Przegląd materiałów oraz technologii wytwarzania włókien oraz ich pokrycia

Transkrypt

1 Przegląd materiałów oraz technologii wytwarzania włókien oraz ich pokrycia Overview of Materials and Fabrication Technologies and Optical Fiber Coatings

2 Technika dwu-tyglowa Techniki osadzania z oparów (vapor deposition) Proces zewnętrznego osadzania z oparów - OVD Proces osadzania pionowo-osiowego - VAD Bezpośrednie osadzanie nanocząstek -DND Zmodyfikowane chemiczne osadzanie z oparów - MCVD Plazmowe chemiczne osadzanie z oparów PCVD Proces sol-żel Proces sol-żel wytwarzania PCF Wyciąganie włókna

3 Technika dwutyglowa wytwarzania włókien Odpowiednio czyste materiały rdzenia i płaszcza, poprzez kontrolowanie temperatury i czasu kontaktu obu składowych w zbiorniku płaszcza pozwalają na dyfuzję materiału i wytworzenie włókna gradientowego. FIG. 1 Technika dwutyglowa (double-crucible) Ta technika są wytwarzanie włokna komercyjne o stratach 5dB@900 nm, jednakże niskostratne włókna na II i III okno transmisyjne nie są osiągalne Pomimo doś prostej i eleganckie metody wytwarzania, od samego początku, technika ta boryka się z problemem zanieczyszczeń z tygla zmniejszających czystość materiału z poziomu ppb dp ppm. Częściowo daje się to poprawić poprzez stosowanie ochrony w postaci nadmuch tlenu pod atmosferycznym ciśnieniem. Pozwala to usuwać atomu miedzi i żelaza.

4 Techniki osadzania z oparów Powstałe w początkowych latach 70 ubiegłego wieku mogą być klasyfikowane jako wewnętrzny lub zewnętrzny proces. Obie stosują utlenianie oparów trójchlorku krzemu celem wytworzenia submikronowych cząstek amorficznego krzemu. Inne opary chlorku takie jak trójchlorek germanu i chlorotlenek fosforu są stosowane jako źródło domieszki do krzemu. Osadzanie zewnętrzne używa wodorowania płomieniowego dzięki czemu opary chlorku przechodzą przez proponowo-tlenowe palniki i wytwarzają osad cząstek SiO 2. wokół swoistych meandrów stanowiących zaczątek preformy. Proces wewnętrzny używa tego samego typu reaktantów razem z tlenem, ale reakcja zachodzi wewnątrz krzemowej rury bez wodoru. Wysokie temperatury niezbędne do osadzenia cząstek są otrzymywane poprzez palniki tlenowowodorowe, które przemieszczają się wzdłuż rury obracanej w specjalnej tokarce. Reakcja wytwarza cząstki raczej przez utlenianie niż hydrolizę. Cząstki te są osadzane na wewnętrznych ścianach rury, w postaci kolejnych warstw zależnie od potrzeb następnie rura kwarcowa podlega procesowi przewężenia równomiernie na całej długości tzw. colaps dając w efekcie pręt.

5 Zewnętrzne osadzanie z oparów - OVD FIG. 2 Technika OVD III. Spiekanie do postaci gładkiego bloku szklanego w temp deg. Pozwalające na odpowiednie zwiększenie gęstości preformy. Opracowany przez Corning Glass Works proces OVD jest jednym z najczęściej stosowanym do produkcji włókien. I. Podczas procesu osadzania krzem i domieszkowane cząstki krzemu (german, fluor, fosfor, tytan) są wytwarzane w metanowo/tlenowym płomieniu podczas reakcji hydrolizy. Krzemowa, domieszkowana preforma jest formowana poprzez wielowarstwowe osadzanie oparów na pręcie w trakcie jego równomiernego obrotu oraz przesuwu palnika wzdłuż targetu. II. Porowata preforma podlega osuszaniu w dwuchlorku celem usunięcia cząsteczek wody i metalicznych zanieczyszczeń w temp deg.

6 VAD osadzanie pionowo-osiowe Jest to wariant metody OVD, gdzie materiał rdzenia oraz płaszcza mogą być nanoszone razem lub osobno. VAD umożliwia uniknięcie tzw. deep w środku rdzenia. Dalsza obróbka jak w OVD. Zasadnicza różnica: OVD profil n zależy od zmiany składu kolejnej warstwy, VAD profil n zależy od subtelnej kontroli składu gazów w palniku jak i rozkłady temperatury w polu wzrostu zarodka. FIG. 3 Proces VAD: a) wzrost z zarodka, b) profil performy po usunięciu zarodka, c) spiekanie preformy, Przewaga VAD nad OVD to możliwość wytworzenia preform mocno domieszkowanych dla OVD duże niedopasowanie termalnego współczynnika core-clad prowadzi do pęknięć w czasie konsolidacji preformy.

7 DND bezpośrednie nanoszenie nanocząstek FIG. 5 Bezpośrednie nanoszenie nanocząstek, Ta metoda stworzona prze Liekki Corp. Jest nowoczesną technologią wytwarzania włókien laserujący oraz wzmacniających (włókna domieszkowane pierwiastkami ziem-rzadkich: Yb, Er, Nd ). Wysokokoncentryczne domieszkowanie uzyskuje się bez utraty własności falowodowych struktury. Ponadto DND dostarcza z natury osiową kontrolę domieszek, istotną dla dużych rdzeni o niskiej wartości NA. Generalnie można powiedzieć, że jest to forma OVD, gdzie nanocząstki (10-100nm) dostarczane są w postaci ciekłej lub gazowej i osadzane na aluminiowym nie krzemowym podłożu dalej jak OVD. Metoda ta pozwala na wytworzenie preform o stosunku średnicy rdzeń/płąszcz 0.50, zamiast 0,16. Także doskonała do wytwarzania włókien dwu-płąszczowych o dużej średnicy rdzenia, np. domieszkowane itrem dwu-płaszczowe włókno 20/125 um). Metodę tą stosuje się dla włókien jednomodowych, dwu-płaszczowych polaryzacyjnych dwu-płąszczowych oraz innych: z prostokątnym (i innych niekołowych) rdzeiem i płaszczem, włókien wielordzeniowych, itp.

8 MCVD zmodyfikowane chemiczne osadzanie z oparów FIG. 6 Proces MCVD, Wyrasta ona z technologii CVD stosowanej w przemyśle elektronicznym do wytwarzania domieszkowanych warstw wewnątrz krzemowych rurek. Modyfikacja polega na zwiększeniu szybkości procesu poprzez ponad 10 krotne zwiększenie szybkości przepływu gazu w rurze. W MCVD typowo nanosi się od 30 do 100 warstw. Zasadnicze elementy procesu: (a) równowaga chemiczna zawartości domieszek dla danej temperatury dobór odpowiedniej szybkości przepływu domieszek w danej temperaturze, (b) oczyszczanie z domieszek OH - (c) rozrzut termiczny domieszek.

9 PCVD plazmowe chemiczne osadzanie z oparów FIG. 9 Proces PCVD, Jest to proces podobny do MCVD ze względu użycia tego samego typu materiałów do osadzenia wewnątrz krzemowej rury jej kolapsu, a następnie wy- ciągnięcia we włókno. Zasadnicza różnica pomiędzy tymi dwoma procesami polega na tym, że utlenianie odczynników w rurze jest inicjowane przez nieizotermalną mikrofalową plazmę w rurze a nie poprzez zewnętrzne jej ogrzewanie. W procesie PCVD większość z nanoszonych materiałów ma formę oparów, a nie jako osadów które występują w metodzie MCVD. W konsekwencji metoda ta zapewnia prawie 100% nanoszenie dwutlenku germanu i krzemu (problem z usuwaniem OH) oraz nie prowadzi do problemów związanych z przegrzaniem rury. Potrzebuje jednak technologii wytwarzania plazmy za pomocą mikrofalowego pieca działającego pod ciśnieniem kilku Torów i częstotliwości ok GHz. Inna korzyść to szybkość przesuwu strefy plazmy (grzanie bezpośrednie a nie poprzez ściankę rury) zatem w danym procesie może być naniesionych setki warstw dokładniejszy rozkład współczynnika załamania.

10 Procesy sol-żel Omówione procesy pozwalają na wytworzenie włókien MM i SM o niskich do poziomu granicznych strat krzemu oraz długości rzędu 10km fizycznie core/clad daje ok. 20% całej masy włókna, reszta to drugie pokrycie lub okablowanie. Redukcja kosztów tego drugiego etapu oraz wzrost długości włókna z danej preformy jest możliwy poprzez zastosowanie technologii sol-gel. FIG. 10 Strategia hybrydowej technologii sol-gel: Lewa gel wytworzony w postaci tuby w której osadzany jest pręt rdzenia, Prawa gel jest zgranulowany i napylany na performę. Zasadnicza korzyść to obniżenie masy włókna i kosztów materiału pokrycia oraz tym samym możliwość wzrostu długości włókna do setek kilometrów z jednej performy.

11 Wytwarzanie w procesie sol-żel PCF FIG. 11 Wytwarzanie PCF za pomocą metody sol-gel (1) Ustawienie struktury prętów i zewnętrznego pokrycia z sol-gel, (2) usunięcie prętów, (3) osuszenie, oczyszczenie i zagęszczenie żelowego korpusu Zasadnicza korzyść to obniżenie masy włókna i kosztów materiału pokrycia oraz tym samym możliwość wzrostu długości włókna do setek kilometrów z jednej performy.

12 Wyciąganie włókna Preforma 1 m długości i średnica od 2.0 do 7.5 cm wyciągana we włókno o średnicy 125 um. FIG. 12 Wyciągarka