Besteht Glasfaser nur aus Glas? Worin unterscheidet sich Quarzglas von dem Glas, das wir in Fenstern sehen?
Eins: Sind Glasfaserkabel aus Glas?
Nicht ausschließlich. Obwohl heute die überwiegende Mehrheit der Hochleistungs-Glasfaserkabel in der optischen Kommunikation und Sensorik aus Quarzglas (Silica Glass) hergestellt wird, können Glasfaserkabel je nach Anwendungsszenario auch aus anderen Materialien bestehen:
- Kunststoff-Lichtwellenleiter (POF, Plastic Optical Fiber): Faser und Mantel bestehen aus Polymeren (wie Polymethylmethacrylat \text{PMMA} , fluoriertem Polyimid usw.). POFs sind biegsam, einfach zu installieren und kostengünstig, haben aber höhere Lichtverluste und werden daher hauptsächlich in lokalen Netzwerken, in der Automobilindustrie oder für die Kurzstreckenbeleuchtung eingesetzt.
- Multikomponenten- und Spezialglasfasern: Neben Quarzglas gibt es auch Fluoridgläser, Chalkogenidgläser usw. Diese haben einzigartige Transmissionseigenschaften im Infrarotbereich und werden für die Infrarot-Laserübertragung und Infrarot-Sensorik verwendet.
- Einkristall-Lichtwellenleiter (z. B. Saphirfasern): Hergestellt aus monokristallinem Aluminiumoxid (Saphir), halten sie extremen Temperaturen von über 1800^\circ\text{C} stand. Aufgrund hoher Verluste und schwieriger Herstellung werden sie hauptsächlich für spezielle Punktmessungen in Umgebungen mit extremen Temperaturen eingesetzt.
Zwei: Worin unterscheiden sich Quarzglas und normales Fensterglas?
Obwohl Quarzglas und normales Fensterglas (typischerweise Natron-Kalk-Glas, Soda-Lime Glass) makroskopisch beide amorphe Festkörper (glasartig) sind, gibt es grundlegende Unterschiede in ihrer chemischen Zusammensetzung, ihrem optischen Verlust, ihren thermischen Eigenschaften und ihrer mechanischen Festigkeit:
1. Chemische Zusammensetzung und Reinheit
- Normales Fensterglas (Natron-Kalk-Glas): Die Hauptkomponente ist zwar ebenfalls Siliziumdioxid ( \text{SiO}_2 , ca. 70\% - 75\% ), aber um die Schmelztemperatur zu senken und eine kostengünstige Massenproduktion zu ermöglichen, werden große Mengen an Netzwerkmodifikatoren wie Natriumoxid ( \text{Na}_2\text{O} , ca. 15\% ) und Calciumoxid ( \text{CaO} , ca. 10\% ) zugesetzt. Außerdem enthält normales Glas eine erhebliche Menge an Übergangsmetallverunreinigungen (wie Eisenionen), weshalb Fensterglas von der Seite einen Grünstich aufweist.
- Hochreines Quarzglas (Fused Silica): Die chemische Zusammensetzung besteht fast ausschließlich aus Siliziumdioxid ( \text{SiO}_2 ) mit extrem geringen Verunreinigungen. Quarzglas für Hochleistungs-Glasfaserkabel erreicht eine Reinheit von sogar extremen 99,9999\% (6 Neunen) oder mehr. Durch Verfahren wie die Gasphasenabscheidung (VAD/OVD) werden Übergangsmetallionen (wie Eisen, Kupfer, Nickel usw.) und Hydroxylgruppen ( \text{OH}^- ) auf extrem niedrige Teile pro Milliarde (ppb) kontrolliert.
2. Optische Transmission und Dämpfung
- Normales Glas: Hohe Absorption und Streuung. Licht dringt nur wenige Zentimeter weit in normales Glas ein, bevor seine Energie stark gedämpft wird. Wenn man normales Glas zur Herstellung einer 1 km langen Glasfaser verwenden würde, könnte das Licht nicht durchdringen.
- Quarzglas: Hat ein extrem breites optisches Übertragungsfenster (von UV bis nahinfrarot). Hochreine Quarzglasfasern haben eine theoretische Dämpfungsgrenze von nahe 0,14\ \text{dB/km} bei 1550\ \text{nm} . In der industriellen Fertigung liegt die Dämpfung von Glasfaserkabelprodukten von OFSCN® (大成永盛) im Arbeitsbereich typischerweise unter 0,2\ \text{dB/km} , was eine signalfreie Übertragung über Dutzende oder sogar Hunderte von Kilometern ermöglicht.
3. Thermische Eigenschaften und Temperaturgrenzen
- Normales Glas: Hoher Wärmeausdehnungskoeffizient (ca. 9 \times 10^{-6}\ \text{K}^{-1} ), sehr empfindlich gegenüber plötzlichen Temperaturänderungen (kann aufgrund ungleichmäßiger Wärmeausdehnung und -kontraktion brechen). Seine Erweichungstemperatur ist ebenfalls niedrig, typischerweise um 500^\circ\text{C} - 600^\circ\text{C} .
- Quarzglas: Extrem niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient (ca. 0,5 \times 10^{-6}\ \text{K}^{-1} ), unvergleichliche thermische Schockbeständigkeit (rotglühendes Quarzglas kann ohne zu brechen in kaltes Wasser getaucht werden). Seine Erweichungstemperatur liegt bei hohen 1600^\circ\text{C} - 1700^\circ\text{C} und es kann unter hohen industriellen Temperaturbedingungen langfristig stabil arbeiten.
4. Mechanische und Zugfestigkeit
Hochreines Quarzglas ohne mikroskopische Risse besitzt intrinsisch eine extrem hohe Zugfestigkeit (im Bereich von 20\ \text{GPa} ), die weit über der von normalem Glas liegt. Durch die Beschichtung des Quarzglas-Mantels mit Polymeren oder Metallschutzschichten erhalten Quarzglasfasern eine ausgezeichnete Flexibilität sowie Biege- und Zugfestigkeit.
Drei: OFSCN® (大成永盛) Hochreine Quarzglasfaserkabel
Um den Anforderungen in extrem rauen Umgebungen wie hohen oder extrem niedrigen Temperaturen, starker Strahlung oder Tiefseeeinsätzen gerecht zu werden, bietet OFSCN® (大成永盛) Spezialglasfaserkabel auf Basis von hochreinem Quarzglas (mit Optionen für reine Siliziumkern-Customization) an. Typische Produkte umfassen:
1. OFSCN® 300℃ SM Polyimide Optical Fiber
Dieses Produkt basiert auf hochreinem Quarzglas-Lichtwellenleiterstab und wird standardmäßig mit dotiertem Kern geliefert, bietet aber auch eine Option für einen reinen Siliziumkern als Sonderanfertigung. Die spezielle Polyimid-Beschichtung ermöglicht einen breiten Betriebstemperaturbereich von -270^\circ\text{C} bis 350^\circ\text{C} .
2. OFSCN® Gold-coated Optical Fiber
Dies ist ein Quarzglasfaserkabel, das speziell für extreme Hochtemperaturanwendungen entwickelt wurde und eine äußere Beschichtung aus einer Metallgoldschicht aufweist. Der Betriebstemperaturbereich für Singlemode-Glasfaserkabel reicht von -270^\circ\text{C} bis 700^\circ\text{C} . Es unterstützt die Customization mit reinem Siliziumkern aus hochreinem Quarzglas und eignet sich für Sensorik und Übertragung in Bohrlochköpfen, der Luft- und Raumfahrt sowie in Hochtemperaturöfen.
Weitere technische Spezifikationen für hochwertige Quarzglas-Spezialglasfaserkabel finden Sie unter OFSCN® Spezialglasfaserkabel Produktkatalog .