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Glasvezel
Glasfaser.
Lichtstrahl in einem Fiberglas.

Glasfaser, ebenfalls Ballaststoff (britisches Englisch) oder Ballaststoff (Amerikanisches Englisch), ist eine haarfeine Faser von Glas.

Fiberglas wird unter anderem verwendet als Glasfaser im Telekommunikation, bei welchem Licht wird von langen Fasern aus optisch sehr klarem Glas geführt, um Signale über lange Distanzen zuverlässig zu übertragen. Da das Licht in der Glasfaser einen sehr kleinen Winkel mit der Außenseite der Faser bildet, ist die Absorption sehr gering und das Licht in der Faser wird weiter durchgelassen. interne Reflexion. Für diese Anwendung muss die Faser ganz besondere Anforderungen erfüllen.

Eine weitere Anwendung von Fiberglas ist die Verstärkung aller Arten von Kunststoffe. Glasfaser wird zum Beispiel verwendet in Angeln, Bremsbeläge und Ski. Das resultierende Material wird a zusammengesetzt erwähnt. Fiberglas in Form von Glaswolle wird als Isoliermaterial verwendet. Es gibt auch Glasfasertapete. Für diese Anwendung werden andere Fasertypen verwendet als für die Datenkommunikation.

Fertigungsprozess

Es gibt zwei Möglichkeiten, Glasfaser herzustellen. Die Faser wird durch ein direktes Schmelzverfahren oder durch ein indirektes Schmelzverfahren hergestellt.

Darüber hinaus gibt es auch zwei Arten von Endprodukten: eine Endlosfaser (kann 12 Kilometer lang sein) und eine Stapelfaser (eine kurze Faser, mehrere Zentimeter lang).

In beiden Fällen beginnt man mit den Rohstoffen in Feststoffen Aggregatzustand. Die Rohstoffe werden gemischt und in einem Ofen geschmolzen.

  1. Indirekter Schmelzprozess: Die Schmelze wird geteilt, abgekühlt und verpackt (in Kugeln). Diese Kugeln werden zur Produktionsanlage gebracht, wo sie wieder aufgeschmolzen werden. Anschließend gelangt das geschmolzene Glas zu Ringen (sog. Spinndüsen), wo es zu Fasern gezogen wird.
  2. Direktschmelzverfahren: Das geschmolzene Material (Glas) gelangt sofort in die Spinndüsen, wo es zu Fasern gezogen wird.

Danach gibt es zwei Arten von Endprodukten, entweder Endlosfasern (Filamente), die auf Spulen gewickelt werden, oder als Stapelfasern („Zupfen“ kürzerer Fasern einer bestimmten Länge). Glasfasern für die Datenkommunikation werden selbstverständlich im Filamentverfahren hergestellt.

In dem Filamentprozess die Fasern werden nach dem Ziehen mit einer Schutzsubstanz ausgerüstet, wonach die Fasern auf Spulen aufgewickelt werden. Die Ausrüstung bestimmt auch den Zweck der Fasern.

Für die Stapelfasern Für die Herstellung der Fasern gibt es mehrere Möglichkeiten. Das Glas kann mit Hitze oder Dampf geblasen werden. Diese Fasern werden oft zu einer Art Matte verarbeitet (nicht gewebt). Bei diesem Herstellungsverfahren wird am häufigsten das Rotationsverfahren verwendet. Das Glas wird in einen rotierenden Spinner gelegt, der über einer Oberfläche hängt. Bis zum Zentrifugalkräfte es wird horizontal ausgeworfen. Anschließend werden die Fasern mit einem Luftstrom nach unten geblasen, an die Oberfläche gesaugt und mit einem Bindemittel versetzt. Anschließend wird die Matte in einem Ofen „gebacken“, wodurch das Bindemittel ausgehärtet wird und eine zusammenhängende Matte entsteht.

Chemische Struktur und Eigenschaften

Die Basis der Glasfasern ist Quarz (SiO2). In seiner reinen Form liegt es als Polymer vor (SiO2)nein. Es hat keine genaue Bestimmung Schmelzpunkt wird aber beim Erhitzen weicher, bis es bei 2000 °C zu zersetzen beginnt. Bei 1713 °C können sich die meisten Moleküle frei bewegen. Wird das Glas anschließend schnell abgekühlt, hat das Glas nicht genügend Zeit, um eine geordnete Struktur zu bilden. Die Atome bilden dann ein Gitter mit geteiltem Sauerstoffatome zwischen den Siliziumatomen. Das Glas und kristallin Staaten von Kieselsäure haben auf molekularer Basis ähnliche Energieniveaus, wodurch das Glas mehr oder weniger stabil wird. Um die weitere Kristallisation zu fördern, muss es über einen längeren Zeitraum Temperaturen über 1200 °C ausgesetzt werden, aber eine kristalline Form ist normalerweise nicht erwünscht (das Material wird zu spröde).

Obwohl reine Kieselsäure verwendet werden kann, muss sie bei sehr hohen Temperaturen verarbeitet werden. Daher wird die erforderliche Temperatur normalerweise durch Einbringen von Verunreinigungen (in Form anderer Materialien) in das Glas gesenkt. Diese Materialien können dem Glas daher verschiedene andere Eigenschaften verleihen, die sich bei verschiedenen Anwendungen als nützlich erweisen können. Reine Kieselsäure wird nur verwendet, wenn ihre spezifischen Eigenschaften erforderlich sind.

Eigenschaften

Allgemeines:

  • Normalerweise ist Glas schlecht spröde, aber wenn es geschmolzen ist und dünne Fäden gezogen werden (wie Glasfaser), ist es stark und hat eine begrenzte Flexibilität.

Leistungen:

  • Glasfasern sind nicht brennbar und die Zugfestigkeit bleibt bis über 300 °C erhalten, je höher die Temperatur, desto geringer die Festigkeit.
  • Die Zugfestigkeiten sind sehr hoch, sogar höher als bei synthetischen Fasern wie such Nylon- und Polypropylen.
  • Nicht mit elektromagnetischen Mitteln abhörbar.
  • Völlig unempfindlich gegen äußere Störungen (Störungen) wie z. B. von Funkfrequenzen elektromagnetische Felder.

Nachteile:

  • Kurze Kurven sind für die Qualität der Signalübertragung nicht förderlich.
  • Es kann keine Nutzleistung transportiert werden, wie bei elektrischen Leitern.

Glasfaser für die Datenkommunikation

Dispersion (Pulsverbreiterung)

Beim Transport von Licht durch die Faseroptik wird das Lichtsignal durch die physikalischen Eigenschaften der Lichtquelle und der Faser verzerrt.

Chromatische Dispersion

Beim kurzzeitigen Einschalten einer Lichtquelle wird ein Impuls erzeugt. Dieses Licht besteht aus mehreren Wellenlängen (Farben). Ein Lichtpuls besteht also aus mehreren kleinen Pulsen mit jeweils eigener Wellenlänge. Jede dieser Wellenlängen hat eine andere Geschwindigkeit im Lichtwellenleiter und kommt so früher oder später am Zielort an. Dadurch wird ein Sendelichtpuls breiter, die Flanken werden weniger steil. Im schlimmsten Fall läuft ein Puls in den anderen über, so dass beide Pulse nicht mehr unterschieden werden können. Dies wird als chromatische Dispersion bezeichnet. Dieser Effekt kann durch die Verwendung eines Lasers reduziert werden, der fast monochromatisch ist (nur eine einzige Wellenlänge). Dies steht im Gegensatz zu einer LED, die ein Farbspektrum hat.

Modedispersion

Mehrere Lichtstrahlen werden in unterschiedlichen Winkeln in eine Faseroptik geschickt. Als Ergebnis legt ein Lichtstrahl einen anderen Weg zurück als ein Lichtstrahl, der unter einem anderen Winkel in die Faser eingetreten ist. Diese mehrfach befahrenen Pfade werden Modi genannt. Wenn der Kern der Faser einen großen Durchmesser hat, schwingen die Lichtstrahlen durch den Kern. Da diese Wege und damit die zurückgelegte Strecke zwischen den Moden ungleich sind, treffen die Lichtstrahlen nicht gleichzeitig ein. Dadurch entsteht auch eine Streuung. Dies wird als Modendispersion bezeichnet und tritt am stärksten in Multimodefasern auf.Dieser Effekt kann reduziert werden, indem eine Faser verwendet wird, deren Kern so dünn ist, dass ein Lichtstrahl nur unter einem sehr kleinen Winkel in die Faser eintreten kann. Dadurch wird ein Schwingen in der Faser stark verhindert und es gibt nur eine Mode. Aus diesem Grund wird dieser Typ als „Single-Mode“-Faseroptik bezeichnet.

Bei Glasfasern kann die Dispersion durch die Verwendung von Solitonen vollständig aufgehoben werden. Bei ausreichend hoher Leistung des Lichtpulses treten nichtlineare Effekte auf. Diese haben einen der Dispersion entgegengesetzten Effekt. Wenn sich die beiden Effekte richtig aufheben, ändert der Lichtimpuls seine Form nicht und breitet sich unverändert aus. Dieses Prinzip wird für die optische Fernkommunikation verwendet.

Typen

Vergleich zwischen Multimode- und Singlemode-Glasfaserkabel

Lichtwellenleiter für die Datenkommunikation lassen sich in zwei Gruppen einteilen: Multimode (Multi-Wave) Lichtleiter und Singlemode (Single-Wave) Lichtleiter. Diese Unterteilung erfolgt nicht aufgrund der Eigenschaften der Faser selbst, sondern aufgrund von Unterschieden in der Wellenlänge. Wenn eine Wellenlänge klein genug gewählt wird, geht die Einmodenfaser in ein Mehrwellenverhalten über.

Multimode-Glasfaser

Multimode-Glasfaser dient zur Datenübertragung mit mittlerer bis hoher Geschwindigkeit über angemessene Entfernungen. Diese Fasertypen haben einen Kerndurchmesser von 50 oder 62,5 Mikrometer mit einem 125-Mikrometer-Mantel. Die Signalübertragung an diesen Fasern erfolgt bei a Wellenlänge von 850 und/oder 1300 Nanometern.

Multimode-Fasern gibt es in zwei Typen Multimode Step Index und Multimode Graded Index. Bei der ersten Variante wird das Licht an der Außenwand der Glasfaser reflektiert, während bei der zweiten Variante der Brechungsindex vom Kern zum äußeren Rand hin abnimmt. Dadurch wird das Licht nach und nach von der Wand weg gelenkt. Dies führt zu einer geringeren Streuung, da die zurückgelegten Wege der einzelnen Lichtstrahlen näher beieinander liegen.

Singlemode-Faseroptik

Singlemode-Lichtwellenleiter unterscheiden sich von Multimode-Lichtleitern insbesondere dadurch, dass sie für den Einsatz einer sehr schnellen und leistungsstarken Übertragung über große Distanzen geeignet sind. Diese Fasertypen haben einen Kerndurchmesser von 8-10 Mikrometer für die üblichen Fasertypen mit 125 Mikrometer Mantel. Die Signalübertragung an diesen Fasern erfolgt bei einer Wellenlänge von 1310 und/oder 1550 Nanometern.

Bei der Singlemode-Faser ist die Faser besonders dünn (vergleichbar mit einem menschlichen Haar) und stattdessen wird auch Laserlicht verwendet. LED-Licht. Laserlicht ist monochromatisch, das heißt, das Licht hat eine einzige Wellenlänge. Beide Maßnahmen sorgen dafür, dass die Dispersion äußerst gering ist.

Schweißen

Es Schmelzschweißen Glasfaser kommt häufig bei der Verbindung bestehender und neuer Netze vor. Die Glasfaserenden werden mit einem Lichtbogen erhitzt, bis sie miteinander verschmelzen und eine korrekte Glasfaserverbindung entsteht. Auch ein OTDR, a Optisches Zeitdomänenreflektometer werden verwendet, um die Faseroptik zu messen.

Beim Schweißen von Glasfasern treten mehrere Probleme auf. Das Temperatur ist eine der wichtigsten Bedingungen beim Schweißen. Feuchtigkeit kann ein Einflussfaktor auf den LWL-Spleiß sein, in der Praxis hat jedoch die Qualität der LWL-Enden den größten Einfluss auf die Erfolgsrate des Fusionsspleißes. Die Faserenden sollten sauber und quadratisch sein.

Siehe auch

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