Получение заготовки для волокна.

Все варианты CVD-npoцесса предусматривают две основные стадии процесса производства волоконных световодов. В первой стадии — изготовлении заготовки для вытяжки волокна — проявляются различия перечисленных вариантов, тогда как вторая стадия — вытяжка волокна из заготовки — одинакова по технологии и оборудованию для всех вариантов. Параметры заготовки во многом определяют характеристики волоконного световода, вытянутого из нее. Тип световода (одномодовый, многомодовый градиентный или ступенчатый)

полностью определяется профилем показателя преломления заготовки. Все варианты метода CVD позволяют организовать гибкое производство, которое может быть быстро перестроено с изготовления одного типа световода на другой.

Модифицированный CVD-процесс (MCVD). Метод MCVD предусматривает изготовление заготовки осаждением стеклообразующих окислов на внутреннюю поверхность кварцевой опорной трубы [327]. Установка для производства заготовок методом MCVD схематически изображена на рис. 5.2. В ней можно выделить три основных функциональных блока: в блоке формируется парогазовая смесь, блок II — тепломеханический станок, блок

Рис. 5.2. Схема установки для изготовления заготовки волокна по методу MCVD: 1 - смеситель с жидким — одии из смесителей с легирующим галоидом; 3 — вентили; 4 — опорная трубка; 5 — вращающиеся патроны, 6 — кислородно-водородная горелка;

7 — система откачки и очистки продуктов реакции

III — система управления и контроля параметров процесса. Первыми операциями при производстве являются контроль и отбор опорных кварцевых труб, которые при вытяжке трансформируются в оболочку волоконного световода. Типовые размеры опорных труб: внешний диаметр 20—25 мм, внутренний диаметр 16—20 мм, длина около Для установленного в конкретном случае типоразмера трубы при отборе допускаются отклонения: диаметра от заданного значения и вариации диаметра — не более эллиптичность — не более изгибы не более

Затем опорная труба помещается в тепломеханический станок, в котором она вращается вокруг продольной оси со скоростью порядка 60 об/мин. Вдоль вращающейся опорной трубы со скоростью 20 см/мин перемещается кислородно-водородная горелка. В начале процесса производится полировка трубы в пламени горелки при температуре около при этом оплавляются имеющиеся микротрещины. Парогазовая смесь образуется при прокачке газа-носителя (кислорода или инертных газов) через смесители, заполненные жидкими галоидами кремния, германия и т. п. Состав смеси и закон изменения состава во времени в ходе процесса MCVD зависят от типа изготавливаемого световода и формируются под управлением ЭВМ по заданной программе. Парогазовая смесь поступает внутрь опорной трубы, и в горячей зоне с температурой перемещающейся вдоль трубки

при движении горелки, происходит осаждение окислов и других в виде ультрачистого мелкодисперсного порошка. При повторном движении горелки вдоль трубки порошок проплавляется, превращаясь в слой стекла толщиной 1 —10 мкм. Легированное кварцевое стекло, получающееся в результате осаждения, является исключительно чистым в силу высокой чистоты исходных компонентов. Кроме того, происходит химическая осушка реагируюцих материалов и осаждаемых слоев в результате реакции

Хлор всегда присутствует в парогазовой смеси как продукт реакции окисления тетрахлоридов кремния и германия. В результате осажденное стекло содержит значительно меньшее количество гидроксильных ионов чем опорная труба. По этой причине потери на поглощение в используемых спектральных диапазонах (см гл. 2) в осажденном стекле существенно меньше, чем в опорной трубе, для снижения этих потерь в заготовке формируется внутренняя оболочка. Для этого показатель преломления первых нескольких слоев (около 20) должен быть равен показателю преломления трубы или несколько меньше. Парогазовая смесь, вводимая в трубы во время осаждения этих слоев, содержит пары с добавкой или, что предпочтительнее, фреона. Последующие слои формируют сердцевину будущего световода. Для градиентных световодов показатель преломления увеличивается от слоя к слою по заданному закону, близкому к параболическому; заготовки для волокон со ступенчатым профилем имеют однородную сердцевину с показателем преломления большим, чем в оболочке. Общее число слоев в сердцевине обычно составляет 50—80. Как правило, для повышения показателя преломления используется только однако температура осаждения его велика. Чтобы исключить деформацию опорной трубы, температуру осаждения снижают добавкой в парогазовую смесь . Поскольку наличие в стекле окисла увеличивает поглощение в диапазоне длин волн мкм (поглощение на ионах его концентрация не должна превышать 0,2 молярных процента. При этом температура осаждения снижается до

После осаждения заданного программой числа слоев температура горячей зоны увеличивается до труба размягчается и «схлопывается» под действием поверхностных сил, превращаясь в сплошной стеклянный цилиндр-заготовку. В сечении заготовка представляет собой увеличенную в 100—300 раз структуру волоконного световода с соответствующим профилем показателя преломления

Специфика процесса MCVD такова, что профиль показателя преломления заготовки всегда отличается от желаемого по двум причинам. Первая состоит в том, что показатель преломления каждого слоя постоянен, поэтому профиль его в заготовке есть

ступенчатая аппроксимация заданной функции. Вторая вызвана тем, что при температуре схлопывания, достаточно высокой последние слои частично испаряется, причем скорость испарения выше, чем скорость испарения . В результате в профиле показателя преломления заготовки в центре ее образуется провал, который сохраняется и в волокне (рис. 5.3).

Даже из приведенного здесь краткого описания метода MCVD следует, что эффективное производство заготовок для высококачественных световодов с высокой воспроизводимостью параметров возможно только при условии полной автоматазации процесса.

Рис. 5.3 Профиль показателя преломления заготовки, изготовленной методом MCVD

Рис. 5.4 Структура системы управления процессом производства заготовок по методу — центральная — процессоры, 3 — блок формирования парогазовой смеси, 4 — тепломеханический станок, 5 — контроллер состава смеси, 6 — контроллер скорости потока смеси, 7 — контроллер вращения опорной трубы, 8 — контроллер движения горелки; 9 — контроллер температуры горячей зоны, 10 — контроллер управления горелкой; 11 — контроллер откачки и очистки продуктов реакции

На рис. 5.4 схематически изображена обобщенная по публикациям схема системы управления процессом производства по методу Система предназначена для управления рядом установок, производящих одновременно заготовки для световодов различных типов. Центральный компьютер с общесистемными полномочиями связан с местными микропроцессорами на каждой установке. К местным микропроцессорам с локальными полномочиями подключены контроллеры, управляющие параметрами процесса: составом и скоростью потока парогазовой смеси, вращением опорной трубы, скоростью движения горелки вдоль трубы, температурой в горячей зоне трубы, откачкой и очисткой продуктов реакции. Задание на каждую установку вводится через центральный компьютер, через него же выводится информация о ходе процесса на каждой установке. Система является очень гибкой и быстроперестраиваемой.

Гибкость процесса позволяет использовать его для производства волоконных световодов, сохраняющих поляризацию Изготовление заготовки для такого волокна ведется по следующей

программе: при осаждении первых 50 слоев, соответствующих внутренней оболочке, опорная труба с интервалом в 1—2 с поворачивается на 180° вокруг продольной оси; затем в обычном режиме при равномерном вращении трубы вокруг оси осаждаются слои с повышенным показателем преломления, формирующие сердцевину. При схлопывании возникают анизотропные напряжения во внутренней оболочке, которая получается эллиптической в сечении (рис. 5.5), что обеспечивает двулучепреломление в сердцевине заготовки, а затем (после вытяжки) и в сердцевине волокна.

Метод MCVD обеспечивает с большой степенью точности достижение заданных геометрических, механических и оптических параметров.

Рис. 5.5, Поперечное сечение заготовки световода, сохраняющего поляризацию: 1 — сердцевина с анизотропными напряжениями; 2 — эллиптическая оболочка; 3 — внешняя круглая оболочка

Гибкость этого метода очевидна, на одном технологическом оборудовании путем изменения программы он позволяет производить заготовки для волокон разных типов: одномодовых, одномодовых с сохранением поляризации, многомодовых градиентных и ступенчатых. Именно поэтому этот метод доведен до высокого промышленного уровня и используется для массового производства во всем мире. Однако ему присущи и недостатки, главные из которых низкая эффективность использования галоидов (40—60 %) и сравнительно малая скорость осаждения

Плазменные методы внутреннего осаждения и Эти методы, описанные в работах [192, 228], свободны от недостатков, присущих процессу и обладают его достоинствами, правда, это достигается за счет усложнения оборудования. В -процессе для высокотемпературного осаждения используется плазма, возбуждаемая высокочастотным (единнцы мегагерц) электромагнитным полем, при давлении парогазовой смеси, близком к атмосферному. Температура в плазменном сгустке, перемещающемся в опорной трубе, составляет порядка скорость осаждения возрастает по сравнению с методом MCVD до Проплавление осажденных стеклообразующих окислов по-прежнему производится нагреванием горелкой. К сожалению, при использовании -метода толщина одного слоя возрастает до 40—100 мкм, что вызывает понятные трудности при изготовлении градиентных заготовок. Этого недостатка лишен -процесс, при котором внутри трубки возбуждается сверхвысокочастотная плазма (2,5 ГГц) при низком Па] давлении парогазовой смеси. Для возбуждения плазмы используется СВЧ-резонатор, горелка отсутствует, опорная труба вместе с резонатором помещается в печь с температурой

Реакцня окисления галоидов идет сразу с образованием стеклянных слоев, минуя порошковую стадию. В результате скорость движения резонатора и соответственно зоны осаждения в опорной трубе можно увеличить до За время изготовления одной заготовки можно осаждать до 1000 слоев, что позволяет реализовать заданный профиль показателя преломления с точностью, недостижимой при использовании метода MCVD. Эффективность использования кремния в PCVD-процессе составляет германия

Методы внешнего осаждения и . Эти методы принципиально отличаются от и -процессов отсутствием дорогостоящей сверхчистой прецизионной опорной трубы. При производстве по методу вертикального осевого осаждения (рис. 5.6) процесс осаждения происходит в кварцевой камере в пламени кислородно-водородной горелки, расположенной у торца кварцевого стержня-затравки, вращающегося вокруг оси и одновременно поднимающегося вверх.

Рис. 5.6. Камера для производства заготовок по методу — трубка подачи галоидов; 2 — кислородно-водородная горелка; 3 — пирометр; 4 — телевизионная камера; 5 — пористая заготовка; 6 — магистраль отвода продуктов реакции; 7 — высокотемпературная печь; 8 — механизм вращения и перемещения заготовки

Тетрахлорид кремния и легирующие галоиды инжектируются в пламя горелки, где в результате гидролиза образуются мельчайшие частицы стеклообразующих окислов, которые осаждаются на торец затравочного стержня. Стержень поднимается вверх со скоростью, равной скорости нарастания на его торце пористой непрозрачной заготовки. В результате перемещения вверх заготовка попадает в высокотемпературную печь, где, проплавляясь, превращается в прозрачный кварцевый цилиндр.

Радиальное распределение показателя преломления заготовки в VAD-процессе определяется несколькими факторами: радиальным распределением легирующих галоидов (обычно ) в пламени; структурой пламени; распределением температуры на торце заготовки, максимум которой обычно лежит вблизи 600 °С. В этом методе формируется бесступенчатый профиль показателя преломления без провала в центре, характерного для волокон, изготовленных по методу MCVD. В силу этого волоконные световоды, вытянутые из заготовок, полученных по методу VAD,

имеют рекордную полосу пропускания. Важно, что заготовки (по крайней мере, теоретически) могут быть любой сколь угодно большой длины.

Достоинства метода VAD очевидны, однако его широкому промышленному внедрению препятствует сложность автоматизированной системы управления, обусловленная многочисленностью параметров, подлежащих контролю и регулированию.

Метод OVPO предусматриваетвнешнее осаждение на боковую поверхность затравочного стержня длиной около метра и диаметром 5—10 мм, изготовляемого из керамики. После осаждения затравочный стержень отделяется, заготовка проплавляется, превращаясь, как и во всех рассмотренных случаях, в прозрачный цилиндр (штабик). В отличие от метода VAD здесь длина заготовки ограничена длиной затравочного стержня, укрепляемого в тепломеханическом станке, подобном используемому в MCVD-процессе.

Рис. 5.7. Схема установки для вытяжки волокна: 1 — контроллер управления подачей заготовки, 2 — узел центрирования заготовки; 3 — заготовка, 4 — контроллер стабилизации температуры; 5 — высокотемпературная печь, 6 — датчик диаметра волокна; 7, 8 — контроллеры измерения и стабилизации диаметра. 9 — тигель с защитным покрытием, 10 — печь сушки покрытия, 11 — контроллер темпера туры сушки; 12 — вытяжные ролики, 13 — контроллер привода вытяжки, 14 — контроллер управления раскладкой-намоткой; 15 — барабан раскладки—намотки; 16 — компенсатор