Перевод Игоря Котлярова
Существует широкий диапазон методов изготовления оптического волокна. Начальный этап изготовления состоит из методов с применением так называемой преформы и методов непосредственного изготовления волокна.
Наиболее распространенными и дающими волокно высокого качества, являются методы, основанные на использовании преформ, в то время как прямые методы основанные на экструзии, используются в основном для изготовления пластикового оптоволокна. Поэтому эта статья об обсуждении того, как волокно может быть сделано из заготовок, как заготовки создаются и как обойтись без создания заготовок.
Изготовление волокна с использованием преформ (заготовок)
В основном оптоволокно изготавливается из так называемых преформ (заготовок) в башне для вытяжки волокна, достигающих высоты в несколько метров и даже десятков метров. Преформа - это стеклянный стержень диаметром от 1 до 10 сантиметров и длиной примерно 1 метр. Вдоль оси преформы (заготовки) расположена область с увеличенным показателем преломления. Из нее и будет формироваться сердцевина волокна. Когда заготовка нагреется до температур близких к температурам плавления в печи башни волокнообразования, тонкое волокно будет выведено из нижней части заготовки. Волокно, созданное в ней, может достигать длины несколько километров. В в процессе вытягивания, диаметр волокна остается неизменным при помощи автоматического регулирования скорости вытягивания (и, также температуры в печи) с автоматической системой обратной связи, контролирующей толщину волокна.
Перед тем как волокна выходят из башни, их, как правило, покрывают полимерным покрытием для механической и химической защиты. Такие покрытия могут состоять из двух или более различных слоев для оптимального уменьшения микро-изгибов. Типичные материалы, используемые для покрытия - это акрилат, силикон и полиимид. Дополнительные PVC или аналогичные защитные покрытия могут быть сделаны путем экструзии после окончания процесса.
Кроме того, в процессе создания волокна в них можно сформировать брэгговские решетки. Для этого используется импульсный ультрафиолетовый наносекундный лазер, освещающий волокно через некоторую фазовую маску перед тем, как волокна будут покрыты защитной оболочкой.
Изготовление преформ для волокна методом химического осаждения из газовой фазы
Многие преформы для вытягивания волокна изготавливаются методом, называемым методом химического осаждения из газовой фазы. Этот метод был разработан для кварцевых телекоммуникационных волокон в 1970-х годах, новаторский вклад в который был внесен в университетах Southampton (UK), Bell Telephone Laboratories (Bell Labs), and Corning. Здесь смесь кислорода, тетрахлорида кремния (SiCl4) и, возможно, другие вещества (например, тетрахлорида германия (GeCl4) и редкоземельные элементы проходят через вращающиеся трубки кварцевого стекла, которое нагревается до ~ 1600 ° C в пламени. Химические реакции в газе формируют слой кварца (и, возможно, других веществ), который покрывает внутреннюю поверхность стеклянной трубки вблизи горелки и спекает в прозрачный слой стекла. Горелка непрерывно перемещается вперед и назад вдоль трубы. К концу процесса, газовая смесь улучшает слой, сделав его с более высоким показателем преломления, чем у предшествующей сердцевины волокна. Наконец, трубка сжимается при нагревании ее до ~ 2000 ° C.
Различные альтернативные методы осаждения из газовой фазы
1) Метод химического осаждения из газовой фазы (OVD)- это процесс, в котором кварц осаждается на поверхности стержня (например, стекло оправки), а не внутри трубки, как с MCVD. Вместе с исходными материалом, например SiCl4, в горелку подается топливный газ (водород или метан). Горелка движется параллельно вращающемуся стержню. После осаждения, готовый стержень удаляется, и заготовки выводятся в печь, где его продувают газом для снижения содержания гидроксила.
2) Метод осаждения из газовой фазы вдоль оси (VAD) аналогичен OVD, но с использованием измененной геометрии, в которой осаждение происходит в конце процесса изготовления стержня. Стержень непрерывно протягивается мимо горелки, и тем самым можно создавать длинные заготовки. Укрепление материала можно сделать в рамках отдельного процесса зонной плавки. Важное различие между OVD и MCVD в том, что профиль легирования определяется только геометрией горелки, а не изменением газовой смеси с течением времени.
3) Плазменное химическое осаждение из газовой фазы (PCVD) использует осаждение внутри трубки, так же, как и при MCVD. Однако вместо горелки для подогрева осаждаемой области используются микроволновые печи. Напыление идет медленно, но очень тщательно. Модифицированным методом с особо высокой точностью является метод импульсного химического осаждения из газовой фазы (PICVD), в котором используются короткие микроволновые импульсы. Существует также улучшенный метод плазменного химического осаждения из газовой фазы (PECVD), работающий при атмосферном давлении с достаточно высокой скоростью напыления.
4) Заготовки для многомодовых волокон, особенно для волокон с большой сердцевиной, часто изготавливаются с использованием внешнего плазменного осаждения (POD), где внешний легированный фтором слой с уменьшенным преломлением формирует оболочку волокна, сделанную плазменной горелкой. Сердцевина может быть сделана из кварца, без каких-либо примесей.
Общее преимущество методов химического осаждения из газовой фазы в том, что можно достичь чрезвычайно низких потерь распространения: менее 0,2 дБ / км, так как используются высококачественные материалы с отсутствием загрязнения. В частности, SiCl4 и GeCl4 легко очищают путем дистилляции, так как они являются жидкими при комнатной температуре. Особенно, когда отсутствует водород (например, в качестве топливного газа), содержание воды в таких заготовках является очень низким, что помогает избежать сильных потерь на уровне 1,4 мкм, влияя на качество телекоммуникационных связей.
Методы изготовления преформ без осаждения из газовой фазы
Для тех материалов, для которых метод осаждения из газовой фазы не может быть применен, используется метод составления преформы из заготовок из различных материалов (rod-in-tube technique). Стержень из стекла с большим коэффициентом преломления вставляется внутрь трубки с меньшим коэффициентом преломлеия. При нагреве и вытягивании волокна происходит спекание обоих частей.
Также используется метод наполнения трубки, являющейся заготовкой для оболочки волокна, расплавом стекла с меньшим коэффициентом преломления.
Заготовки для фотоннокристаллических волокон, содержащих малые отверстия по всей длине, как правило, изготавливаются путем укладки капиллярных трубок и / или стержней, в большинстве случаев из чистого кварцевого стекла. Можно также ввести редкоземельные легированные стержни для устройств из активного волокна.
Адаптированные методы для устройств на основе активных волокон
Для устройств из активного волокна, таких как волоконные лазеров и волоконные усилителей, требуются редкоземельные легированные волокна. Здесь, волокна сердцевины легированы редкоземельными ионами эрбия, неодима, иттербия, или туллия. Дополнительные примеси могут изменять показатель преломления, улучшать растворимость для редкоземельных ионов, или изменять светочувствительность.
Не все примеси могут быть легко использованы для метода химического осаждения из газовой фазы, где требуется конвективный перенос материала. В частности, прекурсоры для редкоземельных примесей, как правило, имеют слишком низкое давление паров. Одной из возможностей преодоления этой проблемы является подведение более высокой температуры к источнику редкоземельных ионов. Например, стеклянная трубка, используемая для MCVD, может содержать дополнительные участки с примесями или кварцем, пропитанным редкоземельной солью, которая нагревается с дополнительной горелки.
Другим распространенным методом является легирование с использованием пористого кремниевого фритта, не содержащего редкоземельные ионы, который наносится на внутреннюю сторону полой трубки кварца. Затем этот фритт пропитывается раствором, содержащим редкоземельную соль (например, хлорид). Позже заготовки должны быть дополнительно обработаны для создания сухого и тонкого редкоземельного оксидного слоя.
Альтернативой является технология напыления наночастиц некоторых аэрозолей. Этот метод позволяет достичь высококонцентрированного легирования с хорошей однородностью и точным созданием допированного профиля.
Методы изготовления без применения заготовок
Мягкие стеклянные волокна часто изготавливаются с использованием метода двойного тигля, где сердцевина и оболочка одновременно создаются из тигля. Тигель имеет резервуар для плавления сердцевины из стекла, оставляя небольшое отверстие в центре, и один (или несколько), резервуары для остекления. Метод двойного тигля старше метода осаждения из газовой фазы и используется до сих пор, например, для мягкого стекла. По сравнению с созданием заготовок, он может быть легче приспособлен для различных материалов из стекла. Однако, этот метод менее пригоден для получения сверхчистых волокон с очень низкими потерями, так как трудно избежать загрязнения материала из тигля.
Некоторые волокна, например, пластиковые оптические волокна, производятся методом простой экструзии, который похож на метод двойного тигля. Такие волокна применяются на массовом производстве волокна, но при этом они не достигают высокого уровня качества..
