Van welke materialen zijn glasvezelkabels gemaakt? Een complete gids

De kernmaterialen in een glasvezelkabel

Glasvezelkabels zijn voornamelijk gemaakt van kwartsglas (SiO₂) , een sterk gezuiverde vorm van siliciumdioxide. Dit glas vormt de twee binnenste lagen van elke optische vezel: de kern en de bekleding . De kern is de centrale streng waar licht doorheen reist, terwijl de bekleding deze omringt met een iets lagere brekingsindex om het licht opgesloten te houden via een principe dat totale interne reflectie wordt genoemd.

Het glas dat in glasvezel wordt gebruikt, is veel zuiverder dan gewoon vensterglas. Standaard silicaglas bevat onzuiverheden die licht over metersafstanden zouden verstrooien of absorberen. Vezelkwaliteit silica daarentegen bereikt een dempingspercentage van slechts 1,25% 0,2 dB/km , waardoor signalen tientallen kilometers kunnen afleggen voordat versterking nodig is.

In sommige toepassingen, met name bij kabels voor korte afstanden of kabels voor consumentenkwaliteit, is de kern gemaakt van kunststof optische vezel (POF) , typisch polymethylmethacrylaat (PMMA). Kunststofvezel is flexibeler en goedkoper om aan te sluiten, hoewel het een aanzienlijk hoger signaalverlies met zich meebrengt (ongeveer 100-200 dB/km), waardoor het beperkt blijft tot afstanden onder de 100 meter.

Beschermende lagen: coatings, buffers en jassen

Blanke glasvezel is kwetsbaar. Een reeks beschermende lagen omhult het om mechanische duurzaamheid en omgevingsbestendigheid te garanderen:

• Acrylaat coating — De eerste laag wordt direct na het trekken van de glasvezel aangebracht. Deze UV-uitgeharde polymeercoating (doorgaans een diameter van 250 µm) beschermt tegen microbuiging en vochtabsorptie zonder de optische prestaties te beïnvloeden.
• Strakke buffer of losse buis — De met acrylaat beklede vezel is ofwel stevig omhuld in een PVC- of nylonbuffer (strak gebufferd ontwerp) of losjes in een met gel gevulde plastic buis geplaatst (losse buisontwerp). De constructie met losse buizen is standaard voor buitenkabels, omdat deze de vezel isoleert tegen trekspanning en temperatuurschommelingen.
• Sterkte leden — Aramidevezels (verkocht onder handelsnamen zoals Kevlar) of glasvezelstaven worden in de lengterichting in de kabel geweven of gelegd om trekbelastingen tijdens de installatie te absorberen, waardoor wordt voorkomen dat de glasvezel uitrekt of breekt.
• Buitenjas — De laatste omhulling is meestal gemaakt van polyethyleen (PE) voor buitenkabels of PVC / LSZH (rookarm, nul-halogeen) verbindingen voor gebruik binnenshuis. LSZH-materialen worden steeds vaker vereist in bouwvoorschriften omdat ze bij blootstelling aan brand minimaal giftig gas uitstoten.

Gepantserde kabels voegen een gegolfde stalen of aluminium tapelaag onder de mantel toe voor knaagdierresistentie en bescherming tegen pletting in directe begrafenis- of industriële omgevingen.

Glas versus plastic: hoe de materiaalkeuze de prestaties beïnvloedt

Een derde categorie— hard-clad silica (HCS) vezel —gebruikt een glazen kern met een harde plastic bekleding. Het overbrugt de kloof tussen volledig glazen en volledig plastic ontwerpen, biedt minder verliezen dan POF en tolereert grotere buigradii dan standaard single-mode glasvezel. HCS-vezels worden veel gebruikt in medische en detectie-instrumenten.

Speciale dopants die optische eigenschappen verfijnen

Zuiver silica is niet het hele verhaal. Fabrikanten introduceren kleine concentraties doteringsmaterialen in de kern of het bekledingsglas om het brekingsindexprofiel te controleren – en dus hoe licht zich voortplant:

• Germaniumdioxide (GeO₂) — Toegevoegd aan de kern om de brekingsindex ten opzichte van de bekleding te verhogen. GeO₂-doping is standaard in zowel single-mode als multimode telecomvezels.
• Fluor (F) of boortrioxide (B₂O₃) — Verlaagt de brekingsindex en wordt gebruikt in de bekleding, of in single-mode ontwerpen met depressieve bekleding die de prestaties van de afsnijgolflengte verbeteren.
• Erbium (Er³⁺) — Erbium-gedoteerde vezelversterkers (EDFA's) nemen erbiumionen op in de glasmatrix. Wanneer erbium wordt gepompt met een laser van 980 nm, versterkt het 1550 nm-signalen rechtstreeks in het optische domein - de basis van WDM-transmissiesystemen voor lange afstanden.
• Fosforpentoxide (P₂O₅) — Verhoogt de brekingsindex en verlaagt de glasovergangstemperatuur, waardoor vezels gemakkelijker te splitsen en samen te smelten zijn bij lagere temperaturen.

Het precieze doteringsprofiel, toegepast tijdens het productieproces van chemische dampafzetting (CVD), bepaalt of de voltooide vezel zich gedraagt als single-mode (SMF) —één lichtpad begeleiden voor maximale bandbreedte—of multimode (MMF) – het begeleiden van vele paden voor kortere, goedkopere links.

Hoe het productieproces de materiaalkwaliteit bepaalt

De uitzonderlijke zuiverheid van glasvezelglas wordt bereikt door middel van dampfaseafzettingsprocessen in plaats van conventioneel glassmelten. De twee dominante methoden zijn:

• Gemodificeerde chemische dampafzetting (MCVD) — Met doteerstof beladen gassen stromen door een roterende silicabuis. Warmte van een externe fakkel zorgt ervoor dat de gassen reageren en glasachtig roet op de binnenwand afzetten. De buis wordt vervolgens samengevouwen tot een massieve voorvormstaaf.
• Buitendampafzetting (OVD) — Er wordt roet afgezet op de buitenkant van een roterende doorn, waardoor een poreuze voorvorm ontstaat die later in helder glas wordt gesinterd. OVD heeft de voorkeur voor single-mode glasvezelproductie met hoog volume.

De resulterende voorvorm, doorgaans 1 à 2 meter lang en 10 à 15 cm in diameter, is dan getekend in een vezeltrektoren bij temperaturen boven 2.000 °C. De voorvorm wordt zacht en wordt tot een doorlopende vezelstreng met een diameter van slechts 125 µm (ongeveer de breedte van een mensenhaar) getrokken bij treksnelheden van meer dan 2.000 meter per minuut. Inline-meetsystemen verifiëren de diameter, de concentriciteit van de coating en de demping in realtime voordat de vezel wordt opgespoeld.

Deze streng gecontroleerde productieketen – van het ruwe SiCl₄-precursorgas tot de afgewerkte kabel – zorgt ervoor dat glasvezelglas de buitengewone optische helderheid waar geen enkel conventioneel materiaal aan kan tippen.