فیبرهای نوری تخصصی: ساخت اربیوم-الیاف دوپ شده

ساخت فیبرهای نوری دوپ شده با اربیوم{0}}از طریق روش VAD شامل پنج مرحله مجزا است:

(1) ساخت یک میله هسته متخلخل با استفاده از روش VAD

(2) فرآیند دوپینگ و اشباع

(3) فرآیند تشکیل پریفرم

(4) فرآیند پوشش

(5) طراحی فیبر نوری

هر مرحله مجموعه ای از چالش ها را ارائه می دهد

Specialty Optical Fibers

این فرآیند با یک راه‌اندازی VAD معمولی شروع می‌شود، اگرچه نامیدن آن "متعارف" تقریباً نشان می‌دهد که این مرحله چقدر می‌تواند دشوار باشد. شما با یک میله هدف سیلیسی شروع می‌کنید-به قطر 20 میلی‌متر، که هیچ چیز به صورت عمودی قرار ندارد. نازل مشعل به سیستم تحویل اولیه شما تبدیل می شود و SiCl4 با نرخ بین 450-550 لیتر در دقیقه تغذیه می کند. این یک پنجره عملیاتی بسیار گسترده است، و جایی که شما در آن محدوده قرار می گیرید، بر نرخ رسوب گذاری شما بیشتر از آنچه که اکثر برگه های مشخصات اجازه می دهند تأثیر می گذارد.

اکسیژن با سرعت 15 لیتر در دقیقه، هیدروژن با سرعت 10. واکنش هیدرولیز شعله سریع اتفاق می افتد-ما در مورد دمای آنقدر بالا صحبت می کنیم که SiCl4 نه تنها تجزیه نمی شود، بلکه عملاً به این ذرات ریز سیلیس منفجر می شود که شروع به تجمع روی میله هدف می کنند. همه چیز متکی به اکسیداسیون حرارتی است که همزمان با هیدرولیز اتفاق می افتد، به همین دلیل است که نسبت گاز بسیار اهمیت دارد. آنها را اشتباه بگیرید و آن را در تغییرات چگالی ساختار متخلخل خود خواهید دید.

چیزی که پس از مدت زمان کافی رسوب به آن می رسید، یک سنبه متخلخل SiO2 به قطر تقریبی 60 میلی متر است. میله هدف در طول این فرآیند با سرعت 55{3}}60 میلی‌متر در ساعت آهسته و پیوسته به سمت بالا بلند می‌شود. عجله کنید و رسوب ذرات ناهموار می شود. خیلی آهسته پیش بروید و خطر گرم شدن بیش از حد مناطق متمرکز را دارید. یک نقطه شیرین وجود دارد، و پیدا کردن آن گاهی اوقات به چند دویدن ناموفق نیاز دارد. ساختار متخلخل به دست آمده بسیار مهم است زیرا مورفولوژی آن تعیین می کند که چگونه محلول دوپینگ را بعدا به طور موثر جذب می کند. خیلی متراکم است و محلول اربیوم به اندازه کافی عمیق نفوذ نمی کند. خیلی شل شده و شیب غلظتی دریافت می کنید که در مرحله تف جوشی شما را آزار می دهد.

Specialty Optical Fibers

اینجاست که همه چیز شیمیایی می شود. میله هسته متخلخل SiO2 مستقیماً به یک ظرف پر از محلول دوپینگ شما می رود، همه در دمای اتاق انجام می شود زیرا گرم کردن در این مرحله نتیجه معکوس خواهد داشت. خود محلول به طرز فریبنده ای ساده است: اتانول به عنوان حلال، ErCl3 به عنوان ناخالصی.

اکنون، ErCl3 حلالیت محدودی در اتانول دارد-می‌توانید آن را تا حدود 0.54 درصد وزنی برسانید، و این تقریباً سقف شماست. سعی کنید مقدار بیشتری را در خود جمع کنید و فقط ناخالصی را هدر می دهید زیرا در محلول باقی نمی ماند. برخی از آزمایشگاه‌ها با حلال‌های مختلف آزمایش کرده‌اند تا این عدد را افزایش دهند، اما اتانول استاندارد باقی می‌ماند، زیرا به طور تمیز تبخیر می‌شود و آلاینده‌هایی را که با ساختار شیشه تداخل می‌کنند، باقی نمی‌گذارد.

آغشته شدن به خودی خود از نظر مکانیکی ساده است-شما فقط اجازه می‌دهید که عمل مویرگی و انتشار کار خود را انجام دهند زیرا محلول در آن منافذ فرو می‌رود. اما یکنواختی جذب کاملاً به میزان سازگاری آن ساختار متخلخل از مرحله اول بستگی دارد. این روش همچنین با AlCl3 کار می‌کند، که گاهی اوقات برای اصلاح ویژگی‌های انتشار با اربیوم دوپ می‌شود. آلومینیوم می تواند اوج انتشار اربیوم را کمی تغییر دهد و بر طول عمر حالت های برانگیخته تأثیر بگذارد، که برای کاربردهای تقویت کننده مهم است.

یک چیزی که ادبیات فنی همیشه به آن اشاره نمی کند: زمان خیساندن بیشتر از آنچه فکر می کنید اهمیت دارد. آن را خیلی کوتاه بگذارید و به داخل میله نفوذ ناقص خواهید داشت. آن را خیلی طولانی بگذارید و... خوب، در واقع، این به ندرت مشکلی ایجاد می کند، مگر اینکه راه حل شما شروع به تخریب کند، که اگر رطوبت وارد شود، ممکن است.

این مرحله جایی است که صبر به یک فضیلت تبدیل می شود. شما یک میله متخلخل دارید که با محلول ناخالص آغشته شده است، و باید بدون از دست دادن اربیوم یا ایجاد نقص، آن را به یک میله شیشه ای جامد تبدیل کنید. این فرآیند به سه عملیات حرارتی تقسیم می شود که هر کدام هدف خاص خود را دارند.

اول حذف حلال است. میله به داخل کوره زیر اتمسفر نیتروژن می رود-محیط بی اثر در اینجا بسیار مهم است-و شما آن را تا جایی بین 60-70 درجه حرارت می دهید. این ملایم به نظر می رسد، و عمدا چنین است. شما در حال تبخیر اتانول هستید که نقطه جوش آن 78 درجه است، اما برای جلوگیری از جوشیدن، دما را پایین تر از آن نگه می دارید، که باعث ایجاد شکاف ها یا کانال های ناشی از فشار در ساختار متخلخل می شود. این مرحله بسته به اندازه میله و میزان اشباع آن در طول آغشته شدن از 24 ساعت تا 240 ساعت طول می کشد. عجله ای نیست من مهندسان را دیده‌ام که سعی می‌کنند این کار را با افزایش دما تسریع کنند، و همیشه وقتی حفره‌هایی در پریفرم نهایی پیدا می‌کنند پشیمان می‌شوند.

پس از از بین رفتن اتانول، کلرید اربیوم در سراسر ماتریس سیلیس متخلخل باقی می ماند. اکنون باید آن کلرید را به اکسید تبدیل کنید و کلر را بیرون کنید، زیرا کلریدهای باقیمانده باعث تضعیف فیبر نهایی می‌شوند-آنها نور را دقیقاً در طول موج‌هایی که شما نمی‌خواهید جذب می‌کنند. این مرحله کم آبی است.

دما به طور قابل توجهی افزایش می یابد: 950-1050 درجه در یک جو آمونیاکی. آمونیاک خالص نیست، اما حاوی 0.25٪ - 0.35٪ اکسیژن است که به نظر مقدار کمی است، اما به دقت کنترل می شود. بیش از حد اکسیژن و شما دچار پخت زودرس می شوید. خیلی کم است و کم آبی بدن ناقص است. آمونیاک کمک می کند تا گروه های هیدروکسیل را که در غیر این صورت در ساختار شیشه باقی می مانند، از بین ببرد. گروه های OH- به دلیل ایجاد پیک جذب در حدود 1.39 میکرومتر بدنام هستند که برای مخابرات مشکل ساز است. شما این شرایط را برای 2.5-3.5 ساعت نگه دارید. کلرید اربیم در این مرحله به اکسید اربیوم تبدیل می شود.

سپس تف جوشی، تثبیت نهایی می آید. اکنون دوباره در نیتروژن-بدون آمونیاک، بدون اکسیژن-در دمای 1400-1600 درجه به مدت 3-5 ساعت هستید. اینجاست که ساختار متخلخل فرو می ریزد و سیلیس به طور کامل به شیشه شفاف تبدیل می شود. اکسید اربیوم به شبکه سیلیس وارد می شود و به طور ایده آل خود را به طور یکنواخت در سطح مولکولی توزیع می کند. دما برای چگالش کامل باید به اندازه کافی بالا باشد، اما نه آنقدر بالا که اربیوم شروع به مهاجرت یا خوشه‌بندی کند، که باعث ایجاد ناهمگنی در غلظت می‌شود.

چیزی که ظاهر می شود یک میله هسته شیشه ای شفاف با اربیوم است که در سراسر آن توزیع شده است. اگر همه چیز را به درستی انجام داده اید، باید حداقل حباب، وضوح نوری خوب، و غلظت اربیوم داشته باشد که با محاسبات شما از مرحله اشباع مطابقت داشته باشد-گرچه هرگز دقیقاً مطابقت ندارد. در طول پردازش حرارتی همیشه مقداری از دست دادن وجود دارد.

Specialty Optical Fibers

بعد از این همه کار دقیق روی هسته، مرحله غلاف تقریباً ضد آب به نظر می رسد، هرچند که به سختی پیش پا افتاده است. میله هسته نیاز به روکشی دارد-یک لایه شیشه با ضریب شکست کمتر که نور را از طریق انعکاس کامل داخلی به هسته محدود می کند.

میله هسته تمام شده خود را می گیرید و آن را در یک لوله روکشی از پیش ساخته شده- قرار می دهید. این لوله معمولاً سیلیس خالص یا کمی دوپ شده است تا کنتراست ضریب شکست را تنظیم کند. تناسب مهم است: خیلی شل و هوا را به دام خواهید انداخت. خیلی سفت است و در حین قرار دادن در معرض خطر شکستن چیزی هستید. پس از مونتاژ، کل ساختار به یک کوره باز می گردد که در آنجا با هم پخته می شوند. گرمایش باعث نرم شدن و جوش خوردن هر دو قطعه می‌شود و یک پیش‌فرم یکپارچه-یک قطعه جامد بدون شکاف رابط ایجاد می‌کند که نور را پراکنده می‌کند.

ضرایب انبساط حرارتی هسته و روکش باید به خوبی با هم مطابقت داشته باشند، در غیر این صورت در هنگام خنک شدن استرس ایجاد می‌کنید که می‌تواند منجر به شکست مضاعف یا بدتر از آن، شکستگی‌های کوچک شود. اکثر تولید کنندگان ترکیبات استانداردی دارند که می دانند به طور قابل اعتماد کار می کنند.

مرحله آخر در یک برج کششی فیبر نوری اتفاق می افتد، جایی که پریفرم به قدری داغ به کوره ای وارد می شود که شیشه را نرم کند-در حال صحبت کردن تقریباً 2000 درجه، دادن یا گرفتن است. همانطور که نوک پریفرم نرم می شود، گرانش و کشش مکانیکی آن را به سمت پایین به یک فیبر نازک می کشاند. سرعت کشش، دمای کوره و کشش همگی به هماهنگی دقیقی برای رسیدن به قطر هدف نیاز دارند که معمولاً 125 میکرومتر برای روکش فلزی است.

فرآیندهای رسم معمولی در اینجا اعمال می‌شوند، به این معنی که-نظارت بر قطر واقعی، اعمال کننده‌های پوشش برای افزودن لایه‌های پلیمری محافظ در حالی که شیشه هنوز داغ است و{1}}قرقره‌ها را دارید، دارید. غلظت اربیوم در هسته اساساً در طول کشیدن بدون تغییر باقی می ماند-شما فقط همه چیز را به طور متناسب کوچک می کنید. اما کشش کششی نمی تواند خیلی زیاد باشد وگرنه باعث ایجاد استرس در فیبر می شود که عملکرد آن را کاهش می دهد.

یک نکته قابل ذکر است: تمام کارهایی که برای توزیع یکنواخت اربیوم انجام می شود در اینجا واقعاً نتیجه می دهد. هرگونه تغییر غلظت در پریفرم در فیبر حفظ می شود، بنابراین اگر در مراحل 2 یا 3 مشکل داشتید، اکنون دائمی هستند. شما نمی توانید آنها را تعمیر کنید، به همین دلیل است که مراحل اولیه توجه زیادی را می طلبد.

فیبر حاصل، اگر همه چیز به خوبی پیش برود، فیبر نوری{0}}دوپ شده با اربیوم مناسب برای تقویت کننده ها یا لیزرهای فیبر است، با ویژگی های بهره در پنجره 1530-1560 نانومتری که سیستم های مخابراتی به آن وابسته هستند. برای چیزی که با مقداری نمک کلرید و یک میله متخلخل شروع شد بد نیست.