Fabricarea fibrelor optice-dopate cu erbiu prin metodologia VAD implică cinci etape distincte:
(1) fabricarea unei tije cu miez poros folosind metoda VAD
(2) procesul de dopaj și impregnare
(3) procesul de formare a preformelor
(4) procesul de învelire
(5) desen de fibră optică optică
Fiecare etapă prezintă propriul set de provocări
Fabricarea dornurilor poroase prin metoda VAD
Procesul începe cu o configurație VAD convențională, deși numirea acesteia „convențională” aproape subestimează cât de complicat poate fi acest pas. Începeți cu o tijă țintă de siliciu-20 mm în diametru, nimic deosebit de poziționat vertical. Duza pistoletului devine sistemul dumneavoastră de livrare principal, alimentând în SiCl₄ la viteze cuprinse între 450-550 litri pe minut. Aceasta este o fereastră de operare destul de largă și locul în care aterizați în acel interval vă afectează rata de depunere mai mult decât lasă majoritatea fișelor de specificații.
Oxigenul curge cu 15 litri pe minut, hidrogenul cu 10. Reacția de hidroliză a flăcării are loc rapid-vorbim temperaturi suficient de ridicate încât SiCl₄ nu doar să se descompună, ci practic explodează în aceste particule minuscule de silice care încep să se acumuleze pe tija țintă. Totul se bazează pe oxidarea termică care are loc simultan cu hidroliza, motiv pentru care raporturile de gaze contează atât de mult. Găsiți-le greșit și veți vedea acest lucru în variațiile de densitate ale structurii dumneavoastră poroase.
Ceea ce ajungeți, după un timp suficient de depunere, este un dorn de SiO₂ poros de aproximativ 60 mm în diametru. Tija țintă se ridică în sus în timpul acestui proces cu 55-60 mm pe oră-lent și constant. Grăbiți-l și depunerea de particule devine neuniformă; mergi prea incet si risti sa supraincalzesti zonele concentrate. Există un punct favorabil, iar pentru a-l găsi, uneori, este nevoie de câteva curse nereușite. Structura poroasă rezultată este critică deoarece morfologia ei determină cât de eficient va absorbi soluția de dopaj mai târziu. Prea dens și soluția de erbiu nu va pătrunde suficient de adânc; prea liber și obțineți gradienți de concentrare care vă vor bântui în timpul fazei de sinterizare.
Procesul de Impregnare Doping
Aici lucrurile devin chimice. Miezul poros de SiO₂ merge direct într-un recipient umplut cu soluția dumneavoastră de dopaj, totul făcut la temperatura camerei, deoarece încălzirea în această etapă ar fi contraproductivă. Soluția în sine este înșelător de simplă: etanol ca solvent, ErCl₃ ca dopant.
Acum, ErCl₃ are o solubilitate limitată în etanol-puteți împinge-l la aproximativ 0,54% din greutate, iar acesta este aproape plafonul dvs. Încercați să înghesuiți mai mult și doar risipiți dopant pentru că nu va rămâne în soluție. Unele laboratoare au experimentat cu diferiți solvenți pentru a crește acest număr, dar etanolul rămâne standardul, deoarece se evaporă curat și nu lasă în urmă contaminanți care interferează cu structura sticlei.
Impregnarea în sine este simplă din punct de vedere mecanic-lași doar acțiunea capilară și difuzia să-și facă treaba pe măsură ce soluția se înmoaie în acei pori. Dar uniformitatea absorbției depinde în întregime de cât de consistentă a fost acea structură poroasă de la primul pas. Această metodă funcționează și cu AlCl₃, care uneori este co-dopat cu erbiu pentru a modifica caracteristicile de emisie. Aluminiul poate schimba ușor vârful de emisie de erbiu și poate afecta durata de viață a stărilor excitate, ceea ce contează pentru aplicațiile amplificatoarelor.
Un lucru pe care literatura tehnică nu îl menționează întotdeauna: timpul de înmuiere contează mai mult decât ai crede. Lăsați-l prea scurt și obțineți o pătrundere incompletă în interiorul lansetei. Lăsați-l prea mult și... ei bine, de fapt, aceasta este rareori o problemă, cu excepția cazului în care soluția dvs. începe să se degradeze, ceea ce se poate întâmpla dacă intră umezeală.
Procesul de formare a preformelor
Această etapă este în care răbdarea devine o virtute. Aveți o tijă poroasă îmbibată cu soluție de dopant și trebuie să o transformați într-o tijă solidă de sticlă fără a vă pierde erbiul sau a crea defecte. Procesul se descompune în trei tratamente termice, fiecare având propriul scop.
Mai întâi vine îndepărtarea solventului. Tija intră într-un cuptor sub atmosferă de azot-mediul inert este esențial aici-și îl încălziți undeva la 60-70 de grade . Acest lucru pare blând și este, în mod deliberat. Evaporați etanol, care are un punct de fierbere de 78 de grade, dar mențineți temperatura sub aceasta pentru a evita fierberea, care ar crea fisuri sau canale induse de presiune în structura poroasă. Acest pas durează de la 24 de ore la 240 de ore, în funcție de dimensiunea tijei și de cât de saturată a devenit în timpul impregnării. Nu se grăbește. Am văzut ingineri încercând să accelereze acest lucru prin creșterea temperaturii și întotdeauna regretă când găsesc goluri în preforma finală.
Odată ce etanolul a dispărut, rămâi cu clorură de erbiu depusă în matricea poroasă de silice. Acum trebuie să convertiți acea clorură în oxid și să eliminați clorul, deoarece clorurile reziduale vor cauza atenuarea fibrei finite-acestea absorb lumina exact la lungimile de undă pe care nu le doriți. Aceasta este faza de deshidratare.
Temperatura crește semnificativ: 950-1050 de grade într-o atmosferă de amoniac. Totuși, amoniacul nu este pur - conține 0,25%-0,35% oxigen, ceea ce pare o cantitate mică, dar este controlat cu atenție. Prea mult oxigen și obțineți sinterizare prematură; prea putin si deshidratarea este incompleta. Amoniacul ajută la îndepărtarea grupărilor hidroxil care altfel ar rămâne în structura de sticlă. Grupurile OH⁻ sunt renumite pentru că provoacă vârfuri de absorbție în jurul valorii de 1,39 μm, ceea ce este problematic pentru telecomunicații. Rețineți aceste condiții timp de 2,5-3,5 ore. Clorura de erbiu se transformă în oxid de erbiu în această fază.
Apoi vine sinterizarea, consolidarea finală. Acum sunteți din nou în azot-fără amoniac, fără oxigen-la 1400-1600 de grade timp de 3-5 ore. Aici structura poroasă se prăbușește și silicea se vitrifică complet în sticlă transparentă. Oxidul de erbiu este încorporat în rețeaua de silice, distribuându-se în mod ideal relativ uniform la nivel molecular. Temperatura trebuie să fie suficient de ridicată pentru densificarea completă, dar nu atât de mare încât erbiul să înceapă să migreze sau să se agrupeze, ceea ce ar crea neomogenități de concentrare.
Ceea ce iese la iveală este un miez de sticlă transparent cu erbiu distribuit peste tot. Dacă ați făcut totul corect, ar trebui să aibă bule minime, o claritate optică bună și o concentrație de erbiu care să corespundă calculelor dvs. din etapa de impregnare-deși nu se potrivește niciodată exact. Există întotdeauna o anumită pierdere în timpul procesării termice.
Procesul de învelire
După toată acea muncă atentă asupra miezului, treapta de înveliș aproape că se simte anticlimactic, deși nu este deloc banal. Tija de miez necesită placare-un strat de sticlă cu indice de refracție mai mic, care va limita lumina la miez prin reflexie internă totală.
Luați tija de miez finită și o introduceți într-un tub de placare prefabricat. Acest tub este de obicei siliciu pur sau ușor dopat pentru a regla contrastul indicelui de refracție. Potrivirea contează: prea lejer și vei prinde aer; prea strâns și riști să spargi ceva în timpul introducerii. Odată asamblată, întreaga structură merge înapoi într-un cuptor unde sunt arse împreună. Încălzirea face ca ambele piese să se înmoaie și să se topească, creând o preformă monolitică-o singură piesă solidă, fără goluri de interfață care să împrăștie lumina.
Coeficienții de dilatare termică ai miezului și ale placajului trebuie să se potrivească rezonabil de bine, altfel vei acumula stres în timpul răcirii, care poate duce la birefringență sau, mai rău, la microfracturi. Majoritatea producătorilor au combinații standardizate despre care știu că funcționează în mod fiabil.
Desen cu fibră optică
Pasul final are loc pe un turn de tragere cu fibră optică, unde preforma este introdusă într-un cuptor suficient de fierbinte pentru a înmuia sticla-vorbim la aproximativ 2000 de grade . Pe măsură ce vârful preformei se înmoaie, gravitația și tracțiunea mecanică îl atrag în jos într-o fibră subțire. Viteza de tragere, temperatura cuptorului și tensiunea necesită o coordonare atentă pentru a atinge diametrul țintă, de obicei 125 μm pentru placare.
Procesele convenționale de desenare se aplică aici, ceea ce înseamnă că aveți la dispoziție-monitorizare a diametrului în timp real, aplicatoare de acoperire pentru a adăuga straturi de polimeri protectoare în timp ce sticla este încă fierbinte și pentru a prelua-bobine. Concentrația de erbiu din miez rămâne practic neschimbată în timpul tragerii-doar micșorați totul proporțional. Dar tensiunea de tragere nu poate fi prea mare sau vei induce stres în fibra care îi degradează performanța.
Un lucru demn de remarcat: toată această muncă de distribuire uniformă a erbiului dă roade aici. Orice variație de concentrație a preformei se păstrează în fibră, așa că dacă ați avut probleme la pașii 2 sau 3, acestea sunt permanente acum. Nu le poți repara, motiv pentru care acele etape anterioare necesită atât de multă atenție.
Fibra rezultată, dacă totul a mers bine, este o fibră optică dopată cu erbiu-, potrivită pentru amplificatoare sau lasere cu fibră, cu caracteristici de câștig în fereastra 1530-1560 nm de care depind sistemele de telecomunicații. Nu e rău pentru ceea ce a început ca niște sare clorură și o tijă poroasă.
