СVD – метод внутреннего осаждения

СVD процесс заключается в осаждении стеклообразующего и легирующего окислов (SiO₂ и GeO₂, соответственно) на внутреннюю поверхность подложки, в качестве которой используется кварцевая опорная трубка. Схема одного из вариантов СVD процесса показана на рис.4.2

Рис.4.2. Схема процесса внутреннего химического парафазного осаждения, примененного в компании Corning при изготовлении заготовок оптического волокна

Стеклообразующие окислы SiO₂ и GeO₂ образуются в результате гидролиза при высокой температуре печи, горелки. Для этого в горелку подается смесь паров гидрохлорида кремния SiCl₄ и галогенов легирующих примесей (GeCl₄, POCl₄ и т.д.), а также очищенный и осушенный кислород.

В зоне нагрева кварцевой трубки происходят реакции окисления галогенидов кремния и легирующих компонентов.

SiCl₄ +О₂= SiO₂ +2Cl₂

GeCl₄+О₂= GO₂ +2Cl₂

4POCl₃+3О₂=2P₂O₅+Cl₂

Образующийся в процессе Cl и излишки кислорода откачивают из зоны реакции.

Продукты гидролиза прокачивались через опорную трубку, нагретую в печи до температуры, необходимой для получения стеклообразующих слоев окислов SiO₂ с легирующими примесями на внутреннюю поверхность трубки. Меняя концентрацию легирующих хлоридов, можно менять величину показателя преломления наносимых слоев и создавать заготовки с заданным профилем. После нанесения нужного числа слоев опорная трубка нагревалась до температуры плавления кварцевого стекла и схлопывалась под действием сил поверхностного натяжения в сплошную заготовку (рис. 4.3)

Рис.4.3. Схлопывание опорной трубки в заготовку

дят к увеличению показателя преломления, а примеси бора и фтора к его уменьшению. Так в SM волокнах с депрессированной оболочкой примесь фтора используется для понижения показателя преломления световедущей оболочки (часть оболочки, примыкающая непосредственно к сердцевине)

Модифицированный метод парафазного химическогоосаждения (МСVD-метод)

В МСVD-методе, разработанном в лаборатории фирмы Бела (США) опорная кварцевая трубка нагревается не в печи, а с помощью движущейся горелки, которая находится с внешней стороны трубки (рис. 4.4) Это позволило решить проблему удаления излишков паров воды, образующихся в печи и попадающих в слои стеклообразующих слоев внутри трубки, что ухудшило качество оптических волокон.

Однородность геометрических параметров в этом методе в значительной степени определяется однородностью геометрических параметров опорной трубки. Поэтому изготовление заготовки начинается с изготовления опорных трубок (допускаются: вариации диаметра <2%, эластичность <1%, изгиб <1мм/м). Отобранная опорная трубка промывается плавиковой кислотой и дистиллированной водой, высушивается и закрепляется горизонтально в патронах тепломеханического станка. Вдоль вращающейся опорной трубки (60об/мин) со скоростью 20 см/мин перемещается кислородно-водородная

Рис.4.4. Схема модифицированного химического парафазного осаждения (MCVD)

горелка, обеспечивающая температуру нагревания трубки в горячей зоне 1500^о-1700^оС, достаточной для осаждения на нее слоев SiO₂ и GeO₂. Вращение трубки обеспечивает ее равномерный прогрев по сечение и осесимметричное осаждение окислов на ее внутренней поверхности.

Процесс начинается с полировки опорной трубки в пламени горелки. Затем в трубку подается парогазовая смесь, образующаяся при прокачке кислорода через смесители, заполненные жидкими галоидами кремния, германия и т.д. Закон изменения смеси во времени зависит от типа изготавливаемого волокна. В горячей зоне происходит осаждение окислов SiO₂ и GeO₂ и др. в виде ультрачистого мелкодисперсного порошка (белой сажи). При повторном движении горелки вдоль трубки порошок проплавляется, превращаясь в слой стекла толщиной 1-10мкм.

После осаждения заданного программой числа слоев температура горячей зоны увеличивается до 1900-2100^оС (за счет замедления скорости движения горелки), опорная трубка размягчается и схлопывается под действием поверхностных сил в сплошной стеклянный цилиндр – заготовку. В сечении заготовка представляет собой увеличенную в сотни раз структуру оптического волокна с соответствующим профилем показателя преломления. Чем больше диаметр заготовки, тем труднее поддерживать аксиальную симметрию заготовки в процессе ее схлопывания и тем больше требуется на это времени. На схлопывание опорной трубки диаметром 2 см и длиной 1 м затрачивается 30 мин.

Метод MCVD позволяет изготовлять заготовки высшего качества и в настоящее время широко используется.

Метод внешнего парафазного осаждения – ОVD–метод (Outside Vapor Deposition)

Этот метод был разработан в конце 70 ^х годов на фирме Корнинг Гласс и его применение позволило устранить целый ряд недостатков, присущих СVD–методу. ОVD–метод также использует процесс гидролиза в пламени, но вместо опорной трубки применяется затравочный керамический стержень диаметром 5-10 мм, закрепленный в тепломеханическом станке на расстоянии 15 см от горелки (рис.4.5). На этот стержень направляется поток нагретых порошкообразных частиц стекла и легирующих окислов, образующихся в пламени многосопловой горелки. Частицы стекла прилипают к стержню в виде белой сажи и формируют многослойную микропористую заготовку. Не осевшие порошкообразные частицы стекла и газообразные побочные продукты гидролиза в пламени удаляются через вытяжную трубу. Таким образом, в методе ОVD отпадает необходимость в прецизионной сверхчистой кварцевой трубке, и, более того, эти трубки часто и изготавливают с помощью ОVD–метода.

Рис.4.5. Схема внешнего химического парафазного осаждения (OVD)

После осаждения частиц микропористая заготовка снимается с многократно используемого затравочного стержня (коэффициент температурного расширения керамики много больше, чем у кварца. Затем она помещается в печь с инертным газом (например, гелием), где остекловывается при температуре 1500^оС) и дегазируется через поры (рис.4.6). Газы, вытесняемые из заготовки во время остекловывания, выходят через микропоры и не захватываются в виде пузырьков в полностью остеклованной заготовке.

Рис.4.6. Остекловывание и схлопывание заготовки в методе OVD

В методе OVD устранены все основные недостатки, которыми обладал метод СVD:

· Высокая скорость осаждения (3…4 г/м) в сочетании с возможностью значительного увеличения размеров заготовки делает перспективным его применение для массового производства телекоммуникационных волокон.

· Заготовки производятся без использования опорных трубок, и, кроме того, метод OVD позволяет изготавливать и прецизионные кварцевые трубки.

· Примеси гидроксильных ионов (ОН) удаляются в процессе остекловывания заготовки путем обработки ее хлором.

Дата добавления: 2014-01-20