Технологии вытяжки телекоммуникационного оптического волокна

Процесс производства оптического волокна состоит, по большому счету, из пяти крупных этапов:

1. Подготовка сырья. На данном этапе, исходные химические материалы - Хлорид кремния SiCl₄ и Хлорид германия GeCl₄ - очищаются от влаги и металлических примесей. Чистота используемых материалов должна достигать более 99.9999%, чтобы избежать «мутности» волокна на выходе;
2. Изготовление преформы (заготовки). Подготовленные на предыдущем этапе материалы следуют в специальные установки по осаждению кварцевой сажи из газовой смеси. В процессе осаждения, получается пористая промежуточная заготовка со сформированными сердцевиной и оболочкой будущего волокна. Эту заготовку далее спекают при температуре ~2000 °C, на выходе получая цельный прозрачный стержень;
3. Вытяжка ОВ из преформы. Преформу устанавливают вертикально внутри башни для вытяжки волокна. С помощью специальных печей, один из торцов преформы нагревают до температуры плавления (~2000 °C), чтобы небольшая кварцевая нить свободно падала под своим весом вниз. Диаметр этой нити – всего 125 мкм, что сравнимо с толщиной человеческого волоса. Такая нить уже может служить в качестве световода, однако у нее крайне низкая прочность и устойчивость к изгибам;
4. Нанесение защитного покрытия. Данный этап призван решить проблему хрупкости вытягиваемого ОВ. Здесь, волокно проходит сверху-вниз через специальную фильеру с защитным покрытием, а по бокам от фильеры устанавливаются УФ-источники для быстрого отвердевания защитного покрытия. Такое волокно гораздо более прочное и выдерживает существенно большие изгибы и нагрузки, по сравнению с волокном без покрытия;
5. Контроль качества ОВ и намотка. Сразу после того, как волокно обрело свою окончательную геометрию, необходимо провести комплекс проверок его параметров – внешнего диаметра (мкм), оптического затухания (дБ/км), прочности (Н) и др. После успешного прохождения всех проверок, ОВ наматывают на специальные катушки для транспортировки.

Рис. 1 – Этапы производства ОВ

Производство оптических преформ

Производство преформ, на данный момент, использует 4 основные технологии – MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition, рус. Модифицированное осаждение из газовой фазы), PCVD (Plasma-enhanced chemical vapour deposition, рус. Осаждение из газовой фазы, индуцированное плазмой), OVD (Outside Vapor Deposition, рус. Внешнее осаждение из газовой фазы) и VAD (Vapor Axial Deposition, рус. Осевое осаждение из газовой фазы). Каждая из этих технологий находит применение в современном производстве, т. к. ключевое отличие технологий – объемы и точность производства.

Выбор метода – это компромисс между масштабом производства (OVD/VAD) и точностью/гибкостью получаемой преформы (MCVD/PCVD). Технологии OVD/VAD эффективны тогда, когда нужна наибольшая производительность при наименьшей стоимости производства; при этом, стоит учитывать, что такая направленность ограничивает кастомизацию получаемых преформ (а, следовательно и волокна) – поддерживаются только стандартные типы. Технологии MCVD/PCVD – наоборот, максимально гибки. Они позволяют изготовить преформы максимальной чистоты и геометрии, при этом с широкими возможностями по кастомизации этой преформы (отлично подходит для отработки индивидуальных заказов).

Рис. 2 – Общая схематика процесса осаждения хим. веществ из газовой фазы

Таблицы 1-2. Ключевые отличия технологий

В связи с растущим спросом на стандартные виды телекоммуникационных одномодовых ОВ, достаточно эффективными и, при этом, сравнительно более дешевыми решениями являются именно методы OVD/VAD. Однако, такие системы имеют высокие производственные требования для организации безопасного рабочего процесса, а именно:

• Наличие герметичных барботеров с контролем температуры и уровня жидких прекурсоров (SiCl₄, GeCl₄);
• Наличие взрывозащищенных ячеек/шкафов/помещений хранения газов (O₂, H₂, Cl₂, He, Ar);
• Наличие высокоточной системы нагрева прекурсоров;
• Наличие нескольких независимых газовых линий для подачи к горелке и специальных трубопроводов (316L нержавейка, EP-полировка, VCR-соединения);
• Наличие систем вентиляции, газоанализа и контроля потока. Вентиляция должна иметь высокую кратность, особенно в зонах работы с хлором;
• Наличие системы нейтрализации выбросов в виде скруббера.
• Для VAD-технологии, важнейшим аспектом является симметричность роста преформы – для этого, требуется высокая вибрационная и механическая стабильность, использование виброизолированных платформ и удаленность от тяжелого оборудования.

Рис. 3 – Фотография оборудования для технологии OVD

Инспекция преформ и вытяжка волокна

Практически каждый метр оптического волокна, используемого сегодня, в какой-то момент был получен из заготовки оптического волокна, характеристики которой определялись с помощью профилографа показателя преломления от компании Photon Kinetics, PK2600. Такая система позволяет измерять профиль показателя преломления (Refractive Index Profile – RIP, рус. ППП) преформы, определять геометрические параметры (диаметр, концентричность) и проводить томографический анализ для сложных или нестандартных конструкций волокон.

Рис. 4 – Система от Photon Kinetics, серия PK26XX

На данный момент, существуют аналогичные решения от наших партнеров-производителей из Китая, не уступающих по параметрам продукции Photon Kinetics. Спецификация системы измерения ППП представлена в таблице ниже.

После успешного прохождения тестирования, преформа попадает в большой производственный комплекс – башню вытяжки оптического волокна. Основные параметры башен представлены в таблице, а состав башни – на картинке.

Рис. 5 – Общая схема комплекса вытяжки телекоммуникационного ОВ

Рассмотрим каждый из компонентов в отдельности чуть более подробно:

• Система подачи преформ и индукционная печь. Подача и регулировка положения преформы производится автоматически, т. к. имеет собственную систему управления. Индукционная печь расположена в нижней части системы подачи, имеет собственную электрическую систему охлаждения и контроля подачи воздуха и инертного газа.

• Первичная станция проверки геометрии волокна. На данном этапе, происходит первая оценка геометрии получаемого волокна. По обратной связи с этого этапа, производится корректировка работы системы подачи преформ и нагревательной печи.
• Система вентиляции и фильтрации воздуха. Этот узел имеет крайне важное значение, т. к. от чистоты нагнетаемого воздуха напрямую зависит качество волокна на выходе.
• Система газо- и водоподготовки.
• Охлаждающая трубка для ОВ. После плавления преформы, волокно остается все еще горячим и не готовым к нанесению покрытия. Для этого, ОВ протягивают через специальную герметичную трубку длиной 10-12 метров, заполненную внутри газообразным гелием. При прохождении через нее, ОВ охлаждается и подготавливается к нанесению покрытия.

• Станция нанесения покрытия. Здесь применимы два метода нанесения покрытия WoW (Wet-on-Wet) и WoD (Wet-on-Dry). Различие состоит в том, что второй слой защитного покрытия наносится, в случае WoW, без предварительного отверждения первичного слоя. Отверждение покрытия производится УФ-источниками (светодиодными или микроволновыми). Светодиодные источники обеспечивают более высокую скорость отверждения покрытия.

• Станция проверки волокна. Здесь проводится первичная оценка параметров волокна непосредственно после его вытяжки. Оценивается геометрия ОВ, натяжение и наличие дефектов.
• Главный капстан и станция перемотки волокна. На финальном этапе производства, ОВ поступает в главный капстан – специальный приводной механизм, протягивающий волокно сверху вниз, регулирующий скорость вытяжки и натяжение волокна. После капстана, оно следует на станцию перемотки, где производится намотка на транспортную катушку фиксированной длины. Может быть реализована система из двух катушек с автоматической их сменой.

Комплекс состоит из большого числа компонентов, как основных, так и вспомогательных, слаженная работа которых требует длительной и тщательной наладки. Для этого требуется колоссальны опыт работы в сфере вытяжки волокна и производства оборудования. Мировой лидер в данной сфере – компания Rosendahl Nextrom. Это европейская промышленная компания, входящая в австрийскую группу компаний KNILL Gruppe и специализирующаяся на производственном оборудовании для вытяжки волокна, подготовки преформ и кабелей.

Главный продукт Nextrom на текущий момент – это линия вытяжки телекоммуникационного волокна – OFC-20. Компания Nextrom предлагает проработку системы «под ключ», объединяющую технологическое оборудование, автоматизацию, модернизацию, запасные части и сервисное обслуживание. Имея в своем активе сотни линий по вытяжке оптического волокна, поставленных по всему миру, Nextrom обладает необходимым опытом и обеспечивает долгосрочную поддержку.

В качестве альтернативы европейским решениям, АО «ЛЛС» предлагает полный комплекс работ по поставке линий производства телекоммуникационного оптического волокна от азиатских производителей. Мы обеспечиваем как поставку отдельных единиц, так и полноценный трансфер технологий – от подготовки преформы до готовой катушки волокна и периферийных систем.

Автор статьи:

Агарков Артем

Инженер по применению
Группа волоконной оптики и системы

Анонсы статей, мероприятий и еще больше научно-познавательного контента по ссылке в нашем Telegram-канале.