Обзор технологий изготовления оптических телекоммуникационных волокон и связанные с ними инновац (стр. 1 из 3)

Введение

На протяжении последних лет в производстве оптических волокон произошли серьезные изменения в плане применяемых технологий. Колебания спроса и снижение цен на оптические телекоммуникационные волокна привели к необходимости разработки новых экономически эффективных технологий изготовления и новых конструкций волокон. В настоящей статье описаны принятые в отрасли технологии производства оптических телекоммуникационных и специальных волокон, а также представлены несколько последних инновационных решений для изготовления заготовок и волокон. Телекоммуникационные оптические волокна производятся в очень больших объемах (свыше 100 млн км одномодового волокна, соответствующего ITU-T 652, в год) и имеют малое количество подкатегорий. Стимулом для разработки инновационных технологий является стремление к сокращению производственных расходов, повышению производительности, достижению экономии, обусловленной ростом масштабов производства, и улучшению характеристик оптического волокна. Волокна специального назначения, наоборот, производятся небольшими партиями, с многочисленными типами конструкций (подкатегорий), продаются метрами, при этом стимулом для новых технологических решений служат требования гибкости производства в связи с постоянно изменяющимися конструкциями оптических волокон.

Обзор технологий изготовления оптических

телекоммуникационных волокон и связанные

с ними инновационные решения

Стандартная последовательность технологического процесса производства одномодовых оптических волокон состоит из следующих этапов: изготовление заготовки сердцевины оптического волокна (Core), наращивание оболочки (Clad), вытяжка заготовки в волокно (Draw) и, наконец, проведение испытаний на соответствие качества волокна (испытание на прочность, проверка геометрических параметров и оптические испытания) (QC).

Core

>

Clad

>

Draw

>

QC

Рис. 1. Этапы технологического процесса

Изготовление заготовки сердцевины одномодового оптического волокна

Заготовка сердцевины определяет качество и эксплуатационные характеристики волокна и поэтому является его наиболее важной частью. К известным процессам изготовления сердцевины относятся следующие: VAD, OVD, PCVD, MCVD и FCVD. Наиболее широко применяются методы VAD и OVD

Рис. 2. Сердцевина (Core) и оболочка (Clad) оптического волокна

Развитие в направлении создания оптических волокон с низким и нулевым пиком воды (ITU-T 652D) приводит к новой проблеме, которую должна учитывать технология изготовления волокон: необходимость сокращения поглощения гидроксильных групп OH

Процесс изготовления сердцевины волокна методом VAD

Метод осевого парофазного осаждения (VAD), изобретенный в 1970 году в Японии, представляет собой химический процесс гидролиза в пламени, при котором в результате реакции паровой фазы формируются наночастицы стекла, образующие окиси. Частицы (SiO2, GeO2) осаждаются в осевом направлении на вращающемся кварцевом стержне путем термофорезного осаждения [4]. Пористая заготовка затем спекается (дегидратируется и остекловывается), а потом вытягивается в стержень, готовый к наращиванию оболочки. Метод VAD лучше всего подходит для изготовления оптических волокон с низким содержанием гидроксильных групп, но он также является очень трудным процессом для промышленного производства. В традиционной технологии осаждения по методу VAD используются концентрические кварцевые горелки, изготовленные в стекольных мастерских, и небольшие камеры осаждения с естественным потоком воздуха. Компания Nextrom разработала новый процесс VAD с использованием металлических горелок с калиброванными отверстиями и большой камерой осаждения с принудительным потоком воздуха [3].

Металлическая горелка выполнена из обработанного на прецизионном станке металлического газораспределителя с коррозионностойкой трубкой и образует тепловой и химический барьер путем подачи чистого воздуха, основанный на эффекте Вентури. Образование пламени и химическая реакция происходят в ламинарном потоке чистого воздуха. Это дает возможность получать очень точное и повторяемое осаждение, контролировать при помощи конструкции объем и скорость газов, использовать стандартные рецептуры, поскольку они ведут себя единообразно на любой установке для осаждения. Большая камера с принудительным потоком воздуха имеет раздельные выпускные отверстия для сердцевины и оболочки с минимальным осаждением на стенках камеры, обеспечивает хорошую возможность контроля нежелательного вторичного осаждения, а также повышения стабильности пламени благодаря ламинарной зоне осаждения. Такая конструкция камеры успешно используется для производства оптических волокон с низким пиком воды при скорости осаждения 6 г/мин. В настоящее время ведутся дальнейшие разработки с целью повышения производительности этих установок.

Рис. 3. Метод осаждения VAD

Процесс изготовления сердцевины волокна методом OVD

Метод наружного парофазного осаждения (OVD), как и метод VAD, представляет собой процесс гидролиза в пламени. В отличие от метода VAD, в котором традиционно применяются концентрические кварцевые горелки, для процесса OVD производители всегда использовали металлические горелки. Использование металлических горелок не оказывало отрицательного воздействия на качество оптического волокна. Это показал опыт прокладки более 200 млн км оптического волокна, изготовленного с использованием таких горелок, за последние 20 лет. Более того, сравнительные испытания волокон свидетельствуют о том, что эксплуатационные характеристики волокна, полученного методом OVD, не отличаются от соответствующих характеристик волокна, изготовленного по методу VAD, за исключением содержания воды: волокна типа G652, изготовленные методом OVD, отличаются более высоким пиком поглощения гидроксильных ионов, чем волокна, полученные методом VAD. С другой стороны, процесс изготовления сердцевины OVD характеризуется более высокими скоростями осаждения – 24–36 г/мин благодаря использованию двух-и трехшпиндельных станков, соответственно.

Процессы изготовления

сердцевины волокна методами MCVD и FCVD

Модифицированный метод химического парофазного осаждения (MCVD) заключается в процессе образования субмикронных частиц кварца в результате окисления SiCl4 и последующем осаждении ультрадисперсного порошка SiO₂ и GeO₂ внутри высококачественной вращающейся опорной трубы. Эта технология используется с 1980-х годов и представляет собой простой процесс послойного осаждения. В процессе MCVD источником тепла являются расположенные снаружи кислородно-водородные горелки, в то время как в процессе FCVD (метод химического парофаз-ного осаждения с помощью печи) источником тепла является печь. После того, как произошло осаждение, трубка «схлопывается» в стержень, обычно на том же станке для изготовления заготовок. Метод MCVD широко применяется для изготовления оптических волокон специального назначения, поскольку он позволяет легко контролировать показатель преломления каждого слоя. Однако этот метод уже не так широко используется в производстве телекоммуникационных оптических волокон, так как он не дает возможности изготавливать очень большие заготовки, длина зоны осаждения часто ограничивается 1 метром, и, кроме того, горелки O₂/H₂ (кислородно-водородные), применяемые для нагрева и «схлопывания» опорной трубы, не позволяют производить волокна с низким пиком воды. Усовершенствованный вариант этого метода с использование нагревательной печи вместо горелок (FCVD) позволяет сократить содержание гидроксильных групп (OH) в заготовке и изготавливать волокна с низким пиком воды. Он также позволяет увеличить «полезный» размер опорной трубы

Рис. 4. Нагревательная печь для процесса FCVD

Путем сокращения соотношения B/A (диаметр осажденной оболочки относительно диаметра осажденной сердцевины волокна) можно увеличить размер заготовки для сердцевины и производить заготовки размером до 120 мм. Технология FCVD применяется на протяжении нескольких лет компаниями Silitec, Draka и другими для производства оптических волокон с низким пиком воды.

Процесс PCVD

Плазменный метод химического парофазного осаждения (PCVD), изобретенный компанией Philips в 1980-х годах, запатентованный и принадлежащий компании Draka, так же как и методы MCVD/FCVD, представляет собой процесс внутреннего осаждения. Единственным существенным отличием является то, что источником тепла, используемым для спекания осажденного ультрадисперсного порошка внутри опорной трубы, служит расположенная внутри плазма низкого давления, создаваемая радиочастотным полем. Это позволяет очень точно контролировать процесс спекания слоев, что обеспечивает более точный контроль профиля показателя преломления, особенно, в случае оптических волокон с градиентным показателем преломления, но в то же время при этом допускается значительное включение легирующих примесей. Развитие этой технологии для изготовления телекоммуникационных оптических волокон идет в том же направлении, что и развитие технологии MCVD, то есть целью дальнейшего развития является изготовление заготовок сердцевины волокна с меньшим соотношением B/A и стержней для изготовления сердцевины с большими диаметрами, что приведет к повышению производительности.