Производството на легирани-ербий оптични влакна чрез VAD методология включва пет отделни етапа:
(1) производство на прът с пореста сърцевина по метода VAD
(2) процес на допинг и импрегниране
(3) процес на формоване на заготовки
(4) процес на обшивка
(5) чертеж на оптично оптично влакно
Всеки етап представя свой набор от предизвикателства
Производство на порести дорници чрез VAD метод
Процесът започва с конвенционална настройка на VAD, въпреки че наричането му "конвенционално" почти подценява колко фина може да бъде тази стъпка. Започвате с мишена от силициев диоксид-20 mm в диаметър, нищо особено, разположена вертикално. Дюзата на горелката става вашата основна система за доставяне, захранвайки SiCl₄ със скорост между 450-550 литра в минута. Това е доста широк оперативен прозорец и къде попаднете в този диапазон влияе на скоростта на отлагане повече, отколкото позволяват повечето спецификации.
Кислородът постъпва с 15 литра на минута, водородът с 10. Реакцията на пламъчна хидролиза протича бързо-говорим за достатъчно високи температури, за да не се разложи SiCl₄, а на практика да експлодира в тези малки силициеви частици, които започват да се натрупват върху целевия прът. Цялото нещо разчита на термично окисление, протичащо едновременно с хидролизата, поради което газовите съотношения имат толкова голямо значение. Сбъркайте ги и ще го видите в вариациите на плътността на вашата пореста структура.
Това, което накрая получавате след достатъчно време за отлагане, е порест SiO₂ дорник с диаметър приблизително 60 mm. Целевият прът се повдига нагоре по време на този процес с 55-60 mm на час – бавно и стабилно. Бързайте и отлагането на частиците става неравномерно; вървете твърде бавно и рискувате да прегреете концентрирани зони. Има приятно място и намирането му понякога отнема няколко неуспешни пускания. Получената пореста структура е критична, тъй като нейната морфология определя колко ефективно ще абсорбира допинг разтвора по-късно. Твърде плътен и ербиевият разтвор няма да проникне достатъчно дълбоко; твърде хлабав и получавате градиенти на концентрация, които ще ви преследват по време на фазата на синтероване.
Процес на импрегниране с допинг
Ето къде нещата стават химически. Порестият SiO₂ сърцевинен прът отива направо в контейнер, пълен с вашия допинг разтвор, като всичко се извършва при стайна температура, тъй като нагряването на този етап би било контрапродуктивно. Самото решение е измамно просто: етанол като разтворител, ErCl3 като добавка.
Сега ErCl₃ има ограничена разтворимост в етанол-можете да го увеличите до около 0,54% от теглото и това е почти вашият таван. Опитайте се да натъпчете повече и просто губите добавката, защото няма да остане в разтвора. Някои лаборатории са експериментирали с различни разтворители, за да увеличат този брой, но етанолът остава стандартът, защото се изпарява чисто и не оставя замърсители, които пречат на структурата на стъклото.
Самото импрегниране е лесно механично-вие просто оставяте капилярното действие и дифузията да си свършат работата, докато разтворът попива в тези пори. Но равномерността на поемане зависи изцяло от това колко последователна е тази пореста структура от първа стъпка. Този метод работи и с AlCl₃, който понякога се до-легира с ербий, за да се модифицират емисионните характеристики. Алуминият може леко да измести пика на емисиите на ербий и да повлияе на живота на възбудените състояния, което има значение за приложенията на усилвателя.
Едно нещо, което техническата литература не винаги споменава: времето за накисване е по-важно, отколкото си мислите. Оставете го твърде къс и ще получите непълно проникване във вътрешността на пръта. Оставете го твърде дълго и... добре, всъщност, това рядко е проблем, освен ако разтворът ви не започне да се разгражда, което може да стане, ако навлезе влага.
Процес на формоване на заготовки
На този етап търпението се превръща в добродетел. Имате пореста пръчка, напоена с разтвор на добавка, и трябва да я трансформирате в солидна стъклена пръчка, без да губите своя ербий или да създавате дефекти. Процесът се разделя на три термични обработки, всяка със собствена цел.
Първо идва отстраняването на разтворителя. Пръчката влиза в пещ под азотна атмосфера-инертната среда е от решаващо значение тук-и вие я нагрявате до някъде между 60-70 градуса. Това изглежда нежно и умишлено е така. Вие изпарявате етанол, който има точка на кипене 78 градуса, но поддържате температурата под тази, за да избегнете кипене, което би създало предизвикани от налягането пукнатини или канали в порестата структура. Тази стъпка отнема от 24 часа до 240 часа в зависимост от размера на пръчката и колко наситена е по време на импрегнирането. Няма за бързане. Виждал съм как инженери се опитват да ускорят това чрез повишаване на температурата и винаги съжаляват, когато намерят кухини в крайната заготовка.
След като етанолът изчезне, вие оставате с отложен ербиев хлорид в цялата пореста силициева матрица. Сега трябва да преобразувате този хлорид в оксид и да изгоните хлора, защото остатъчните хлориди ще доведат до отслабване в готовото влакно-те абсорбират светлина точно в дължините на вълните, които не искате. Това е фазата на дехидратация.
Температурата скача значително: 950-1050 градуса в амонячна атмосфера. Амонякът обаче не е чист - съдържа 0,25%-0,35% кислород, което изглежда като малко количество, но се контролира внимателно. Твърде много кислород и получавате преждевременно синтероване; твърде малко и дехидратацията е непълна. Амонякът помага за отстраняването на хидроксилните групи, които иначе биха останали в стъклената структура. OH⁻ групите са известни с това, че причиняват пикове на абсорбция около 1,39 μm, което е проблематично за телекомуникациите. Задържате тези условия за 2,5-3,5 часа. Ербиевият хлорид се превръща в ербиев оксид по време на тази фаза.
След това идва синтероването, окончателното консолидиране. Сега отново сте в азот-без амоняк, без кислород-при 1400-1600 градуса за 3-5 часа. Това е мястото, където порестата структура се срутва и силициевият диоксид напълно витрифицира в прозрачно стъкло. Ербиевият оксид се включва в мрежата от силициев диоксид, като в идеалния случай се разпределя сравнително равномерно на молекулярно ниво. Температурата трябва да бъде достатъчно висока за пълно уплътняване, но не толкова висока, че ербият да започне да мигрира или да се групира, което би създало нехомогенност на концентрацията.
Това, което се появява, е прозрачна стъклена сърцевина с ербий, разпределен навсякъде. Ако сте направили всичко както трябва, трябва да има минимални мехурчета, добра оптична чистота и концентрация на ербий, която съответства на вашите изчисления от стъпката на импрегниране-макар че никога не съвпада точно. Винаги има някаква загуба по време на термичната обработка.
Процес на облицовка
След цялата тази внимателна работа върху сърцевината, стъпката на обвивката изглежда почти антиклимактична, въпреки че едва ли е тривиална. Сърцевинният прът се нуждае от обвивка-слой от стъкло с по-нисък индекс на пречупване, който ще ограничи светлината до сърцевината чрез пълно вътрешно отражение.
Взимате завършената сърцевина и я вкарвате в предварително-изработена облицовъчна тръба. Тази тръба обикновено е чист силициев диоксид или леко добавена, за да регулира контраста на индекса на пречупване. Прилягането е от значение: твърде хлабаво и ще задържите въздух; твърде стегнат и рискувате да спукате нещо по време на поставянето. Веднъж сглобена, цялата конструкция се връща в пещ, където се изпичат заедно. Нагряването кара и двете части да омекнат и да се слеят, създавайки монолитна заготовка-едно твърдо парче без интерфейсни празнини, които биха разпръснали светлина.
Коефициентите на топлинно разширение на сърцевината и обвивката трябва да съвпадат сравнително добре, в противен случай ще създадете напрежение по време на охлаждане, което може да доведе до двойно пречупване или, още по-лошо, до микросчупвания. Повечето производители имат стандартизирани комбинации, за които знаят, че работят надеждно.
Чертеж на оптични влакна
Последната стъпка се случва в кула за изтегляне на оптични влакна, където заготовката се подава в пещ, достатъчно гореща, за да омекоти стъклото-говорим приблизително на 2000 градуса. Когато върхът на заготовката омекотява, гравитацията и механичното издърпване го привличат надолу в тънко влакно. Скоростта на изтегляне, температурата на пещта и напрежението се нуждаят от внимателна координация, за да достигнат целевия диаметър, обикновено 125 μm за облицовката.
Тук се прилагат конвенционалните процеси на изтегляне, което означава, че имате наблюдение на диаметъра-в реално време, апликатори за нанасяне на покритие за добавяне на защитни полимерни слоеве, докато стъклото е все още горещо, и-набиране на макари. Концентрацията на ербий в ядрото остава по същество непроменена по време на рисуване-вие просто свивате всичко пропорционално. Но напрежението при изтегляне не може да бъде твърде високо или ще предизвикате напрежение във влакното, което влошава неговата производителност.
Едно нещо, което си струва да се отбележи: цялата тази работа за равномерно разпределение на ербия наистина се отплаща тук. Всички промени в концентрацията в заготовката се запазват във влакното, така че ако сте имали проблеми в стъпки 2 или 3, сега те са постоянни. Не можете да ги поправите, поради което тези по-ранни етапи изискват толкова много внимание.
Полученото влакно, ако всичко върви добре, е оптично влакно с -добавка на ербий, подходящо за усилватели или влакнести лазери, с характеристики на усилване в прозореца 1530-1560 nm, от който зависят телекомуникационните системи. Не е лошо за това, което започна като малко хлоридна сол и пореста пръчка.
