Herstellung von Telekom-Glasfasern
Optische Fasern finden in zahlreichen Anwendungen Verwendung, darunter Telekommunikation, Medizin und Industrie. Diese kurze Einführung bietet einen Überblick über die verschiedenen Herausforderungen, die mit der Herstellung von Glasfasern einhergehen. Im Wesentlichen entsteht eine Glasfaser durch das Ziehen eines dünnen Glasstrangs aus einer speziell entworfenen Glasvorform. Nach diesem Prozess wird die Faser mit einer schützenden Acrylatschicht überzogen und anschließend auf verschiedene Eigenschaften hin überprüft.
Wie funktionieren optische Fasern?
Optische Fasern setzen sich aus einem lichtleitenden Kern und einem Mantel zusammen. Damit das Licht entlang der Faser geführt wird, muss der Kern im Vergleich zum Mantel einen höheren Brechungsindex aufweisen. Dies ermöglicht eine vollständige interne Reflexion an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel, wodurch die Dämpfung extrem gering ist. Der entscheidende Faktor dabei ist der Unterschied im Brechungsindex und die numerische Apertur (NA) der Faser, die den Winkel definiert, unter dem das Licht, das am Faserende eintritt, bis zum anderen Ende geführt wird. Es existieren zahlreiche Glasfaserkonstruktionen und Anwendungen, angefangen bei großvolumigen standardisierten Telekommunikationsfasern bis hin zu hochspezialisierten Konstruktionen, die individuell für bestimmte Anwendungen eines Kunden angefertigt werden.
Optische Fasern in der Telekommunikation
Die am häufigsten verwendete Art von optischen Fasern in der Telekommunikation ist die Singlemode-Faser (SMF). Diese Fasern weisen einen Außendurchmesser von 125 µm auf, und ihre wesentlichen Eigenschaften werden von der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) festgelegt. Im Gegensatz zur Festlegung der Kerngröße, die nicht spezifiziert ist, wird diese in der Regel durch andere Eigenschaften bestimmt und liegt typischerweise im Bereich von 8 µm.
Weitere Details zu den Herausforderungen bei der Herstellung von Glasfasern
Die zweitgrößte Kategorie von Fasern sind die sogenannten Multimode-Fasern (MMF). Diese Fasern finden Anwendung nicht nur im Bereich der Telekommunikation, beispielsweise in Rechenzentren, sondern auch in einer Vielzahl anderer Anwendungen wie Spektroskopie und medizinischen Anwendungen. Es gibt zwei Hauptgruppen von MMF-Normen. Beide weisen einen Außendurchmesser von 125 µm auf, unterscheiden sich jedoch hinsichtlich des Kerndurchmessers, der entweder 50 µm oder 65 µm betragen kann.
Vorform-Gestaltung
Eine Vorform stellt eine größere, feste Version einer Faser dar. Durch Ziehen wird die Faser aus der Vorform gewonnen und sollte sämtliche Eigenschaften der ursprünglichen Vorform bewahren. Die grundlegende Anforderung an eine Vorform ist, dass ihr Zentrum, welches später den Kern der Faser bildet, aus einem Glas besteht, das einen höheren Brechungsindex aufweist als das Glas des Mantels. Dies lässt sich erreichen, indem entweder der Brechungsindex (RI) des Kerns über den normalen RI von Quarzglas erhöht wird, etwa durch Germaniumdotierung, oder indem der RI des Mantels im Vergleich zum undotierten Kern abgesenkt wird (depressiver Mantel), was durch Fluordotierung erreicht werden kann.
Für Telekommunikationsanwendungen legen internationale Normen die grundlegenden Eigenschaften der Fasern fest. Das spezifische Design der Fasern, einschließlich der Veränderungen des Brechungsindex innerhalb der Faser, ist in der Regel unternehmensspezifisch gestaltet.
Produktion von Vorformen
Die Fertigung von Vorformlingen unterteilt sich in der Regel in zwei Hauptproduktionsschritte: die Herstellung des lichtleitenden Kerns und in der Regel einer ersten Ummantelung. Dieses Produkt wird als Kernstab bezeichnet. Im zweiten Schritt wird die Ummantelung entweder separat oder direkt auf dem Kernstab hergestellt.
Prozesse für Kernstäbe
Für Telekommunikationsfasern in großen Stückzahlen sind die gängigsten Verfahren zur Herstellung des Kerns einer Glasfaser VAD, OVD und PCVD.
Weitere Informationen zu den Produktionsverfahren
Verfahren für die Ummantelung
Die Ummantelung wird entweder direkt auf den Kern mittels des OVD-Verfahrens aufgebracht oder das RIC-Verfahren kommt zum Einsatz. Das RIC®-Verfahren wurde von Heraeus entwickelt und ermöglicht eine hohe Ausbeute an Kernstäben. Es bietet die Option, den Mantelprozess an Heraeus auszulagern und erlaubt es dem Kunden, sich auf die Forschung und Entwicklung von Kernstäben sowie das Faserziehen zu konzentrieren.
Fasern ziehen
Die Produktion optischer Fasern erfolgt auf einem Ziehturm, der eine Höhe von bis zu 30 Metern erreichen kann. Der Turm setzt sich zusammen aus einem Halte- und Zuführmechanismus für die Vorform, einem Ofen, Messgeräten, einer Beschichtungsvorrichtung, Lichtquellen zum Aushärten und einer Aufwickelspule.
Die Zuggeschwindigkeit der Faser variiert je nach der verwendeten Vorform, dem Fasertyp und der vorhandenen Ausrüstung. Sie kann von wenigen Metern pro Minute bis zu 2500 Metern pro Minute reichen, insbesondere bei der modernen Telekommunikationsfaserproduktion.
Verarbeitung nach dem Ziehen
Die geometrischen Merkmale, wie Durchmesser und Ovalität, werden während des Ziehvorgangs überwacht. Nach dem Ziehen unterliegen die optischen Fasern einer Prüfung, um sicherzustellen, dass alle anderen Eigenschaften innerhalb der Spezifikationen liegen.
Diese Eigenschaften umfassen Dämpfung, Makrobendämpfung, Grenzwellenlänge, Modenfelddurchmesser, Dispersion, Polarisationsmodendispersion, Zugfestigkeitsprüfung, Glasgeometrie (Krümmung, Mantel-Durchmesser, Kern-Mantel-Konzentrizität und Mantel-Unrundheit) sowie Beschichtungsgeometrie (Beschichtungsdurchmesser und Beschichtungs-Mantel-Konzentrizität).
In der Produktion von Singlemode-Fasern erfolgt in der Regel zuerst eine Zugfestigkeitsprüfung. Anschließend werden optische Eigenschaften wie die Dämpfung gemessen. In den folgenden Prozessschritten werden die Fasern auf eine vordefinierte Länge geschnitten.
Wenn ein Kabel mehrere Fasern enthält, werden diese normalerweise mit einer zusätzlichen Farbbeschichtung versehen, um eine einfache Identifizierung zu ermöglichen. Zur Farbcodierung und Markierung der Glasfasern werden UV-härtende Lacke verwendet, die innerhalb von Sekunden mit UV-Strahlung ausgehärtet werden. Die Experten von Heraeus stehen Ihnen zur Verfügung, um die richtige UV-Lösung für Ihren spezifischen Prozess zu empfehlen.
In der Regel wird auch eine verkabelte Faser an beiden Enden mit einem Stecker versehen und die Endflächen werden poliert. Für andere Anwendungen werden mehrere Fasern in einem Stecker zusammengeführt, um ein flexibles Faserbündel zu bilden.
