Proizvodnja optičkih vlakana-dopiranih erbijem pomoću VAD metodologije uključuje pet različitih faza:
(1) izrada šipke s poroznom jezgrom metodom VAD
(2) postupak dopinga i impregnacije
(3) proces oblikovanja predforme
(4) postupak oblaganja
(5) optičko crtanje optičkog vlakna
Svaka faza predstavlja svoj skup izazova
Izrada poroznih trnova VAD metodom
Proces počinje konvencionalnim postavljanjem VAD-a, iako nazvati ga "konvencionalnim" gotovo podcjenjuje koliko izbirljiv ovaj korak može biti. Počinjete s ciljanom šipkom od silicijevog dioksida-20 mm u promjeru, ništa otmjeno postavljeno okomito. Mlaznica plamenika postaje vaš primarni sustav isporuke, unoseći SiCl₄ brzinom između 450-550 litara u minuti. To je prilično širok radni prozor, a gdje se nađete u tom rasponu utječe na vašu stopu taloženja više nego što to dopušta većina specifikacija.
Kisik ulazi brzinom od 15 litara u minuti, vodik brzinom od 10. Reakcija plamene hidrolize odvija se brzo-govorimo o dovoljno visokim temperaturama da se SiCl₄ ne samo raspadne, već praktički eksplodira u te sićušne čestice silicijevog dioksida koje se počnu nakupljati na ciljnoj šipki. Cijela se stvar oslanja na toplinsku oksidaciju koja se odvija istovremeno s hidrolizom, zbog čega su omjeri plinova toliko važni. Pogriješite ih i vidjet ćete to u varijacijama gustoće vaše porozne strukture.
Ono što na kraju dobijete, nakon dovoljno vremena taloženja, je porozni SiO₂ trn promjera otprilike 60 mm. Ciljna šipka se podiže prema gore tijekom ovog procesa brzinom od 55-60 mm po satu - sporo i ravnomjerno. Požurite i taloženje čestica postaje neravnomjerno; idite presporo i riskirate pregrijavanje koncentriranih područja. Postoji slatka točka, a za njezino pronalaženje ponekad je potrebno nekoliko neuspješnih vožnji. Rezultirajuća porozna struktura je kritična jer njezina morfologija određuje koliko će učinkovito kasnije apsorbirati doping otopinu. Pregusta i otopina erbija neće prodrijeti dovoljno duboko; previše labav i dobivate gradijente koncentracije koji će vas proganjati tijekom faze sinteriranja.
Proces impregnacije dopinga
Ovdje stvari postaju kemijske. Porozna SiO₂ šipka jezgre ide ravno u spremnik napunjen vašom otopinom za dopiranje, a sve se radi na sobnoj temperaturi jer bi zagrijavanje u ovoj fazi bilo kontraproduktivno. Samo rješenje je varljivo jednostavno: etanol kao otapalo, ErCl3 kao dopant.
Sad, ErCl₃ ima ograničenu topljivost u etanolu-možete ga pogurati na oko 0,54% težine, a to je otprilike vaša gornja granica. Pokušajte natrpati više i samo ćete uzalud trošiti dopant jer neće ostati u otopini. Neki su laboratoriji eksperimentirali s različitim otapalima kako bi povećali taj broj, ali etanol ostaje standard jer čisto isparava i ne ostavlja za sobom kontaminante koji ometaju strukturu stakla.
Sama impregnacija je jednostavna mehanički-samo puštate kapilarno djelovanje i difuziju da rade svoj posao dok se otopina upija u te pore. Ali ujednačenost upijanja u potpunosti ovisi o tome koliko je ta porozna struktura bila konzistentna od prvog koraka. Ova metoda također funkcionira s AlCl₃, koji se ponekad ko-dopira erbijem kako bi se modificirale karakteristike emisije. Aluminij može malo pomaknuti vrh emisije erbija i utjecati na životni vijek pobuđenih stanja, što je važno za primjene pojačala.
Jednu stvar tehnička literatura ne spominje uvijek: vrijeme namakanja važnije je nego što mislite. Ostavite ga prekratkim i dobit ćete nepotpun prodor u unutrašnjost štapa. Ostavite ga predugo i... pa, zapravo, to je rijetko problem osim ako vaša otopina ne počne propadati, što može ako uđe vlaga.
Proces oblikovanja predforme
U ovoj fazi strpljenje postaje vrlina. Imate poroznu šipku natopljenu otopinom dodatka i trebate je transformirati u čvrstu staklenu šipku bez gubitka erbija ili stvaranja nedostataka. Proces se dijeli na tri toplinska tretmana, od kojih svaki ima svoju svrhu.
Prvo dolazi uklanjanje otapala. Šipka ide u peć u atmosferi dušika-ovdje je ključno inertno okruženje-i zagrijavate je na negdje između 60-70 stupnjeva. Ovo izgleda nježno, i namjerno je tako. Isparavate etanol, koji ima vrelište od 78 stupnjeva, ali održavate temperaturu ispod te kako biste izbjegli ključanje, koje bi stvorilo pukotine ili kanale u poroznoj strukturi uzrokovane pritiskom. Ovaj korak traje od 24 do 240 sati, ovisno o veličini šipke i tome koliko je zasićena tijekom impregnacije. Nema žurbe. Vidio sam inženjere koji to pokušavaju ubrzati podizanjem temperature, i uvijek im je žao kad nađu praznine u konačnom preformu.
Nakon što etanol nestane, ostaje vam taloženi erbijev klorid u cijeloj poroznoj matrici silicijevog dioksida. Sada trebate pretvoriti taj klorid u oksid i izbaciti klor, jer će zaostali kloridi uzrokovati prigušenje u gotovom vlaknu-oni apsorbiraju svjetlost točno u valnim duljinama koje ne želite. Ovo je faza dehidracije.
Temperatura značajno skače: 950-1050 stupnjeva u atmosferi amonijaka. Amonijak ipak nije čist - sadrži 0,25%-0,35% kisika, što se čini kao mala količina, ali se pažljivo kontrolira. Previše kisika i dolazi do preranog sinteriranja; premalo i dehidracija je nepotpuna. Amonijak pomaže u uklanjanju hidroksilnih skupina koje bi inače ostale u strukturi stakla. OH⁻ skupine poznate su po tome što uzrokuju vrhunce apsorpcije oko 1,39 μm, što je problematično za telekomunikacije. Držite ove uvjete 2,5-3,5 sata. Erbijev klorid se tijekom ove faze pretvara u erbijev oksid.
Zatim dolazi sinterovanje, konačno učvršćivanje. Sada ste ponovno u dušiku-bez amonijaka, bez kisika-na 1400-1600 stupnjeva 3-5 sati. Ovo je mjesto gdje se porozna struktura urušava i silicij se u potpunosti pretvara u prozirno staklo. Erbijev oksid se ugrađuje u mrežu silicijevog dioksida, idealno se raspoređujući relativno ravnomjerno na molekularnoj razini. Temperatura mora biti dovoljno visoka za potpuno zgušnjavanje, ali ne toliko visoka da erbij počne migrirati ili se grupirati, što bi stvorilo koncentracijske nehomogenosti.
Ono što se pojavljuje je prozirna staklena jezgra s erbijem raspoređenim po cijeloj površini. Ako ste sve napravili kako treba, trebalo bi imati minimalno mjehurića, dobru optičku jasnoću i koncentraciju erbija koja odgovara vašim izračunima iz koraka impregnacije-iako se nikad ne podudara točno. Tijekom toplinske obrade uvijek postoji gubitak.
Proces oblaganja
Nakon svog tog pažljivog rada na jezgri, korak oblaganja djeluje gotovo antiklimaktično, iako nije trivijalan. Štap jezgre treba obložiti-slojem stakla s nižim indeksom loma koji će ograničiti svjetlost na jezgru kroz potpunu unutarnju refleksiju.
Uzmete gotovu šipku jezgre i umetnete je u prethodno-proizvedenu cijev za oblaganje. Ova je cijev obično od čistog silicijevog dioksida ili je blago dopirana za podešavanje kontrasta indeksa loma. Pristajanje je važno: previše labavo i zarobit ćete zrak; previše čvrsto i riskirate da nešto pukne tijekom umetanja. Nakon što se sastavi, cijela se struktura vraća u peć gdje se zajedno pale. Zagrijavanje uzrokuje omekšavanje i stapanje oba dijela, stvarajući monolitnu predformu-jedan čvrsti komad bez međuprostora koji bi raspršivali svjetlost.
Koeficijenti toplinskog širenja jezgre i obloge moraju se razumno dobro podudarati, inače ćete stvoriti stres tijekom hlađenja koji može dovesti do dvoloma ili, još gore, mikrofraktura. Većina proizvođača ima standardizirane kombinacije za koje znaju da rade pouzdano.
Crtanje optičkih vlakana
Posljednji korak događa se na tornju za izvlačenje optičkih vlakana, gdje se predforma stavlja u peć koja je dovoljno vruća da omekša staklo-govorimo otprilike 2000 stupnjeva, manje ili više. Kako vrh predforme omekšava, gravitacija i mehaničko povlačenje povlače ga prema dolje u tanko vlakno. Brzina izvlačenja, temperatura peći i napetost zahtijevaju pažljivu koordinaciju kako bi se postigao željeni promjer, obično 125 μm za oblogu.
Ovdje se primjenjuju konvencionalni procesi crtanja, što znači da imate-praćenje promjera u stvarnom-vremenu, aplikatore za nanošenje premaza za dodavanje zaštitnih polimernih slojeva dok je staklo još vruće i primanje-katulja. Koncentracija erbija u jezgri ostaje uglavnom nepromijenjena tijekom crtanja-samo sve proporcionalno smanjujete. Ali napetost pri izvlačenju ne smije biti previsoka ili ćete uzrokovati naprezanje u vlaknu koje pogoršava njegovu izvedbu.
Jedna stvar koju vrijedi napomenuti: sav taj rad na ravnomjernoj distribuciji erbija ovdje se zaista isplati. Sve varijacije koncentracije u preformi ostaju sačuvane u vlaknu, pa ako ste imali problema u koraku 2 ili 3, oni su sada trajni. Ne možete ih popraviti, zbog čega te rane faze zahtijevaju toliko pažnje.
Rezultirajuće vlakno, ako je sve prošlo dobro, optičko je vlakno -dopirano erbijem prikladno za pojačala ili optičke lasere, s karakteristikama pojačanja u prozoru od 1530-1560 nm o kojem ovise telekomunikacijski sustavi. Nije loše za ono što je počelo kao malo kloridne soli i porozne šipke.