Come si produce la fibra ottica: preforme, trafilatura, rivestimento, prova di carico

Una fibra per telecomunicazioni è un filo di vetro di 125 µm di diametro, trafilato da una preforma delle dimensioni di una mazza da baseball a decine di metri al secondo, rivestito in una frazione di secondo e sottoposto a una deformazione dell’1 % lungo tutta la sua lunghezza prima di essere venduto. Il percorso di fabbricazione spiega la maggior parte dei numeri che un ingegnere incontra in seguito: perché il diametro di campo modale è specificato a ±0,4 µm, perché le giunzioni tra produttori diversi perdono un po’ di più, perché la deformazione di installazione è limitata a una frazione della prova di trazione, perché la fibra moderna è sicura nei confronti dell’idrogeno e perché le fibre da 200 µm richiedono impostazioni diverse della giuntatrice. Questa pagina segue il processo dai prodotti chimici grezzi fino alla bobina e termina con ciò che questo significa sul campo.

Materiali

Materiale	Funzione
SiCl₄ (tetracloruro di silicio)	fonte di silice ultrapura; ossidato o idrolizzato in una fiamma o in un forno fino a fuliggine di SiO₂
GeCl₄ → GeO₂	aumenta l’indice di rifrazione: il drogante del nucleo in quasi tutte le fibre per telecomunicazioni; aumenta leggermente la diffusione di Rayleigh
Fluoro (SiF₄, C₂F₆, SF₆)	riduce l’indice: mantelli depressi, la trincea della fibra G.657 insensibile alle curvature, il mantello delle fibre a nucleo di silice pura
POCl₃ → P₂O₅	riduce la viscosità, usato nei mantelli MCVD; rende il vetro sensibile all’idrogeno: un motivo per cui le fibre vecchie invecchiano male
Al₂O₃, Er, Yb, Tm	fibre attive per amplificatori e laser, aggiunte per drogaggio in soluzione della fuliggine porosa
Cl₂ e He	essiccazione e consolidamento: il cloro rimuove l’OH fino a meno di 1 ppb (basso picco d’acqua), l’elio spurga il corpo poroso
Acrilati reticolabili con UV	rivestimento doppio: una primaria morbida (modulo ~1 MPa) attutisce il vetro, una secondaria dura (~1 GPa) lo protegge
Inchiostri colorati, matrice del nastro	identificazione (12 colori) e assemblaggio del nastro

Processi di preforma

Processo	Come funziona	Chi lo usa	Punti di forza
MCVD (deposizione chimica da vapore modificata, Bell Labs 1974)	i vapori scorrono dentro un tubo di silice rotante riscaldato da una torcia esterna; la fuliggine si deposita strato dopo strato (prima il mantello, poi il nucleo); il tubo viene collassato in una bacchetta solida	la maggior parte dei produttori, tutti i produttori di fibre speciali	flessibile: fibre drogate con erbio, a mantenimento di polarizzazione, compensatrici di dispersione; dimensione di preforma moderata
PCVD (CVD attivata al plasma)	come il MCVD, ma un plasma a microonde sostituisce la torcia; migliaia di strati molto sottili	produttori di multimodale a indice graduale	profili di indice precisi: OM3/OM4/OM5
OVD (deposizione da vapore esterna)	la fuliggine da una fiamma si deposita su una bacchetta bersaglio rotante, prima gli strati del nucleo; la bacchetta viene rimossa, il corpo poroso viene essiccato in Cl₂ e sinterizzato fino a vetro trasparente	produzione di grande volume di monomodale e multimodale	OH molto basso, preforme grandi, nucleo e mantello in un solo processo
VAD (deposizione assiale in fase vapore)	la fuliggine cresce sull’estremità di una bacchetta rotante che viene tirata verso l’alto; processo continuo	produzione di grande volume di monomodale	preforme molto lunghe, OH basso, alta produttività
Sovramantellatura (RIC: bacchetta in cilindro; sovramantellatura con fuliggine; inguainamento)	la bacchetta del nucleo, che porta l’intero profilo di indice, viene circondata da silice sintetica economica: un cilindro fuso durante la trafilatura, oppure fuliggine aggiuntiva	tutti	il vetro drogato, costoso, è solo qualche punto percentuale del volume

Una preforma finita misura 100–200 mm di diametro e 1–3 m di lunghezza. Una preforma da 150 mm × 2 m viene trafilata in circa 2 500–3 000 km di fibra da 125 µm; le preforme moderne più grandi rendono oltre 5 000 km.

Trafilatura

Fase	Cosa succede	Valori
Forno	la punta della preforma si ammorbidisce in un forno a induzione di grafite o zirconia	1 900–2 100 °C
Strizione e trafilatura	un filo viene tirato dalla punta fusa; la velocità determina il diametro	20–40 m/s (1 200–2 500 m/min), le torri moderne più veloci
Controllo del diametro	un calibro laser misura la fibra nuda e retroagisce sulla velocità dell’argano	125 ± 0,7 µm specificato, ±0,1 µm ottenuto
Raffreddamento	un tubo pieno di elio raffredda il vetro quanto basta per essere rivestito	qualche centinaio di °C in meno di un metro
Rivestimento primario	acrilato morbido applicato attraverso una trafila pressurizzata, reticolato con lampade UV	fino a ~190 µm
Rivestimento secondario	acrilato duro, reticolato	245 ± 10 µm standard; 200 ± 10 µm per cavi ad alta densità
Torsione	la fibra viene torta alternativamente in senso orario e antiorario durante la trafilatura, mescolando gli assi di birifrangenza	coefficiente di PMD < 0,1 ps/√km invece di 0,5–2 ps/√km sulla fibra degli anni 1980
Argano e avvolgimento	avvolgimento a tensione controllata su bobine	25–50 km per bobina; le torri sono alte 20–40 m

La colorazione aggiunge uno strato di inchiostro (o un secondario colorato); i nastri uniscono 4–12 fibre colorate in una matrice, i nastri arrotolabili le uniscono in modo intermittente così possono essere arrotolati in un tubo.

Prova di trazione e controllo qualità

Prova	Metodo (IEC 60793-1-xx)	Specifica per G.652.D
Prova di trazione	ogni metro passa attraverso una tensione di 0,69 GPa (100 kpsi, ≈ 1 % di deformazione) per ≥ 1 s (parte 1-30); fibre submarine e speciali 1,38 GPa	qualsiasi difetto che si romperebbe sotto quella sollecitazione si rompe qui, non nel terreno
Geometria	diametro del mantello, non circolarità, concentricità nucleo-mantello (parte 1-20)	125 ± 0,7 µm; ≤ 1 %; ≤ 0,6 µm: da questo dipende l’allineamento di connettori e giunzioni
Attenuazione	cutback (parte 1-40) a 1310/1550/1625 nm più una scansione spettrale; OTDR su ogni bobina per uniformità e difetti puntuali	≤ 0,35 / 0,21 / 0,23 dB/km tipico; difetti puntuali ≤ 0,05 dB
Diametro di campo modale	scansione in campo lontano (parte 1-45)	9,2 ± 0,4 µm a 1310 nm
Lunghezza d’onda di cutoff	parte 1-44	cutoff in cavo ≤ 1 260 nm
Dispersione cromatica	sfasamento (parte 1-42)	λ₀ = 1 300–1 324 nm, pendenza ≤ 0,092 ps/(nm²·km)
PMD	parte 1-48	valore di progetto del collegamento ≤ 0,20 ps/√km
Perdita per macrocurvatura	parte 1-47	≤ 0,1 dB per 100 spire a raggio di 30 mm (1625 nm)
Rivestimento	forza di spellatura 1,3–8,9 N (parte 1-32), geometria del rivestimento, curvatura residua	spellatura uniforme sul campo
Invecchiamento da idrogeno	IEC 60793-2-50	incremento ≤ 0,01 dB/km dopo l’esposizione: la fibra moderna è sicura nei confronti dell’idrogeno

Ogni bobina viene spedita con una scheda tecnica dei valori misurati. I produttori di cavi mantengono la corrispondenza bobina → cavo → numero di fibra; richiedi quelle schede tecniche di fibra durante il collaudo di accettazione: sono la prima base di riferimento del tuo impianto (Documentazione ed etichettatura).

Fibre speciali e cosa cambia nella loro fabbricazione

Fibra	Differenza di fabbricazione	Uso
G.657 insensibile alle curvature	un anello a trincea drogato con fluoro depositato attorno al nucleo (MCVD/PCVD oppure OVD)	FTTH, pannelli ad alta densità, cavi da 200 µm
Multimodale a indice graduale OM3–OM5	migliaia di strati con un profilo di indice parabolico (α ≈ 2); ritardo di modo differenziale misurato su ogni preforma	collegamenti VCSEL a corto raggio
Drogata con erbio (EDF)	fuliggine porosa del nucleo impregnata in soluzione di Er/Al prima della sinterizzazione; lunghezze corte (metri) per amplificatore	EDFA
A mantenimento di polarizzazione (PANDA, bow-tie)	fori praticati nella preforma e bacchette di tensionamento drogate con boro inserite, oppure regioni di tensionamento sagomate	internamente nei ricetrasmettitori coerenti, sensori, combinatori di pompa
Compensatrice di dispersione (DCF)	nucleo piccolo con un grande salto di indice che dà una dispersione negativa elevata	compensazione ereditata per 10G/40G
G.654 a nucleo di silice pura	nucleo non drogato, mantello drogato con fluoro; varianti ad area efficace grande (G.654.E)	submarina e coerente a lunga distanza: 0,15–0,17 dB/km
A nucleo cavo (NANF e affini)	impilamento e trafilatura di capillari di silice che formano un nucleo d’aria; la luce viaggia 1,46 × più veloce e quasi senza non linearità	collegamenti critici per la latenza, ricerca; perdite sotto 0,2 dB/km riportate negli anni 2020
Multinucleo	4–7 nuclei in un mantello da 125–200 µm, trafilati da una preforma impilata	multiplexing a divisione spaziale, sistemi submarini dagli anni 2020
Resistente alle radiazioni	nucleo e mantello drogati con fluoro, senza germanio	nucleare, spazio, acceleratori
Rivestita in carbonio o metallo	strato ermetico di carbonio applicato nella torre di trafilatura prima dell’acrilato	petrolio e gas, ambienti ricchi di idrogeno e ad alta temperatura

Perché interessa a un ingegnere di rete

Fatto di fabbricazione	Conseguenza sul campo
MFD specificato a ±0,4 µm	le giunzioni tra fibre di produttori o epoche diverse possono perdere 0,02–0,05 dB in più; guadagni e perdite apparenti sull’OTDR (Giunzione e terminazione)
Prova di trazione all’1 % di deformazione	la deformazione installata a lungo termine è limitata al 20 % della prova (0,2 %), l’installazione al 60 % (Affidabilità e invecchiamento)
Concentricità ≤ 0,6 µm	la perdita del connettore è dominata dalla ferula e dalla lucidatura, non dal vetro
Torsione dalla fine degli anni 1990	il 100G coerente funziona su qualsiasi fibra prodotta dopo il 2000 circa; la fibra precedente al 1995 richiede una prova di PMD (Caratterizzazione della fibra)
Essiccazione a basso OH	il picco d’acqua a 1383 nm è scomparso: la banda E CWDM e il monitoraggio a 1625/1650 nm sono utilizzabili (Attenuazione e finestre)
Rivestimento da 200 µm	cavi più piccoli, ma i supporti, le impostazioni della spellatrice e i morsetti della troncatrice devono corrispondere; la giunzione mista 200/250 µm richiede i supporti giusti
Attenuazione in cavo > attenuazione della fibra	progetta con il valore in cavo dalla scheda tecnica del cavo, non con il valore della fibra (Costruzione del cavo)
Nastri	giuntatrici a fusione di massa, 12 fibre per giunzione; identificazione per posizione nel nastro

In CodingBox

Un ricetrasmettitore non sa nulla di come è stata prodotta la fibra, ma le sue lunghezze nominali per SMF, OM3 e OM4 presuppongono una fibra realizzata secondo queste tolleranze: G.652.D o il grado OM dichiarato. CodingBox mostra quei campi di lunghezza; su fibra non comune (G.654, G.653, a nucleo cavo) le distanze nominali non si applicano e il bilancio di potenza deve essere costruito a partire dalla scheda tecnica della fibra stessa (Check transceiver, Tipi di fibra).

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