Листвин А.В. Оптические волокна для линии связи - файл n7.doc

приобрести
Листвин А.В. Оптические волокна для линии связи
скачать (1095.9 kb.)
Доступные файлы (9):
n2.doc1407kb.02.09.2006 20:11скачать
n3.doc1235kb.02.09.2006 20:02скачать
n4.docскачать
n5.doc105kb.26.06.2003 13:28скачать
n6.docскачать
n7.doc152kb.29.08.2002 15:14скачать
n9.doc124kb.11.08.2002 23:07скачать
n10.doc144kb.09.12.2006 01:45скачать
n11.docскачать

n7.doc

§ 11. Плазменное внутреннее осаждение (PCVD метод).
Введение. Наиболее перспективным методом изготовления заготовок по всей видимости, является плазменный метод внутреннего осаждения (PCVD - Plasma Chemical Vapor Deposition). Он позволяет формировать профиль показатель преломления волокон с точностью недостижимой другими методами, мало подвержен влиянию окружающей среды, и хорошо подходит для промышленного производства оптических волокон всех типов.

Особый интерес PCVD метод представляет при производстве волокон обладающих сложной формой профиля показателя преломления, например, NZDS волокон. В настоящее время PCVD метод применяется в компании YOFC (Yangtze Optical Fiber and Cable Company Ltd, Китай) для производства практически всех известных типов волокон. Схематически процесс изготовления волокна изображен на рис. 1.


Рис. 1. Основные стадии изготовления волокна с использованием метода PCVD.
PCVD метод. В PCVD методе для активации процесса внутреннего химического осаждения используется неизотермическая плазма низкого давления (~ 10 мбар  10-3 атм.). Плазма образуется с помощью СВЧ резонатора в смеси паров SiCl4, GeCl4, C2F6 (фреон) и O2 прокачиваемых через опорную трубку. На возбуждение плазмы затрачивается мощность порядка нескольких киловатт излучаемая магнетроном на частоте около 2.5 ГГц.

Тетрахлорид кремния (SiCl4) взаимодействуя при высокой температуре с кислородом, образует сверхчистое кварцевое стекло (SiО2). В реакции галоидов германия (GeCl4) с кислородом образуется примесь двуокиси германия (GeО2) увеличивающая показатель преломления сердцевины волокна. Для понижения показателя световедущей оболочки используется фтор, образующийся при окислении фреона.




Рис. 2. Парафазное осаждение, активированное микроволновой плазмой.
В неизотермической плазме температура электронов (~ 10000  C) значительно превышает температуру ионов (~ 1200  С) которая близка к температуре опорной трубки нагреваемой с помощью печки. Образующиеся в плазме частицы моноокиси кремния, атомарного кислорода и примесей галоидов диффундируют к стенке опорной трубки и осаждаются на её поверхности. Скорость осаждения порядка 1...2 г/мин, т.е. примерно в 3 раза выше, чем в MCVD методе.

При воссоединении частиц на стенке опорной трубки выделяется дополнительное тепло, поэтому реакция окисления идет сразу с образованием стеклянных слоев минуя порошковую стадию. При этом скорость движения горячей зоны можно увеличить до 10 м/мин (в MCVD методе она порядка 20 см/мин) и, соответственно, увеличить число осажденных слоев.

Число осажденных слоев многих случаях является важнейшим параметром, характеризующим качество заготовки. Для волокон со ступенчатым профилем показателя преломления оно не так существенно. Однако для того, чтобы изготовить волокна с более сложной формой профиля показателя преломления (градиентные многомодовые волокна или NZDS волокна с треугольным профилем) число осажденных слоев должно быть достаточно велико.

Число осажденных слоев прямо пропорционально скорости движения горячей зоны vз и времени осаждения слоев t:
N = t vз / Lз (4.6)
В MCVD методе при изготовлении одномодового волокна (без жакетирования) на осаждение слоев затрачивается примерно 1 час. За это время при скорости движения горячей зоны vз = 20 см/мин и длине заготовки Lз = 1 м можно осадить 12 слоев кварцевого стекла. При больших объемах производства заготовка обычно жакетируется. В этом случае объем осажденных слоев, время осаждения и число слоев увеличиваются в несколько раз.

Однако радикально увеличить число осажденных слоев можно, только снизив существенно скорость перемещения горячей зоны. В PCVD методе энергия передается непосредственно реагирующим газам, минуя стадию передачи тепла через стенки опорной трубки. В результате, как уже говорилось, скорость движения горячей зоны увеличивается до 10 м/мин. При такой скорости за 5 часов можно осадить около 3000 слоев, что позволяет создавать профили показателя преломления с точностью недостижимой другими методами.

Схлопывание опорной трубки. Следующая стадия состоит в преобразовании опорной трубки вместе с осажденными в ней слоями в сплошной стеклянный стержень рис.3.



Рис. 3. Схлопывание опорной трубки в сплошной стеклянный стержень.
Схлопывание опорной трубки происходит под действием сил поверхностного натяжения. Для этого она нагревается с помощью графитовой печки до температуры размягчения кварцевого стекла (~ 2200  С). При перемещении печки вдоль оси опорной трубки силы поверхностного натяжения постепенно сжимают размягченную трубку в сплошной стеклянный стержень.

Основное преимущество графитовой печки (по сравнению с кислородно-водородной горелкой) состоит в том, что она создает в зоне нагрева аксиально-симметричное распределение температуры. Для получения более симметричного распределения температуры опорная трубка вращается вокруг своей оси. Кроме того, давление в внутри трубки в процессе схлопывания регулируется с помощью компьютера. Таким образом, удается получать заготовки с достаточно малой величиной эллиптичности и эксцентриситета сердцевины.

Нагревание опорной трубки до температуры плавления кварцевого стекла в процессе её схлопывания приводит к появлению ещё одного негативного эффекта- провалу в центре профиля показателя преломления. Происходит это из-за того, что последние слои, образующие сердцевину заготовки частично испаряются. А так как скорость испарения GeО2 выше чем у SiО2, то показатель преломления вблизи оси заготовки понижается. Для того, чтобы ослабить влияние этого негативного эффекта внутренняя часть опорной трубки в процессе схлопывания заполняется смесью фреона с кислородом. В результате провал в профиле показателя преломления становится менее глубоким и более плавным.

Жакетирование заготовок. В одномодовых волокнах сердцевина и окружающая её часть световедущей оболочки занимают всего лишь несколько процентов от всего объема волокна. Основная же часть оболочки определяет только механические свойства волокна. Поэтому увеличение объема преформ путем их жакетирования позволяет значительно увеличить производительность процесса изготовления одномодовых волокон. При этом только основном только световедущая часть заготовки, где предъявляются наиболее высокие требования к чистоте материала, изготавливается с помощью CVD процесса (рис. 4).



Рис. 4. Поперечные сечения волокна и заготовок изготовленных с применением операции жакетирования и без этой операции.
Схема изготовления преформы RIT (rod in tube) – стержень в трубке изображена на рис. 5. Преформа, полученная после схлопывания опорной трубки, помещается в высококачественную кварцевая трубку изготовленную OVD (Outer Vapor Deposition) методом. Такой способ изготовления заготовок принято называть синтетической кварцевой технологией. Она сочетает в себе достоинства как внутреннего PCVD, так и внешнего OVD метода осаждения слоев сверхчистого кварцевого стекла.

Рис. 5. Изготовление преформы RIT – стержень в трубке.
Для того чтобы избежать появления эксцентриситета сердцевины относительно оболочки в процессе вытяжки волокна производится юстировка внутреннего стержня RIT преформы относительно его жакетирующей оболочки. В печку вытяжной колонки устанавливается ещё не схлопнутая RIT преформа внутри которой поддерживается вакуум. При вытяжке волокна внутренний стержень юстируется так, чтобы обеспечить постоянство зазора между ним и жакетирующей оболочкой. Таким образом, удается добиться высоких геометрических характеристик волокна, т.е. малой эллиптичности оболочки и малого эксцентриситета сердцевины относительно оболочки.

Вытяжка волокон. Принцип вытяжки волокон достаточно прост - конец заготовки нагревают до температуры плавления кварцевого стекла, а затем из него вытягивают тонкую нить. Охлаждаясь на воздухе, тонкая кварцевая нить быстро стеклуется и перестает удлиняться, что и обеспечивает возможность получения волокон с постоянным по длине диаметром. Температура подбирается так, чтобы можно было производить принудительную вытяжку. В этом случае форма профиля показателя преломления волокна получается близкой к форме профиля показателя преломления исходной заготовки.

Для нагревания конца заготовки в настоящее время применяются в основном циркониевые печи с индукционным нагревателем. Нагреть конец кварцевой заготовки до нужной температуры можно также с помощью более доступных источников тепла: кислородно-водородного пламени или графитовой печи. Однако при нагреве с помощью кислородно-водородного пламени нестабильность пламени увеличивает флуктуации диаметра оболочки волокна, а образующаяся как побочный продукт вода, ухудшает состояние поверхности волокна.

Нагрев кварцевых заготовок с помощью графитовой печи так же может приводить к их загрязнению, так как температура, необходимая для размягчения кварца, настолько высока, что способна вызвать взаимодействие SiO2 с углеродом. Циркониевые же печи с индукционным нагревателем, как и графитовые печи, обладают теплотворной способностью достаточной для вытягивания волокон из больших заготовок, но приводят к меньшему загрязнению волокон.

Преформа устанавливается на вершине колонки для вытяжки волокон и медленно вдвигается в печку, разогретую до температуры порядка 2100  С. Нижний конец преформы размягчается так, что из него можно вытягивать нити нужного диаметра (125 мкм). При этом форма профиля показателя преломления сохраняется, несмотря на огромное изменение масштаба в поперечном направлении.

На выходе из печки установлено лазерное устройство, с помощью которого измеряется диаметр кварцевой оболочки волокна (рис. 6). Сигнал с выхода этого устройства используется для коррекции скорости вытяжки волокна.

Сразу после измерения диаметра кварцевой оболочки на волокно наносится двухслойное покрытие отверждаемое УФ излучением. Первый слой покрытия мягкий, а второй более твердый. Такое двухслойное покрытие препятствует появлению в волокне микроизгибов в широком диапазоне температур. Концентричность наносимых на волокно покрытий контролируется по картине дифракции излучения He-Ne лазера.



Рис. 6. Схема установки для вытяжки волокон компании YOFC.
Типы волокон изготавливаемых PCVD методом.

Тип волокна

Стандарт на волокно



Стандартное одномодовое волокон (SM)

c согласованной оболочкой (matched cladding)


ITU-T Rec. G.652

IEC 793-2, B. 1.1


Многомодовое градиентное волокно 50/125 мкм (MM)


IEC 793-2, A1a


Многомодовое градиентное волокно 62.5/125 мкм (MM)


IEC 793-2, A1b


Волокно со смещенной дисперсией (DS)


ITU-T Rec. G.653


Волокно с ненулевой смещенной дисперсией (NZDS)


ITU-T Rec. G.655


Волокно для компенсации дисперсии (DC)





Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации