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中国一年的光纤产量,能绕地球900圈

中国一年的光纤产量,能绕地球900圈

我们之所以能够便利快速地上网,离不开光纤通信技术的发展,而光纤通信的载体便是光纤,它只有不到一根头发丝粗细,却能承载巨大的信息量。本文来自微信公众号:网易新闻学院(ID:we_know_media),作者:鸿鹄,编辑:史文慧,头图来自视觉中国。


有这样一种“玻璃丝”,它比头发丝还细,却是光通信的重要媒介,一根这样的“玻璃丝”就可以传输几千套电视节目或几万路电话。借助它,人类进入了信息沟通与交流的高速通道(你现在能通过手机和电脑快速便利获取这篇文章,就多亏了它),这便是光纤。


今天我们就来聊聊光纤的话题。



一、以“沙子”为原料的玻璃丝,为何能承载巨大的信息量?


刚才我们提到,一根光纤就可以传输几千套电视节目或几万路电话,它是怎么做到的呢?


可能很多人都听说过,玻璃纤维可以用于长距离通信的想法,是华人科学家高锟博士首先提出的,光纤起到了引导携带信息的光信号以特定的路径传播的作用。


(电磁波谱)


光纤通信中使用的光波是一种比无线电波频率高得多的电磁波,其波段处在电磁波谱中的近红外区,波长为0.8~2.0μm波段,相对应的频率范围为167~375THz(1THz =1012Hz)。不过,考虑到光波在光纤中的低损耗区域(低损耗窗口),目前光纤通信使用的波长有三个:0.85μm、1.31μm、1.55μm,使用的仅仅是其中很小的部分,还有大部分频率未被使用。


光纤通信所用光波的频率达到了THz,是非常高的,通常所说的光纤频带宽、通信容量大的秘密就隐藏在这高频中。


根据著名的香农定理,通信信道的最大传输速率(信道容量)与信道带宽之间存在明确关系,信道容量由带宽及信噪比决定,增大带宽、提高信噪比可以增大信道容量,所以,人们通常用“带宽”去取代“速率”,光纤通信技术因为频带较宽(频率范围为167~375THz,频带宽超过200THz),所以通信容量比普通电缆高。


(光波在光纤中的低损耗窗口)


同时,光纤通信技术中还使用了密集波分复用技术,该技术将光纤的各个传输波段,按照一定的间隔分隔成很多较小的频带(波分),以每个频带的中心频率为载波,用来承载不同码速的光通路,一根光纤可以同时传输多个波长的光通路(复用),以此将传输容量再次扩大到原来的几十倍。所以,一根光纤供两地通话的话,可以同时支持3.1亿组这样的通话。


频带宽、通信容量大,只是光纤通信的优点之一,而光纤的生产材料,同样也是其一大优势。光纤的材质本质上是二氧化硅,在地球上的储量丰富,生活中常见的沙子就是二氧化硅,所以光纤通信不用浪费稀有的金属资源。


光纤材质的另一个特点就是质量轻,芯径也比较细,这使得光纤通信系统的整体质量得到减少,而且光纤柔软性很好,易于铺设。同时,高纯度的二氧化硅中,光信号的传输损耗非常低,可以长距离传输,大大减少了中继站的数量,通信系统的安全稳定性以及运行效率都进一步提高。


此外,如今的光纤的纤芯外有对应的保护层能够使光纤的绝缘性能、耐腐蚀性得到提升,同时还能使其避免受到电磁问题的影响,所以光纤能够架空铺设,即使与高压电线平行铺设也不会受到影响。


(光纤通信流程)


光纤通信的巨大优势,加上人们及时开发出了适用于长波长的光源、激光器、发光管、光检测器设备,以及光纤通信配套的调制解调器、光发射机、光接收器等设备,让长距离的光纤通信迅速普及。


二、一根高质量的光纤是如何造出来的?


生活中用到的光缆其实是由多根光纤放在一个大保护套内构成的,保护套内还会增设金属加强芯以提高光缆的抗拉性,便于光缆的工程铺设。


而其实,每根光纤也会有对应的一层保护套,保护套内是一层由环氧树脂或硅胶涂敷而成的保护层,起到防止光纤内部被划伤或被有害物质侵蚀的作用,同时也增强了光纤的机械性能。


(光纤与各类光缆截面示意图)


层层保护之内才是对光信号的传播起决定性作用的纤芯与包层,其材料是二氧化硅。


纤芯和包层作为光纤的主体,其制作过程是光纤生产的核心,主要包括:预制棒制备、光纤拉丝和测试三个过程。虽然人为的按功能把一根裸光纤分为纤芯和包层两部分,但是实际上光纤一经拉丝就直接形成了这两个部分,二者是不可分离的,所以预制棒是光缆生产的最“源头”项目,直接决定了光纤质量的好坏。


预制棒的制作工艺方法很多,以可以一步成型预制棒的化学气相沉积法为例:首先在一根石英管内沉积内包层,以超纯氧气或氩气作为载运气体,将SiCl4和掺杂剂(CF2Cl2)导入管中,旋转玻璃管,并用高温氢氧火焰加热石英管外壁,火焰以一定速度左右往复地移动,每移动一次,就会在管内壁上沉积一层透明的SiO2-SiF4玻璃薄膜,未反应原料、废气从管的另一端排出,如此往复在管内形成一定厚度的SiO2-SiF4玻璃层,便作为光纤预制棒的内包层。


沉积芯层过程也是类似,只是改用高折射率材料(GeCl4)作掺杂剂,氢氧火焰经过的地方,就会在内包层SiO2-SiF4玻璃内形成一层均匀透明的氧化物SiO2-GeO2玻璃。


芯层沉积完成后,以更高的火焰温度,让石英管与沉积的玻璃熔缩成一体的预制棒。


(化学气相沉积方法示意图)


预制棒冷却之后,经过必要的质量检测,就可以放入光纤拉丝塔,进行拉丝。拉丝塔中的高温使预制棒软化,受重力作用在预制棒底部形成“液滴”,顺拉丝塔往下,经由拉丝轮卷绕而拉成细长的光纤。


拉丝过程中还会为拉好的光纤涂敷一层前面提到的树脂保护层,并及时固化树脂,避免相互黏附。成型的光纤经抗拉强度、折射率、光纤结构、衰减、信息承载能力等必要测试以后就可以出厂了。


(简易的拉丝塔结构示意图)


三、中国的光纤产量有多大?一家企业的年产量就能绕地球近900圈


光纤作为光信号的传输介质,需要严格控制光信号在光纤中传输的功率衰减(损耗),以及光波长在到达输出端的展宽(色散)。光纤的质量与预制棒有关,预制棒制备除了对工艺要求严格外,还需要保证原材料的纯度,制备过程不仅需要一整套精密的生产设备和控制系统,同时整个制造过程须在净化恒温的环境中进行。而生产所需原料,比如重点气体(氧气、氩气)的纯度应为6个9(99.9999%)以上、四氯化硅(SiCl4)、四氯化锗(GeCl4)等液态原料的纯度则要更高。


中国的光纤生产从模仿开始,最早的条件并不能满足上述的生产要求,采用土法上马的研发过程,使得中国第一根具有实用价值的光纤在1979年才研制成功。


近年来,中国大力发展光纤产业综合实力,目前已具相当规模,光纤光缆、光电器件、光端机及其他工程应用方面的配套仪表器件都能自行生产,光纤预制棒等原材料早已摆脱进口限制,基本上满足自给需求,一家光纤生产企业产出的光纤拉丝就高达3500万公里以上,这长度相当于绕地球近900圈。



将预制棒拉丝成光纤决定了光纤的产量,而拉丝塔又是光纤预制棒拉丝的生产设备。


(光纤预制棒)


中国已经能制出全世界最大的200毫米直径的预制棒,而预制棒做得越大,要求用到的拉丝塔的尺寸也就越高,而反过来讲,超高的拉丝塔又能够进一步降低光纤的生产成本。对于拉丝塔,中国已经有塔高达31米的拉丝塔的完全自主知识产权,远超进口的18米拉丝塔。


除此之外,中国在拉丝工序的紫外固化环节所用到的紫外固化设备使用寿命、成本等方面也有极大优势。


结语


小小的一根光纤,如今已经彻底地改变了人类的生活,也成就了如今高速的通信生活,而产能不断提高、效益不断凸显的光纤产业更为中国大力发展通信产业提供了巨大帮助。未来的5G通信,需要更多的光纤组网,光通信才会更加大放异彩。


本文来自微信公众号:网易新闻学院(ID:we_know_media),作者:鸿鹄,编辑:史文慧。

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