Så tillverkas optisk fiber

av Jörgen Städje den 31 Aug 2015

Tänk dig att du ligger på en sandstrand med fin vit sand och steker dig, en solig sommardag. Inser du att du ligger och vräker dig på råmaterialet till optiska fibrer?

Man kan emellertid inte ta strandsand och göra optiska fibrer av direkt eftersom den inte är ren nog. Men det går bra att göra fönsterglas och ölflaskor av den, för där är kraven på renhet inte lika höga. För optiska fibrer får man istället skapa glas på kemisk väg.

Oavsett metod börjar det hela med att man skapar högrent glas, givetvis med kisel från sand som en av råvarorna. Huvudbeståndsdelen i glas är kiseldioxid (SiO2), eller som vanligt folk brukar säga: kvarts (silica).

Ursprunget till optisk fiber, ett glasrör kallat ”preform”. Det är ett par centimeter i diameter. Bild: Heraeus Quarzglas
Ursprunget till optisk fiber, ett glasrör kallat ”preform”. Det är ett par centimeter i diameter. Bild: Heraeus Quarzglas

Det finns därefter flera sätt att dra ut en tunn glasfiber ur en större glasbit. Det hela kompliceras av att fibern ska ha en kärna (core) och ett primärskydd (cladding), med olika optiska egenskaper.

Single mode eller multimode

I det här skedet får man bestämma sig för vilken sorts fiber man vill tillverka, single mode (SMF) eller multi mode (MMF). Namnen kommer från hur ljuset far fram i kabelns ljusledande kärna. I en multi mode-fiber med en kärndiameter på mellan 50 och 100 mikrometer (0,05 – 0,1 mm) kan ljuset studsa hit och dit på sin väg framåt eftersom fiberns kärndiameter är mycket större än en ljusvåglängd. Det litet slumpmässiga studsandet smetar ut ljuspulsernas början och slut, vilket i sin tur begränsar multi mode-fiberns kapacitet till ett par gigabit per sekund över 600 meter.

Reflektionsmoder i fibrer av olika typer. Multi mode-fiber överst och single mode nederst. Den svarta kurvan symboliserar ändringen i brytningsindex tvärs fibern. Bild: Kebes, CC BY-SA 3.0
Reflektionsmoder i fibrer av olika typer. Multi mode-fiber överst och single mode nederst. Den svarta kurvan symboliserar ändringen i brytningsindex tvärs fibern. Bild: Kebes, CC BY-SA 3.0

En single mode-fiber har en kärndiameter mellan cirka 8 och 10 mikrometer (0,008 – 0,01 mm). Diametern är så liten att ljuset bara kan röra sig på ett sätt, kallat transverse mode. Det betyder att ljuset inte kan studsa hit och dit utan tvingas att färdas längs fiberns axel. Ljuspulserna kommer inte att smetas ut (lika mycket) som i multi mode-fiber vilket möjliggör en mycket högre bandbredd, i SUNETS fall mer än 100 gigabit per sekund över upp till 80 kilometer. Genom att använda ljus av flera våglängder i samma fiber kan man få samlade kapaciteter på flera terabit per sekund. Joodå. Det behövs.

diametrarBilden visar typiska mått på en single mode-fiber, som är den typ som är aktuell för transmission i SUNET. Denna typ av fiber är mycket vanlig och brukar benämnas ”8/125”. Notera jämförelsen med ett mänskligt hår.

Kärnan formas

Ljuset blir kvar inne i fiberns kärna för att det inte kan bryta sig ut till det omgivande primärskyddet (cladding) eftersom kärnan har annat brytningsindex än primärskyddet och gränsskiktet mellan dem fungerar som spegel (se bilden Reflektionsmoder ovan).

Preform insatt i ”svarv”. Temperaturen är strax över 1000 grader. Bild: Land Instruments.
Preform insatt i ”svarv”. Temperaturen är strax över 1000 grader. Bild: Land Instruments.

Man måste alltså skapa en kärna inuti preform-röret som är av ett material vars optiska egenskaper avviker lite grann från kvartsen i det omgivande röret. Det går till så att man sätter upp preform-röret i en ”svarv” och blåser en gas som är rik på germanium igenom det, samtidigt som röret roterar. Glas som förorenats med germanium får ett något annat brytningsindex än rent kvartsglas.cvdp

Hela tiden vandrar en låga fram och tillbaka längs röret och håller det 1000 grader varmt. Den germaniumrika gasen bildar först ett vitt ”sot” på rörets insida, men efter ett tag har värmen från lågan fått germaniumet att vandra (diffundera) in i glasets yta och dopa (förorena) detta i ett mycket tunt skikt. Metoden brukar kallas för kemisk ångdeposition. Det germaniumrika glasskiktet får därmed ett annat brytningsindex än det opåverkade glaset.

När tillräckligt med kärnmaterial har deponerats, minskar man lågans fart under röret så att detta blir varmare, börjar glöda och smälter ihop till en stav. Den germaniumrika kärnan blir kvar där den deponerades, ihopsmält i mitten av staven.

Utdragning av fiber. Bild: Kitanihon Electric.
Utdragning av fiber. Bild: Kitanihon Electric.

Staven hängs ned i en vertikal dragugn med 1900 graders temperatur varvid en droppe smälter av från änden och drar med sig en smal glödande tråd nedåt och ut genom ett hål i botten. Det är alltså gravitationen som drar ut fibern till en början. Genom att dra med en mycket noggrant kontrollerad kraft i tråden, blir den precis lagom tunn, nämligen de avsedda 125 mikrometrarna. Kärnan av germaniumdopat glas tunnas ut i samma mån och får sin slutliga diameter på 8 mikrometer.

Mantling

Optical_Fiber_Cable_Machine_619Den nakna fibern är för tunn och skör för att kunna hanteras direkt av en människa. Därför mantlas den med flera lager av epoxi och/eller termoplast, tills den når sin slutliga diameter på 400 mikrometer. Maskinen i bilden ovan är en av många som mantlar optiska fibrer i en fabrik. Bild: China Electronic Products Wholesale Center.

Enskilda eller i grupp

En slutanvändare kan antingen vilja använda fibrerna en och en eller i större knippen. För kabeldragning i hyreshus och datorhallar, som skarvkablar (fiberpatchar) eller i mindre installationer använder man för det mesta bara enskilda fibrer i mantel, men för längre transmissionssträckor med flera operatörer behövs många fibrer. Upp till 192 fibrer är vanligt i en kabel.

Enskild fiber i skyddande hölje. Bild: Hedeshian, CC BY 3.0
Enskild fiber i skyddande hölje. Bild: Hedeshian, CC BY 3.0

Behöver man många fibrer tillsammans färgmärks de för att man ska kunna skilja dem åt. Det går till så att man drar dem igenom ett bad med färgad epoxi, ut genom ett smalt munstycke och sedan härdar epoxin. Därefter lägger man de färgade fibrerna bredvid varandra och drar dem genom ännu ett bad med ofärgad epoxi och härdar detta till ett brett band, sk ribbon fibre. Bredder på upp till 12 fibrer är vanliga.

Bild: CERN
Bild: CERN

Färgmärkningen är till för att man ska kunna hitta rätt fiber i bandet. Det finns en märkstandard, nämligen röd-blå-vit-grön-gul etc som i bilden ovan.

I ungefär detta skick, i form av en enskild fiber med en diameter på cirka 0,4 millimeter eller som ett halvcentimeter brett band, upprullat på rulle, lämnar fibern fabriken. Det går åtskilliga kilometer fiber på en liten rulle.

Uppåt 20 kilometer enkel, mantlad fiber på en 30 centimeters rulle. Bild: Corning.
Uppåt 20 kilometer enkel, mantlad fiber på en 30 centimeters rulle. Bild: Corning.

I nästa artikel ska vi titta på hur man klär de optiska fibrerna med yttre mantel och förser dem med bärlina, vattentätt skydd och så vidare, så att de kan hängas i stolpar, tål att grävas ned i marken eller förläggas på havsbotten.

Se mer

Så tillverkas optisk fiber: https://www.youtube.com/watch?v=6CqT4DuAVxs

Fler blogginlägg av Jörgen Städje

DNS och DNSSEC utan facksnack

30 Jan 2018
/ Bloggen fiberfeber

Från oss alla, till er alla

14 Dec 2017
/ Bloggen fiberfeber

Så arbetar NOC

13 Nov 2017
/ Bloggen fiberfeber

SUNET i Hongkong

20 Sep 2017
/ Bloggen fiberfeber

SUNETs handbok i informations- och IT-säkerhet

1 Sep 2017
/ Bloggen fiberfeber

Den ökända hästen från Troja

31 Jul 2017
/ Bloggen fiberfeber

Redundans är allt

3 Jul 2017
/ Bloggen fiberfeber

SNIC-snack

2 Jun 2017
/ Bloggen fiberfeber

We have liftoff: del 5 av 2

3 Maj 2017
/ Bloggen fiberfeber

Maria Häll: We are at the Forefront!

13 Apr 2017
/ Bloggen fiberfeber

Maria Häll: Vi ligger i framkant!

10 Apr 2017
/ Bloggen fiberfeber

We have liftoff, del 4 av 2

22 Feb 2017
/ Bloggen fiberfeber

We have liftoff, del 3 av 2

30 Jan 2017
/ Bloggen fiberfeber

We have liftoff! Del 2 av 2

9 Jan 2017
/ Bloggen fiberfeber

We have liftoff! Del 1 av 2

16 Dec 2016
/ Bloggen fiberfeber

Long Read – Cleanliness is a Virtue

20 Sep 2016
/ Bloggen fiberfeber

Långläsning - tvättar bäst som tvättar först

16 Sep 2016
/ Bloggen fiberfeber

Följa fiber – från Tulegatan till Stockholms universitet.

26 Aug 2016
/ Bloggen fiberfeber

Ericsson, then swänske Lars Magnus

7 Jun 2016
/ Bloggen fiberfeber

One ring to rule them all

24 Maj 2016
/ Bloggen fiberfeber

Den tunga bakgrundstrafiken

12 Maj 2016
/ Bloggen fiberfeber

Long read: How to Design a Fibre Optic Network

5 Maj 2016
/ Bloggen fiberfeber

Welcome to the Fiber Fever Blog!

3 Maj 2016
/ Bloggen fiberfeber

Procuring an Optical Network – Smooth as Silk

2 Maj 2016
/ Blogg

The Breadth and Width of a Megabit

29 Apr 2016
/ Blogg

The Nobel Prized Piece of Glass

28 Apr 2016
/ Blogg

What’s the time? Really?

28 Apr 2016
/ Blogg

SUNET in i molnet (3) – molnsäkerhet

26 Apr 2016
/ Blogg

SUNET in i molnet (2) – vad är molnet egentligen?

25 Apr 2016
/ Blogg

SUNET in i molnet (1) – det här får du

25 Apr 2016
/ Blogg

Read about the brand new Sunet network.

11 Apr 2016
/ Bloggen fiberfeber

GÉANT och NORDUnet – bästa kompisar

14 Mar 2016
/ Bloggen fiberfeber

Ljuset kommer från Tyskland

3 Mar 2016
/ Bloggen fiberfeber

Thunderbirds are GO!

19 Feb 2016
/ Bloggen fiberfeber

Ett panorama av verkligheten

17 Feb 2016
/ Bloggen fiberfeber

Det allseende ögat

15 Feb 2016
/ Bloggen fiberfeber

Förstärkning på längden

15 Jan 2016
/ Bloggen fiberfeber

Dämpning och förstärkning i optisk fiber

14 Jan 2016
/ Bloggen fiberfeber

Grundläggande om L-bandet

14 Jan 2016
/ Bloggen fiberfeber

C-bandet – grundläggande om

14 Jan 2016
/ Bloggen fiberfeber

Logaritmer, min käre Watson

14 Jan 2016
/ Bloggen fiberfeber

CERN – krossen som slår sönder materiens minsta byggstenar

12 Jan 2016
/ Bloggen fiberfeber

Riksarkivets samarbete med SUNET

11 Jan 2016
/ Bloggen fiberfeber

One Ring to Rule them - Vetenskapsrådet

21 Dec 2015
/ Bloggen fiberfeber

Alla jättars jätte - Cisco

19 Dec 2015
/ Bloggen fiberfeber

En värld av siffror - belastning

19 Dec 2015
/ Bloggen fiberfeber

Ur led är inte alls tiden - atomur

19 Dec 2015
/ Bloggen fiberfeber

En djungel av kontaktdon

4 Dec 2015
/ Bloggen fiberfeber

Elektronisk enbärsdricka - Juniper

27 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

Vad är Géant?

26 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

Radar Love - Eiscat

25 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

The Color Purple - dispersion

25 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

Full Metal Packet - switchen

10 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

Get your kicks on route 66 - routrar

10 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

Game of Stones - kvarts

10 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

The Twilight Zone - fotonen

10 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

Peering – SUNETs ekonomiska ryggrad

9 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

I mörkret är alla katter infraröda

4 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

Fibertyperna i nätet och deras optiska felaktigheter

29 Okt 2015
/ Bloggen fiberfeber

Vad är klockan? Egentligen?

21 Okt 2015
/ Bloggen fiberfeber

Nätets centrum

20 Okt 2015
/ Bloggen fiberfeber

Den optiska transceivern

17 Okt 2015
/ Bloggen fiberfeber

Polarisation och informationsöverföring

1 Okt 2015
/ Bloggen fiberfeber

Laserns historia

30 Sep 2015
/ Bloggen fiberfeber

Koherent ljus, vad är det?

28 Sep 2015
/ Bloggen fiberfeber

När allt är klart

28 Sep 2015
/ Bloggen fiberfeber

SUNET – nu ännu bättre!

16 Sep 2015
/ Bloggen fiberfeber

Fibern fruktar fukten

11 Sep 2015
/ Bloggen fiberfeber

Att få kontakt

11 Sep 2015
/ Bloggen fiberfeber

EMC – EMI – EMP

31 Aug 2015
/ Bloggen fiberfeber

Glasbiten som gav nobelpris

21 Aug 2015
/ Bloggen fiberfeber

Megabit på längden och tvären

21 Aug 2015
/ Bloggen fiberfeber

Långartikel: Fibern från Frostmofjället

21 Aug 2015
/ Bloggen fiberfeber

Upphandling av optiskt nät

25 Jul 2015
/ Bloggen fiberfeber

OptaSense – när fiber blir sensorer

3 Jul 2015
/ Bloggen fiberfeber

Teknisk djupdykning: Optisk magi med ramanförstärkare

2 Jul 2015
/ Bloggen fiberfeber

Teknisk utvikning: 130.000 fibrer som i en liten ask

1 Jul 2015
/ Bloggen fiberfeber

NOCen spekulerar 2: Felrapporter

27 Jun 2015
/ Bloggen fiberfeber

NOCen spekulerar 1: hög belastning

26 Jun 2015
/ Bloggen fiberfeber

Teknisk djupdykning: Optisk magi med EDFA

22 Jun 2015
/ Bloggen fiberfeber

Långartikel: Så designar man ett fiberoptiskt nät

11 Jun 2015
/ Bloggen fiberfeber

Bredare motorväg för svenska data – äntligen en offensiv satsning!

22 Maj 2015
/ Bloggen fiberfeber

Om den interaktiva tidslinjen

21 Maj 2015
/ Bloggen fiberfeber

Om den interaktiva kartan

20 Maj 2015
/ Bloggen fiberfeber

Fiberfeber: Vad som har varit och vad som komma skall

19 Maj 2015
/ Bloggen fiberfeber

Följ bygget av Sunets nät på bloggen Fiberfeber!

18 Maj 2015
/ Bloggen fiberfeber

Teknisk djupdykning: den mystiska routerkraschen

11 Jun 2006
/ Bloggen fiberfeber

2000–2013: Sunet mognar och kapaciteten ökar. Identitetsfederation skapas.

1 Jan 2000
/ Bloggen fiberfeber

1990–1999: Kapaciteten stiger, 2 – 34 – 155 Mbps

1 Jan 1990
/ Bloggen fiberfeber

1968–1989: Idéernas tidevarv. Internets vagga.

1 Jan 1968
/ Bloggen fiberfeber

Jörgen Städje

Jag heter Jörgen Städje och har skrivit om teknik och vetenskap sedan 1984. Friskt kopplat, hälften brunnet!