Przegląd materiałów oraz technologii

Przegląd materiałów oraz
technologii wytwarzania
włókien oraz ich pokrycia
Overview of Materials and Fabrication Technologies
and Optical Fiber Coatings
• Technika dwu-tyglowa
• Techniki osadzania z oparów (vapor deposition)
• Proces zewnętrznego osadzania z oparów - OVD
• Proces osadzania pionowo-osiowego - VAD
• Bezpośrednie osadzanie nanocząstek -DND
• Zmodyfikowane chemiczne osadzanie z oparów - MCVD
• Plazmowe chemiczne osadzanie z oparów – PCVD
• Proces sol-żel
• Proces sol-żel wytwarzania PCF
• Wyciąganie włókna
Technika dwutyglowa wytwarzania włókien
Odpowiednio czyste materiały
rdzenia i płaszcza, poprzez kontrolowanie temperatury i czasu
kontaktu obu składowych w
zbiorniku płaszcza pozwalają na
dyfuzję materiału i wytworzenie
włókna gradientowego.
FIG. 1 Technika dwutyglowa (double-crucible)
Ta technika są wytwarzanie włokna komercyjne
o stratach 5dB@900 nm, jednakże niskostratne
włókna na II i III okno transmisyjne nie są
osiągalne
Pomimo doś prostej i eleganckie
metody wytwarzania, od samego początku, technika ta boryka
się z problemem zanieczyszczeń z tygla zmniejszających
czystość materiału z poziomu
ppb dp ppm. Częściowo daje się
to poprawić poprzez stosowanie
ochrony w postaci nadmuch tlenu pod atmosferycznym ciśnieniem. Pozwala to usuwać atomu
miedzi i żelaza.
Techniki osadzania z oparów
Powstałe w początkowych latach 70 ubiegłego wieku mogą być klasyfikowane jako
wewnętrzny lub zewnętrzny proces. Obie stosują utlenianie oparów trójchlorku
krzemu celem wytworzenia submikronowych cząstek amorficznego krzemu. Inne
opary chlorku takie jak trójchlorek germanu i chlorotlenek fosforu są stosowane jako
źródło domieszki do krzemu.
Osadzanie zewnętrzne używa wodorowania płomieniowego dzięki czemu opary
chlorku przechodzą przez proponowo-tlenowe palniki i wytwarzają „osad” cząstek
SiO2. wokół swoistych meandrów stanowiących zaczątek preformy.
Proces wewnętrzny używa tego samego typu reaktantów razem z tlenem, ale
reakcja zachodzi wewnątrz krzemowej rury bez wodoru. Wysokie temperatury
niezbędne do osadzenia cząstek są otrzymywane poprzez palniki tlenowowodorowe, które przemieszczają się wzdłuż rury obracanej w specjalnej tokarce.
Reakcja wytwarza cząstki raczej przez utlenianie niż hydrolizę. Cząstki te są
osadzane na wewnętrznych ścianach rury, w postaci kolejnych warstw zależnie od
potrzeb następnie rura kwarcowa podlega procesowi przewężenia równomiernie na
całej długości tzw. colaps dając w efekcie pręt.
Zewnętrzne osadzanie z oparów - OVD
Opracowany przez Corning Glass
Works proces OVD jest jednym z
najczęściej stosowanym do produkcji
włókien.
I. Podczas procesu osadzania krzem
i domieszkowane cząstki krzemu
(german, fluor, fosfor, tytan) są wytwarzane w metanowo/tlenowym płomieniu podczas reakcji hydrolizy.
Krzemowa, domieszkowana preforma jest formowana poprzez wielowarstwowe osadzanie oparów na
pręcie w trakcie jego równomiernego
obrotu oraz przesuwu palnika wzdłuż
targetu.
II. Porowata preforma podlega osuszaniu w dwuchlorku celem usunięcia
FIG. 2 Technika OVD
cząsteczek wody i metalicznych zaIII. Spiekanie do postaci gładkiego bloku
nieczyszczeń w temp 950-1250 deg.
szklanego w temp. 1200 – 16000 deg. Pozwalające na odpowiednie zwiększenie gęstości
preformy.
VAD – osadzanie pionowo-osiowe
Jest to wariant metody OVD, gdzie
materiał rdzenia oraz płaszcza mogą
być nanoszone razem lub osobno.
VAD umożliwia uniknięcie tzw. deep
w środku rdzenia. Dalsza obróbka jak
w OVD.
Zasadnicza różnica: OVD – profil ‘n’
zależy od zmiany składu kolejnej
warstwy, VAD – profil ‘n’ zależy od
subtelnej kontroli składu gazów w
palniku jak i rozkłady temperatury w
polu wzrostu zarodka.
FIG. 3 Proces VAD: a) wzrost z zarodka, b) profil performy po usunięciu zarodka, c) spiekanie preformy,
Przewaga VAD nad OVD to możliwość wytworzenia preform mocno domieszkowanych –
dla OVD duże niedopasowanie termalnego
współczynnika core-clad prowadzi do pęknięć w
czasie konsolidacji preformy.
DND – bezpośrednie nanoszenie nanocząstek
Ta metoda stworzona prze Liekki Corp. Jest
nowoczesną technologią wytwarzania włókien
laserujący oraz wzmacniających (włókna domieszkowane pierwiastkami ziem-rzadkich:
Yb, Er, Nd…).
Wysokokoncentryczne domieszkowanie uzyskuje się bez utraty własności falowodowych
struktury. Ponadto DND dostarcza z natury
osiową kontrolę domieszek, istotną dla
dużych rdzeni o niskiej wartości NA.
Generalnie można powiedzieć, że jest to
forma OVD, gdzie nanocząstki (10-100nm)
dostarczane są w postaci ciekłej lub gazowej i
osadzane na aluminiowym nie krzemowym
FIG. 5 Bezpośrednie nanoszenie nanocząstek,
podłożu – dalej jak OVD.
Metoda ta pozwala na wytworzenie preform o stosunku średnicy rdzeń/płąszcz 0.50,
zamiast 0,16. Także doskonała do wytwarzania włókien dwu-płąszczowych o dużej
średnicy rdzenia, np. domieszkowane itrem dwu-płaszczowe włókno 20/125 um).
Metodę tą stosuje się dla włókien jednomodowych, dwu-płaszczowych polaryzacyjnych dwu-płąszczowych oraz innych: z prostokątnym (i innych niekołowych)
rdzeiem i płaszczem, włókien wielordzeniowych, itp.
MCVD – zmodyfikowane chemiczne osadzanie z oparów
FIG. 6 Proces MCVD,
Wyrasta ona z technologii CVD stosowanej w przemyśle elektronicznym do
wytwarzania domieszkowanych warstw
wewnątrz krzemowych rurek.
Modyfikacja polega na zwiększeniu
szybkości procesu poprzez ponad 10
krotne zwiększenie szybkości przepływu
gazu w rurze.
W MCVD typowo nanosi się od 30 do
100 warstw.
Zasadnicze elementy procesu: (a) równowaga chemiczna zawartości domieszek dla
danej temperatury – dobór odpowiedniej szybkości przepływu domieszek w danej
temperaturze, (b) oczyszczanie z domieszek OH- (c) rozrzut termiczny domieszek.
PCVD – plazmowe chemiczne osadzanie z oparów
FIG. 9 Proces PCVD,
Jest to proces podobny do MCVD ze
względu użycia tego samego typu materiałów do osadzenia wewnątrz krzemowej rury jej kolapsu, a następnie
wy- ciągnięcia we włókno. Zasadnicza
różnica pomiędzy tymi dwoma procesami polega na tym, że utlenianie odczynników w rurze jest inicjowane
przez nieizotermalną mikrofalową plazmę w rurze a nie poprzez zewnętrzne
jej ogrzewanie.
W procesie PCVD większość z nanoszonych materiałów ma formę oparów, a nie jako
osadów które występują w metodzie MCVD. W konsekwencji metoda ta zapewnia
prawie 100% nanoszenie dwutlenku germanu i krzemu (problem z usuwaniem OH)
oraz nie prowadzi do problemów związanych z przegrzaniem rury. Potrzebuje jednak
technologii wytwarzania plazmy za pomocą mikrofalowego pieca działającego pod
ciśnieniem kilku Torów i częstotliwości ok. 2.45 GHz. Inna korzyść to szybkość
przesuwu strefy plazmy (grzanie bezpośrednie a nie poprzez ściankę rury) zatem w
danym procesie może być naniesionych setki warstw – dokładniejszy rozkład
współczynnika załamania.
Procesy sol-żel
Omówione procesy pozwalają
na wytworzenie włókien MM i
SM o niskich do poziomu
granicznych strat krzemu oraz
długości rzędu 10km fizycznie
core/clad – daje ok. 20% całej
masy włókna, reszta to drugie
pokrycie lub okablowanie.
Redukcja kosztów tego drugiego etapu oraz wzrost długości
włókna z danej preformy jest
możliwy poprzez zastosowanie
technologii sol-gel.
FIG. 10 Strategia hybrydowej technologii sol-gel: Lewa – gel wytworzony w postaci tuby w której
osadzany jest ‘pręt’ rdzenia, Prawa – gel jest zgranulowany i napylany na performę.
Zasadnicza korzyść to obniżenie masy włókna i kosztów materiału pokrycia oraz tym
samym możliwość wzrostu długości włókna do setek kilometrów z jednej performy.
Wytwarzanie w procesie sol-żel PCF
FIG. 11 Wytwarzanie PCF za pomocą metody sol-gel (1) – Ustawienie struktury prętów i zewnętrznego pokrycia z sol-gel, (2) – usunięcie prętów, (3) osuszenie, oczyszczenie i zagęszczenie
żelowego korpusu
Zasadnicza korzyść to obniżenie masy włókna i kosztów
materiału pokrycia oraz tym samym możliwość wzrostu
długości włókna do setek kilometrów z jednej performy.
Wyciąganie włókna
Preforma – 1 m długości i średnica od 2.0 do
7.5 cm – wyciągana we włókno o średnicy
125 um.
FIG. 12 Wyciągarka