Производство оптических волокон
Существует два метода производства оптического волокна: либо через вытяжку из стеклянной заготовки, поверхностные слои которой соответствующим образом легированы различными оксидами (так называемая газовая фаза — современная технология производства) или при помощи многокомпонентных волокон (методом жидкостной фазы).
Заготовки из стекла изготавливаются в виде цилиндрического стержня, из которого вытягивается оптическое волокно. Профиль стержня представляет расширенный профиль оптического волокна. После интенсивного локального нагрева, волокно вытягивают из этой заготовки. Оно сразу же покрывается слоем полимера в несколько микрон толщиной, так называемым первичным покрытием, для механической защиты.
Эта установка, около 7 метров высотой и довольно сложной конструкции, с точными измерениями и контролем технологии с использованием микро-ЭВМ. Механизм подачи передает заготовку в зону вытяжки с печью сопротивления или горелкой. Покидая эту зону, волокно измеряется и значения измерений передаются в систему управления. Время отклика не должно быть больше, чем 0.1-0.03 с, а результирующий диаметр отклонения от требуемых значений не должно превышать 2%. Тогда сопло прогревает первичный слой покрытия волокна. В случае силиконовых смол для закалки используются тепловые печи, а в случае акриловых – ультрафиолетовый свет. Число печей и общая длина зоны упрочнения зависит от скорости вытяжки. При нанесении первичного покрытия достигается скорость до 5 м/с. Волокна с первичным покрытием вводятся в машину для вытяжки контролируемую системой управления. Скорость вытяжки машина выбирает на основе информации о диаметре волокна. Последний компонент линии — устройство для намотки, после которого иногда ставят устройство для проверки волокна на прочность. Волоконно-вытягивающие линии могут содержать дополнительные устройства, которые упрощают операции вытяжки или делают их более точными. Рис.1. Вытяжка оптического волокна из заготовки
Подготовка заготовки (метод газовой фазы) основана на окислении тетрахлорида кремния:
SiCl4 + O2 → SiO2 + 2Cl2
Возможны другие, подобные, реакции окисления, в ходе которых образуются очень мелкие частицы твердых оксидов. Эти частицы оседают на поверхности и образуют пористый слой, который при повышении температуры плавится в так называемых преформах, из которых оптическое волокно протягивается дальше. В производстве преформ используются различные технологии, которые отличаются либо направлением, в котором реагируют компоненты, либо механизмом реакции. Подготовка заготовки наиболее важная операция во всем процессе производства, так как все свойства волокна задаются свойствами этой заготовки.
При подготовке заготовки методом химического осаждения паров (CVD) используются следующие технологии:
- OVD (Outside Vapour Deposition, Внешнее осаждение паров), осаждение за пределами газовой фазы путем бокового осаждения на ядро, которое вращается с постоянной скоростью;
- MCVD (Modified Outside Vapour Deposition, Модифицированное внешнее осаждение паров), принадлежит к внутренним методам, в которых оксиды, наносятся на внутреннюю стенку вращающейся кремниевой трубки;
- PCVD (Plasma Chemical Vapour Deposition, Плазменное химическое осаждение паров), так же, как с MCVD, оксиды, наносятся на внутреннюю стенку вращающейся кремниевой трубки, но реакция, в соответствии с исходным уравнением, инициируется микроволновой плазмой;
- VAD (Vapour Phase Axial Deposition, Осевое осаждение паровой фазы), отличается от предыдущей технологии тем, что оксиды наносятся на вращающуюся оправку из материала-носителя в осевом направлении.
А теперь некоторые подробности отдельных технологий.
Технология OVD
Оригинальная технология компании Corning Glass Works (которая в 1970 году сделала первые оптические волокна с затуханием менее 20 дБ/км), используется компанией в производстве оптических волокон. Этот метод использует боковое осаждения на ядро, которое вращается с постоянной скоростью. Как правило, ядро 0.5 см в диаметре и сделано из Al2O3 или графита. Топливо, SiCl4, и соответствующие примеси подаются в горелку. Принцип этого метода показан на рис.2. Гидролиз паров галогенидов в пламени приводит к появлению твердой сажи оксида или смеси оксидов, часть которых оседает на ядро, формируя пористое вещество, плотность которого составляет около 1/3 плотности кремниевого стекла. Слои легируются на стержень, после чего формируются в вытянутое волокно. После легирования, стержень, из-за различного теплового расширения, аккуратно удаляется и пористая структура спекается в печи при температуре около 1500°С (рис.2, b). Сжигание топливного газа сопровождается образованием ОН групп. Во время спекания поток He, с несколькими процентами Cl2, эффективно удалит ОН группы. Этот метод предоставляет высокие требования к защите окружающей среды от загрязнения. Управление технологией OVD также требует: необходимость поддержания постоянной скорости потока сырья и топлива, вращения заготовки и постоянную температуру горелки. При стекловании скорость газа, вращения и температура горелки должны быть постоянными. При стекловании возникает химические реакции между примесями и газом, что приводит к изменению профиля показателя преломления. Эти изменения учитываются заранее, т.е. так, что после реакции с газом профиль является правильным. Из одной заготовки можно сделать волокно длиной более 10 км и диаметром 125 мкм. В настоящее время достигнуты темпы производства выше, чем 2 г/мин, что соответствует 75 м волокна в минуту. Достигнуты низкие значения затухания, пропускная способность достигает 1 ГГц/км.
Технология MCVD
Основана на внутреннем окислении газовой фазы в зоне реакции, внутри вращающейся трубки из диоксида кремния, вдоль которой двигается кислородно-водородное пламя. Эта технология была разработана в Bell Laboratories и введена в практику Western Electric Company. Она постепенно распространилась в Японии и Европе, а сегодня это наиболее часто используемый метод. Принцип производства показан на рис.3. Преимущество этого метода состоит в большой чистоте основного процесса, о загрязнении окружающей среды практически не может быть и речи. Заготовки подготавливаются нагревом кварцевой трубки со слоем спеченной сажи при температуре около 1900°С, когда происходит усадка по форме стержня. В производстве используется скорость осаждения 0.4 г/мин, что соответствует 40-160 м волокна в минуту, с возможностью составления волокна, общей протяженностью от 10 до 15 км. Рис.2. Принцип производства методом OVD
Используя заготовки, сделанные по технологии MCVD, возможно производить многомодовые и одномодовые световоды со ступенчатым или градиентным профилем. Затухание многомодового волокна — 3 дБ/км на длине волны 850 нм, и 1 дБ/км на 1300 нм, с пропускной способностью в несколько ГГц/км. Пиковые значения существенно лучше, с затуханием менее 1 дБ/км и пропускной способностью в десятки ГГц/км. В одномодовых волокнах, затухание при 1550 нм ниже 0.2 дБ/км, пропускная способность 10 ГГц/км.
Технология PCVD
Разработана в научно-исследовательской лаборатории Philips, производство началось в Philips Glass Division. Метод показан на рис.4. Технология входит в число внутренних методов и характеризуется применением неизотермической плазмы, в которой протекает реакция. В трубке поддерживается давление 1330 Па, она помещается горизонтально в печи при температуре 1200°C. Внутри печи, СВЧ-генератор, работающий с частотой 2.45 ГГц, движется вокруг трубки со скоростью 8 м/мин, вдоль длины 70 см. Этот генератор производит СВЧ плазму, в которой на стенках трубки происходит гетерогенная реакция, проходящая без сажи. Для осаждения SiO2 эффективность составляет почти 100%, а для GеO2 около 85%. Описанный метод дает очень тонкие слои (до 700 слоев около 0.5 мкм), и имеет преимущество для волокна с градиентным показателем профиля. Это связано с тем, что энергия для реакции поставляется непосредственно, а не через стенки трубки. После нанесения основных материалов температура в печи повышается до 2000°С с последующим распадом кварцевой трубки. Скорость производства 0.5 г/мин. Рис.3. Принцип производства методом MCVD
Контролировать PCVD легче, чем другие методы. Высокие требования предъявляются к сырью. Другие параметры, такие как давление в трубе, температура печи, энергия плазмы, скорость резонатора и т.д. существенно не влияют на результирующие параметры.
Технология VAD
Разработана в Японии компанией NTT, а производство было начато в Fujikura Cable Works Ltd., Sumitomo Electric Industries Ltd., и в других компаниях. Основная схема этого метода приведена на рис.5. С помощью этого метода частицы, которые позже формируют ядро и оболочку, осаждаются на подложку в осевом направлении и, таким образом, образуется цилиндр без центрального отверстия. Важно не только отсутствие каких-либо центральных отверстий, что приводит к снижению потерь, а главным образом возможность постоянной подачи заготовки. Стеклование происходит в электрической печи при температуре 1500°С в атмосфере He-CO2 или He-SiCl2, в которой отталкивается вода. В ходе стеклования, объем заготовки уменьшается в восемь раз и диаметр заготовки становится около 2.5 см. Далее происходит вытягивание до диаметра 1 см и помещение в кварцевую трубку. При использовании этой технологии отсутствует центральный провал в профиле показателя преломления. Скорость осаждения 0.4 г/мин, из одной заготовки можно изготовить более 100 км волокна. Используя этот метод, производят многомодовые и одномодовые световоды со ступенчатым или градиентным профилем, очень малым затуханием (менее 1 дБ/км) и большой пропускной способностью. Прочность на разрыв волокна также высока. Рис.4. Производство по технологии PCVD
Управление процессом VAD очень тщательное. Преломление зависит от распределения температуры по поверхности заготовки, положения и угла пламени. Расход сырья, материалов, топлива и выхлопных газов, скорость вращения пористой заготовки и её положение должны быть постоянными. Увеличение скорости осаждения влечет за собой проблемы. Эффективность осаждения SiO2 составляет от 60 до 80%. В производстве одномодового волокна, одна горелка используется для основного осаждения и одна или более горелки для нанесения оболочки.
Методы жидкой фазы
Эти методы, так называемых многокомпонентных волокон, на основе классических методов производства стекла. Эти методы использовались при производстве оптических волокон с самого начала. Основными производственными операциями являются подготовка и плавление исходного стекла, вытягивание волокон. Рис.5. Производство по технологии VAD
Первый этап заключается в подготовке ультра-чистых исходных материалов, в основном порошков оксидов и карбонатов. Эти материалы подготовлены с использованием разнообразных методов очистки и их комбинаций. Одним из методов получения диоксида кремния требуемой чистоты является очищение натурального сырья с помощью промывания в кислых растворах. В частности, концентрированной плавиковой и азотной кислот в соотношении 1:1, а также соляной кислоты. Синтетический порошок SiO2подготовленный гидролизом тетраэтоксисилана или тетрахлорида кремния может быть очищен путем многократного перегонки и последующей сушки в атмосфере сухого газа. Карбонат натрия сравнительно легко очистить с помощью фильтрации 25% раствора на фильтровальной бумаге, чип-фильтрации на ацетат целлюлозной мембране, а также путем электролиза с ртутным катодом.
Второй этап — плавление, когда получаются однородные стекла без пузырей. Трудности могут возникнуть из-за опасности, что стекло загрязнится материалом тигля и средой печи. Тигли из оксида алюминия и платины несут ответственность за загрязнение железом; решение заключается в использовании сырья с низкой температурой плавления и, следовательно, могут быть использованы тигли из чистого кремнезема. Но тогда материала тигля начинает растворяться и появляются полосы. Это может быть предотвращено путем высокочастотного нагрева стекла и одновременного охлаждения тигля. Сушка газов проходит по всему объему стекла, чтобы уменьшить содержание гидроксильных ионов. После охлаждения, стекло обрабатывается до требуемых размеров, либо остывает лишь частично и стержень убирается с его поверхности, что позволяет устранить загрязнения при обработке за счет снижения однородности стекла.
Для вытягивания волокна существуют два основных метода: метод «стержень в трубку» и метод «двойного тигля».
Метод «стержень в трубку»
Особенно простой и продуктивный. Стержень из чрезвычайно чистого стекла или кварца вставляется в трубку из стекла с низким показателем преломления и нагревается, что позволяет вытянуть волокно (см.рис.6). Недостатком является то, что геометрические и структурные несовершенства внутренней поверхности стержня могут привести к дефектам ядра и оболочки, которые вызывают диффузионные потери. Метод используется для производства дешевых многомодовых световодов со ступенчатым профилем, сравнительно большим затуханием и большой числовой апертурой. Самые низкие затухания световодов составляют около 6 дБ/км, а числовая апертура составляет 0,6. Исходный материал диаметром 25 мм и длиной 500 мм может дать около 20 км волокна.
Рис.6. Метод производства оптического волокна «стержень в трубку»
Метод двойного тигля
Материалы сердцевины и оболочки расплавляются отдельно в двойном тигле, как показано на рис.7. Таким образом, данный метод производства позволяет получить после вытяжки необходимый профиль показателя преломления. Метод позволяет постоянно вытягивать волокно большой длины на высокой скорости вытяжки. Загрузки в 100 кг будет достаточно, чтобы изготовить 1000 км волокна. Рис.8 показывает практическую реализацию этого метода, включая нагревательную печь. Рис.6. Метод производства оптического волокна «стержень в трубку»
Рис.7. Метод двойного тигля
Рис.8. Практическое применение метода двойного тигля
Как и волокно, сделанное вытяжкой из преформ, волокно, изготовленное в жидкой фазе, также должно быть обеспечено первичным покрытием (пластиковое покрытие на основе кремния, эпоксидная смола и т.д.), защищающим волокно от химических воздействий и повышая его прочность на растяжение.
Оптические волокна PCS являются многомодовыми волокнами со ступенчатым показателем преломления. Сердечник изготовлен из диоксида кремния, покрытие из закаленной смолы кремния. По сравнению с другими видами волокон, преимуществом PCS волокна является его больший диаметр ядра и высокая числовая апертура, что позволяет легко его обрабатывать при соединении, сплайсинге и др.
Характеристика производства оптического волокна
Одномодовое волокно с согласованными профилем коэффициента преломления (Matched Clad, MC) — производитель OFS (США)
Одномодовое оптическое волокно с согласованным профилем коэффициента преломления состоит из легированного германием ядра и оболочки из чистого кварцевого стекла. Профиль коэффициента преломления схематически показан на рис.9. Волокна могут работать на двух длинах волн — 1310 и 1550 нм. Его преимущества включают:
- очень малое затухание на обеих длинах волн;
- хорошие геометрические параметры, которые позволяют получить очень малое значение затухания соединений и разъемов;
- двойное первичное покрытие D-LUX 100R придает волокну отличное механическое и климатическое сопротивления;
- если волокно в кабеле OFS, производитель гарантирует для волокна и кабеля хорошие параметры поляризационной дисперсии. Эти параметры имеют особое значение в аналоговом применении (кабельное телевидение).
Рис.9. Коэффициент преломления волокна SM
Одномодовое волокно с пониженным профилем коэффициента преломления (Depressed Clad, DC)
Одномодовое оптическое волокно с пониженным профилем коэффициента преломления состоит из ядра, легированного германием, внутренней оболочки с пониженным профилем коэффициента преломления, и внешней оболочки из чистого кварцевого стекла. Профиль коэффициента преломления схематически показан на рис.10. Волокно предназначено для всех применений, где не требуются низкое затухание и высокая пропускная способность. Волокна могут работать на двух длинах волн — 1310 и 1550 нм. Его преимущества включают:
- очень малое затухание на обеих длинах волн;
- хорошие геометрические параметры, которые позволяют получить очень малое значение затухания соединений и разъемов;
- пониженный профиль коэффициента преломления обеспечивает превосходное сопротивление затуханию на микро- и макроизгибах, даже в случае перехода на длину волны 1550 нм;
- двойное первичное покрытие D-LUX 100R придает волокну отличное механическое и климатическое сопротивления;
- если волокно в кабеле OFS, производитель гарантирует для волокна и кабеля хорошие параметры поляризационной дисперсии. Эти параметры имеют особое значение в аналоговом применении (кабельное телевидение).
Рис.10. Профиль коэффициента преломления
Двухслойное первичное покрытие оптических волокон D-LUX R 100
При выборе подходящего оптического волокна, важно, до какой степени может увеличиваться затухание волокна за счет разнообразных механических или климатических эффектов. Причиной увеличения затухания часто являются микроизгибы на оптических волокнах. Двухслойное первичное покрытие D-LUX 100 (Lucent Technologies) максимально предотвращает появление микроизгибов и повышает качество оптических волокон и кабелей, сделанных Lucent Technologies. Первичное покрытие D-LUX 100 состоит из двух слоев акрилата примерно одинаковой толщины, общий диаметр волокна с первичным покрытием составляет 245 ± 10 мкм. Внутренний слой обладает более низким значением модуля Юнга и, следовательно, образует своего рода «подушку», которая защищает волокно от внешних воздействий и предотвращает появление микроизгибов. Наружный слой с более высоким значением модуля Юнга лучше защищает волокно от действия внешних факторов.
Преимущества двухслойного первичного покрытия D-LUX 100:
- Минимизация микротрещин. Мягкий внутренний слой первичного покрытия позволяет относительно свободную посадку волокна и, тем самым, устраняет действие внешних факторов, ведущих к появлению микротрещин. Это свойство очень важно для поведения волокна при низких температурах;
- Повышенная устойчивость к воздействию внешних сил;
- Легкое удаление первичного покрытия с волокна (например, для плавления и соединения);
- Выдающиеся стабильность и длительный срок службы волокон.
Двухслойное первичное покрытие D-LUX 100 разработано таким образом, чтобы иметь максимальную устойчивость к разрушению под воздействием гидролиза или окисления, волокно с таким покрытием демонстрирует превосходную стабильность параметров и длительный срок службы во влажных и сухих средах. Эта стабильность и длительный срок службы несут ответственность за следующие преимущества:
- цветовая маркировка не меняется на протяжении всего срока службы волокна;
- отсутствует взаимное слипание волокон;
- на протяжении всего срока службы первичное покрытие волокна не теряет адгезию, и сила, необходимая для удаления покрытия заметно не меняется;
- высокое сопротивление волокон статической усталости.
Первичное покрытие D-LUX 10 используется со всеми типами волокон OFS.
Всеволновое волокно (OFS)
Это волокно с подавленным ОН «пиком» характеристики затухания оптического волокна между вторым и третьим окнами. Оно называется одномодовым волокном ZWP (Zero Water Peak, Нулевой водяной пик), которое позволяет осуществлять передачу в диапазоне длин волн от 1260-1625 нм. Волокно подходит для CWDM и DWDM передач, а также для сетей доступа (FTTx) и т.д. Оно также обладает очень низким значением PDM. Волокно изготовлено в соответствии с стандартом ITU-T G.652D.
Всеволновое FLEX волокно (OFS)
Предназначено для установки FTTH (или FTTx) сетей. Его спецификация соответствует предыдущему волокну, но демонстрирует большую надежность и очень низкие потери при передаче. Соответствует рекомендациям ITU-T G.657.
Оптическая технология EZ Bend
Эта технология представляет новые возможности в создании и установке оптических волокон (в кабелях) с сопротивлением изгибу до радиуса изгиба 5 мм (рекомендации ITU-T G.657C).
Источник
