Produkcja włókien optycznych domieszkowanych erbem-z wykorzystaniem metodologii VAD obejmuje pięć odrębnych etapów:
(1) wytwarzanie porowatego pręta rdzeniowego metodą VAD
(2) proces domieszkowania i impregnacji
(3) proces formowania preformy
(4) proces powlekania
(5) ciągnienie światłowodu
Każdy etap przedstawia własny zestaw wyzwań
Wytwarzanie porowatych trzpieni metodą VAD
Proces rozpoczyna się od konwencjonalnej konfiguracji VAD, chociaż nazwanie go „konwencjonalnym” niemal nie oddaje tego, jak wybredny może być ten krok. Zaczynasz od krzemionkowego pręta celowniczego-o średnicy 20 mm, nic nadzwyczajnego ustawionego pionowo. Dysza palnika staje się głównym systemem podawania, dostarczającym SiCl₄ z szybkością 450-550 litrów na minutę. To dość szerokie okno operacyjne i miejsce, w którym się znajdziesz, wpływa na szybkość osadzania w większym stopniu, niż podaje większość arkuszy specyfikacji.
Tlen napływa z szybkością 15 litrów na minutę, wodór z szybkością 10. Reakcja hydrolizy płomieniowej zachodzi szybko-mówimy o temperaturach na tyle wysokich, że SiCl₄ nie tylko ulega rozkładowi, ale praktycznie eksploduje, tworząc maleńkie cząsteczki krzemionki, które zaczynają gromadzić się na docelowym pręcie. Całość opiera się na utlenianiu termicznym zachodzącym jednocześnie z hydrolizą, dlatego tak duże znaczenie mają proporcje gazów. Zrozum je źle, a zobaczysz to w zmianach gęstości twojej porowatej struktury.
Po wystarczającym czasie osadzania otrzymujesz porowaty trzpień SiO₂ o średnicy około 60 mm. Podczas tego procesu docelowy pręt unosi się w górę z prędkością 55-60 mm na godzinę, powoli i równomiernie. Pospiesz się, a osadzanie się cząstek stanie się nierówne; jedź zbyt wolno i ryzykujesz przegrzaniem skoncentrowanych obszarów. Istnieje idealny punkt, a znalezienie go czasami wymaga kilku nieudanych prób. Powstała porowata struktura ma kluczowe znaczenie, ponieważ jej morfologia określa, jak skutecznie będzie ona później absorbować roztwór domieszkujący. Zbyt gęsty i roztwór erbu nie wniknie wystarczająco głęboko; zbyt luźny i pojawią się gradienty stężeń, które będą Cię prześladować w fazie spiekania.
Proces impregnacji dopingowej
Tutaj sprawy stają się chemiczne. Porowaty rdzeń SiO₂ trafia bezpośrednio do pojemnika wypełnionego roztworem domieszkującym, a wszystko odbywa się w temperaturze pokojowej, ponieważ ogrzewanie na tym etapie przyniosłoby efekt przeciwny do zamierzonego. Samo rozwiązanie jest zwodniczo proste: etanol jako rozpuszczalnik, ErCl₃ jako domieszka.
ErCl₃ ma ograniczoną rozpuszczalność w etanolu-, można go zwiększyć do około 0,54% wagowo i to w zasadzie maksymalny pułap. Spróbuj wcisnąć więcej, a po prostu zmarnujesz domieszkę, ponieważ nie pozostanie ona w roztworze. Niektóre laboratoria eksperymentowały z różnymi rozpuszczalnikami, aby zwiększyć tę liczbę, ale etanol pozostaje standardem, ponieważ odparowuje czysto i nie pozostawia zanieczyszczeń zakłócających strukturę szkła.
Sama impregnacja jest prosta, mechanicznie-po prostu pozwalasz, aby działanie kapilarne i dyfuzja wykonały swoją pracę, gdy roztwór wsiąka w pory. Jednak równomierność wchłaniania zależy całkowicie od tego, jak spójna była ta porowata struktura od pierwszego etapu. Ta metoda działa również w przypadku AlCl₃, który czasami jest-domieszkowany erbem w celu modyfikacji charakterystyki emisji. Aluminium może nieznacznie przesunąć szczyt emisji erbu i wpłynąć na czas życia stanów wzbudzonych, co ma znaczenie w zastosowaniach wzmacniaczy.
Literatura techniczna nie zawsze wspomina o jednej rzeczy: czas namaczania ma większe znaczenie, niż mogłoby się wydawać. Pozostawienie go zbyt krótkiego spowoduje niepełną penetrację wnętrza wędki. Pozostaw to zbyt długo i... cóż, właściwie rzadko stanowi to problem, chyba że rozwiązanie zacznie się pogarszać, co może się zdarzyć, jeśli do wnętrza dostanie się wilgoć.
Proces formowania preform
Na tym etapie cierpliwość staje się cnotą. Masz porowaty pręt nasączony roztworem domieszki i musisz go przekształcić w solidny szklany pręt, nie tracąc erbu ani nie tworząc defektów. Proces dzieli się na trzy obróbki termiczne, z których każda ma swój własny cel.
Najpierw następuje usunięcie rozpuszczalnika. Pręt trafia do pieca w atmosferze azotu.-Środowisko obojętne ma tu kluczowe znaczenie-i podgrzewa się go do temperatury około 60-70 stopni. Wydaje się to delikatne i takie jest celowo. Odparowujesz etanol o temperaturze wrzenia 78 stopni, ale utrzymujesz temperaturę poniżej tej wartości, aby uniknąć wrzenia, co mogłoby spowodować pęknięcia lub kanały pod ciśnieniem w porowatej strukturze. Ten etap trwa od 24 godzin do 240 godzin, w zależności od rozmiaru pręta i stopnia jego nasycenia podczas impregnacji. Nie ma co się spieszyć. Widziałem, jak inżynierowie próbowali to przyspieszyć, podnosząc temperaturę, i zawsze tego żałowali, gdy znaleźli puste przestrzenie w końcowej preformie.
Gdy etanol zniknie, w porowatej matrycy krzemionkowej pozostanie chlorek erbu osadzony. Teraz musisz przekształcić ten chlorek w tlenek i usunąć chlor, ponieważ resztkowe chlorki spowodują tłumienie w gotowym włóknie-pochłaniają światło dokładnie o długości fal, których nie chcesz. To jest faza odwodnienia.
Temperatura znacznie wzrasta: 950-1050 stopni w atmosferze amoniaku. Amoniak nie jest jednak czysty – zawiera 0,25–0,35% tlenu, co wydaje się niewielką ilością, ale jest dokładnie kontrolowane. Za dużo tlenu i przedwczesne spiekanie; za mało i odwodnienie jest niecałkowite. Amoniak pomaga usunąć grupy hydroksylowe, które w przeciwnym razie pozostałyby w strukturze szkła. Grupy OH⁻ są znane z powodowania pików absorpcji w okolicach 1,39 μm, co jest problematyczne w telekomunikacji. Utrzymujesz te warunki przez 2,5-3,5 godziny. W tej fazie chlorek erbu przekształca się w tlenek erbu.
Następnie następuje spiekanie, czyli ostateczna konsolidacja. Teraz znowu jesteś w azocie-bez amoniaku i bez tlenu-w temperaturze 1400–1600 stopni przez 3–5 godzin. W tym miejscu porowata struktura zapada się, a krzemionka całkowicie zeszkli się, tworząc przezroczyste szkło. Tlenek erbu zostaje włączony do sieci krzemionki, idealnie rozprowadzając się stosunkowo równomiernie na poziomie molekularnym. Temperatura musi być wystarczająco wysoka, aby zapewnić całkowite zagęszczenie, ale nie tak wysoka, aby erb zaczął migrować lub skupiać się, co spowodowałoby niejednorodność stężeń.
Wyłania się przezroczysty pręt ze szklanym rdzeniem, pokryty erbem. Jeśli wszystko zrobiłeś dobrze, powinien mieć minimalną liczbę pęcherzyków, dobrą przejrzystość optyczną i stężenie erbu zgodne z obliczeniami z etapu impregnacji-choć nigdy nie będzie dokładnie takie samo. Podczas obróbki termicznej zawsze występują pewne straty.
Proces poszycia
Po całej tej starannej pracy nad rdzeniem, etap powlekania wydaje się niemal antyklimatyczny, chociaż nie jest to trywialne. Pręt rdzeniowy wymaga pokrycia-warstwą szkła o niższym współczynniku załamania światła, która ograniczy światło do rdzenia poprzez całkowite wewnętrzne odbicie.
Bierzesz gotowy pręt rdzeniowy i wkładasz go do-prefabrykowanej rury okładzinowej. Rurka ta jest zazwyczaj wykonana z czystej krzemionki lub lekko domieszkowana w celu dostosowania kontrastu współczynnika załamania światła. Krój ma znaczenie: zbyt luźny spowoduje zatrzymanie powietrza; zbyt ciasno i istnieje ryzyko pęknięcia czegoś podczas wkładania. Po złożeniu cała konstrukcja trafia z powrotem do pieca, gdzie są razem wypalane. Podgrzewanie powoduje, że oba elementy miękną i łączą się, tworząc monolityczną preformę-jedną solidną część bez szczelin na styku, które mogłyby rozpraszać światło.
Współczynniki rozszerzalności cieplnej rdzenia i płaszcza muszą być odpowiednio dopasowane, w przeciwnym razie podczas chłodzenia powstaną naprężenia, które mogą prowadzić do dwójłomności lub, co gorsza, mikropęknięć. Większość producentów ma standardowe kombinacje, o których wiedzą, że działają niezawodnie.
Rysunek światłowodu
Ostatni etap odbywa się na wieży ciągnącej światłowód, gdzie preforma jest wprowadzana do pieca wystarczająco gorącego, aby zmiękczyć szkło,-mówimy o temperaturze około 2000 stopni, bez względu na to, czy jest to możliwe. Gdy końcówka preformy mięknie, grawitacja i ciągnięcie mechaniczne ściągają ją w dół, tworząc cienkie włókno. Szybkość ciągnienia, temperatura pieca i napięcie wymagają starannej koordynacji, aby osiągnąć docelową średnicę, zwykle 125 μm w przypadku okładziny.
Stosowane są tu konwencjonalne procesy ciągnienia, co oznacza, że masz-monitorowanie średnicy w czasie rzeczywistym, aplikatory powłok umożliwiające dodawanie ochronnych warstw polimeru, gdy szkło jest jeszcze gorące, oraz-szpule nawijające. Stężenie erbu w rdzeniu pozostaje zasadniczo niezmienione podczas rysowania-po prostu wszystko proporcjonalnie zmniejszasz. Ale napięcie rozciągające nie może być zbyt wysokie, w przeciwnym razie wywołasz naprężenie we włóknie, które pogorszy jego działanie.
Jedna rzecz warta odnotowania: cała praca nad równomiernym rozprowadzeniem erbu naprawdę się tutaj opłaca. Wszelkie różnice w stężeniu preformy zostają zachowane we włóknie, więc jeśli miałeś problemy w krokach 2 lub 3, są one teraz trwałe. Nie da się ich naprawić, dlatego te wcześniejsze etapy wymagają tak dużej uwagi.
Powstały włókno, jeśli wszystko poszło dobrze, jest włóknem optycznym domieszkowanym erbem-, odpowiednim do wzmacniaczy lub laserów światłowodowych, o charakterystyce wzmocnienia w oknie 1530–1560 nm, od którego zależą systemy telekomunikacyjne. Całkiem nieźle jak na coś, co zaczęło się od soli chlorkowej i porowatego pręta.
