Разработка и поставка лазерно-оптических компонентов и оборудования. Резидент Технопарка ИТМО
ru en
Разработка и поставка лазерно-оптических компонентов и оборудования. Резидент Технопарка ИТМО
Разработка и поставка лазерно-оптических компонентов и оборудования. Резидент Технопарка ИТМО
Товар добавлен в корзину
Перейти в корзину
Заготовки и преформы из кварца для вытяжки оптических волокон

Заготовки и преформы из кварца для вытяжки оптических волокон

11.05.2021
324
Поделитеcь новостью:

Термин «кварц» был рожден как геологический и в переводе с немецкого означает «твердый». Это самый распространенный минерал в земной коре. Горный хрусталь, кварцит, кристобалит – это примеры природных минералов, содержащих кристаллический диоксид кремния.

Аморфная монолитная форма диоксида кремния или кремнезема - это кварцевое стекло. Именно кварцевое стекло, как чистое, так и легированное, является основным материалом оптического волокна. Но «волоконщики», хорошо понимая разницу между понятиями «кристаллический кварц» и «кварцевое стекло», часто используют термин «кварц» применительно к кварцевому стеклу из-за его краткости и «сленгоудобности». Поэтому далее, если речь надо вести о кристаллическом диоксиде кремния будем говорить «кристаллический кварц», а в остальных случаях кварцевое стекло именуем просто «кварц».

Кварц в волоконной оптике имеет сакральное значение. Выбор его как материала для передачи оптического сигнала по волокну определило тот оглушительный успех развития телекоммуникаций, интернета, лазеров и многой другой оптоэлектроники.

kvartsevye-zagotovki1.jpg

Развитие волоконной оптики потребовало отказаться от сырья из природного кварца в силу высочайших требований к чистоте, как по примесям металлов (красящие примеси), которые влияют на прозрачность и создают потери во всем рабочем диапазоне передаваемых длин волн (их называют «серыми»), так и гидроксильных групп (ОН-), которые дают селективные пики поглощения, также почти полностью блокируя рабочий диапазон длин волн. Наличие первых более 100 ppb (10-5 %), и/или вторых более 1ppm (10-4%) существенно сокращают длину участка передачи сигналов по оптическим линиям и делают их нерентабельными или вообще непригодными для многих применений.

На сегодняшний день в кварцевых трубах и стержнях, которые используются при изготовлении преформ для вытяжки оптического волокна, «золотым стандартом» по примесям является:

  • не более 10 ppb суммарно по красящим примесям
  • не более 0,5 ppm для ОН-групп

Кроме того, вторым важным условием применимости в волоконной оптике кварцевых труб и стержней является:

  • отсутствие пузырей более 1 мкм
  • количество пузырей 0,2-0,5 мкм, строго регламентировано (обычно – это 5-10 шт. на 1 м длины)
  • пузыри менее 0,2 мкм не регламентируются

Совершенно очевидно, что пузыри по размеру соизмеримые и превышающие длины волн оптического диапазона (от УФ до ближнего ИК в границах от 300 нм до 2300 нм) не допустимы в оптическом тракте, так как будут создавать интенсивное рассеивание сигнала.

И третьим важным условием для кварцевых труб и стержней является точное исполнение геометрических размеров и отклонений. Как правило, это доли процентов от номинала.

Соединив эти условия воедино, мы получаем очень ограниченный круг технологий со следующими стадиями:

  • Синтез. Это должен быть синтетический кварц, что позволяет при глубокой очистке исходных материалов избавиться от красящих примесей и гидроксила
  • Осушка (Low OH). Зачастую, в синтезе применяется кислородно-водородная горелка или водородосодержащие прекурсоры, поэтому необходимо после ситнеза кварца провести осушку заготовки
  • Спекание. Получение монолитной безпузырчатой заготовки из кварцевого стекла с пропорциональными размерами пригодные для изготовления стержней или преформ
  • Механическая обработка заготовки в преформу для вытяжки оптического волокна
  • Вытяжка преформ или стержней

Если выразить все требования в одном предложении, то получится следующее:

Исходным материалом при производстве преформ для оптического волокна является синтетическое (сверхчистое), осушенное (без OH-групп), монолитное (без пузырей) кварцевое стекло в виде труб и стержней с прецизионными размерами

Рисунок1.png

Синтез

Окисление тетрахлорида кремния

В настоящее время для получения кварцевых заготовок и преформ оптического волокна во всех промышленно развитых странах мира наибольшее распространение получили парофазные методы, сущность которых заключается в окислении или гидролизе паров четыреххлористого кремния (SiCl4) и галогенидов легирующих компонентов. Преимущество методов состоит в возможности получения чистой или легированной двуокиси кремния (SiO2). Получение чистых оксидов обусловлено использованием не только особо чистых исходных галогенидов, но и исключением контакта получаемого стекла с материалом тигля, которые применяются для других методов варки стекла.

Парофазные методы получения преформ по характеру образования и осаждения оксидов кремния и легирующих компонентов делятся следующим образом:

  • метод внутреннего парофазного осаждения (MCVD – modified chemical vapor deposition);
  • метод внешнего парофазного осаждения (OVD – outside vapor deposition — парообразное осаждение);
  • метод парофазного осевого осаждения (VAD – vapor axial deposition);
  • плазмохимические методы (PMCVD – plasma modified chemical vapor deposition, PCVD – plasma chemical vapor deposition и т.д.).

Осушка

Осушка заготовки необходима для удаления излишки OH групп. Если рассматривать методы внешнего парофазного осаждения, то заготовку сушат несколько часов в атмосфере хлора при пониженном давлении. Кварцевое стекло после такой сушки получает повышенное содержание хлора (1000-2500 ppm), и не пригодно для использования в жестком ультрафиолете (250-350 мкм), где хлор имеет полосы поглощения. Поэтому при синтезе стекла для таких применений заготовку делают сразу монолитной, получая при этом заготовку с высоким содержанием гидроксила (High OH), так называемый «мокрый кварц», для УФ-применений.   Излишки воды в кремниевом диоксиде эффективно удаляются газом хлора, так как реакция воды и хлора формирует соляную кислоту, которая получается при температуре около 1000оС.

Для методов внутреннего парофоазного осаждения применяется практически такая же технология, за одним лишь исключением, хлор попадает внутрь системы магистралей и напрямую в заготовку при ее сжатии, таким образом происходит травление заготовки.

Удаление воды (дегидратации) способствует улучшению передачи света через готовое стекловолокно. Пористый кремниевый диоксид затем спекается при повышенной температуре 1200оС и кремниевый диоксид формируется в твердое, свободное от пузырьков воздуха стекло.

В золь-гель технологии кварц не сушат, так как, крупка образуется довольно сухой (OH – не более 5 ppm).

Спекание

У OVD-заготовок остается центральное отверстие из-за продольного напыления. Во время спекания после встречной усадки материала от центра наружу и от наружи к центру получается монолитная трубчатый кварцевый стержень (Heraeus). В VAD-методе пористый цилиндр спекают в монолитный. В результате использования трубчатых заготовок компания Heraeus вытеснила с мирового рынка почти всех конкурентов в производстве высококачественных кварцевых труб и является единственным в мире поставщиком этой продукции. А в производстве высококачественных монолитных кварцевых стержней Heraeus проигрывает конкуренцию из-за того, что приходится продольно вырезать стержни из стенок толстых труб, шлифовать их до круглого сечения и проводить огневую полировку.

В методах внутреннего парофазного осаждения трубка с осажденными прекурсорами просто схлапывается в монолитный стержень под действием высокого давления.

Механическая обработка

Стадии мехобработки трубчатых и цилиндрических заготовок в кварцевые трубчатые и цилиндрические преформы универсальны для всех технологий. Она необходима для обеспечения геометрической точности заготовки, что, в свою очередь, дает высокую точность и повторяемость размеров вытягиваемой трубы или стержня. Точность и чистота обработки внутренней поверхности трубчатых заготовок требует более сложного оборудования. Компания Heraeus создала свои установки на базе оборудования, применяемого в производстве орудийных стволов. Обработка наружных поверхностей более тривиальная задача, основанная на применении оборудования с центровой или бесцентровой шлифовкой и полировкой. Возможно, на финишной стадии применяется огневая полировка.

Вытяжка труб и стержней

Обработанные заготовки при необходимости свариваются по несколько штук в более длинные (до 4 метров) заготовки, которые бесконтактно перетягиваются на колоннах вытяжки. Возможно, перед вытяжкой сваренные заготовки проходят финишную шлифовку и полировку. Колонна вытяжки – это установка высотой, как правило, 5-10 м с узлом крепления и подачи заготовки, мощной печью, узлом захвата и вытяжки готовой трубы (стержня), системой охлаждения и отрезки готовых труб или стержней. При вытяжке труб необходима еще и система поддержания давления внутри трубы.

Понравилось?
Обязательно поделитесь статьей в социальных сетях!