Применение кварцевого стекла в линиях связи

      Метод изготовления оптоволокна независимо от целей его использования должен обеспечивать малые потери в волокне. Процесс приготовления из выбранных  ранее материалов готового к использованию  волокна должен быть разделен на несколько  стадий, для того чтобы обеспечить поэтапные контроль хода процесса. В процессе, относящемуся к многокомпонентным  стеклам с низкой температурой плавления, стекло готовят в большой плавке, а волоконный световод формируют  на  втором, отдельном этапе. В  процессе приготовления световода  из кварцевого стекла, используется заготовка, содержащая материал как сердцевины, так и  оболочки, образованных методом  осаждения из газовой фазы. В дальнейшем такая «двойная» заготовка перетягивается в волоконный световод. Можно применять  иной процесс: из заготовки однородного  состава вытягивается в световод, который затем покрывается пластиком, образующим отражающую оболочку.  При  передачи изображения используется кабель из таких стеклопластиковых  волокон, следовательно, для лучшей изоляции отдельного волокна, т.е. для  предупреждения просачивания света  в соседние волокна, пластиковую  оболочку можно покрыть тонким слоем  металла, используя для этого  хорошо отработанный метод электролиза.

       Для изготовления световода любого типа требуется расплавленное стекло. Для ускорения плавки кристаллический  SiO₂ может быть предварительно измельчен, иными словами необходимо приготовить кремниевую пудру (рис. 10).

      При необходимости в измельченный кремний  до плавки могут быть введены кристаллические  добавки в виде порошка. Таким  образом, можно добиться максимально  равномерного распределения легирующих добавок в стекле. Измельчение  веществ производится механически  в узком промежутке между массивными, движущимеся друг относительно друга  поверхностями (жернова). Порошок может  быть пропущен через механизм многократно. Ширина зазора между поверхностями  должна  быть переменой для улучшения  качества измельчения и ускорения  процесса приготовления порошка.

      Далее порошкообразное стекло с добавками (шихта) отправляется на плавку. Шихту нагревают в тигле до плавления; затем, перемешивая, добиваются получения однородной смеси. Нагревание тигля может производиться тепловым излучением от стенок электропечи, либо передачей энергии высокочастотного излучения тиглю. В последнем случае тигель должен быть изготовлен из проводящего тугоплавкого материала, например платины. При использовании ВЧ метода стекло предварительно должно быть нагрето до температуры, при которой оно начинает проводить ток. Использование ВЧ метода имеет следующее важное преимущество над плавкой стекла: тигель, оставаясь относительно холодным, не загрязняет стекло своими примесями. Во время плавки (любым методом) следует использовать изоляцию (из кварцевого стекла), препятствующую загрязнению атмосферы плавильного цеха и предохраняющую приготовленный расплав от попадания примеси извне. Подобные защитные  «рубашки» носят название «лайнеры».

      Наиболее  простой метод – плавка шихты  в тигле из кварцевого стекла, в  электрической печи. Такое оборудование относительно дешево, к тому же легко  достигается стерильность окружающей среды. Система  легко может быть изолирована от  атмосферы лаборатории. Можно изготовить тигли высокой  степени чистоты и любых необходимых  размеров. Недостаток метода состоит  в том, что тигель может быть использован  только один раз. Повторное использование  невозможно  по причине того, что  компоненты стекла взаимодействуют  со стенками тигля, разрушая их в процессе плавления. Кварцевый тигель не может  быть охлажден до комнатной температуры  без растрескивания: коэффициенты линейного  расширения оставшегося на стенках  расплава стекла и нагретого кварца тигля значительно различаются.  При работе с платиновым тиглем та же электрическая печь допускает  его многократное использование. Однако свободная платина в виде небольших  кристаллов может выпасть в стеклянном расплаве.

 В электрической печи энергия переносится  от стенки печи к тиглю посредством  теплового излучения. Для применения ВЧ метода используют «матрешку»: платиновый (или кварцевый) тигель помещают для  стерильности внутрь кварцевого сосуда (рис.11). Тепло подводится от ВЧ источника  энергии с помощью катушки  индуктивности, внутри которой помещен  кварцевый сосуд.

      Для получения максимально чистого  стекла  (без загрязнения материалом тигля) необходимо использовать частоты  порядка 5МГц (вместо 100 КГц) для передачи энергии непосредственно стеклу. Первоначально шихта плавится тепловым излучением графитового индуктора, который располагается под тиглем и нагревается высокочастотным  излучением. Индуктор нагревает стекло до токопроводящего состояния (в  таком состоянии стекло начинает поглощать ВЧ излучение), затем графитовый блок убирается и стекло нагревается  непосредственно ВЧ излучением в  течение всего остального времени  плавки. Тигель во время плавки остаётся достаточно холодным. ВЧ излучение  поглощается в тороидальной области  внутри самого расплавленного стекла. Загрязнение веществом тигля  и растворение тигля минимально. Негативная сторона использования  такого оборудования состоит в том, что нагрев, температура и вязкость расплава не постоянны по объему. Получение  однородного стекла таким способом затруднено.

      В каждом из методов плавки после начальной  стадии нагрева, в которой порошок  плавится и из карбонатов выделяется двуокись углерода, оставляя окислы, следует  несколько последующих стадий, в которых необработанное стекло улучшают до такой степени, чтобы оно было пригодно для производства волоконных световодов. Стекло должно быть однородным и прозрачным. Для гомогенизации стекла необходимо перемешивание расплава, до плавления порошки так же хорошо перемешиваются. Перемешивание производится с помощью металлической (платиновой) или керамической  механической мешалки, конструкция которой аналогична конструкции миксера. Сам тигель может быть установлен на вращающемся основании, заставляющем его прецессировать.  Иной способ перемешивания газа – применение барботирующей установки: пузырьки нерастворяющегося в расплаве стекла газа поднимаются вверх по тиглю со стеклянным расплавом, перемешивая его.

 За стадией перемешивания следует  стадия осветления, на которой из расплава удаляют оставшиеся пузырьки газа (расплав  в нагретом состоянии выдерживают  некоторое время, дав возможность  остаточному газу самопроизвольно  подняться на поверхность).  Как  только стекло станет прозрачным и  однородным, оно готово для передачи на стадию вытягивания жилы световода. До перехода на стадию вытягивания  стекло проходит контроль на состояние  окисления примесей и содержания OH-групп.

      После стадии осветления стекло должно храниться  до загрузки в установку для вытягивания  волоконных световодов в виде заготовок  некоторой формы. Наиболее удобный  способ получения таких заготовок - вертикальное вытягивание стержней из расплава, содержащегося в тигле  (рис.12). Стержни формируются посредством  погружения затравочного стержня в  расплав и медленное вытягивание  его верх сквозь охлаждающее кольцо.  Загустевшее стекло вытягивается вслед  за затравочным стержнем и застывает  в форме прута диаметрои 5-10 мм. Длина прута – несколько метров. В виде прутьев стекло сохраняется  в чистых комнатах или в иных стерильных условиях (кварцевых трубках).

      Оптоволоконные  жилы вытягиваются из заготовок методом  двойного тигля. Установка из двух тиглей (обычно платиновых), расположенных  один в другом, имеет соосную схему  расположения (рис.13).

      Каждый тигель имеет в своём  основании круглое сопло, расположенное  по центру (внутреннее тщательно центрируется относительно внешнего и располагается  приблизительно на  1 см выше нижнего). Внутренний (верхний) тигель заполняется  стеклом, предназначенным для сердцевины оптоволоконной жилы, внешний –  стеклом (пластиком, оргстеклом, полимером) для оболочки волоконного световода. Под действием гравитации расплавленное  стекло из внутреннего тигля втекает  через внутреннее сопло в стекло сердцевины. Из нижнего сопла стекло сердцевины вытекает, будучи окруженным стеклом оболочки. После застывания имеем нить, представляющую собой  двухслойный стеклянный (пластиковый) волоконный световод с одноступенчатым  профилем показателя преломления. Тиглей может быть больше двух (многоступенчатый профиль распределения n), однако количество их ограничено. Для получения световода со ступенчатым показателем преломления по методу двойного тигля следует выбирать пары стекол сердцевина-оболочка таким образом, чтобы не происходила взаимная диффузия стекол. В противном случае профиль показателя преломления будет непрерывным - градиентным.

      Загрузка  двойного тигля должна проводиться  с соблюдением ряда условий. Тигель должен быть наполнен стеклом в расплавленном  состоянии, не внося в него таких  загрязнений, как переходные металлы, вода, пузырьки газа. Первый способ «чистой» загрузки состоит в том, что вырезаются блоки стекла, по возможности наилучшим  образом согласующиеся с формой и размерами тиглей. Возможна полировка  их поверхностей для снижения вероятности  захвата частиц, но с риском внесения примесей в процессе полировки. Затем  загруженные блоки медленно расплавляют  в тиглях, что даёт возможность  для выхода газовых пузырей. Второй способ – заполнение тигля непосредственно  расплавом стекла. Практически такой  способ трудно осуществить: при рабочих  температурах стекло слишком вязкое, лить его в небольшой сосуд  затруднительно. Во время переливания  высока вероятность захвата расплавом  примесей. Третий способ - использование  стеклянных прутов диаметром несколько  миллиметров. Такой пруток изготавливается  вытягиванием с затравочным стержнем из тигля с расплавленным стеклом (способ рассмотрен выше). Пруток загружается  в нагретый двойной тигель без  захвата пузырей при условии, что скорость загрузки контролируется таким образом, чтобы конец прутка успел нагреться до температуры  окружающей среды  прежде, чем он погрузится в расплав. Необходимо так  же постоянно контролировать чистоту  поверхности световодного прута  для предотвращения захвата вредных  примесей между вытягиванием и загрузкой. При использовании одиночного высокочастотного тигля для изготовления световодных  прутов и двойного тигля для вытягивания  световодов процесс изготовления последних  можно сделать непрерывным.

       Изготовление заготовок вида «сердцевина  в оболочке» (со ступенчатым показателем  преломления) возможно осаждением материалов из газовой фазы. Все подобные методы используют чистое кварцевое стекло (диоксид кремния) в качестве основного  материала, к которому добавляются  небольшие количества легирующих компонент, изменяющих показатель преломления  вещества. Как пример рассмотрим изготовление пористой заготовки. Реакция между  газообразными компонентами происходит в пламени с образованием мелкозернистого  осадка из диоксида кремния (и легирующего  вещества). Мелкий белый порошок  осаждается на подходящую поверхность (некоторый затравочный стержень или внутренняя поверхность трубки), затем его спекают (осветляют) температурным  воздействием, получая после обработки  однородный (возможно, легированный) материал оптического качества.  Метод  основан на реакции гидролиза  смеси SiCl4 и O2 в пламени газовой горелки для получения порошка из малых частиц-кристалликов SiO2 для материала оболочки.

      В газовый поток добавляется TiCl4, чтобы получить материал сердцевины, легированный титаном. Этот поток направлялся вниз (рис. 14), внутрь кварцевой трубки, и на внутренней поверхности трубки осаждался слой порошка. Если после этого трубка нагревалась и схлопывалась, то  слой легированного кварцевого стекла, осажденный внутри, образовывал легированную сердцевину внутри схлопнутой трубки - внешней оболочки. Из приготовленной таким образом заготовки вытягивался волоконный световод. Недостаток метода связан с тем, что таким методом трудно изготовить световод большого диаметра. Кроме того, титан на стадии вытягивания жилы световода стремится восстановить трёхвалентное состояние, вместо исходного четырёхвалентного. Обладая разной диффузионной способностью, ионы титана могут не дать требуемого профиля показателя преломления. Помешать образованию трёхвалентного титана может отжиг волокна в кислородной атмосфере после вытягивания, делая при этом световод значительно более хрупким. Для устранения возникших проблем вводится модифицированный процесс, сохраняющий стадию пламенного гидролиза без изменений и осаждающий порошок не внутри трубки, а на боковой поверхности цилиндрической подложки из кварцевого стекла. Последовательность осаждения такова: получение нескольких слоёв одинаково легированного кварцевого стекла, в дальнейшем образующего сердцевину. За сердцевиной следуют несколько слоёв чистого кварцевого стекла, образующих оболочку. Образованные таким образом слои затем спекаются в сплошную стеклообразную массу, а цилиндрическая подложка удаляется с помощью высверливания и полировки отверстия, чтобы получить заготовку, которую можно схлопнуть и перетянуть в волоконный световод. При замене TiCl4 на GeCl4 решается проблема ионов титана. Однако, германий летуч и при схлопывании может произойти значительная потеря легирующей добавки из-за испарения. Метод осаждения на циллиндрическую подложку способен обеспечить производство волоконных световодов диаметром 50 мкм, он же позволяет быстро осаждать материал, т.к. скорость осаждения определяется в основном скоростью потока газообразных реагентов через горелку. Метод позволяет производить заготовка со ступенчатым и плавным профилем показателя преломления, к тому же метод хорошо контролируется. Плавность профиля достигается многократным осаждением.

      Наиболее  простой на первый взгляд способ изготовления заготовки – «штабик в трубке», - когда стержень сердцевины плотно вставляется в трубку из материала  оболочки, имеет ряд технологических  проблем: трудно получить  достаточно чистые поверхности штабика и  трубки. Удовлетворительное качество поверхности кварцевого штабик - сердечника достигается лишь травлением, т.к. кварцевое  стекло - однокомпонентный материал и  травится равномерно при равных воздействиях. Травление же может значительно  ухудшить чистоту стекла.