3.1.3 Методы изготовления ОВ

Оптические волокна, используемые в ВОЛС, изготавливают главным образом из плавленого кварца (SiO2). Достоинство его перед другими оптически прозрачными диэлектриками - минимальное затухание оптических сигналов.

Технологический процесс производства крайне сложен, разрабатывался на протяжении многих лет и происходит в два этапа: изготовление заготовки и вытягивание волокна.

Заготовка представляет собой стержень из кварцевого стекла, имеющий тот же профиль показателя преломления, что и получаемое из него ОВ. Диаметр стержня составляет 15...20 мм, а длина - от одного до нескольких метров. Из одной заготовки можно получить 50...200 км волокна с диаметром 125 мкм.

При изготовлении заготовок обычно используют метод парофазного осаждения. В основе метода лежит реакция окисления высокочистых газовых компонентов (например, SiCl₄, GeCl₄), в результате которой образуются SiO₂ и GeO₂. В зависимости от того, где образуются частицы стекла - на внешней поверхности несущего керамического стержня или на внутренней поверхности кварцевой исходной трубки - различают методы внешнего и внутреннего (осевого) парофазного осаждения.

Основные этапы производства заготовок методом внешнего парофазного осаждения представлены на рис. 3.5. В горелку наподобие бунзеновской вместе с горючим газом подают смесь хлоридов и чистого кислорода. В жарком пламени горелки (до 1600 °С) кремний и кислород воссоединяются и рождаются мелкие порошкообразные частицы высокочистого кварцевого стекла (SiO₂), а «отделившийся» в самостоятельный газ хлор улетучивается через вытяжной колпак. Поток частиц кварцевого стекла направляется на вращающийся и перемещающийся на расстояние 15 см относительно горелки керамический стержень малого диаметра. Изменением концентрации газовых добавок (GeCI₄ и др.) можно изменять показатель преломления от слоя к слою и получить необходимый профиль показателя преломления заготовки.

Рис. 3.5 К пояснению процесса внешнего парофазного осаждения:
1) стержень; 2) осаждающий слой; 3) горелка

За 1 мин на стержне осаждается 0,5-1,0 г стекла. После того как толщина слоя стекла достигает нужного размера, процесс останавливают и стеклянную заготовку снимают с затравочного стержня. Получается стеклянная трубка, а нужна сплошная цилиндрическая заготовка. Как быть? Что делать дальше?

Следующая стадия процесса состоит в нагревании трубчатой заготовки пламенем приблизительно до 1900 °С. За счет сил поверхностного натяжения, возникающих в размягченной трубке, происходит схлопывание (есть такой специальный термин) трубчатого цилиндра в сплошной. Полученную стеклянную заготовку вытягивают в тонкое оптическое волокно.

Метод внешнего парофазного осаждения отличается высокой производительностью и получил наибольшее распространение на практике. Однако его существенным недостатком является повышенное содержание ионов ОН^- в заготовке, что приводит к возрастанию потерь в ОВ. ОВ, практически не содержащие побочных примесей, получают из заготовок, образованных методом внутреннего парофазного осаждения (рис. 3.6).

Рис. 3.6 К пояснению процесса внутреннего парофазного осаждения:
1) трубка; 2) осаждающий слой; 3) продукты реакции

В кварцевую трубку, из которой в дальнейшем образуется оболочка ОВ, вводится смесь необходимых газов (SiCI₄, O₂ и добавки). Газовая горелка, находящаяся снаружи, нагревает трубку до температуры, необходимой для окисления в газовой фазе. Трубка вращается, а горелка перемещается относительно трубки. Реакция окисления происходит внутри трубки, что вызывает осаждение частиц стекла на ее внутренней поверхности.

После того как толщина слоя достигает требуемого размера, процесс парофазного осаждения прекращается. Затем трубчатая заготовка разогревается в печи до размягчения и под действием сил поверхностного натяжения превращается в сплошной стержень.

Осаждение стекла на внутренней поверхности трубки практически исключает загрязнение извне. Кроме того, реакция окисления происходит в отсутствие водородосодержащих компонентов (например, горючего газа), благодаря чему концентрация ионов ОН^- очень мала. Однако внутреннее осаждение существенно замедляет процесс изготовления заготовки и ограничивает ее длину.