Di quali materiali sono fatti i cavi in ​​fibra ottica? Una guida completa

I materiali principali all'interno di un cavo in fibra ottica

Cavi in fibra ottica sono costituiti principalmente da vetro di silice (SiO₂) , una forma altamente purificata di biossido di silicio. Questo vetro costituisce i due strati più interni di ogni fibra ottica: il nucleo e il rivestimento . Il nucleo è il filo centrale attraverso il quale viaggia la luce, mentre il rivestimento lo circonda con un indice di rifrazione leggermente inferiore per mantenere la luce confinata attraverso un principio chiamato riflessione interna totale.

Il vetro utilizzato nelle fibre ottiche è molto più puro del normale vetro delle finestre. Il vetro di silice standard contiene impurità che disperderebbero o assorbirebbero la luce su distanze di metri. La silice per fibra, al contrario, raggiunge tassi di attenuazione bassi fino a 0,2 dB/km , consentendo ai segnali di viaggiare per decine di chilometri prima di richiedere l'amplificazione.

In alcune applicazioni, in particolare nei cavi a corto raggio o di tipo consumer, il nucleo è costituito da fibra ottica plastica (POF) , tipicamente polimetilmetacrilato (PMMA). La fibra plastica è più flessibile e meno costosa da terminare, sebbene comporti una perdita di segnale significativamente più elevata (circa 100–200 dB/km), limitandola a distanze inferiori a 100 metri.

Strati protettivi: rivestimenti, respingenti e rivestimenti

La fibra di vetro nuda è fragile. Una serie di strati protettivi lo rivestono per garantirne durabilità meccanica e resistenza ambientale:

• Rivestimento in acrilato — Il primo strato applicato immediatamente dopo la stiratura della fibra di vetro. Questo rivestimento polimerico polimerizzato ai raggi UV (tipicamente 250 µm di diametro) protegge dalla microflessione e dall'assorbimento di umidità senza compromettere le prestazioni ottiche.
• Tampone stretto o tubo allentato — La fibra rivestita di acrilato è racchiusa saldamente in un tampone di PVC o nylon (design a tampone stretto) o posizionata in modo lasco all'interno di un tubo di plastica riempito di gel (design a tubo sciolto). La costruzione a tubo sciolto è standard per i cavi esterni poiché isola la fibra dalle sollecitazioni di trazione e dalle fluttuazioni di temperatura.
• Membri della forza — Le fibre aramidiche (vendute con nomi commerciali come Kevlar) o le aste in fibra di vetro sono intrecciate o disposte longitudinalmente all'interno del cavo per assorbire i carichi di trazione durante l'installazione, evitando che la fibra di vetro si allunghi o si rompa.
• Giacca esterna — Di solito viene realizzata la guaina finale polietilene (PE) per cavi esterni o PVC/LSZH (bassa emissione di fumi e zero alogeni) compounds for indoor use. I materiali LSZH sono sempre più richiesti nelle normative edilizie perché emettono una quantità minima di gas tossico quando esposti al fuoco.

I cavi armati aggiungono uno strato di nastro ondulato in acciaio o alluminio sotto la guaina per la resistenza ai roditori e la protezione dallo schiacciamento in ambienti industriali o di sepoltura diretta.

Vetro vs plastica: come la scelta del materiale influisce sulle prestazioni

Una terza categoria: fibra di silice rivestita dura (HCS). —utilizza un nucleo di vetro con un rivestimento di plastica dura. Colma il divario tra i design interamente in vetro e interamente in plastica, offrendo perdite inferiori rispetto a POF e tollerando raggi di curvatura più ampi rispetto alla fibra di vetro monomodale standard. La fibra HCS è comune negli strumenti medici e di rilevamento.

Dopanti speciali che ottimizzano le proprietà ottiche

La silice pura non è tutta la storia. I produttori introducono piccole concentrazioni di materiali droganti nel nucleo o nel rivestimento del vetro per controllare il profilo dell'indice di rifrazione e quindi il modo in cui la luce si propaga:

• Biossido di germanio (GeO₂) — Aggiunto al nucleo per aumentarne l'indice di rifrazione rispetto al rivestimento. Il drogaggio GeO₂ è standard nelle fibre per telecomunicazioni sia monomodali che multimodali.
• Fluoro (F) o triossido di boro (B₂O₃) — Riduce l'indice di rifrazione e viene utilizzato nel rivestimento o in progetti monomodali con rivestimento depresso che migliorano le prestazioni della lunghezza d'onda di taglio.
• Erbio (Er³⁺) — Gli amplificatori in fibra drogata con erbio (EDFA) incorporano ioni erbio nella matrice di vetro. Quando pompato con un laser da 980 nm, l'erbio amplifica i segnali da 1550 nm direttamente nel dominio ottico, il fondamento dei sistemi di trasmissione WDM a lungo raggio.
• Anidride fosforica (P₂O₅) — Aumenta l'indice di rifrazione e abbassa la temperatura di transizione vetrosa, rendendo più facile la giunzione e la fusione della fibra a temperature più basse.

Il preciso profilo drogante, applicato durante il processo di produzione di deposizione chimica in fase vapore (CVD), determina se la fibra finita si comporta come monomodale (SMF) —guidare un percorso luminoso per la massima larghezza di banda—o multimodale (MMF) – guidando molti percorsi per collegamenti più brevi e a basso costo.

Come il processo di produzione determina la qualità dei materiali

L'eccezionale purezza del vetro in fibra ottica è ottenuta attraverso processi di deposizione in fase vapore anziché attraverso la tradizionale fusione del vetro. The two dominant methods are:

• Deposizione chimica in fase vapore modificata (MCVD) — I gas carichi di drogante fluiscono attraverso un tubo rotante di silice. Il calore proveniente da una torcia esterna fa reagire i gas e depositare fuliggine vetrosa sulla parete interna. Il tubo viene quindi collassato in una solida barra preformata.
• Deposizione di vapori esterni (OVD) — La fuliggine si deposita all'esterno di un mandrino rotante, producendo una preforma porosa che viene successivamente sinterizzata in vetro trasparente. L'OVD è preferito per la produzione di fibre monomodali in grandi volumi.

La preforma risultante, in genere lunga 1–2 metri e con un diametro di 10–15 cm, viene quindi disegnato in una torre di trafilatura a temperature superiori a 2.000 °C. La preforma si ammorbidisce e viene tirata in un filo di fibra continua di soli 125 µm di diametro (circa la larghezza di un capello umano) a velocità di disegno superiori a 2.000 metri al minuto. I sistemi di misurazione in linea verificano il diametro, la concentricità del rivestimento e l'attenuazione in tempo reale prima che la fibra venga avvolta.

Questa catena di produzione strettamente controllata, dal gas precursore SiCl₄ grezzo al cavo finito, è ciò che consente alla fibra di vetro di raggiungere i straordinaria chiarezza ottica che nessun materiale convenzionale può eguagliare.