0.98인치)이고 길이가 600~1000밀리미터(23.6~39.37인치)입니다.

섬유 그리기

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3 고체 프리폼은 자동으로 수직 섬유 드로잉 시스템으로 전송됩니다. 일반적인 수직 드로잉 시스템을 구성하는 기계는 2층 높이일 수 있으며 최대 300km(186마일) 길이의 연속 섬유를 생산할 수 있습니다. 이 시스템은 프리폼의 끝을 녹이는 용광로, 프리폼에서 당겨지는 섬유의 직경을 모니터링하는 센서, 외부 클래딩 위에 보호층을 적용하는 코팅 장치로 구성됩니다.

4 프리폼은 먼저 화씨 약 3600도(섭씨 약 2000도)로 가열되는 용광로를 통과합니다. 다음으로, 새는 수도꼭지 바닥에 모이는 물방울처럼 프리폼의 끝에 "덩어리"라고 불리는 용융 유리 방울이 형성됩니다. 그런 다음 덩어리가 떨어지고 내부의 단일 광섬유가 프리폼에서 꺼집니다. 광섬유가 프리폼에서 당겨지면 원래 기판 로드의 재료가 클래딩을 형성하고 그을음으로 증착된 이산화규소가 광섬유의 코어를 형성합니다.

5 섬유가 당겨지면서 측정 장치는 직경과 동심도를 모니터링하고 다른 장치는 보호 코팅을 적용합니다. 그런 다음 섬유는 스풀에 감기기 전에 경화로와 직경을 모니터링하는 다른 측정 장치를 통과합니다.

품질 관리

품질 관리는 기판 봉, 화학 반응물 및 섬유 코팅의 원료로 사용되는 화합물 공급업체에서 시작됩니다. 특수 화학 공급업체는 구성 화합물에 대한 상세한 화학 분석을 제공하며 이러한 분석은 공정 용기에 연결된 컴퓨터화된 온스트림 분석기에 의해 지속적으로 확인됩니다.

공정 엔지니어와 고도로 훈련된 기술자는 프리폼이 생성되고 섬유가 당겨지는 동안 밀봉된 용기를 면밀히 관찰합니다. 컴퓨터는 제조 공정의 고온 및 고압을 관리하는 데 필요한 복잡한 제어 체계를 작동합니다. 정밀 측정 장치는 섬유 직경을 지속적으로 모니터링하고 드로잉 프로세스 제어를 위한 피드백을 제공합니다.

미래

미래의 광섬유는 광학 특성이 향상된 재료에 대한 지속적인 연구에서 나올 것입니다. 현재 높은 불소 함량을 가진 실리카 유리는 오늘날의 고효율 섬유보다 감쇠 손실이 훨씬 낮은 광섬유에 대한 가장 가능성이 높습니다. 50~60%의 불화 지르코늄(ZrF ₄ ), 지금은 킬로미터당 0.005에서 0.008데시벨 범위의 손실을 보여주지만 초기 섬유는 종종 킬로미터당 0.2데시벨의 손실을 보였습니다.

보다 세련된 재료를 사용하는 것 외에도 광섬유 케이블 제조업체는 공정 개선을 실험하고 있습니다. 현재 가장 정교한 제조 공정은 고에너지 레이저를 사용하여 섬유 드로우를 위한 프리폼을 녹입니다. 섬유는 초당 10 ~ 20미터(32.8 ~ 65.6피트)의 속도로 예비 성형품에서 뽑아낼 수 있으며 단일 모드 섬유는 길이 2~25킬로미터(1.2~15.5마일)의 예비 성형품에서 인출할 수 있습니다. 최소한 한 회사는 160km(99마일)의 광섬유를 생성한다고 보고했으며 광섬유 회사가 현재 18개월마다 툴을 교체하는 빈도는 더 큰 혁신이 앞에 놓여 있음을 시사합니다. 이러한 발전은 부분적으로 컴퓨터 네트워크에서 광섬유의 사용 증가와 동유럽, 남미 및 극동과 같이 급성장하는 국제 시장에서 기술에 대한 수요 증가에 의해 주도될 것입니다.