Изготовление оптического волокна на основе кварцевого стекла.
Процесс изготовления кварцевых ОВ состоит из 2-х стадий:
Получение заготовки (преформы)
Вытяжка волокна.
В настоящее время наиболее распространены парофазные методы получения заготовок ОВ, которые основанны на окислении или гидролизе паров четыреххлористого кремния и галогенидов легирующих компонентов (GeCl4, BBr3, РОС13).
Преимущество методов: возможность получения чистой или легированной двуокиси кремния, содержащей примеси «красящих» металлов на уровне <10-7 масс.%.
Разновидности парофазных методов:
метод внутреннего парофазного осаждения (модифицированное химическое парофазное осаждение — MCVD –modified chemical vapor deposition);
метод внешнего парофазного осаждения (OVD - outside vapor deposition);
метод парофазного осевого осаждения (VAD – vapor axial deposition);
плазмохимические методы (PMCVD, PCVD и т.д.).
Метод модифицированного химического парофазного осаждения (MCVD).
Рис.2. Процесса получения заготовки методом MCVD: а) химическое образование и осаждение оксидов, б) сжатие трубки, в) «схлопывание» трубчатой заготовки в стержень.
Этапы процесса:
1. Осаждение частиц оксидов (термофорез) на внутреннюю поверхность опорной трубки.
2. Проплавление осажденного материала с образованием прозрачных стеклообразных слоев.
3. Нагрев и схлопывание трубки в сплошной стержень-заготовку.
Рис. 3. Схема установки MCVD: а) – система осушки, б) – блок подготовки ПГС, в) – тепломеханический станок, г) – колонна нейтрализации продуктов реакции, 1 – опорная кварцевая труба, 2 – кислородно-водородная горелка, 3 – концевые переключатели, 4 – регуляторы расхода газа, 5 – дозаторы барботажного типа
Основные химические реакции при синтезе заготовки ОВ:
SiCl4 г + O2 = SiO2тв,ж + 2Cl2г
GeCl4 г + O2 = GeO2тв+2Cl2r
4РОС1зг + ЗО2 = 2Р2О5тв,г + 6С12г
4ВВrзг + ЗО2 = 2В2ОЗж,тв + 6Br2г.
Особенности реакций:
при температурах <1250°С, больших потоках несущего газа и малых концентрациях исходных веществ имеет место гетерогенное осаждение, приводящее к образованию прозрачных стеклообразных слоев.
при более высоких температурах (>1250°С) и больших концентрациях исходных веществ происходит гомогенное образование частиц чистого или легированного кварцевого стекла, образующих на поверхности трубки или подложках рыхлые порошкообразные слои.
Рис. 4. Зависимость давления паров выходящих галогенидов в процессе MCVD от температуры горячей зоны трубки: 1 – SiCl4, 2 – GeCl4, 3 – POCl3, 4 - Si2OCl6. Скорости поступления исходных реагентов: SiCI4—0,5 г/мин, GeCl4,—0,05 г/мин, РОС13—0,016 г/мин, О2—1540 см3/мин, кварцевая трубка с наружным диаметром 25мм и толщиной стенки 3 мм.
Использование фтора:
В качестве исходных реагентов обычно используется фреон-12 (CCl2F2), фреон-113 (C2Cl3F3), а также SF6 и SiF4:
SiF4 + 3 SiO2 тв. = SiO1,5Fтв.
Недостаток: тратится часть исходного тетрахлорида кремния - уменьшение скорости образования и осаждения SiO2.
Рис. 5. Зависимость относительного изменения показателя преломления кварцевого стекла, легированного фтором, от парциального давления SiF4 в ПГС. - теоретическая кривая,• -экспериментальные результаты.
Этапы осаждения оксидов:
1. образование микрочастиц (размер до ~ 0,2 мкм)
2. термофорез.
Рис. 6. Траектория частиц окислов под действием температурного поля в опорной трубке.
Повышение эффективности:
— использование широкозонной горелки, обеспечивающей разогрев ПГС до большей температуры;
— принудительное охлаждение зоны осаждения водой или воздухом, что приводит к уменьшению температуры приповерхностной области;
— повышение теплопроводности ПГС, например, заменой части кислорода на гелий, обладающим более высокой теплопроводностью;
— уменьшение концентрации паров галогенидов в приосевой зоне, например, путем введения вдоль оси опорной трубки дополнительной трубки, по которой в зону нагрева подается инертный газ.