Le fibre ottiche sono fili di vetro sottili come capelli progettati per trasmettere i raggi luminosi lungo il loro asse. Diodi emettitori di luce (LED) or diodi laser convertire i segnali elettrici in segnali ottici che vengono trasmessi attraverso un nucleo cilindrico interno del cavo in fibra ottica. Le proprietà di rifrazione inferiori del rivestimento esterno consentono la propagazione dei segnali luminosi mediante riflessione interna lungo il nucleo cilindrico interno. Le fibre ottiche sono progettate e realizzate per propagarsi sia come un singolo raggio di luce che come più fasci di luce trasmessi simultaneamente lungo il nucleo. (Vedi figura 1.)
Figura 1. Fibre ottiche monomodali e multimodali
La fibra monomodale viene utilizzata principalmente per la telefonia, le applicazioni di televisione via cavo e le dorsali dei campus. La fibra multimodale è comunemente utilizzata per le comunicazioni di dati e nelle reti locali.
Produzione di fibre ottiche
Sono necessari materiali e processi speciali per fabbricare fibre ottiche che soddisfino i criteri di progettazione di base: (1) un nucleo con un indice di rifrazione elevato e un rivestimento con un indice di rifrazione basso, (2) una bassa attenuazione del segnale o perdita di potenza e (3) una bassa dispersione o allargamento del fascio luminoso.
Il vetro di silice ad alta purezza con altri materiali vetrosi (ad es. vetri al fluoruro di metalli pesanti, vetri al calcogenuro) sono i materiali primari attualmente utilizzati per la produzione di fibre ottiche. Vengono utilizzati anche materiali policristallini, materiali monocristallini, guide d'onda cave e materiali plastici polimerici. Le materie prime devono essere relativamente pure con concentrazioni molto basse di metalli di transizione e gruppi che formano idrossili (al di sotto del livello di parti per miliardo). I metodi di lavorazione devono proteggere il vetro di formatura dalle impurità nell'ambiente di produzione.
Le fibre ottiche vengono prodotte utilizzando una preparazione in fase vapore non convenzionale di una preforma di vetro che viene poi trafilata nella fibra. I composti volatili di silice vengono convertiti in SiO2 mediante idrolisi alla fiamma, deposizione chimica da vapore (CVD) o ossidazione ad alta temperatura. Altri droganti vengono quindi aggiunti al vetro per modificare le proprietà del vetro. Le variazioni nel processo di deposizione da vapore iniziano con lo stesso materiale ma differiscono nel metodo utilizzato per convertire questo materiale in silice.
Uno dei seguenti metodi di deposizione in fase vapore viene utilizzato per produrre fibre ottiche a base di silice: (1) deposizione chimica da vapore modificata (MCVD), (2) deposizione chimica da vapore al plasma (PCVD), (3) deposizione esterna da vapore (OVD), e (4) deposizione assiale in fase vapore (VAD) (vedi figura 2). Tetracloruro di silicio (SiCI4), tetracloruro di germanio (GeCI4) o altri alogenuri liquidi volatili si convertono in gas se riscaldati leggermente a causa delle loro elevate pressioni di vapore. L'alogenuro gassoso viene inviato a una zona di reazione e convertito in particelle di vetro (vedere anche il capitolo Microelettronica e semiconduttori.)
Figura 2. Diagramma di flusso della produzione di fibre ottiche
MCVD ed PCVD i processi. Un tubo di silice fusa di alta qualità è fissato a un tornio per la lavorazione del vetro dotato di un cannello a idrogeno/ossigeno che ne attraversa la lunghezza. Una fornitura di materiale alogenuro è fissata ad un'estremità del tubo di vetro e uno scrubber all'estremità opposta per rimuovere il materiale alogenuro in eccesso. La superficie del tubo di vetro viene prima pulita mediante lucidatura a fuoco mentre la torcia attraversa la lunghezza del tubo. Vari reagenti vengono aggiunti nel sistema di vapore a seconda del prodotto da fabbricare. Si verifica una reazione chimica quando gli alogenuri passano attraverso la sezione del tubo da riscaldare. Gli alogenuri si convertono in particelle di "fuliggine" di silice che si depositano sulla parete interna del tubo di vetro a valle della torcia. Le particelle depositate vengono sinterizzate nello strato di vetro. Il processo PCVD è simile a MCVD tranne per il fatto che gli alogenuri sono forniti da un sistema di gorgogliamento e le microonde vengono utilizzate invece di una torcia per convertire il materiale alogenuro in vetro.
OVD e VAD i processi. Nella prima fase del processo di produzione della fibra, il core ed rivestimento i vetri sono vapori depositati attorno a un'asta bersaglio rotante per formare una preforma di "fuliggine". Il materiale di base viene depositato per primo, seguito dal rivestimento. L'intera preforma deve essere estremamente pura, poiché sia il nucleo che il rivestimento sono depositati a vapore. La geometria della fibra viene determinata durante la fase di posa della produzione. Dopo che l'asta bersaglio è stata rimossa, la preforma viene posta in un forno, dove viene consolidata in un vetro solido e trasparente e il foro centrale viene chiuso. Il gas viene fatto passare attraverso la preforma per rimuovere l'umidità residua che influisce negativamente sull'attenuazione della fibra (perdita di segnale ottico quando la luce si trasmette lungo l'asse della fibra). Le preforme vengono quindi lavate con acido fluoridrico per garantire la purezza del vetro e rimuovere i contaminanti.
La preforma di vetro consolidata viene posta in una torre di stiratura per formare un filo continuo di fibra di vetro. Per prima cosa la preforma viene caricata nella parte superiore di un forno di trafilatura. Successivamente, la punta della preforma viene riscaldata e un pezzo di vetro fuso inizia a cadere. Quando questo pezzo viene disegnato (tirato), passa attraverso un monitor del diametro in linea per garantire che la fibra soddisfi un diametro specificato esatto (solitamente misurato in micron). Il diametro del rivestimento della fibra deve essere conforme a specifiche esatte per mantenere bassa la perdita di segnale alle connessioni . Il diametro del rivestimento esterno viene utilizzato come guida per allineare i nuclei delle fibre durante l'uso finale. I nuclei devono allinearsi in modo che il trasferimento della luce avvenga in modo efficiente.
Il polimero acrilato o altri rivestimenti vengono applicati e polimerizzati con lampade ultraviolette. I rivestimenti hanno lo scopo di proteggere la fibra ottica dall'ambiente durante l'uso finale. Le fibre ottiche sono testate per garantire la conformità agli standard di produzione per resistenza, attenuazione e geometria. Lunghezze specifiche di fibra vengono avvolte su bobine in base alle specifiche del cliente.
Durante la produzione di fibre ottiche si incontrano numerosi potenziali pericoli. Questi includono: (1) esposizione all'acido fluoridrico (durante la pulizia delle preforme di vetro), (2) energia radiante e stress termico associati ad ambienti di lavoro vicino a torni e processi di deposizione di vapore, (3) contatto diretto con superfici calde o materiale fuso (preforme di vetro ), (4) esposizione a rivestimenti polimerici di acrilato (sensibilizzatori della pelle), (5) punture e lacerazioni della pelle durante la manipolazione delle fibre e (6) una varietà di rischi fisici precedentemente descritti.