ПРОИЗВОДСТВО ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

Для получения оптических волокон с малыми потерями и затуханием необходимо избавиться от примесей и получить химически чистое стекло. В настоящее время наибольшее применение получили два метода создания оптических волокон с малыми потерями: путем химического осаждения из газовой фазы и двойного тигля.

Получение волокон путем химического осаждения из газовой фазы выполняется в два этапа: изготавливается двухслойная кварцевая заготовка, а затем из нее вытягивается волокно.

Известны три метода изготовления заготовок.

1. Окисление (реакция с О₂).

2. Гидролиз (реакция с H₂О).

3. Золь-гель (реакция с суспензией кварца).

Структурная схема производства заготовки методом окисления представлена на рис. 47.

Рис. 47. Производство заготовки методом окисления

Внутрь полой трубки из кварца с показателем преломления n₂ длиной 0,5÷2 м и диаметром 16÷18 мм подается струя хлорированного кварца (SiCl₄) и кислорода (О₂).

Трубка при давлении около 1 атм. нагревается до температуры 1200 °С водородокислородным факелом, который медленно передвигается вдоль вращающейся трубки. В результате химической реакции окисления на внутренней поверхности трубки слоями осаждается чистый кварц (SiO₂):

SiCl₄ + O₂ = SiO₂ + 2Cl₂.

Чистый осажденный кварц затем становится сердечником оптического волокна с показателем преломления n₁, а сама трубка является оболочкой с показателем преломления n₂. Процесс, основанный на этом методе, носит название видоизмененное химическое осаждение (ВХО).

Метод гидролиза заключается в следующем.

Заготовку из хлорированного кварца SiCl₄ помещают в водородокис­ло­родный факел, который не только создает высокую температуру, но и является реагентом. Химический процесс гидролиза представляет собой реакцию замещения при взаимодействии реагента (водородокислородного факела) с хлоридом, в результате которой образуется чистый кварц и галоген:

SiCl₄ + 2H₂O = SiO₂ + 4HCl.

Для уменьшения количества гидроксильных групп и удаления продуктов гидролиза полученный образец выдерживают при температуре около 800 °С в среде SOCl₂, а затем резко нагревают до 1500 °С, после чего заготовка спекается.

Химический процесс, описанный выше, обычно называется осаждением осадков путем испарения (ООПИ) и внешним отложением осадков (ВОО). Способ ООПИ реализуется в результате медленного вращения заготовки, на которую осаждаются субмикронные частицы от реагента (водородокислородного факела). Способ ВОО осуществляется путем вращения заготовки и одновременным передвижением ее в стороны по отношению к факелу.

Золь-гелиевый процесс разработан для производства кварцевых трубок и отличается высокой чистотой материала. Материалом для изготовления этих трубок является золь – суспензия испаренного кварца в водном растворе. Для того чтобы удалить воду и придать массе форму трубки, золь подвергают вращению. Для образования точной геометрии гелеобразную трубку помещают в специальную форму. Полученную таким образом трубку извлекают из формы, нагревают для удаления гидроксильных групп и загрязнений, а затем резко нагревают до 1500 °С, после чего трубка спекается. Окончательно заготовка может быть получена путем высокотемпературного сжатия золь-гелиевой трубки вокруг предварительно подготовленного сердечника.

Для изменения коэффициента преломления необходимо добавлять примеси в первичное стекло SiO₂. Повышающие коэффициент преломления (примеси ионов германия, фосфора, алюминия) и понижающие (примеси ионов бора, фтора) внедряются в реакцию как галогены, которые доставляются парами оксида или инертным газом при температуре около 30 °С. Объединение примесей ионов осуществляется либо процессом гидролиза, либо окислением и контролируется равновесием, достигаемым в процессе реакции.

Достоинством приведенных методов является не только получение оптического волокна с сердечником из химически чистого кварца, но и возможность создания градиентных волокон с заданным профилем показателя преломления. Подбирая рецептуру легированного кварца и соблюдая объем присадки в осаждаемых слоях, можно обеспечить требуемый характер изменения показателя преломления по сечению сердечника волокна.

Законченная заготовка, изготовленная любым из вышеописанных методов, вытягивается в волокно. Для вытяжки оптического волокна может быть использована вертикальная установка, схема которой представлена на рис. 48.

Рис. 48. Вертикальная установка для вытягивания волокна из заготовки: 1 – привод подачи заготовки; 2 – заготовка; 3 – печь; 4 – пирометр; 5 – фильера для нанесения защитного покрытия; 6 – печь для ультрафиолетовой полимеризации защитного покрытия; 7 – тяговая шайба; 8 – устройство для контроля качества волокна под натяжением; 9 – приемное устройство

Заготовка вставляется в держатель, который с помощью механизма подачи с постоянной скоростью опускает ее вниз в печь, где она нагревается до температуры чуть выше точки размягчения (1800...2200 °С).

В качестве нагревательного устройства могут применяться кислородно-водородная горелка, графитовый нагреватель, СВЧ-печь или газовые лазеры. Контроль температуры в печи производится с помощью оптического пирометра или термоэлектрического термометра.

При температуре перехода от заготовки к оптическому волокну, установленной для правильного формирования стекловолокна, конечный диаметр волоконных световодов определяется диаметром заготовки, а также скоростями ее подачи в печь и намотки на барабан. Непрерывно контролируя диаметр оптического волокна, температуру печи, скорость вращения приемника и подачи заготовки, вытягивают волокно определенного диаметра. Вытяжка оптического волокна из кварцевых заготовок обычно происходит при температуре около 1900 °С и скорости намотки 0,3–2 м/с. В этом случае отношение диаметров сердечника и оболочки заготовки воспроизводится в оптическом волокне достаточно точно. Остаются неизменными профиль и относительная разность показателей преломления.

Для увеличения механической прочности стекловолокна, стойкости к атмосферным и химическим воздействиям применяется наложение тонкого покрытия непосредственно вслед за вытяжкой (первичное покрытие). Вторичное покрытие накладывается обычно с помощью червячного пресса в результате отдельной технологической операции. Важное значение при этом имеют линейное натяжение оптического волокна и режим охлаждения полимера.

Измерение диаметра оптического волокна производится с помощью лазерной системы контроля по двум координатам с выдачей управляющего сигнала на тяговую шайбу и на привод подачи заготовки. Измерение диаметра производится до и после нанесения на оптическое волокно защитного покрытия. Интервал между измерениями 1 с, диапазон измерения 25–250 мкм, точность поддержания диаметра 1 %.

Намотка оптического волокна на приемный барабан рядовая с перемещением приемного устройства в поперечном направлении. Установки для вытяжки часто совмещают с червячными прессами, что усложняет технологический процесс производства, но позволяет сократить время между изготовлением волокна и нанесением на него защитного покрытия и тем самым добиться улучшения его качества.

Между приемным устройством и тяговой шайбой могут располагаться приборы контроля механической прочности оптического волокна, представляющие собой систему роликов, изгибающих вытянутое волокно на угол ±180° под некоторым натяжением. Таким образом удается осуществить отбраковку волокна перед началом изготовления оптического кабеля и снизить процент обрыва при последующих технологических операциях. Из заготовки длиной 1 м получается свыше 1 км оптического волокна. При производстве оптического волокна по методу двойного тигля исключается предварительный этап изготовления заготовки, оптическое волокно получается путем непрерывного вытягивания из расплава, содержащегося в платиновом сосуде, через фильтр расположенный в его дне. Для получения двухслойного волокна используются два плавильных тигля, размещенных один в другом (рис. 49).

Во внутреннем тигле помещается расплавленное кварцевое стекло с показателем преломления n₁, из которого изготавливается сердцевина волокна. Во внешнем тигле расплавленное стекло с показателем преломления n₂ используется для оболочки волокна. Стекло оболочки, вытекающее из фильтра внешнего тигля, тянется вместе со стеклом сердечника, вытекающим из фильтра внутреннего тигля, образуя таким образом двухслойное волокно, которое наматывается на приемный барабан.

Сравнивая приведенные способы получения оптического волокна, можно отметить, что первый (из газовой фазы) обеспечивает лучшее качество сердечника и позволяет получить градиентное волокно. Достоинствами второго способа (двойной тигель) является простота технологии и непрерывность процесса изготовления волокна.

Контрольные вопросы

1. Объясните способ изготовления заготовок методом окисления.

2. Объясните способ изготовления заготовок методом гидролиза и золь-гель методом.

3. Как производится вытягивание оптического волокна из заготовки?

4. Объясните способ изготовления оптического волокна методом двойного тигля.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: