2. Научно-исследовательсикй раздел

1. Технологический процесс производства оптических волокон

Весь короткий путь развития волоконной оптики связан с непрерывным развитием и совершенствованием технологических процессов.

Перед ведущими учеными всего мира в течение многих лет стояла, в качестве основной, сложная задача развития технологии производства для достижения высокой механической прочности, надежности и высококачественных передаточных характеристик оптических волокон.

Первые стеклянные палочки с волноводной структурой были получены Бойсом [2] в 1887 году, однако прошло много лет, прежде чем появилась возможность практического применения волоконных световодов для передачи информации. Препятствием их широкого освоения явился высокий уровень оптических потерь. Большая часть энергии светового потока рассеивалась уже на первых метрах своего пути. И только с 1970 года, когда фирмой “Корнинг Гласс” были получены волоконные световоды (ВС) с потерями менее 20 дб/км, начался период быстрого создания индустрии волоконно-оптических линий связи (ВОЛС).

Прогресс в этой области был настолько стремителен, что уже в 1972 г. потери в ВС достигли 4 дБ/км, а в настоящее время волокна имеют потери менее 0.2 дБ/км (на длине волны 1.55 мкм). Причем столь малые потери сигнала сохраняются в широком диапазоне частот модуляции света.

Необходимо отметить, что в силу общеизвестных [3] достоинств, в качестве основного материала для изготовления оптических волокон был избран кварц. Однако сегодня известны [4] десятки рецептур, позволяющих синтезировать оптические волокна с показателями, существенно превышающими основные, качественные показатели кварцевых волокон и основная проблема связана с необходимостью разработки новых технологий.

В основном, производство кварцевых оптических волокон проводится по двухстадийной схеме. Первая стадия связана с изготовлением заготовки – стеклянного стержня, обладающего волноводной структурой. На второй стадии выполняется операция перетяжки заготовки в оптическое волокно с соблюдением принципа подобия.

Традиционные методы, заимствованные из стекольной промышленности, например, фильерные методы, методы двойного тигля и методы разделения фаз не нашли широкого применения в силу того, что получаемые по этим технологиям оптические волокна не обладают требуемым уровнем оптических потерь.

Практически обе стадии общего технологического процесса оказывают решающее влияние на качество получаемого оптического волокна, которое в первую очередь, характеризуется низким уровнем оптических потерь и высокой механической прочностью. Стремление получить эти параметры на уровне теоретически возможных приводит к необходимости применения современных средств автоматического контроля и управления технологическими процессами, без чего невозможно получить конечное изделие с заданными физико-механическими свойствами.

Далее подробнее рассмотрим схему изготовления заготовки и схему перетяжки заготовки в оптическое волокно.

2. Способы изготовления заготовок

В основе методов изготовления заготовок лежит метод изготовления заготовок путем осаждения компонентов кварцевого стекла из газовой фазы (Chemical Vapour Deposition – CVD) [5]. В этом случае в зоне нагрева, в смеси галогенидов кремния (SiCl₄) и основных легирующих компонентов (GeCl₄, BCl₃, BBr₃, PCl₃, POCl₃ и т.д.) происходит реакция гидролиза, в результате чего на опорной кварцевой поверхности осаждается слой высокочистых окислов (SiO₂, GeO₂, B₂O₅, P₂O₅). Возможны два основных варианта метода CVD:

- осаждение окислов на внутренней поверхности опорной кварцевой трубки (Inside Vapour Phase Oxidation – IVPO);

- осаждение окислов на внешней поверхности опорного стержня (Outside Vapour Phase Oxidation – OVPO).

Они, в свою очередь, имеют разновидности.

Первый метод:

- модифицированный метод осаждения из газовой фазы (Modified Chemical Vapour Deposition – MCVD);

- плазменный вариант (Plasma Chemical Vapour Deposition – PCVD).

Второй метод:

- метод аксиального осаждения (Vapour Axial Deposition – VAD);

- модифицированный метод аксиального осаждения (Modified Vapour Axial Deposition – MVAD).

- метод радиального внешнего парофазного осаждения (Outside Vapour Deposition - OVD).

Рисунок 1 – Классификация методов осаждения компонентов кварцевого стекла.

Таким образом, классификация методов осаждения компонентов кварцевого стекла из газовой фазы может быть представлена в виде, представленном на рисунке 1.

Из известных процессов внешнего парофазного осаждения, химического парофазного осаждения и т.д., наибольшее применение получил модифицированный метод химического парофазного осаждения MCVD.

Данный метод был предложен американскими специалистами фирмы Bell Laboratories. Так как в этом случае осаждение производится на внутреннюю стенку опорной кварцевой трубки, нагрев осуществляется с наружной стороны пламенем кислородно-водородной горелки, то реакция гидролиза происходит не в самом пламени (как, например в OVPO – методе). Это главное отличие метода MCVD. Схема, поясняющая этот метод, представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Получение заготовок методом модифицированного химического парофазного осаждения (MCVD).

Газообразные исходные материалы подаются во вращающуюся трубку, изготовленную из кварца. При прохождении через трубку газы попадают в движущуюся горячую зону, где при температурах от 1400 до 1800°C стимулируются реакции, в результате которых получаются соответствующие окислы. Высокие температуры внутри трубки получаются в результате нагрева внешней поверхности. При таких температурах, которые необходимы из кинетических соображений, и при полном давлении во время осаждения на внутренней стенке трубки только часть реакции происходит гетерогенно, в то время как другая часть реакции является гомогенной в газовой фазе, что приводит к высокому перенасыщению и последующему образованию скоплений. Перед осаждением эти скопления переносятся по направлению потока из зоны реакции на расстояния до нескольких диаметров трубки, тем самым, приводя к удлинению профиля трубки. Передвигая горелку или печь в направлении потока газа, можно трансформировать пористый слой осажденных скоплений в твердую стеклянную пленку. Вращение трубки необходимо для противодействия асимметричному осаждению сажи и течению менее вязких пленок дозированного (с введенным небольшим количеством примесей) кварца. Таким образом, осаждаются слои одинаковой толщины. Следствием нагревания внешней поверхности трубки является то, что скорость перемещения горячей зоны реакции ограничивается теплопроводностью и теплоемкостью кварцевой оболочечной трубки. Поэтому ограничивается или число осажденных слоев, необходимое для получения желаемого профиля показателя преломления, или скорость осаждения вообще.

Важное преимущество модифицированного процесса химического парофазного осаждения заключается в том, что осаждение происходит внутри полностью закрытого реактора. В результате обеспечивается очень чистая атмосфера, позволяющая избежать проникновения газообразных или в виде частичек примесей во время осаждения слоя или во время операции сжатия. Еще одной положительной особенностью модифицированного процесса химического парофазного осаждения является возможность осаждения разнообразных материалов и стекломасс разного состава.