Glasvezel

Glasvezel, ook fiber genoemd, is een haardunne vezel van glas.

Glasvezel wordt onder meer toegepast als optische vezel in telecommunicatie, waarbij licht wordt gestuurd door lange vezels van optisch zeer helder glas om signalen betrouwbaar over grote afstanden te transporteren. Doordat het licht in de glasvezel een bijzonder kleine hoek met de buitenkant van de vezel maakt is reflectie gegarandeerd en blijft het licht in de vezel door interne reflectie.

Een andere toepassing van glasvezel is het verstevigen van allerlei kunststoffen. Zo wordt glasvezel onder meer toegepast in hengels, remblokken en ski's. Het materiaal dat zo ontstaat, wordt een composiet genoemd. Glasvezel in de vorm van glaswol wordt gebruikt als isolatiemateriaal. Ook is er glasvezelbehang.

Productieproces

Er zijn twee manieren om glasvezel te produceren. De vezel wordt gemaakt via een rechtstreeks smeltproces of via een indirect smeltproces. Daarnaast zijn er ook twee soorten eindproducten : een ononderbroken vezel (kan 12000 meter lang zijn) en een geniete vezel (een kortere vezel). In beide gevallen begint men met de grondstoffen in vaste aggregatietoestand. Men mengt de grondstoffen en smelt ze in een oven.

1. Indirect smeltproces: Het gesmolten materiaal wordt verdeeld, afgekoeld en verpakt (in bolletjes). Deze bolletjes worden naar de productiefaciliteit gebracht waar zij opnieuw gesmolten worden. Daarna gaat het gesmolten glas naar ringen (zogenaamde spindoppen) waar het tot vezels wordt getrokken.
2. Rechtstreeks smeltproces: Het gesmolten materiaal (glas) gaat onmiddellijk naar de spindoppen waar het tot vezels wordt getrokken.

Daarna zijn er twee soorten eindproducten, ofwel ononderbroken vezels (filament), die op spoelen worden gewonden, ofwel in een geniete vezel.

In het filamentproces wordt, nadat men de vezels heeft getrokken de lengte aangepast. Deze helpt om de vezels te beschermen wanneer ze op een spoel worden gewonden. De lengte is ook bepalend voor de doeleinden van de vezels.

Voor de geniete vezel zijn er een aantal mogelijkheden om de vezel te vervaardigen. Het glas kan geblazen worden met hitte of stoom. Veelal worden vezels gemaakt tot een soort mat. Voor deze productiemethode wordt het rotatieproces het meest gebruikt. Het glas wordt hierbij in een roterende spinner gebracht. Door de centrifugale krachten wordt het eruit geworpen. Luchtstralen duwen het verticaal neer waarna het bindmiddel eraan toegevoegd wordt.

Chemische structuur en eigenschappen

De basis van de glasvezels is kwarts (SiO₂). In zijn zuivere vorm bestaat het als polymeer (SiO₂)_n. Het heeft geen exact te bepalen smeltpunt maar wordt op 2000 °C zacht waarna het begint te degraderen. Bij 1713°C kunnen de meeste moleculen zich vrij bewegen. Als het glas daarna snel wordt afgekoeld, heeft het glas niet genoeg tijd om een geordende structuur te vormen. In het polymeer vormen de SiO₄-moleculen 4 groepen die zich schikken als een tetraëder met het siliciumatoom in het centrum en de vier zuurstof atomen op de hoeken.

Deze atomen vormen daarna een rooster met gedeelde zuurstofatomen. De glas- en kristallijne toestanden van het kiezelzuur hebben gelijke energieniveaus op een moleculaire basis, met andere woorden het is uiterst stabiel. Om de kristallisatie te bevorderen moet het voor langere tijd blootgesteld worden aan temperaturen van boven de 1200°C.

Hoewel zuiver kiezelzuur haalbaar is, moet er toch bij zeer hoge temperaturen gewerkt worden. Daarom wordt doorgaans de benodigde temperatuur verlaagd door onzuiverheden (in de vorm van andere materialen) in het glas te introduceren. Deze materialen kunnen dan ook verscheidene andere eigenschappen aan het glas geven die in verschillende toepassingen nuttig kunnen blijken. Zuiver kiezelzuur wordt alleen gebruikt als de specifieke eigenschappen hiervan nodig zijn.

Eigenschappen

• Glasvezels zijn slechte warmte- en elektriciteitgeleiders.
• De treksterkten zijn echter zeer hoog, zelfs hoger dan van de kunststofvezels zoals nylon- en polypropeen.
• Glasvezels zijn onbrandbaar en de treksterkte blijft behouden tot ruim 300 °C, hoe hoger de temperaturen hoe sneller de sterkte achteruit gaat.
• In water lopen de vezels door het zeer grote oppervlak in de loop der tijd uit.
• Normaal is glas erg broos, maar wanneer het gesmolten is en er dunne draden van getrokken worden (zoals glasvezel) dan is het sterk en buigzaam.
• Er kan geen vermogen getransporteerd worden.
• Korte bochten zijn uit den boze.
• Volledig ongevoelig voor storing van buitenaf (interferentie) zoals door EM-energie.

Dispersie

Tijdens transport van licht over de glasvezel wordt het lichtsignaal vervormd, enerzijds vanwege vervuiling (tijdens de fabricage) in de glasvezel, anderzijds vanwege de fysieke eigenschappen.

Met een Fouriertransformatie is eenvoudig aan te tonen dat een lichtpuls met een bepaalde golflengte is opgebouwd uit verschillende frequenties. Elke van deze frequenties heeft door de aard van het materiaal een andere snelheid in de glasvezel en komt dus eerder of later aan op de eindbestemming. Een overgestuurde lichtpuls wordt breder totdat de ene puls overloopt in de andere puls, zodat beide pulsen niet meer te onderscheiden zijn. Dit wordt ook wel dispersie of pulsverbreding genoemd. Dit effect wordt nogmaals versterkt doordat de kleur aan de binnenkant van de glasvezel wordt gereflecteerd (spiegeleffect) waardoor een prisma-effect ontstaat op de golflengte van het lichtsignaal.

Deze effecten zijn tegen te gaan door:

• Dunnere glasvezel te gebruiken, de zogenaamde monomode (=SingleMode) glasvezel: de golf gaat recht door de glasvezel en er ontstaan minder reflecties.
• Licht te versturen dat uit slechts één golflengte bestaat: monochromatisch licht.

In glasvezel kan dispersie volledig worden tenietgedaan door gebruik te maken van solitonen. Wanneer de lichtpuls een voldoend hoog vermogen heeft, treden er niet-lineaire effecten op. Deze hebben een effect tegengesteld aan de dispersie. Wanneer de twee effecten elkaar juist opheffen, verandert de lichtpuls niet van vorm en propageert hij zonder te veranderen. Voor optische communicatie over lange afstand wordt dit principe al gebruikt.

Soorten

Glasvezels kunnen worden onderverdeeld in twee groepen: Multimode (meergolvige) lichtgeleiders en singlemode- (enkelgolvige) lichtgeleiders. Deze onderverdeling wordt niet gemaakt op grond van de eigenschappen van de vezel zelf maar vanwege verschillen in de golflengte. Wanneer een golflengte klein genoeg wordt gekozen, zal de singlemode vezel over gaan naar een meergolvig gedrag.

Multimode glasvezelglasvezels zijn voor gebruik van gemiddelde tot snelle gegevensoverdracht over redelijke afstanden. Deze vezeltypen beschikken over een kerndoorsnede van 50 of 62,5 micrometer met een mantel van 125 micrometer. De signaaloverdracht bij deze vezels vindt plaats bij een golflengte van 850 en/of 1310 nanometer.

Singlemode glasvezelglasvezels onderscheiden zich ten opzichte van multimode lichtgeleiders met name doordat zij geschikt zijn voor gebruik van zeer snelle en hoge capaciteitsoverdracht over grote afstanden. Deze vezeltypen hebben een kerndoorsnede van 8-10 micrometer voor de gebruikelijke vezeltypen met een mantel van 125 micrometer. De signaaloverdracht bij deze vezels vindt plaats bij een golflengte van 1310 en/of 1550 nanometer.

Lassen

Het fusielassen van glasvezel gebeurt veelal in het verbinden van bestaande en nieuwe netwerken. De glasvezeluiteinden worden verhit met een vlamboog, totdat zij aan elkaar vastsmelten en er aldus een correcte glasvezelverbinding ontstaat. De lassen worden vaak direct gecontroleerd op licht. Dit wil zeggen dat er een lichtsignaal door de glasvezelkabel van de ene kant naar de andere wordt gestuurd. Hierbij wordt gemeten of er licht met voldoende strekte uit de glasvezelkabel komt. Bij voldoende signaal is de verbinding in orde en kan er gewerkt worden aan de volgende verbinding. Ook kan een OTDR, een Optische tijddomein reflectometer worden gebruikt om de glasvezel door te meten.

Er zijn verschillende problemen die tijdens het lassen van glasvezels naar voren komen. De temperatuur is een van de belangrijkste voorwaarden tijdens het lassen. Vocht kan een factor zijn die het glasvezellassen negatief beïnvloedt.

Zie ook

• Fusielassen
• Glasvezelaansluiting
• Hybrid fibre-coaxial
• Optische tijddomein reflectometer

  Zie ook de categorie met mediabestanden in verband met Optical fibers op Wikimedia Commons.