ساخت فیبر نوری چگونه انجام می شود؟ روش‌های ساخت MCVD و OVD

✅ ساخت فیبر نوری؛ از مواد اولیه تا فیبر نهایی

مقدمه

ساخت فیبر نوری فرآیندی پیچیده و دقیق است که ترکیبی از دانش شیمی، فیزیک مواد و مهندسی نوری را در بر می‌گیرد. ماده‌ی اصلی در تولید فیبر نوری دی‌اکسید سیلیکون (SiO₂) است که با خلوص بسیار بالا تصفیه و به رشته‌هایی با ضخامت کمتر از یک تار مو تبدیل می‌شود. هدف از این فرآیند، تولید فیبرهایی است که توانایی انتقال سیگنال‌های نوری با حداقل تلفات را در مسافت‌های طولانی داشته باشند.

پشنهاد مطالعه: اشنایی با تاریخچه فیبر نوری 

✅ مواد اولیه مورد استفاده در ساخت فیبر نوری

فیبر نوری از چند بخش اصلی تشکیل شده است که هر کدام از مواد خاصی ساخته می‌شوند:

• هسته (Core): از سیلیس خالص یا دوپ‌شده با عناصر مانند ژرمانیوم (Ge) برای افزایش ضریب شکست.

• روکش (Cladding): از شیشه‌ای با ضریب شکست کمتر ساخته می‌شود تا بازتاب کامل داخلی برقرار شود.

• پوشش اولیه (Primary Coating): پلیمر نرم و شفاف که از فیبر در برابر آسیب‌های مکانیکی و رطوبت محافظت می‌کند.

• پوشش ثانویه و ژاکت (Outer Jacket): معمولاً از PVC یا مواد مقاوم به آتش و UV ساخته می‌شود، مخصوص کابل‌سازی.

✅پالایش مواد اولیه (Raw Material Purification) در تولید فیبر نوری

• مواد اصلی: تتراکلرید سیلیکون (SiCl₄)، تتراکلرید ژرمانیوم (GeCl₄) و ترکیبات فسفر یا بور.

• اهمیت: خلوص بسیار بالا (حداقل 6N) برای جلوگیری از جذب نور و افت سیگنال ضروری است.

• در وند تولید فیبر نوری ناخالصی‌ها، رطوبت یا یون‌های اضافی باعث افزایش تلفات در طول موج‌های کلیدی می‌شوند.

✅ روش‌های اصلی ساخت فیبر نوری

در فرآیند ساخت فیبر نوری، دو روش پایه برای ساخت پیش‌فرم شیشه‌ای (Preform) وجود دارد.

۱. روش بوته (Crucible Method)

در این روش، پودر سیلیس ذوب می‌شود و الیاف نسبتاً ضخیم و چندحالته (Multimode) تولید می‌گردند. این روش بیشتر در کاربردهای صنعتی یا انتقال در فواصل کوتاه به کار می‌رود، زیرا دقت ضریب شکست در آن محدود است.

۲. روش رسوب بخار (Vapor Deposition Methods)

در این روش، بخارات شیمیایی روی سطح داخلی یا خارجی میله‌های شیشه‌ای رسوب داده می‌شوند تا یک پیش‌فرم با ساختار دقیق ایجاد شود.
سه نوع روش رسوب‌دهی بخار عبارت‌اند از:

• OVD (Outside Vapor Deposition)
  لایه‌های دوده شیشه‌ای در خارج از میله پایه تشکیل شده و سپس درون کوره متراکم می‌شوند.

• VAD (Vapor Axial Deposition)
  لایه‌ها به‌صورت عمودی رشد می‌کنند و روش مناسبی برای تولید انبوه است.

• MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition)
  متداول‌ترین روش امروزی است و پیش‌فرمی بسیار خالص با افت نوری کم تولید می‌کند.

🔹فرآیند MCVD در ساخت فیبر نوری

در روش MCVD، ابتدا یک میله زیرلایه توخالی انتخاب می‌شود. سپس ترکیبی از گازهای شیمیایی مانند تتراکلرید سیلیکون (SiCl₄)، تتراکلرید ژرمانیوم (GeCl₄) و اکسی‌کلرید فسفر (POCl₃) همراه با اکسیژن خالص به داخل میله تزریق می‌شوند.

در حالی‌که شعله‌ای از بیرون سطح میله را گرم می‌کند، این گازها با اکسیژن واکنش داده و ذرات شیشه‌ای ریز یا “دوده شیشه‌ای” را درون میله رسوب می‌دهند. این دوده لایه‌به‌لایه روی دیواره داخلی نشسته و در نهایت به هسته فیبر نوری تبدیل می‌شود.

پس از رسیدن به ضخامت دلخواه، میله حرارت داده می‌شود تا رطوبت و حباب‌های به دام افتاده از بین بروند و دوده به شیشه‌ی جامد با خلوص بالا تبدیل شود. نتیجه‌ی این فرآیند، پیش‌فرمی استوانه‌ای از شیشه بسیار خالص است که قطر آن حدود ۱۰ تا ۲۵ میلی‌متر و طول آن ۶۰ تا ۱۰۰ سانتی‌متر است.

پشنهاد مطالعه: آشنایی با روش های تست فیبر نوری

🔹 روش OVD (Outside Vapor Deposition) ساخت فیبر نوری – رسوب‌دهی بخار از بیرون

در این روش، لایه‌های شیشه‌ای به صورت تدریجی روی یک میله چرخان سرامیکی یا کوارتزی در محیط باز (بیرون از لوله) رسوب می‌کنند.

مراحل کلی:

1. گازهای سیلیکان تتراکلرید (SiCl₄) و ژرمانیوم تتراکلرید (GeCl₄) به همراه اکسیژن به مشعل شعله داده می‌شوند.

2. در اثر حرارت، این ترکیبات اکسید شده و ذرات بسیار ریز SiO₂ و GeO₂ تولید می‌کنند.

3. این ذرات روی سطح بیرونی میله جمع می‌شوند و به تدریج لایه‌های شیشه‌ای شکل می‌گیرد.

4. پس از رسیدن به ضخامت مورد نظر، میله‌ی مرکزی خارج و ساختار به صورت یک استوانه توخالی (Preform) در می‌آید.

5. در نهایت، پیش‌فرم در کوره مخصوص ذوب و متراکم می‌شود تا تبدیل به شیشه‌ی شفاف و همگن گردد.

ویژگی‌ها و مزایا:

• مناسب برای تولید هسته و غلاف با قطر زیاد.

• امکان تولید در مقیاس صنعتی و با هزینه نسبتاً پایین.

• روش محبوب شرکت‌های بزرگ مانند Furukawa و Sumitomo.

معایب:

• کنترل دقیق خلوص و یکنواختی لایه‌ها سخت‌تر از MCVD است.

• به تجهیزات فیلتراسیون و کنترل ذرات نیاز دارد.

🔹 روش VAD (Vapor Axial Deposition) ساخت فیبر نوری – رسوب‌دهی بخار محوری

در این روش، بر خلاف OVD که لایه‌ها از بیرون روی یک میله ساخته می‌شوند، در VAD فیبر از بالا به پایین به‌صورت عمودی رشد می‌کند.

مراحل کلی:

1. شعله‌ی واکنشی از گازهای SiCl₄، GeCl₄ و O₂ در بالای سیستم ایجاد می‌شود.

2. ذرات اکسیدی تولید شده (SiO₂ و GeO₂) روی نوک پیش‌فرم در حال رشد رسوب می‌کنند.

3. با حرکت تدریجی رو به پایین پیش‌فرم، فیبر به شکل استوانه‌ای رشد می‌کند.

4. سپس پیش‌فرم در کوره مخصوص زینتر و شفاف می‌شود.

ویژگی‌ها و مزایا:

• تولید پیش‌فرم به صورت پیوسته و خودکار.

• خلوص بالا و کنترل دقیق‌تر ترکیب شیمیایی.

• راندمان بالا برای تولید در مقیاس صنعتی (روش مورد استفاده در Nippon Telegraph and Telephone – NTT).

معایب:

• تجهیزات پیچیده‌تر و گران‌تر از MCVD و OVD.

• نیازمند کنترل دقیق دما و سرعت رشد برای جلوگیری از نقص ساختاری.

🔹 مقایسه روش‌های تولید پیش‌فرم فیبر نوری

🔹 زینتر و شفاف‌سازی (Sintering & Consolidation)

• پیش‌فرم متخلخل در دمای ۱۵۰۰–۱۸۰۰°C حرارت داده می‌شود تا ذرات به شیشه‌ی یکپارچه و شفاف تبدیل شوند.

• محیط کوره معمولاً گاز کلر خشک یا هلیم است تا رطوبت و ناخالصی‌ها حذف شوند.

• این مرحله برای کاهش حباب‌ها و تلفات نوری بسیار حیاتی است.

✅ مرحله کشیدن فیبر (Fiber Drawing)

در این مرحله، پیش‌فرم آماده‌شده به بخش کشش منتقل می‌شود. این بخش معمولاً در برج‌های عمودی بلند (دو تا سه طبقه) انجام می‌گیرد.

پیش‌فرم از بالا به داخل کوره‌ای با دمای حدود ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد وارد می‌شود تا انتهای آن ذوب گردد. در این حالت، قطره‌ای از شیشه مذاب به نام gob در پایین پیش‌فرم تشکیل می‌شود و به‌صورت پیوسته به رشته‌ای نازک (فیبر نوری) کشیده می‌شود.

در حین کشش:

• حسگرهای لیزری قطر فیبر را اندازه‌گیری و تنظیم می‌کنند.

• دستگاه پوشش‌دهنده لایه‌ی محافظ اولیه را اعمال می‌کند.

• فیبر از کوره پخت عبور کرده و سخت می‌شود.

• سپس روی قرقره‌ها پیچیده می‌شود و آماده‌ی تست نهایی است.

در ساخت فیبر نوری پس از آماده شدن پریفرم شیشه جامد، به سیستم کشش عمودی منتقل می شود. در این سیستم ابتدا پریفرم حرارت داده می شود. در حین انجام این کار، یک تکه شیشه مذاب در انتهای آن تشکیل می شود و سپس از بین می رود و اجازه می دهد تا فیبر نوری واحد بیرون کشیده شود. سپس فیبر از داخل دستگاه عبور می‌کند، جایی که قطر آن بررسی می‌شود، یک پوشش محافظ اعمال می‌شود و با حرارت سخت می‌شود. در نهایت روی قرقره پیچیده می شود.

پشنهاد مطالعه: آشنایی با انواع کابل فیبر نوری 

✅ کنترل کیفیت فیبر نوری

در روند تولید فیبر نوری هر رشته‌ی  تولید شده باید از نظر ویژگی‌های نوری و مکانیکی آزمایش شود. مهم‌ترین آزمون‌ها عبارت‌اند از:

• اندازه‌گیری افت نوری (Attenuation Test) در طول موج‌های ۱۳۱۰ و ۱۵۵۰ نانومتر

• بررسی یکنواختی قطر فیبر در طول کامل آن

• تست کشش (Proof Test) برای اطمینان از مقاومت مکانیکی

• تست خم‌شدگی (Bending Tests) برای ارزیابی رفتار فیبر در شرایط نصب واقعی

✅ آماده‌سازی فیبر برای کابل‌سازی

• فیبرهای کشیده شده می‌توانند به شکل‌های زیر دسته‌بندی شوند:

  • Bare Fiber: فقط با پوشش اولیه، مناسب آزمایش و کاربردهای داخلی.

  • Buffered Fiber: با پوشش محافظ بیشتر، مناسب پچ‌کوردها و تجهیزات داخلی.

• فیبرها سپس در کارخانه‌های کابل‌سازی در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند و با لایه‌های محافظ اضافه می‌شوند:

  • ژله ضدآب

  • نوار فولادی یا آرمور

  • غلاف پلاستیکی مقاوم به UV و حرارت

فیبرهای تولیدشده به‌صورت قرقره‌ای جمع‌آوری می‌شوند و سپس در کارخانه‌های کابل‌سازی، در کنار چندین تار دیگر قرار می‌گیرند. بسته به نوع کاربرد (خاکی، کانالی، هوایی یا داکتی)، لایه‌های مختلفی مانند ژله ضدآب، نوار فولادی، آرمور فلزی یا غلاف پلاستیکی بر روی آن‌ها اعمال می‌شود.

✨ جمع‌بندی

ساخت فیبر نوری فرآیندی دقیق و چندمرحله‌ای است که با تولید پیش‌فرم‌های سیلیسی خالص آغاز می‌شود و با کشش، پوشش‌دهی و آزمون‌های کنترل کیفیت ادامه می‌یابد.
امروزه روش MCVD به‌عنوان استاندارد جهانی در تولید فیبرهای تک‌حالته (Single Mode) شناخته می‌شود و نتیجه‌ی آن فیبرهایی با افت نوری کمتر از ۰.۲ dB/km است.

فیبر نوری، زیربنای شبکه‌های ارتباطی پرسرعت و فناوری‌های مدرن مانند FTTH و 5G محسوب می‌شود.

راهنمایی تخصصی: ارتباط با کارشناس فیبر نوری