Из чего сделано оптоволокно: стекло, покрытие и защитная оболочка

Из чего сделано оптоволокно: слои от центра к краю

У обычного стеклянного волокна сердцевина окружена сплошной стеклянной оболочкой. Между ними нет воздушного зазора. Полимер находится дальше от центра, поверх стекла. В англоязычной документации эти части называются core, cladding и coating; внешнюю оболочку кабеля обозначают словом jacket.

Первые две строки описывают стеклянную часть волокна. Покрытие защищает её, а последняя строка относится уже к кабелю. Поэтому две характеристики со словом «оболочка» могут говорить о разных материалах и иметь разное назначение. Corning: сердцевина и оптическая оболочка.

Какое стекло используют для оптоволокна

Основа кварцевого оптоволокна - диоксид кремния. В документах на английском этот материал называют silica. Для связи нужна высокая чистота стекла: посторонние примеси могут поглощать или рассеивать свет. Из-за таких потерь до конца волокна доходит меньше световой энергии. Corning: основа стекла.

При этом чистота не означает, что в составе запрещены любые добавки. Производитель вводит определённые вещества намеренно, чтобы получить нужные оптические свойства. Например, в спецификации Corning для многомодового волокна описана сердцевина из кварцевого стекла с добавкой диоксида германия. Corning: спецификация волокна.

Такие добавки меняют показатель преломления - характеристику того, как свет распространяется в материале. У сердцевины он выше, чем у окружающей стеклянной оболочки. Разница помогает направлять свет вдоль волокна. Сердцевина при этом остаётся стеклянной частью нити.

Точный состав зависит от конструкции волокна. Название «кварцевое» говорит об основе материала, но не раскрывает рецепт каждого его слоя. Corning описывает контроль чистоты и добавок как часть получения нужных свойств стекла. Corning: чистота и добавки.

Зачем стеклу полимерное покрытие

Покрытие помогает сохранить поверхность стекла без повреждений. В упомянутой спецификации Corning предусмотрено двухслойное акрилатное покрытие: акрилат здесь означает материал полимерной защиты. Оно соприкасается со стеклянной оболочкой. Такое исполнение нельзя автоматически приписывать любому волокну по его внешнему виду.

У двух слоёв разные механические свойства. Внутренний мягче и смягчает внешние нагрузки, передаваемые стеклу. Наружный жёстче и защищает от истирания. В документе Corning о защитном покрытии эти задачи разобраны отдельно. Corning: двухслойное покрытие.

Защита связана и с передачей света. Мелкие деформации волокна могут увеличивать потери, поэтому свойства покрытия влияют на работу стеклянной нити. Однако наличие полимера не означает, что материал выдержит любое натяжение или перегиб. Допустимые условия определяют для конкретного исполнения.

Почему стеклянная нить гнётся и всё же может сломаться

Тонкая стеклянная нить способна изгибаться благодаря малой толщине. Производитель оптических материалов SCHOTT связывает гибкость волокон с их диаметром. Поэтому привычное представление о жёстком оконном стекле плохо помогает представить поведение длинного тонкого волокна. SCHOTT: гибкость стеклянного волокна.

При изгибе внешняя сторона нити растягивается. Чем теснее изгиб при той же толщине стекла, тем выше это напряжение. Если на поверхности есть дефект, например царапина, под нагрузкой трещина может расти. Эти механизмы описаны в материале Corning о надёжности волокна. Corning: изгиб и надёжность.

Гибкость и хрупкость описывают разные свойства. Волокно может лежать плавной дугой и при этом оставаться чувствительным к повреждению поверхности. Вопрос «почему оптоволокно не ломается» точнее сформулировать иначе: при каких условиях оно сохраняет целостность. Одного слова «стекло» для ответа недостаточно; нужны характеристики волокна и условия нагрузки.

Чем оптическое волокно отличается от кабеля

Кабель содержит оптические волокна и дополнительные детали для защиты и механической прочности. Его состав зависит от назначения. В спецификации Corning PGS177 для наружных кабелей, например, предусмотрены полиэтиленовая наружная оболочка, водоблокирующие материалы и силовые элементы, которые воспринимают продольную нагрузку. Corning PGS177: состав кабеля.

У описанных там исполнений различается и защита. В диэлектрическом варианте, без металлических элементов, используются стеклопластиковые стержни. В бронированном есть стальные элементы. Значит, металл возможен в конструкции оптического кабеля, хотя стеклянная сердцевина волокна металлической от этого не становится.

Отдельное волокно с тонким полимерным покрытием не получает автоматически свойства такого кабеля. Когда продавец использует эти названия как взаимозаменяемые, попросите указать состав изделия. В таком перечне должно быть видно, какая защита добавлена поверх волокна.

Бывает ли оптоволокно из пластика

Да. Помимо стеклянных волокон существуют полимерные. Например, Mitsubishi Chemical выпускает пластиковое оптоволокно ESKA, которое использует светопропускание акриловой смолы. Здесь полимер относится к самому светопроводящему материалу. Mitsubishi Chemical: ESKA.

Это другое устройство, чем стеклянная нить с полимером снаружи. Фраза «пластиковое покрытие» ещё не означает «пластиковое оптоволокно». Если нужно различить эти варианты в документации, ищите материал сердцевины отдельно от материала покрытия. Сам факт существования ESKA не подтверждает, что им можно заменить выбранное кварцевое волокно.

Что проверить в описании материала

В паспорте сначала сопоставьте названия слоёв. Например, ТРАНСВОК указывает диаметр оболочки и диаметр защитного покрытия отдельными строками. Это размеры разных границ одного волокна. Сравнивать их как два варианта общей толщины без уточнений нельзя. ТРАНСВОК: характеристики волокна. Как читать диаметры оптоволокна.

Для запроса «из чего делают оптоволокно для дронов» действует та же проверка. Слова «для дронов» называют предполагаемое назначение, но не раскрывают состав материала конкретной катушки. В описании товара стоит найти:

• производителя и точное обозначение волокна;
• материал сердцевины и оптической оболочки;
• тип защитного покрытия;
• дополнительные слои, если продаётся кабель.

Если из описания непонятно, из чего сделано оптоволокно, попросите паспорт и уточните названия материалов. Для позиции G.657.A2 в каталоге можно обсудить исполнение и доступные документы. Другие объяснения терминов собраны в блоге. Волокно G.657.A2. Статьи об оптоволокне.

Частые вопросы