Proizvodnja optičnih vlaken,-dopiranih z erbijem, po metodologiji VAD vključuje pet različnih stopenj:
(1) izdelava palice s poroznim jedrom po metodi VAD
(2) postopek dopinga in impregnacije
(3) postopek oblikovanja predoblik
(4) postopek oplaščenja
(5) optična risba optičnih vlaken
Vsaka stopnja predstavlja svoj niz izzivov
Izdelava poroznih trnov po metodi VAD
Postopek se začne s konvencionalno nastavitvijo VAD, čeprav, če jo poimenujemo "konvencionalna", skoraj podcenjevamo, kako zahteven je lahko ta korak. Začnete s tarčno palico iz silicijevega dioksida-20 mm v premeru, ki ni nič posebnega postavljena navpično. Šoba gorilnika postane vaš primarni dovodni sistem, ki dovaja SiCl₄ s hitrostjo med 450–550 litri na minuto. To je precej široko delovno okno in to, kje pristanete v tem razponu, vpliva na vašo stopnjo nanosa bolj, kot dopušča večina tehničnih listov.
Kisik teče s 15 litri na minuto, vodik z 10. Reakcija plamenske hidrolize poteka hitro-govorimo o dovolj visokih temperaturah, da se SiCl₄ ne samo razgradi, ampak praktično eksplodira v te drobne delce silicijevega dioksida, ki se začnejo kopičiti na ciljni palici. Vse skupaj temelji na toplotni oksidaciji, ki poteka sočasno s hidrolizo, zato so razmerja plinov tako pomembna. Zmotite se in to boste videli v variacijah gostote vaše porozne strukture.
Kar na koncu dobite po zadostnem času nanašanja, je porozen SiO₂ trn s premerom približno 60 mm. Ciljna palica se med tem procesom dvigne navzgor s 55-60 mm na uro – počasi in enakomerno. Pohitite in odlaganje delcev postane neenakomerno; pojdite prepočasi in tvegate pregrevanje zgoščenih območij. Obstaja sladka točka in iskanje le-te včasih zahteva nekaj neuspešnih voženj. Nastala porozna struktura je ključnega pomena, ker njena morfologija določa, kako učinkovito bo kasneje absorbirala doping raztopino. Preveč gosta in raztopina erbija ne bo prodrla dovolj globoko; preveč ohlapen in dobite gradiente koncentracije, ki vas bodo preganjali med fazo sintranja.
Postopek impregnacije dopinga
Tukaj stvari postanejo kemične. Porozna jedrna palica iz SiO₂ gre naravnost v posodo, napolnjeno z vašo raztopino za dopiranje, vse to poteka pri sobni temperaturi, ker bi bilo segrevanje na tej stopnji kontraproduktivno. Sama rešitev je varljivo preprosta: etanol kot topilo, ErCl3 kot dopant.
Zdaj ima ErCl₃ omejeno topnost v etanolu-lahko ga povečate na približno 0,54 % teže in to je skoraj vaša zgornja meja. Poskusite stlačiti več in samo zapravljate dopant, ker ne bo ostal v raztopini. Nekateri laboratoriji so eksperimentirali z različnimi topili, da bi povečali to število, vendar etanol ostaja standard, ker čisto izhlapi in ne pušča za seboj onesnaževal, ki motijo strukturo stekla.
Sama impregnacija je mehansko preprosta-samo pustite, da kapilarno delovanje in difuzija opravita svoje delo, ko se raztopina vpije v te pore. Toda enakomernost privzema je v celoti odvisna od tega, kako dosledna je bila ta porozna struktura od prvega koraka. Ta metoda deluje tudi z AlCl₃, ki je včasih so-dopiran z erbijem, da spremeni značilnosti emisije. Aluminij lahko nekoliko premakne vrh emisije erbija in vpliva na življenjsko dobo vzbujenih stanj, kar je pomembno za aplikacije ojačevalnikov.
Ena stvar, ki jo strokovna literatura ne omenja vedno: čas namakanja je pomembnejši, kot bi si mislili. Pustite ga prekratkega in dobili boste nepopolno penetracijo v notranjost palice. Pustite predolgo in ... no, pravzaprav je to redko težava, razen če se vaša raztopina začne razgrajevati, kar se lahko zgodi, če noter vstopi vlaga.
Postopek oblikovanja predoblik
Na tej stopnji potrpežljivost postane vrlina. Imate porozno palico, prepojeno z raztopino dopanta, in jo morate spremeniti v trdno stekleno palico, ne da bi pri tem izgubili erbij ali ustvarili napake. Postopek je razdeljen na tri termične obdelave, od katerih ima vsaka svoj namen.
Najprej pride do odstranitve topila. Palica gre v peč pod atmosfero dušika-inertno okolje je ključnega pomena-in segrejete jo nekje na 60-70 stopinj. To se zdi nežno in namerno je tako. Izhlapevate etanol, ki ima vrelišče 78 stopinj, vendar ohranjate temperaturo pod to temperaturo, da preprečite vrenje, ki bi povzročilo razpoke ali kanale v porozni strukturi zaradi pritiska. Ta korak traja od 24 ur do 240 ur, odvisno od velikosti palice in tega, kako nasičena je med impregnacijo. Nikamor se ne mudi. Videl sem inženirje, ki so poskušali to pospešiti z dvigovanjem temperature, in vedno obžalujejo, ko najdejo praznine v končni predobliki.
Ko etanol izgine, vam ostane odložen erbijev klorid po vsej porozni silicijevi matrici. Zdaj morate ta klorid pretvoriti v oksid in izgnati klor, ker bodo preostali kloridi povzročili oslabitev v končnem vlaknu-absorbirajo svetlobo natanko v tistih valovnih dolžinah, ki jih ne želite. To je faza dehidracije.
Temperatura močno poskoči: 950-1050 stopinj v atmosferi amoniaka. Amoniak sicer ni čist – vsebuje 0,25 %–0,35 % kisika, kar se zdi majhna količina, vendar je skrbno nadzorovana. Preveč kisika in pride do prezgodnjega sintranja; premalo in dehidracija je nepopolna. Amoniak pomaga odstraniti hidroksilne skupine, ki bi sicer ostale v strukturi stekla. Skupine OH⁻ so znane po tem, da povzročajo vrhove absorpcije okoli 1,39 μm, kar je problematično za telekomunikacije. Te pogoje držite 2,5-3,5 ure. Erbijev klorid se med to fazo pretvori v erbijev oksid.
Sledi sintranje, končno utrjevanje. Zdaj ste spet v dušiku-brez amoniaka, brez kisika-pri 1400-1600 stopinjah 3-5 ur. Tu se porozna struktura zruši in silicijev dioksid popolnoma zastekli v prozorno steklo. Erbijev oksid se vključi v mrežo silicijevega dioksida, pri čemer se idealno enakomerno porazdeli na molekularni ravni. Temperatura mora biti dovolj visoka za popolno zgostitev, vendar ne tako visoka, da bi erbij začel migrirati ali se združevati, kar bi povzročilo koncentracijske nehomogenosti.
Kar se pojavi, je prozorna steklena jedrna palica z erbijem, razporejenim po vsej površini. Če ste vse naredili pravilno, mora imeti najmanj mehurčkov, dobro optično jasnost in koncentracijo erbija, ki se ujema z vašimi izračuni iz koraka impregnacije-, čeprav se nikoli ne ujema popolnoma. Med termično obdelavo je vedno nekaj izgube.
Postopek oblaganja
Po vsem tem skrbnem delu na jedru se zdi korak oblaganja skorajda antiklimaktičen, čeprav komajda nepomemben. Jedro palice potrebuje -plast stekla z nižjim lomnim količnikom, ki bo omejilo svetlobo na jedro s popolnim notranjim odbojem.
Vzameš svojo končano jedro in jo vstaviš v predhodno-izdelano oplaščeno cev. Ta cev je običajno iz čistega silicijevega dioksida ali rahlo dopirana za prilagoditev kontrasta lomnega količnika. Prileganje je pomembno: preveč ohlapno in ujeli boste zrak; pretesno in tvegate, da bo med vstavljanjem kaj počilo. Ko je sestavljena, gre celotna konstrukcija nazaj v peč, kjer se skupaj zažgejo. Ogrevanje povzroči, da se oba kosa zmehčata in zlijeta, kar ustvari monolitno predobliko-en trden kos brez vmesnikov, ki bi razpršili svetlobo.
Koeficienti toplotnega raztezanja jedra in obloge se morajo razmeroma dobro ujemati, sicer boste med ohlajanjem povečali napetost, ki lahko privede do dvolomnosti ali, še huje, mikrozlomov. Večina proizvajalcev ima standardizirane kombinacije, za katere vedo, da delujejo zanesljivo.
Risba optičnih vlaken
Zadnji korak se zgodi na stolpu za vlečenje optičnih vlaken, kjer se predoblika dovaja v peč, ki je dovolj vroča, da zmehča steklo-, govorimo o približno 2000 stopinjah. Ko se konica predoblike zmehča, jo gravitacija in mehansko vlečenje potegneta navzdol v tanko vlakno. Hitrost vlečenja, temperatura peči in napetost zahtevajo skrbno usklajevanje, da dosežete ciljni premer, običajno 125 μm za oblogo.
Tukaj veljajo običajni postopki vlečenja, kar pomeni, da imate-nadzor premera v realnem času, aplikatorje za nanašanje premazov za dodajanje zaščitnih polimernih plasti, medtem ko je steklo še vroče, in zbiranje-zvitkov. Koncentracija erbija v jedru ostane med risanjem v bistvu nespremenjena-samo vse sorazmerno krčite. Toda vlečna napetost ne sme biti previsoka, sicer boste v vlaknu povzročili napetost, ki poslabša njegovo delovanje.
Omeniti velja eno stvar: vse to delo za enakomerno porazdelitev erbija se tukaj res izplača. Vse spremembe koncentracije v predobliku se ohranijo v vlaknu, tako da če ste imeli težave v 2. ali 3. koraku, so zdaj trajne. Ne morete jih popraviti, zato te prejšnje faze zahtevajo toliko pozornosti.
Če je šlo vse dobro, je dobljeno optično vlakno-dopirano z erbijem, primerno za ojačevalnike ali laserje z vlakni, z značilnostmi ojačanja v oknu 1530–1560 nm, od katerega so odvisni telekomunikacijski sistemi. Ni slabo za tisto, kar se je začelo kot nekaj kloridne soli in porozna palica.
