光ファイバ

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背景

光ファイバは、溶融シリカガラスから引き出された単一の細いフィラメントです。これらのファイバーは、情報を光に変換し、光ファイバーケーブルを介して送信される高速大容量通信システムの伝送媒体としての金属線に取って代わりつつあります。現在、アメリカの電話会社は光ファイバーケーブルの最大のユーザーを代表していますが、この技術は電力線、ローカルアクセスコンピューターネットワーク、およびビデオ伝送にも使用されています。

電話の開発で最もよく知られているアメリカの発明家であるアレクサンダーグラハムベルは、1880年頃に最初に光を使って通信を試みました。しかし、光波通信は、高度な技術が伝送源であるレーザーを提供した20世紀半ばまで実現できませんでした。そして効率的な媒体、光ファイバ。レーザーは1960年に発明され、6年後、英国の研究者は、シリカグラスファイバーが大幅な減衰や信号の損失なしに光波を運ぶことを発見しました。 1970年に新しいタイプのレーザーが開発され、最初の光ファイバーが商業的に生産されました。

光ファイバ通信システムでは、光ファイバで作られたケーブルが、レーザーと光検出器を含むデータリンクを接続します。情報を送信するために、データリンクはアナログ電子信号（電話での会話またはビデオカメラの出力）をレーザー光のデジタルパルスに変換します。これらは光ファイバーを通って別のデータリンクに移動し、そこで光検出器がそれらを電子信号に再変換します。

原材料

光ファイバは主に二酸化ケイ素（SiO ₂ ）、ただし、少量の他の化学物質がしばしば追加されます。高度に精製されたシリカ粉末は、現在では時代遅れのるつぼ製造方法で使用され、液体四塩化ケイ素（SiCl ₄ ）純酸素のガス流中（02）は、現在広く使用されている蒸着法のシリコンの主要な供給源です。四塩化ゲルマニウム（GeCl ₄ ）などの他の化合物 ）およびオキシ塩化リン（POC1 ₃ ）コアファイバーと外殻、またはクラッディングの製造に使用できます 機能固有の光学特性を備えています。

光ファイバに使用されるガラスの純度と化学組成がファイバの最も重要な特性である減衰の程度を決定するため、現在、研究は可能な限り最高の純度のガラスの開発に焦点を合わせています。フッ化物含有量の高いガラスは、可視光周波数のほぼすべての範囲を透過するため、光ファイバーの性能を向上させる可能性が最も高くなります。これにより、数百の離散光波信号を同時に送信できるマルチモード光ファイバに特に価値があります。

デザイン

光ファイバケーブルでは、多くの個別の光ファイバが中央のスチールケーブルまたは高強度プラスチックキャリアの周りに束ねられてサポートされます。次に、このコアは、アルミニウム、ケブラー、ポリエチレン（クラッド）などの材料の保護層で覆われます。コアとクラッドはわずかに異なる材料で構成されているため、軽量 光ファイバーを作成するには、最初に二酸化ケイ素の層を中空の基板ロッドの内面に堆積させます。これは、さまざまな化学蒸気と組み合わされた純粋な酸素のガス流がロッドに適用される修正化学蒸着を使用して行われます。ガスがロッドの高温の表面に接触すると、ロッドの内部に数層の厚さのガラス状の煤が形成されます。
煤が希望の厚さに蓄積された後、基板ロッドは他の加熱ステップを通過して、煤層に閉じ込められた水分と気泡を追い出します。加熱中に、基板ロッドと内部の煤層が固化して、高純度の二酸化ケイ素のブールまたはプリフォームを形成します。さまざまな速度でそれらを移動します。ファイバコアを伝わる光波がコアとクラッドの境界に到達すると、2つの間のこれらの組成の違いにより、光波が曲がってコアに戻ります。したがって、光のパルスが光ファイバを通過するとき、光のパルスは常にクラッドから跳ね返っています。パルスは光速（真空中で毎秒186,290マイル（毎秒299,340キロメートル））で光ファイバー内を移動しますが、実際にはやや遅くなります。ガラスの不純物と不規則性によるエネルギー吸収のためにのみエネルギーが失われます。ガラス構造。

光ファイバのエネルギー損失（減衰）は、ファイバの距離あたりの損失（デシベル、エネルギーの単位）で測定されます。通常、光ファイバの損失は1 kmあたり0.2デシベルと低く、一定の距離を過ぎると信号が弱くなり、強化するか、繰り返す必要があります。 現在のデータリンク技術では、長距離ケーブルで約30 km（18.5マイル）ごとにレーザー信号リピーターが必要です。ただし、光学材料の純度に関する現在進行中の研究は、光ファイバーのリピーター間の距離を最大100 km（62マイル）まで延長することを目的としています。

光ファイバには2種類あります。シングルモードファイバでは、コアはより小さく、通常は直径10マイクロメートル（マイクロメートルは100万分の1メートル）であり、クラッドは直径100マイクロメートルです。シングルモードファイバは、非常に長い距離にわたって1つの光波だけを運ぶために使用されます。シングルモード光ファイバのバンドルは、長距離電話回線や海底ケーブルで使用されます。コア径が50マイクロメートル、クラッド径が125マイクロメートルのマルチモード光ファイバは、より短い距離で数百の個別の光波信号を伝送できます。このタイプのファイバは、多くの信号を中央の交換局に伝送して配信する必要がある都市システムで使用されます。

固体ガラスプリフォームが準備された後、それは垂直描画システムに転送されます。このシステムでは、プリフォームが最初に加熱されます。その際、溶融ガラスの塊がその端に形成されてから落下し、内部の単一の光ファイバーを引き出すことができます。
次に、繊維は機械を通過し、そこで直径がチェックされ、保護コーティングが適用され、熱によって硬化されます。最後に、それはスプールに巻かれます。

製造
プロセス

光ファイバのコアとクラッドはどちらも、高度に精製されたシリカガラスでできています。光ファイバは、二酸化ケイ素から2つの方法のいずれかによって製造されます。 1つ目は、粉末シリカを溶融するるつぼ法で、多くの光波信号の短距離伝送に適した太いマルチモードファイバを生成します。 2番目の蒸着プロセスでは、コアとクラッド材料の固体シリンダーが作成され、次に加熱されて、長距離通信用のより細いシングルモードファイバーに引き込まれます。

蒸着技術には、外気相蒸着、気相軸蒸着、および修正化学蒸着（MCVD）の3種類があります。このセクションでは、現在使用されている最も一般的な製造技術であるMCVDプロセスに焦点を当てます。 MCVDは、長距離ケーブルに最適な低損失ファイバーを生成します。

変更された化学蒸気
堆積

• 1最初に、円筒形のプリフォームは、中空の基板ロッドの内面に特別に配合された二酸化ケイ素の層を堆積させることによって作成されます。層は、純粋な酸素のガス流を基板ロッドに適用することによって堆積される。四塩化ケイ素（SiCl ₄ ）などのさまざまな化学蒸気 ）、四塩化ゲルマニウム（GeCl ₄ ）、およびオキシ塩化リン（POC1 ₃ ）、酸素の流れに追加されます。酸素がロッドの高温の表面に接触すると（ロッドの下の炎がロッドの壁を非常に高温に保ちます）、高純度の二酸化ケイ素が形成されます。その結果、ロッドの内側に数層の厚さのガラス状の煤が堆積します。このすすがコアになります。これらの煤の層の特性は、使用する化学蒸気の種類に応じて変更できます。
• 2煤が希望の厚さになるまで蓄積された後、基板ロッドは他の加熱ステップを通過して、 一般的な光ファイバーケーブルには、通常、中央のスチールケーブルの周りに複数の光ファイバーが含まれています。ケーブルが配置される環境の過酷さに応じて、さまざまな保護層が適用されます。煤層に閉じ込められた水分と泡。加熱中に、基板ロッドと内部の煤層が固化して、高純度の二酸化ケイ素のブールまたはプリフォームを形成します。プリフォームは通常、直径が10〜25ミリメートル（.39〜.98インチ）、長さが600〜1000ミリメートル（23.6〜39.37インチ）です。

ファイバーの描画

• 3次に、ソリッドプリフォームが垂直繊維延伸システムに自動的に転送されます。典型的な垂直製図システムを構成する機械は、高さが2階建てで、最大300 km（186マイル）の長さの連続繊維を製造できます。このシステムは、プリフォームの端を溶かすための炉、プリフォームから引き出されるファイバーの直径を監視するためのセンサー、および外側の被覆に保護層を適用するためのコーティング装置で構成されています。
• 4プリフォームは最初に炉を通過し、華氏約3600度（摂氏約2000度）に加熱されます。次に、「ゴブ」と呼ばれる溶融ガラスの液滴がプリフォームの端に形成されます。これは、漏れのある蛇口の底に溜まる水滴のようです。その後、ゴブが落下し、内部の1本の光ファイバーがプリフォームから引き出されます。光ファイバがプリフォームから引き出されると、元の基板ロッドの材料がクラッドを形成し、すすとして堆積した二酸化ケイ素が光ファイバのコアを形成します。
• 5ファイバーが引き出されると、測定デバイスはその直径と同心度を監視し、別のデバイスは保護コーティングを施します。次に、繊維は、スプールに巻かれる前に、硬化炉と直径を監視する別の測定装置を通過します。

品質管理

品質管理は、基板ロッド、化学反応物、ファイバーコーティングの原料として使用される化合物のサプライヤーから始まります。専門の化学薬品サプライヤーは、構成化合物の詳細な化学分析を提供し、これらの分析は、プロセス容器に接続されたコンピューター化されたオンストリームアナライザーによって常にチェックされます。

プロセスエンジニアと高度な訓練を受けた技術者は、プリフォームが作成され、繊維が引き抜かれるときに、密閉された容器を注意深く監視します。コンピュータは、製造プロセスの高温高圧を管理するために必要な複雑な制御スキームを操作します。正確な測定装置は、繊維の直径を継続的に監視し、線引きプロセスを制御するためのフィードバックを提供します。

未来

将来の光ファイバーは、光学特性が改善された材料の継続的な研究から生まれます。現在、フッ化物含有量の高いシリカガラスが光ファイバーに最も有望であり、減衰損失は今日の高効率ファイバーよりもさらに低くなっています。 50〜60パーセントのフッ化ジルコニウム（ZrF ₄ ）を含むガラスから引き出された実験用繊維 ）、現在は1キロメートルあたり0.005〜0.008デシベルの範囲の損失を示していますが、以前のファイバーでは1キロメートルあたり0.2デシベルの損失があったことがよくあります。

より洗練された材料を利用することに加えて、光ファイバーケーブルの生産者はプロセスの改善を実験しています。現在、最も洗練された製造プロセスでは、高エネルギーレーザーを使用して、ファイバードロー用のプリフォームを溶融します。ファイバーは、毎秒10〜20メートル（32.8〜65.6フィート）の速度でプリフォームから引き出すことができ、長さ2〜25キロメートル（1.2〜15.5マイル）のシングルモードファイバーは、1つのプリフォームから引き出すことができます。少なくとも1つの会社が、160 km（99マイル）のファイバーを作成していると報告しており、光ファイバー会社が現在リツールを行っている頻度（18か月ごと）は、さらに大きなイノベーションが待ち受けていることを示唆しています。これらの進歩は、コンピューターネットワークでの光ファイバーの使用の増加と、東ヨーロッパ、南アメリカ、極東などの急成長する国際市場でのテクノロジーに対する需要の増加によって部分的に推進されます。