Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Изготовление оптического волокна.
Электроспиннинг (еlectrospinning) предусматривает помещение в электрическое поле растворенную в специальном составе струю полимера. Как только растворитель испаряется, электрические силы связывают отдельные молекулы полимера в микроволокна длиной от 10 до 30 сантиметров. Под действием высокого напряжения (High Voltage power supply) между корпусом резервуара с раствором (Solution) и поверхностью (Collector) формируется струя (Electrospinning Jet).
Рис. Установка электроспининга.
Однако волокна получаются спутанными и нерегулярными по своей структуре. Происходит „скручивание“ полимеров. Чтобы устранить этот недостаток, используется электроспининг близкого поля (near-field electrospinning process). Процесс получил такое название, поскольку расстояние между коллектором фибры и эмиттером полимеров было сокращено. С помощью электроспининга близкого поля получили матрицу упорядоченных нановолокон диаметром от 50 до 500 нм. Напряжение, необходимое для электроспининга, удалось сократить с 30000 В до 600 В. Так как расстояние «пробега» уменьшили, полимеры испытывали ту же самую величину действия электрической силы, что и на 30 см. Исследователи также сократили путь, который проходят молекулы полимеров, от 10 и 30 см до 1 и 3 мм. В результате удалось предотвратить «спутывание» волокон.
Кварц.
|
Оптические волокна, используемые в ВОЛС, изготавливают главным образом из плавленого кварца (SiO2). Достоинство его перед другими оптически прозрачными диэлектриками - минимальное затухание оптических сигналов. Технологический процесс производства крайне сложен, разрабатывался на протяжении многих лет и происходит в два этапа: изготовление заготовки и вытягивание волокна. Заготовка представляет собой стержень из кварцевого стекла, имеющий тот же профиль показателя преломления, что и получаемое из него ОВ. Диаметр стержня составляет 15...20 мм, а длина - от одного до нескольких метров. Из одной заготовки можно получить 50...200 км волокна с диаметром 125 мкм. При изготовлении заготовок обычно используют метод парофазного осаждения. В основе метода лежит реакция окисления высокочистых газовых компонентов (например, SiCl4, GeCl4), в результате которой образуются SiO2 и GeO2. В зависимости от того, где образуются частицы стекла - на внешней поверхности несущего керамического стержня или на внутренней поверхности кварцевой исходной трубки - различают методы внешнего и внутреннего (осевого) парофазного осаждения. Основные этапы производства заготовок методом внешнего парофазного осаждения представлены на рис. 3.5. В горелку наподобие бунзеновской вместе с горючим газом подают смесь хлоридов и чистого кислорода. В жарком пламени горелки (до 1600 °С) кремний и кислород воссоединяются и рождаются мелкие порошкообразные частицы высокочистого кварцевого стекла (SiO2), а «отделившийся» в самостоятельный газ хлор улетучивается через вытяжной колпак. Поток частиц кварцевого стекла направляется на вращающийся и перемещающийся на расстояние 15 см относительно горелки керамический стержень малого диаметра. Изменением концентрации газовых добавок (GeCI4 и др.) можно изменять показатель преломления от слоя к слою и получить необходимый профиль показателя преломления заготовки.
За 1 мин на стержне осаждается 0,5-1,0 г стекла. После того как толщина слоя стекла достигает нужного размера, процесс останавливают и стеклянную заготовку снимают с затравочного стержня. Получается стеклянная трубка, а нужна сплошная цилиндрическая заготовка. Как быть? Что делать дальше? Следующая стадия процесса состоит в нагревании трубчатой заготовки пламенем приблизительно до 1900 °С. За счет сил поверхностного натяжения, возникающих в размягченной трубке, происходит схлопывание (есть такой специальный термин) трубчатого цилиндра в сплошной. Полученную стеклянную заготовку вытягивают в тонкое оптическое волокно. Метод внешнего парофазного осаждения отличается высокой производительностью и получил наибольшее распространение на практике. Однако его существенным недостатком является повышенное содержание ионов ОН- в заготовке, что приводит к возрастанию потерь в ОВ. ОВ, практически не содержащие побочных примесей, получают из заготовок, образованных методом внутреннего парофазного осаждения (рис. 3.6). |
|
В кварцевую трубку, из которой в дальнейшем образуется оболочка ОВ, вводится смесь необходимых газов (SiCI4, O2 и добавки). Газовая горелка, находящаяся снаружи, нагревает трубку до температуры, необходимой для окисления в газовой фазе. Трубка вращается, а горелка перемещается относительно трубки. Реакция окисления происходит внутри трубки, что вызывает осаждение частиц стекла на ее внутренней поверхности. После того как толщина слоя достигает требуемого размера, процесс парофазного осаждения прекращается. Затем трубчатая заготовка разогревается в печи до размягчения и под действием сил поверхностного натяжения превращается в сплошной стержень. Осаждение стекла на внутренней поверхности трубки практически исключает загрязнение извне. Кроме того, реакция окисления происходит в отсутствие водородосодержащих компонентов (например, горючего газа), благодаря чему концентрация ионов ОН-очень мала. Однако внутреннее осаждение существенно замедляет процесс изготовления заготовки и ограничивает ее длину. |
Легированное волокно
Одной из возможностей оптического усиления является применение принципа эрбиевого- (или иттербиевого-) легирования оптического волокна для длин волн 1,53-1,61 мкм лазерных усилителей (EDFA - Erbium Doped Fibre Amplifier, усилитель на волокне легированном эрбием). Используется метод многоточечного возбуждения активной среды в оптическом волокне с двойной оболочкой (DC). Возбудитель подключен к области многомодовой внутренней оболочки большого диаметра (не только в области одномодового волокна), тем самым мощность лазерного диода большой площади излучения и низкой интенсивности излучения используется для возбуждения. Сам сигнал передается по центральному одномодовому волокну.
Принцип метода показан на рис.1. Основная проблема этого метода заключается в том, что возбудитель и сигнал связаны с активным слоем.
Поляризованное оптическое волокно предназначено для специальных применений, таких как PDM компенсаторы, когерентные передатчики, тестирование оборудования. Они также могут быть использованы в области метрологии, гироскопов, индикаторов доплеровской скорости.
Одномодовые волокна этого типа поставляются в бухтах или уже снабженные разъемами. Форма сечения волокна "PANDA" с силовыми элементами, а также индикатором поляризации приведена на рис.2. Ось X является так называемой быстрой осью, ось Y является медленной осью. Так называемое телекоммуникационное поляризованное волокно, которое специально предназначено для мультиплексирования поляризации лазерного возбуждения EDFA, сегодня доступно на рынке.
Рис.1. Принцип возбуждения в легированных оптических волокнах, используя расплавленный элемент соединения волокна
Рис.2. Поляризация
Рис.3. Микроструктурное оптическое волокно
Микроструктурное оптическое волокно (MOF) принесет новые революционные изменения в проектирование волокон. Теоретические знания были получены с помощью вычислений, а современные технологии сделали возможным производство этих волокон с различными замечательными свойствами. Эти новые оптические волокна позволяют, например, создавать положительную дисперсию волновода в одномодовых волокнах. Применяются для датчиков, интерферометров, а также для сокращения поляризационной дисперсии.
Конструкция реализована в виде 2D фотонного кристалла, который формируется периодическим размещением отверстий воздуха (вместо воздуха могут быть использованы газ или жидкий полимер), вытянутых вдоль длины оптического волокна. Используется, как правило, шестиугольная структура с круглыми отверстиями. Количество, тип, размеры отверстий, расстояния между их центрами выбираются в зависимости от применения данного MOF. Внешняя оболочка оптического волокна из чистого Si02. MOF имеет тот же наружный диаметр, что и обычные оптические волокна, т.е. 125 мкм.
Рис.3 показывает оптическое волокно (после увеличения) и технологию его изготовления с помощью преформ, когда заготовка сама получается слиянием стеклянных трубок вокруг ядра.
Волокна этого типа производятся и поставляются в различных модификациях для специальных применений. В основном они относятся к группе фотонных кристаллических волокон (PCF). Есть также такие обозначения, как дырявое волокно (HF), PCF с твердым ядром, и другие, в зависимости от их свойств.
Давайте теперь вернемся к первоначальному обозначению MOF. В зависимости от используемой технологии, микроструктурное оптическое волокно может быть изготовлено со специальными свойствами дисперсии. Таким образом можно получить ультра плоские дисперсионные характеристики (рис.4).
Рис.4. MOF с ультра плоской дисперсионной характеристикой
Высоко нелинейные микроструктурные оптические волокна могут быть использованы для оптической коммутации или регенерации импульса. MOF решетки, также называемые решетками Брэгга, которые используются в волновых мультиплексорах, чтобы вывести один канал из передаваемого спектра. Они подходят для датчика приложений, для выравнивания усиления в усилителях на волокне, легированном эрбием, а также для компенсации дисперсии.
MOF с двойным ядром, где свет связан с одним из ядер, в то время как другое ядро связано с обычным волокном; мощность можно передать на выходе в поток от одного ядра в другое, с минимумами и максимумами, входящими в передаточную функцию. Они используются в волоконно-оптических фильтрах и датчиках.
Эта проблема находится в стадии исследования: исследуются новые структуры, технологии производства и методы сплайсинга оптических волокон, а также пути сокращения расходов в области транспортных (дальних) сетей, которые, в настоящее время, очень дорогостоящие.
Иная ситуация возникает в области передачи на короткие расстояния, до 50 м.
Пластиковое оптическое волокно (POF) приносит много преимуществ для этого типа передачи. Простое подключение волокна к разъему преобразователя. Достаточно срезать волокно ножом, как нужно, и "обжать" его. Системы работают в области видимого излучения - состояние может быть немедленно проверено. По сравнению со "стеклянной" оптикой, затраты очень низки.
Некоторые компании уже предлагают такие продукты для внутренней передачи.
Тенденции в развитии приходят к доставке волокна в дом (FTTH) и реализации дальнейших PC, TV и других соединений посредством пластиковых оптических волокон (POF).
3.2. Изготовление оптических волокон
3.2.1. Общие положения
Волокна обычно изготавливаются в ходе нескольких технологических операций, чтобы целенаправленно оптимизировать их механические, геометрические и оптические характеристики. Такая технология позволяет осуществлять быстро и экономично массовое производство, что является существенным фактором для современной техники связи, использующей волоконнооптические кабели.
Общая технологическая схема изготовления ОВ включает изготовление заготовок и вытяжку ОВ из этих заготовок. Заготовка представляет собой стеклянный стержень, состоящий из стекла сердцевины и стекла оболочки. Если рассматривать поперечное сечение такой заготовки, то в увеличенном масштабе видны геометрические размеры и профиль показателя преломления ОВ, который может быть сделан из заготовки. При сильном нагреве одного конца заготовка вытягивается в волокно, при этом одновременно наносится покрытие, являющееся его защитной оболочкой.
Изготовление кварцевых заготовок осуществляют различными технологическими методами:
• метод жидкой фазы;
• зольгель процесс;
• парофазная техника.
Метод жидкой фазы в основном используют для изготовления многокомпонентных ОВ с диаметром сердцевины 250 мкм и 400 мкм, числовой апертурой более 0,5 и коэффициентом затухания 3-20 дБ/км.
К методам жидкой фазы относят методы: тигля, слоистого расплава, двойного тигля, обменной диффузии, модифицированный метод обменной диффузии «фазил», ионного обмена.
Зольгель процесс производства оптических заготовок разрабатывался с 1977 г. Существуют два основных метода изготовления кварцевого гельстекла: гидролиз и полимеризация алкоголятов; превращение в гель золей, полученных из коллоидных оксидных дисперсий. С помощью зольгель процесса изготовляют опорные кварцевые трубы (ОКТ), сердцевину и оптическую оболочку.
Алкоголяты позволяют получать многокомпонентные гели и благодаря маленьким порам (2-7 нм), эти гели могут спекаться при температурах, значительно меньших, чем температуры, которые применяются при образовании стекла. Таким образом можно исключить проблему кристаллизации, так как спекание происходит при температуре значительно ниже той, при которой начинается образование центров кристаллизации и рост кристаллов. Однако сушка монолитных алкоголятных гелей представляется трудной задачей. Она может быть решена путем гиперкритической откачки воздуха из автоклава. Метод очень трудоемок, требует громоздкого оборудования и больших затрат.
Остановимся в основном на изготовлении заготовок методом парофазной техники. Он является наиболее распространенным для ОВ, применяемых в технике связи.
3.2.2. Технология изготовления опорных кварцевых труб
Опорные кварцевые трубы (ОКТ) являются важным исходным компонентом для изготовления кварцевых заготовок. Они изготовляются из различных видов сырья по одностадийной или двухстадийной технологии (Рисунок 5.6).
Рисунок 3.2 Перечень основных технологических операций производства опорных кварцевых труб
Одностадийный процесс обеспечивает наилучшие геометрические характеристики изготовляемых труб, но, как и процесс контактного двухстадийного формирования труб, не обеспечивает высокой прочности кварцевого стекла ОКТ ввиду его загрязнения частицами материала дорна установки контактного формирования трубы.
Наибольшее распространение получил двухстадийный процесс производства ОКТ из натурального стекла с использованием метода бесконтактного формирования трубы, имеющий достаточно высокие техникоэкономические показатели. Изготовленные на его основе ОКТ выпускают диаметром 8…24 мм с радиальной толщиной стенок 1…1,6 мм. Допуски на радиальную толщину стенки для лучших образцов ОКТ колеблются от ±0,2 до ±0,4 мм. Длина ОКТ может составлять 1…2,5 м. Допуск на радиальную толщину стенки в значительной степени определяет точность изготовления заготовки с заданным профилем показателя преломления заготовки.
3.2.3. Изготовление заготовок методами жидкой фазы
При изготовлении волоконных световодов методом «стержень в трубке» стержень из высокочистого кварцевого стекла в качестве сердцевины вдвигается в опорную кварцевую трубку с меньшим показателем преломления, служащую оболочкой. Размеры стержня и трубки таковы, что между ними практически не остается зазора. Однако при этом любые мельчайшие повреждения и примеси на их пограничной поверхности после вытяжки световода приводят к большому затуханию (от 500 до 1000 дБ/км) и, кроме того, этим методом можно изготавливать только многомодовые световоды со ступенчатым профилем показателя преломления. При другом методе стекло сердцевины и стекло оболочки приводятся одновременно в расплавленное состояние и световод вытягивается непосредственно из расплава. Такой метод называется методом двойного тигля или методом совмещенного расплава, так как стекло для сердцевины и для оболочки плавится раздельно в двух тиглях. В качестве стекла используются высокочистые типы многокомпонентных стекол, например щелочносвинцовосиликатное стекло и натрийборсиликатное стекло. За счет диффузии или ионного обмена между стеклом сердцевины и стеклом оболочки можно изготавливать волоконные световоды с градиентным профилем показателя преломления (метод Сельфок). Поскольку внутренние поверхности тиглей не могут быть абсолютно чистыми, в световод наряду с переходными металлами дополнительно попадают примеси, увеличивающие затухание (от 5 до 20 дБ/км при 850 нм). Этот метод используется для производства световодов с «толстой» сердцевиной (диаметр сердцевины >200 мкм). При методе разделения фаз стекла стержень из натрийборсиликатного стекла формируется при температуре 1 200 °С, а затем выдерживается в течение нескольких часов при t=600 °С. За это время происходит разделение натрийборатстеклофазы в матрицу SiO2-стекла. Переходные металлы, такие как Fe и Cu, собираются в натрийборатстеклофазе и могут быть выщелочены с помощью кислоты, так что получается пористая заготовка. Она пропитывается высокочистым солевым раствором, например, нитрата цезия, а затем промывается снаружи. Легирование цезием увеличивает показатель преломления внутри. Промытая зона становится оболочкой. С помощью этого метода могут производиться волоконные световоды со ступенчатым и градиентным профилями показателя преломления с затуханием от 10 до 50 дБ/км при длине волны 850 нм.
Используется еще один метод изготовления заготовки, когда стержень из коммерчески доступного кварцевого стекла используется лишь в качестве сердцевины, а во время вытягивания вокруг него накладывается оболочка из прозрачной пластмассы с низким показателем преломления. При этом достигаются величины затухания от 5 до 50 дБ/км.
Существуют также исключительно полимерные световоды, у которых сердцевина и оболочка изготавливаются из оптически чистых пластмасс с различными показателями преломления. У таких световодов затухание по результатам измерений составило от 100 до 400 дБ/км при длине волны 600 нм.
3.2.4. Изготовление заготовки методом осаждения стекла из паровой фазы
Прорыв в производстве волоконных световодов с крайне малым затуханием был достигнут только с помощью различных методов парофазного осаждения – способа, который впервые был использован в 1970 г. американской фирмой Corning Glass Works. При этом осаждение стекла может происходить на внутренней поверхности вращающейся ОКТ (метод внутреннего парофазного осаждения), на внешней поверхности вращающегося затравочного стержня (метод внешнего парофазного осаждения) или на торце поверхности стержня из кварцевого стекла (метод осевого парофазного осаждения).
Сравнительные данные, характеризующие технологические методы производства заготовок на базе осаждения стекла из паровой фазы, приведены в таблице (Таблица 5.3).
Таблица 3.2 Сравнительные характеристики различных технологических методов производства заготовок
|
Параметр |
Значение для |
||
|
MCVD (внутр) |
OVD (внеш) |
VAD (торц) |
|
|
Коэффициент затухания ООВ на λ=1,3 мкм, дБ/км |
0,40 |
0,35 |
0,4…0,45 |
|
Коэффициент градиентных МОВ на λ=1,3 мкм, дБ/км |
0,55 |
0,55 |
0,55 |
|
Коэффициент широкополосности на λ=1,3 мкм, МГц.км |
800…1800 |
800…1200 |
700…1200 |
|
Скорость осаждения частиц кремниевого диоксида, г/мин |
0,5…2,0 |
4 |
0,6…2,0 |
|
Минимально возможная длина ОВ из заготовки, км |
10…30 |
50 |
50 |
|
Число технологических операций при изготовлении заготовки |
1…2 |
3…4 |
4…5 |
Энергия, необходимая для осаждения стекла при методе внутреннего парофазного осаждения, может быть получена либо снаружи от кислородноводородной газовой горелки (модифицированный метод химического парофазного осаждения), либо изнутри от плазменного пламени (плазменный метод химического парофазного осаждения) (Рисунок 5.7). При этих методах осаждение стекла происходит за счет реакции разложения сильно летучих высокочистых соединений в кислородноводородном или плазменном пламени. В настоящее время в промышленном серийном производстве заготовки для много- и одномодовых световодов изготовляются этими методами. Так одномодовые ОВ имеют самое низкое затухание (0,2 дБ/км при длине волны 1550 нм) и малый коэффициент дисперсии (<3,5 пс/нм×км в диапазоне длин волн от 1290 до 1330 нм). С одной стороны, особое внимание уделяется выбору оптимальной скорости осаждения (т.е. количество осажденных порошкообразных частиц в минуту), которая обычно бывает в диапазоне от 1 до 5 г/мин. С другой стороны, желательно увеличение размера заготовки, с тем чтобы из одной заготовки можно было вытянуть световод длиной более 100 км. Рассмотрим более подробно производство кварцевого стекла методом осаждения. Оптическое волокно для передачи информации состоит главным образом из ультрачистого кремниевого диоксида (SiO2). Сердцевина волокна, по которой передается свет, состоит из кремниевого диоксида, легированного небольшим количеством германия для увеличения показателя преломления сердцевины. Если изготовитель хочет уменьшить показатель преломления оболочки, то SiO2 легируется фтором. Кремниевый диоксид поглощает мало света, что делает его наиболее подходящим материалом в изготовлении ультрачистого (ультрапрозрачного) стекла. Процесс производства ультрачистого кремниевого диоксида, легированного или нелегированного, относительно прост. Он осуществлятся осаждением чрезвычайно чистого, гомогенизированого, кремниевого диоксида из SiCI4 в паровой фазе.
Рисунок 3.3 Изготовление заготовок методами внутреннего парофазного осаждения: а – плазменный; б – MCVD методы
Естественный кремниевый диоксид, например, кварцевый или кварцевый минеральный песок, не может использоваться непосредственно для производства стекловолокна. Кварц и кварцевый минеральный песок содержат недопустимые количества металлических окисей, которые должны быть удалены. Для этого жидкий тетрахлорид кремния выпаривается. Кремниевый тетрахлорид производится из естественного кремниевого диоксида за счет уменьшения углерода и дальнейшей реакции с хлором (Рисунок 5.8). Частичная дистилляция гарантирует, что кремниевый тетрахлорид, который должен использоваться при производстве ОВ, ультрачист. Металлы в форме металлических хлоридов, например хлористое железо, остаются как отходы производства. Кремниевый тетрахлорид также имеет другие области применения, например, в производстве ультрачистого кремния для производства полупроводников.Рисунок 3.4 Блоксхема производства ультрачистого кремниевого диоксида из естественного кварца или кварцевых минеральных песков
Следующая стадия в изготовлении стекла для ОВ – это восстановление кремниевого диоксида из кремниевого тетрахлорида (Рисунок 5.9). Кремниевый диоксид осаждается из паровой фазы на подходящую заготовку. Кремниевый тетрахлорид может быть легирован добавками хлоридов, прежде всего германия (GeCl4), но иногда также фосфора (РОСl3). Хлорид или смесь хлоридов окисляются в газовом пламени или окислительном газе в результате термической реакции при температуре приблизительно 1 300 °С.
Реакции заставляют очень мелкие частицы порошка кремниевого диоксида конденсироваться из пара и оседать в соответствующей заготовке. Излишки воды в кремниевом диоксиде эффективно удаляются газом хлора, так как реакция воды и хлора формирует соляную кислоту, которая получается при температуре около 1 000 °С. Удаление воды (дегидратации) способствует улучшению передачи света через готовое стекловолокно. Пористый кремниевый диоксид затем спекается при повышенной температуре 1 200 °С и формируется в твердое, свободное от пузырьков воздуха стекло.Рисунок 3.5 Осаждение кремниевого диоксида при высокой температуре в ультра чистой кварцевой трубке при MCVD процессе
3.2.5. Модифицированный метод химического парофазного осаждения (MCVD)
Этот метод изготовления заготовок для производства волокон был сначала описан в работах Лаборатории Бэлла в 1974 г. Модифицированный метод химического, парофазного осаждения MCVD стал одним из наиболее испытанных и проверенных методов, используемых для изготовления волоконнооптических заготовок. Процесс прост, гибок и легок в производстве. Простота его выполнения наиболее подходит для научных исследований в области оптических волноводов. Крупномасштабное использование этого метода осуществлено фирмой Lucent Technologies в США и многими другими изготовителями США, Японии и Европы. Метод позволяет осуществить вариацию множества параметров, например, диаметра готового многомодового или одномодового стекловолокна, числовой апертуры (NA) и профиля показателя преломления. Эти параметры могут меняться в зависимости от количества пара кремниевого диоксида и примесей легирования, при этом весь процесс управляется и контролируется компьютерами.
При методе MCVD сверхчистый кремниевый диоксид (всегда легированный для сердцевины) осаждается на внутренней части стеклянной трубки, которая затем подвергается воздействию повышенной температуры (газовое пламя). В результате трубка приобретает форму твердого стеклянного стержня диаметром около 30-40 мм и длиной 1 000 мм, т.е. имеет готовый профиль стекловолокна. Этот процесс также включает вытягивание стержня (называемого заготовкой) в стекловолокно, которое является конечным изделием.
Процесс осаждения фазы основан на высоком температурном окислении SiCl4, и окислении легирующих примесей. Процесс занимает около восьми часов, в зависимости от размера заготовки. Этот процесс одинаков как для одномодовых так и многомодовых волокон. Процесс осаждения начинается с вымывания очень чистой, высококачественной ОКТ кремнезема в кислотной ванне, затем трубка фиксируется в токарноподобном устройстве, где вращается вокруг центральной оси. Кислородноводородная горелка перемещается в двух направлениях вдоль трубки, прогревает ее очень высокой температурой (Рисунок 5.7 б). Вводный конец трубки соединен через газонепроницаемый вращающийся соединитель с системой, подающей газы. Эта система включает газовый смеситель и компьютер, регулирующий управление потоком газов (контроллер расхода массы). Эта часть аппарата должна быть абсолютно герметичной, исключать попадание загрязняющих веществ из системы ввода и обеспечивать точную пропорцию подачи газов. Из другого конца трубки (выходного конца) удаляются лишние материалы.
В процессе осаждения точно контролируется количество химических компонентов, подаваемых в трубку с помощью подачи индивидуальных потоков газов (Аr, Не и О2). В области повышенной температуры, создаваемой непосредственно над горелкой, SiCl4 и легирующие примеси окисляются. При этом мелкая порошковая окись формируется из подаваемых газов по всей длине трубки. Когда тепловая энергия от горелки достигает осевшего порошка, под 73
действием тепла порошок плавится в свободный от пузырьков, твердый, прозрачный кремниевый диоксид (легированный или нелегированный). Горелка при достижении конца трубки меняет направление движения и быстро перемещается назад по трубке к начальной точке, чтобы образовать новый слой порошка. Разнообразные легирующие материалы, подаваемые в различных количествах в течение фазы осаждения, образуют сердцевину и оболочку. Различие профиля показателя преломления ОВ зависит от количества легирующих примесей. В этом методе доступ загрязняющих веществ всех видов снижен настолько, насколько это технически возможно – особенно загрязняющих веществ, содержащих водород. Загрязняющие вещества, содержащие водородные формы ОН в стекловолокне, приводят к серьезным увеличениям затухания в световодах.
Основное преимущество метода MCVD состоит в том, что структура ОВ и его свойства могут быть включены в заготовку и сохранены в готовом стекловолокне. Относительные габариты и индексная конфигурация заготовки задаются готовому волокну в течение процесса вытяжки.
После окончания процесса осаждения выполняется в несколько этапов сжатие трубки. Для этого повышается температура трубки при помощи газовой водороднокислородной горелки до 1 500–2 000 °С, при которой трубка медленно размягчается и свертывается в твердый стержень заготовки. Этот процесс является решающим для формирования заключительных геометрических свойств заготовки. Сжатие происходит, когда пламя горелки последовательно передается трубке.
Если газы, реагирующие внутри трубки, не содержат водорода, то при этом методе особого процесса сушки не требуется, так как, в общем, газ, сильно насыщенный водородом и используемый для нагрева, входит в контакт с трубкой только снаружи, другие факторы окружающей среды также не оказывают влияния.
Недостатком метода MCVD следует считать наличие большого температурного градиента между внутренней поверхностью ОКТ в месте реакции и наружной поверхностью.
3.2.6. Плазменный метод химического парофазного осаждения (PCVD)
Изготовление заготовок плазменным методом химического парофазного осаждения осуществляется, в основном, аналогично модифицированному методу химического парофазного осаждения. Различие заключается в технике реакции. Плазму получают путем возбуждения газа с помощью, например, микроволн (сверхвысокие частоты). При этом газ ионизируется, т.е. разлагается на свои носители электрических зарядов. При воссоединении этих носителей выделяется тепловая энергия, которая может быть использована для плавления материалов с высокой температурой точки плавления. Так, при плазменном методе галогениды вступают в реакцию с помощью плазмы низкого давления (давление газа примерно 10 мбар), и в результате соединения с кислородом образуется SiO2. Возникающие при этом порошкообразные частицы при температуре примерно 1 000 °С осаждаются в виде стеклянного слоя.
Поскольку плазменное пламя движется быстро вдоль трубки назад и вперед, то за счет перемещения резонатора можно изготовить более 1000 тонких слоев, благодаря чему можно повысить точность профиля показателя преломления.
Основным преимуществом метода является более низкая температура всего процесса осаждения, чем при методе MCVD. Точность изготовления профиля показателя преломления повышается.
3.2.7. Метод внешнего парофазного осаждения (OVD)
Метод внешнего парофазного осаждения более сложен, чем метод MCVD. Однако полный объем ОВ, изготовленных из заготовок, выполненных методом OVD больше, чем объем ОВ, изготовленных из заготовок, выполненных методом MCVD так же в крупномасштабном производстве этот метод более эффективен, чем метод MCVD. Сложность и всесторонняя патентная защита метода OVD привели к тому, что он используется исключительно фирмой Corning Glass Work. Производство заготовки методом OVD осуществляется двумя этапами.
Первый этап включает в себя осаждение порошка кремниевого диоксида с или без легирующих примесей (см. описание процесса MCVD) на тонком стержне. Горячий поток частиц кремниевого диоксида проходит по поверхности стержня, некоторые из них прилипают к стержню, вращающемуся вокруг своей оси вдоль горелки (Рисунок 5.10). Пористая заготовка создается слой за слоем. При этом некоторые частицы спекаются.Рисунок 3.6 Изготовление заготовки методом OVD
После осаждения достаточного количества стекла для сердцевины и оболочки, процесс останавливается, и начальный стержень становится заготовкой. В процессе изготовления заготовки кислород (О2) вместе с другими легирующими добавками, необходимыми для обеспечения нужного профиля показателя преломления, например с металлогалогенидами (SiCl4, GeCl4, BCl3, PCl3), подается в горелку и там преобразуются в соответствующие оксиды. Оксиды образуют малые порошкообразные частицы, которые осаждаются на вращающемся стержне. Если стержень также перемещается назад и вперед вдоль продольной оси, то получается слоистая пористая стеклянная заготовка. Каждый слой может легироваться по-разному, т.е. к основному материалу (SiO2) может быть добавлено определенное количество примеси. Для градиентных профилей показателя преломления легирование сердцевины с помощью GeO2 уменьшается от первого слоя к последующим непрерывно до тех пор, когда будет осаждаться SiO2 в чистом виде. Соответственно для ступенчатых профилей показателя преломления легирование сердцевины посредством GeO2 остается постоянным от слоя к слою.
Второй этап изготовления заготовки предусматривает процесс усадки пористого стержня. Пористая форма заготовки в управляемой печи нагревается сначала в среде газа хлора, а затем позонно нагревается до температуры 1 400-1 600 °С, при которой частицы кремниевого диоксида спекаются в твердый, свободный от пузырьков стеклянный стержень – заготовку (Рисунок 5.11). Пустоты из начального стержня в основном схлопываются в течение этого этапа, отверстие по центру заготовки тоже исчезает. Во время спекания заготовка постоянно омывается газообразным хлором с тем, чтобы удалить из стекла, по возможности, все следы воды, так как в противном случае следует ожидать больших величин затухания.
Рисунок 3.7 Усадка пористой заготовки
В целом описанные выше этапы метода OVD включают в себя пять основных последовательных циклов: очистка материалов, транспортировка реагирующих материалов к тепловой зоне, химическая реакция и формирование частиц, осаждение частицы на начальный стержень или заготовку с уже имеющимся напылением, дегидрация и спекание.
3.2.8. Метод осевого парофазного осаждения (VAD)
Этот метод, разработанный в Японии, является альтернативой методу OVD. При методе осевого парофазного осаждения порошкообразные частицы, образуемые с помощью кислородно-водородной горелки, осаждаются на торцевую поверхность вращающегося стержня из кварцевого стекла (Рисунок 5.12).
Рисунок 3.8 Принципиальная схема, показывающая VAD метод изготовления заготовок
Аксиальное осаждение частиц кремниевого диоксида при этом методе происходит не радиально как в OVD, что делает более трудным процесс изменения индексного ППП, но позволяет проще изготавливать более длинные заготовки. Производственная система состоит из механизма для осевого движения заготовки, вакуумной камеры, горелки, выпаривающего модуля для составляющих сырья и блока управления. Заготовка вытягивается медленно, вертикально вверх через производственное оборудование. Сырье (SiCl4, GeCl4, и POCl3) вводится таким же образом как в OVD; используется газовая водороднокислородная горелка и чрезвычайно мелкие стеклянные частицы, сформированные в процессе реакции теплового гидролиза. Эти частицы оседают на поверхности стержня с уже имеющимся напылением, который функционирует как основа для наращивания заготовки. Пористая заготовка наращивается вдоль оси стержня и увеличивается в направлении роста заготовки. При этом расстояние между горелкой и растущей в осевом направлении заготовкой должно оставаться постоянным. Можно также использовать несколько горелок одновременно, для того чтобы обеспечить требуемые показатели преломления сердцевины и оболочки. В зависимости от конструкции горелок и их расстояния от стержня, а также от температуры при осаждении можно изготавливать различные профили показателя преломления. Превращение в прозрачную заготовку (остеклование) осуществляется с помощью кольцеобразной печи по окончании осаждения. Для сушки, т.е. удаления остатков влаги, в процессе усадки заготовка омывается газообразным хлором.
Важными элементами процесса изготовления заготовки методом VAD являются: постоянный процесс роста; точный контроль над потоком сырья; точный контроль относительно выхода избыточных материалов; температура пламени; поверхностная температура зоны роста заготовки; скорость вращения заготовки; позиция зоны роста заготовки.
Вариации в позиции зоны роста дают флуктуации в индексной конфигурации готовой заготовки. Осевая скорость изготовления заготовки — приблизительно 40 – 60 мм/час.
Чтобы получить световод с более толстой оболочкой, можно после этого на заготовку надвинуть трубку из кварцевого стекла в соответствии с методом «стержень в трубке», используемую в качестве оболочки.
3.2.9. Вытяжка оптического волокна
Для вытяжки кварцевого ОВ применяют установку вертикального типа (Рисунок 5.13), которая состоит из каркаса 1, узла подачи заготовок 2, печи 3, системы измерения диаметра ОВ 4, узла нанесения ПЗП на ОВ 5, системы контроля концентричности ПЗП б, системы отверждения ПЗП 7, измерителя диаметра по ПЗП 8, тягового устройства 9, системы испытания ОВ на механическую прочность 10 – 12, компенсатора 13, приемного устройства 14, системы управления 15, систем газоснабжения, водоснабжения, освещения, вентиляции.
Каркас помещен на специальные резиновые амортизаторы, которые до минимума снижают вибрацию всей установки. Заготовки крепят в узле подачи заготовок с помощью зажима цангового типа.
Подачу заготовки осуществляют с помощью прецизионного винтового приспособления. Центрирование заготовки по оси X и Y происходит автоматически. Дополнительно предусмотрен ручной режим центрирования заготовки. Узел подачи заготовки может иметь дополнительный привод, обеспечивающий вращение заготовки с одновременным ее продольным перемещением.
Рисунок 3.9 Схема установки для вытяжки ОВ
Печь для вытяжки ОВ должна обеспечивать оптимальный температурный градиент для максимального переноса тепла к заготовке в зоне плавления и высокую чистоту атмосферы, окружающей заготовку. Основными источниками тепла для разогрева заготовок являются: газовые горелки, СО2-лазеры, печь с графитовым нагревателем, индукционная печь с циркониевым нагревателем, индукционная печь с графитовым нагревателем.
Система измерения диаметра ОВ основана на использовании лазера (метод лазерного сканирования), который обеспечивает точность ±0,5 мкм измерения даже при вибрации ОВ.
Узел нанесения первичного защитного покрытия на ОВ позволяет наносить полимерный материал на поверхность ОВ. Слой ПЗП должен быть концентричным, постоянным по толщине, не иметь посторонних включений.
Система контроля концентричности первичного ПЗП основана на явлении дифракции и интерференции света. Концентричность покрытия относительно ОВ измеряют с помощью гелийнеонового лазерного интерферометра. В зависимости от наблюдаемой картины узел нанесения ПЗП перемещают вручную или автоматически, добиваясь наилучшей концентричности. Точность нанесения однослойного покрытия ±1 мкм, для двойного ±2мкм.
Система отверждения ПЗП выполняется двух типов: тепловая или ультрафиолетовая. Тепловая система представляет собой печь (или печи), в которые при необходимости подают инертный газ. Температура в печи достигает 800 °С, количество печей в зависимости от скорости вытяжки может достигать трех, точность поддержания температуры ±2 °С. УФ-печь применяют для отверждения эпоксиакрилатов, кремнийорганических компаундов и уретанакрилатов. Полимеризация осуществляется в атмосфере азота, что в значительной мере ускоряет весь процесс.
Измеритель диаметра по ПЗП аналогичен измерителю диаметра ОВ.
Тяговое устройство ременного типа обеспечивает постоянство скорости с точностью 0,5 %.
Система испытания ОВ на механическую прочность предназначена для выявления механических дефектов ОВ по всей его длине. Принцип действия заключается в перемотке ОВ при заданном напряжении, которое можно создать путем приложения к ОК растягивающей нагрузки или одновременно растягивающей и изгибающей нагрузок.
Процесс вытяжки ОВ на примере оборудования фирмы Ericsson Cable АВ происходит следующим образом. Готовый стержень, независимо от метода его изготовления, вытягивается в волокно в башнях высотой приблизительно 12 м. Процесс вытягивания (Рисунок 5.14) начинается наверху башни, где стержень заготовки зафиксирован в центрирующем патроне. Нижний конец заготовки помещен в печь, и нагревается до температуры 2000° С. Графитовый нагревательный элемент защищен инертной атмосферой аргонового газа. Заготовка медленно опускается сверху в печь, в то время как стекловолокно вытягивается вниз и выходит из печи. Скорость вытягивания и скорость подачи автоматически контролируется машинной системой управления.
Рисунок 3.10 Процесс вытяжки оптических волокон
Немедленно под печью управляемый лазером прибор измерения проверяет диаметр стекловолокна. Полученные значения подаются назад к системе управления, которая управляет скоростью кабестана вытягивания внизу башни. Увеличение диаметра волокна приводит к увеличению скорости вытягивания и наоборот. Обычное волокно имеет диаметр 125±2 мкм и скорость вытягивания – обычно 3-10 м/с. Стекловолокно охлаждается окружающим воздухом. Изготовленное стекловолокно имеет те же самые геометрические отношения между оболочкой и сердцевиной, что и заготовка. Стекловолокно покрывается защитным слоем акрилата (первичным покрытием) во время процесса вытягивания. Первичное покрытие состоит из двух слоев акрилата, более мягкого внутреннего слоя и жесткого внешнего слоя. Первичное покрытие из акрилата увеличивает прочность волокна; защищает от влаги (ОН) и против микроизгибов; облегчает прокладку.
Сразу после наложения первичное покрытие подвергается обработке УФ облучением. При первичном контроле диаметра проверяется диаметр первичного покрытия и концентричность волокна. Готовое волокно будет иметь диаметр 245±10 мкм.
После вытяжки волокно проходит тестирование на прочность. Для этого оно подвергается механическим воздействиям. При обнаружении трещин или других повреждений оно бракуется. Это испытание называется проверкой прочности и означает, что волокно подвергается указанному натяжению в течение 1 с. Трещины в волокне могут привести к его разрыву. После проверки прочности волокно транспортируется в лабораторию, где испытывается в экстремальных условиях. Из одной заготовки в условиях этой фирмы обычно получается 50-150 км волокна.