Обзор технологий изготовления оптических телекоммуникационных волокон и связанные с ними инновац

Введение

На протяжении последних лет в производстве опти­ческих волокон произошли серьезные изменения в плане применяемых технологий. Колебания спроса и снижение цен на оптические телекоммуникационные волокна привели к необходимости разработки новых экономически эффектив­ных технологий изготовления и новых конструкций волокон. В настоящей статье описаны принятые в отрасли технологии производства оптических телекоммуникационных и специ­альных волокон, а также представлены несколько послед­них инновационных решений для изготовления заготовок и волокон. Телекоммуникационные оптические волокна производятся в очень больших объемах (свыше 100 млн км одномодового волокна, соответствующего ITU-T 652, в год) и имеют малое количество подкатегорий. Стимулом для разработки инновационных технологий является стрем­ление к сокращению производственных расходов, повыше­нию производительности, достижению экономии, обуслов­ленной ростом масштабов производства, и улучшению характеристик оптического волокна. Волокна специального назначения, наоборот, производятся небольшими партиями, с многочисленными типами конструкций (подкатегорий), продаются метрами, при этом стимулом для новых техно­логических решений служат требования гибкости произ­водства в связи с постоянно изменяющимися конструкци­ями оптических волокон.

Обзор технологий изготовления оптических

телекоммуникационных волокон и связанные

с ними инновационные решения

Стандартная последовательность технологического процесса производства одномодовых оптических волокон состоит из следующих этапов: изготовление заготовки серд­цевины оптического волокна (Core), наращивание оболочки (Clad), вытяжка заготовки в волокно (Draw) и, наконец, прове­дение испытаний на соответствие качества волокна (испы­тание на прочность, проверка геометрических параметров и оптические испытания) (QC).

Core

>

Clad

>

Draw

>

QC

Рис. 1.

Этапы технологического процесса

Изготовление заготовки сердцевины
одномодового оптического волокна

Заготовка сердцевины определяет качество и эксплу­атационные характеристики волокна и поэтому является его наиболее важной частью. К известным процессам изготовления сердцевины относятся следующие: VAD, OVD, PCVD, MCVD и FCVD. Наиболее широко применяются методы VAD и OVD

Рис. 2.

Сердцевина (

Core

) и оболочка (

Clad

) оптического волокна

Развитие в направлении создания оптических воло­кон с низким и нулевым пиком воды (ITU-T 652D) приводит к новой проблеме, которую должна учитывать технология изготовления волокон: необходимость сокращения погло­щения гидроксильных групп OH

Процесс изготовления сердцевины волокна

методом

VAD

Метод осевого парофазного осаждения (VAD), изобре­тенный в 1970 году в Японии, представляет собой химиче­ский процесс гидролиза в пламени, при котором в резуль­тате реакции паровой фазы формируются наночастицы стекла, образующие окиси. Частицы (SiO2, GeO2) осажда­ются в осевом направлении на вращающемся кварцевом стержне путем термофорезного осаждения [4]. Пористая заготовка затем спекается (дегидратируется и остекловывается), а потом вытягивается в стержень, готовый к нара­щиванию оболочки. Метод VAD лучше всего подходит для изготовления оптических волокон с низким содержанием гидроксильных групп, но он также является очень трудным процессом для промышленного производства. В тради­ционной технологии осаждения по методу VAD использу­ются концентрические кварцевые горелки, изготовленные в стекольных мастерских, и небольшие камеры осаждения с естественным потоком воздуха. Компания Nextrom разра­ботала новый процесс VAD с использованием металличе­ских горелок с калиброванными отверстиями и большой камерой осаждения с принудительным потоком воздуха [3].

Металлическая горелка выполнена из обработанного на прецизионном станке металлического газораспределителя с коррозионностойкой трубкой и образует тепловой и хими­ческий барьер путем подачи чистого воздуха, основанный на эффекте Вентури. Образование пламени и химическая реакция происходят в ламинарном потоке чистого воздуха. Это дает возможность получать очень точное и повторяе­мое осаждение, контролировать при помощи конструкции объем и скорость газов, использовать стандартные рецептуры, поскольку они ведут себя единообразно на любой установке для осаждения. Большая камера с принудитель­ным потоком воздуха имеет раздельные выпускные отвер­стия для сердцевины и оболочки с минимальным осажде­нием на стенках камеры, обеспечивает хорошую возмож­ность контроля нежелательного вторичного осаждения, а также повышения стабильности пламени благодаря лами­нарной зоне осаждения. Такая конструкция камеры успешно используется для производства оптических волокон с низким пиком воды при скорости осаждения 6 г/мин. В настоящее время ведутся дальнейшие разработки с целью повыше­ния производительности этих установок.

Рис. 3.

Метод осаждения

VAD

Процесс изготовления сердцевины волокна методом

OVD

Метод наружного парофазного осаждения (OVD), как и метод VAD, представляет собой процесс гидролиза в пламени. В отличие от метода VAD, в котором традици­онно применяются концентрические кварцевые горелки, для процесса OVD производители всегда использовали метал­лические горелки. Использование металлических горелок не оказывало отрицательного воздействия на качество оптиче­ского волокна. Это показал опыт прокладки более 200 млн км оптического волокна, изготовленного с использованием таких горелок, за последние 20 лет. Более того, сравни­тельные испытания волокон свидетельствуют о том, что эксплуатационные характеристики волокна, полученного методом OVD, не отличаются от соответствующих характе­ристик волокна, изготовленного по методу VAD, за исключе­нием содержания воды: волокна типа G652, изготовленные методом OVD, отличаются более высоким пиком поглоще­ния гидроксильных ионов, чем волокна, полученные мето­дом VAD. С другой стороны, процесс изготовления серд­цевины OVD характеризуется более высокими скоростями осаждения – 24–36 г/мин благодаря использованию двух-и трехшпиндельных станков, соответственно.

Процессы изготовления

сердцевины волокна методами

MCVD

и

FCVD

Модифицированный метод химического парофазного осаждения (MCVD) заключается в процессе образования субмикронных частиц кварца в результате окисления SiCl4 и последующем осаждении ультрадисперсного порошка SiO2
и GeO2
внутри высококачественной вращающейся опор­ной трубы. Эта технология используется с 1980-х годов и представляет собой простой процесс послойного осажде­ния. В процессе MCVD источником тепла являются распо­ложенные снаружи кислородно-водородные горелки, в то время как в процессе FCVD (метод химического парофаз-ного осаждения с помощью печи) источником тепла явля­ется печь. После того, как произошло осаждение, трубка «схлопывается» в стержень, обычно на том же станке для изготовления заготовок. Метод MCVD широко применяется для изготовления оптических волокон специального назна­чения, поскольку он позволяет легко контролировать пока­затель преломления каждого слоя. Однако этот метод уже не так широко используется в производстве телекоммуни­кационных оптических волокон, так как он не дает возмож­ности изготавливать очень большие заготовки, длина зоны осаждения часто ограничивается 1 метром, и, кроме того, горелки O2
/H2
(кислородно-водородные), применяемые для нагрева и «схлопывания» опорной трубы, не позволяют производить волокна с низким пиком воды. Усовершен­ствованный вариант этого метода с использование нагре­вательной печи вместо горелок (FCVD) позволяет сокра­тить содержание гидроксильных групп (OH) в заготовке и изготавливать волокна с низким пиком воды. Он также позволяет увеличить «полезный» размер опорной трубы

Рис. 4.

Нагревательная печь для процесса

FCVD

Путем сокращения соотношения B/A (диаметр осажден­ной оболочки относительно диаметра осажденной серд­цевины волокна) можно увеличить размер заготовки для сердцевины и производить заготовки размером до 120 мм. Технология FCVD применяется на протяжении нескольких лет компаниями Silitec, Draka и другими для производства оптических волокон с низким пиком воды.

Процесс

PCVD

Плазменный метод химического парофазного осажде­ния (PCVD), изобретенный компанией Philips в 1980-х годах, запатентованный и принадлежащий компании Draka, так же как и методы MCVD/FCVD, представляет собой процесс внутреннего осаждения. Единственным существенным отли­чием является то, что источником тепла, используемым для спекания осажденного ультрадисперсного порошка внутри опорной трубы, служит расположенная внутри плазма низкого давления, создаваемая радиочастотным полем. Это позво­ляет очень точно контролировать процесс спекания слоев, что обеспечивает более точный контроль профиля показа­теля преломления, особенно, в случае оптических волокон с градиентным показателем преломления, но в то же время при этом допускается значительное включение легирую­щих примесей. Развитие этой технологии для изготовле­ния телекоммуникационных оптических волокон идет в том же направлении, что и развитие технологии MCVD, то есть целью дальнейшего развития является изготовление заго­товок сердцевины волокна с меньшим соотношением B/A и стержней для изготовления сердцевины с большими диаме­трами, что приведет к повышению производительности.

Процесс наложения оболочки

на одномодовые волокна

Стоимость оболочки составляет существенную часть стоимости волокна и в принципе не оказывает влияния на характеристики оптического волокна. Широко распростра­нены следующие методы наложения оболочки: OVD Clad (метод наружного парофазного осаждения), APVD (Plasma) (усовершенствованный плазменный метод химического парофазного осаждения), и жакетирование по RIT или RIC технологиям (соответственно методы «стержень в трубке» или «стержень в цилиндре»). Далее представлен новый процесс наложения оболочки с использованием техноло­гии наращивания оптической оболочки путем засыпки квар­цевой крошки SAND (SCT), недавно разработанный компа­ниями Silitec / Nextrom.

Наложение оболочки методом

OVD

Метод наружного парофазного осаждения (OVD) оболочки представляет собой процесс гидролиза в пламени, заклю­чающийся в осаждении частиц мелкодисперсного порошка двуокиси кремния SiO2
на стержне сердцевины и спекания порошка для получения сплошной стеклянной заготовки. Это самый распространенный метод наложения оболочки

Рис. 5.

Горизонтальный двухшпиндельный станок для наложения оптической оболочки методом

OVD

Рис. 6.

Вертикальный станок для наложения оптической оболочки методом

OVD

Производительность процесса в основном определя­ется скоростью осаждения, эффективностью осаждения и достижимым размером заготовки (длина и диаметр). В последнее время скорость осаждения постоянно повыша­ется поставщиками оборудования. Вначале скорость осаж­дения составляла от 15 до 20 г/мин на одношпиндельных станках. Компания Nextrom в 2004 году выпустила двух-шпиндельный станок с тремя горелками производитель­ностью 54 г/мин для заготовок массой до 30 кг.

В 2008 году компания Nextrom выпустила вертикальный станок с 6 горелками производительностью около 50 г/мин для заготовок массой до 60 кг.

Наложение оболочки методом

APVD

Усовершенствованный плазменный метод химического парофазного осаждения (APVD) представляет собой запа­тентованный компанией Draka процесс, заключающийся в осаждении природного кварцевого песка на стержень сердцевины оптического волокна при помощи плазменной горелки и наращивании стекла слой за слоем. Технология совершенствовалась с целью увеличения диаметра заго­товки и сокращения загрязнения примесями, содержащи­мися в природном кварце.

Технологический метод изготовления заготовок

RIC

/

RIT

(«стержень в трубе»/«стержень в цилиндре»)

Методы RIC/RIT «стержень в трубе» и «стержень в цилин­дре» представляют собой простейший процесс наложе­ния оболочки, который заключается во введении стержня для изготовления сердцевины внутрь трубки из матери­ала высокой чистоты производства компаний Heraeus или General Electric. Самостоятельный процесс введения стержня в трубку осуществляется на отдельном горизон­тальном или вертикальном станке, но более распространен способ введения стержня в трубку, производимый на башне для вытяжки волокна. Стержень (стержни) для изготовле­ния сердцевины вставляются внутрь трубки или цилиндра, после чего происходит непосредственная вытяжка волокна. Компания Heraeus усовершенствовала данную технологию с целью снижения затрат на материалы и повышения произ­водительности. Усовершенствование

технологии привело к использованию цилиндров диаметром от 120 мм до 200 мм и длиной до 3 м. Потребовались очень большие печи для башен для вытяжки волокна или большие станки для жаке-тирования. Компания Nextrom внедрила в 2008 году свои собственные графитовые индукционные печи для загото­вок размером 150 мм

Рис. 7. Печь для вытяжки волокна из заготовок размером 150 мм

Новая
SAND
технология наложения оптической оболочки путем засыпки кварцевого песка (
SCT
)

Компания Silitec Fibers разработала новую универсаль­ную и экономически эффективную технологию наложения оболочки оптического волокна. Этот процесс заключается в том, что кварцевый песок плавится вокруг стержня для изготовления сердцевины с помощью печи [1].

Рис. 8.

Вытяжка заготовки, изготовленной по технологии

SAND

Конструкция, состоящая из сердцевины, окруженной большой тонкостенной трубой, заполняется кварцевым песком (рис. 9 а). Затем песок плавится и превращается в стекло либо непосредственно в процессе вытяжки, либо на расположенном отдельно вертикальном станке (рис. 9 в). Последний вариант позволяет использовать более деше­вые трубы для оболочек, которые могут быть отшлифо­ваны до процесса вытяжки.

Рис. 9.

Этапы процесса плавки кварцевого песка

Кварцевый песок существует в различных формах: золь-гель, крошка синтетических кристаллов, мелкодисперс­ный кварцевый порошок. Этот процесс относительно прост и требует наличия только ограниченной инфраструктуры, то есть не требует скрубберов. Компания Silitec Fibers исполь­зует этот процесс в неавтономном варианте с 2004 года и в автономном варианте – с 2008 года

Процесс вытяжки

одномодовых оптических волокон

Качество процесса вытяжки зависит главным обра­зом от конструкции печи, технологии наложения оболочки и оптимального контроля параметров процесса, таких как натяжение, температура, диаметры, скорость. Снижение расходов на процесс вытяжки достигается за счет повы­шения производительности, то есть увеличения производ­ственной скорости, сокращения времени наладки и запу­ска оборудования, времени линейного нарастания скоро­сти, повышения качества намотки, увеличения размера заготовок (длины и диаметра), а также за счет увеличения количества произведенного продукта, то есть сокращения отходов при начале и окончании работы, обрывов заготовки при вытяжке, снижения индуцируемого вытяжкой затухания и сокращения обрывов волокна при контроле качества в процессе вытяжки.

Увеличение размера заготовок несколько осложняет их транспортировку и обращение с ними. Если обращение с заготовками длиной 1 м и диаметром 100 мм не вызы­вает особых проблем, то манипулировать заготовками диаметром более 150 мм и длиной 3 м намного сложнее. Кроме того, энергопотребление при плавке больших заго­товок существенно выше, чем при работе с заготовками меньших размеров. При выборе оптимального размера заготовок требуется найти компромиссное решение. За более чем 20-летний период развития технологии вытяжки волокна компания Nextrom разработала ряд новых техно­логических решений. К последним нововведениям отно­сятся следующие:

• скорость вытяжки увеличена до 1800 м/мин и выше благодаря использованию фильер для нанесения влаж­ного покрытия поверх нижнего влажного слоя;

• графитовая индукционная печь для заготовок диаме­тром более 150 мм с оптимизированной системой контроля расхода газа;

• автоматические сдвоенные приемные устройства для очень больших катушек (до 1000 км волокна на одной катушке).

Рис. 10. Автоматическое сдвоенное приемное устройство для катушек массой 100 кг, DFT 100

Обзор технологий изготовления оптических

волокон и инновационные решения в области

производства волокон специального назначения

Оптические волокна специального назначения имеют широкий диапазон конструкций и областей применения, включая одномодовые волокна (с выбранной длиной волны отсечки), многомодовые волокна с градиентным показате­лем преломления, многомодовые волокна со ступенчатым показателем преломления, волокна с сохранением поляри­зации, легированные волокна для усилителей или лазеров, с одинарной или двойной оболочкой, микроструктурирован­ные волокна со сплошной сердцевиной (PCF – фотонокри-сталлические), брэгговские волокна с полой сердцевиной

Изготовление заготовок сердцевины для волокон специального назначения

При производстве оптических волокон специального назначения применяются все известные методы изготов­ления сердцевины, однако некоторые технологии обеспе­чивают достижение лучших характеристик для волокон определенных конструкций. При сложном профиле показа­теля преломления методы послойного осаждения, такие как MCVD, FCVD, PCVD, OVD, обеспечивают наиболее высо­кую гибкость производственного процесса. Среди проблем, связанных с производством волокон специального назна­чения, самой сложной задачей остается легирование серд­цевины редкоземельными материалами, такими как Er, Yb и др. Для этого требуется высокая однородность легирую­щих материалов, высокая концентрация и возможность леги­ровать сердцевины больших диаметров. Наиболее широко используется метод, называемый «жидким легированием», который состоит в том, что стержень для изготовления серд­цевины после каждого осаждения пропускается через леги­рующий раствор, содержащий редкоземельные материалы. Это довольно обременительный метод, имеющий некоторые ограничения. Другой метод, применяемый компанией Liekki, основан на прямом осаждении наночастиц (DND).

Компании Nextrom и Silitec разработали несколько техно­логий, помогающих решить эту сложную задачу легирования

Технология легирования кварцевого песка

Компания Silitec разработала метод легирования кварце­вого песка, используемого в материале сердцевины. Квар­цевый песок можно легко легировать окисями редкоземель­ных элементов. Кварцевая трубка заполняется легирован­ным редкоземельными элементами песком, приготовлен­ным методом жидкого легирования или непосредственно из порошкообразных окисей редкоземельных элементов. Этот процесс описан в [1]. Он использовался для производ­ства волокна LMA Yb3+ и стержней для сердцевины диаме­тром до 20 мм с соблюдением строгого контроля однород­ности показателя преломления. Полученные результаты представлены в [2]. Оценивались концентрации иттербия примерно 3600 wt-ppm.

Хелатная система доставки

легирующих элементов

Компания Nextrom разработала систему легирования редкоземельными элементами для доставки высокотем­пературных реагентов с низким давлением насыщенного пара. При доставке этих реагентов в газовой фазе достига­ются отличные результаты в отношении точности контроля, повторяемости и распределения. Были достигнуты концен­трации Yb – 21 000 ppm и Er – 10 000 ppm.

Рис. 11.

Система доставки редкоземельных элементов

при легировании кварцевого песка

Оболочка оптических волокон
специального назначения

и производство заготовок сложной структуры

При производстве оптических волокон с одной серд­цевиной чаще всего используется процесс наращивания оболочки по методу «стержень в трубке». Однако в случае оптических волокон нового типа, таких как волокна с сохра­нением поляризации типа «Панда» или структурированных волокон, новые конструкции требуют модернизированных технологий производства. При производстве оптических волокон типа «Панда» необходимо просверлить сплошную заготовку и вставить в нее легированные бором стержни. Ограничивающим фактором является длина просверлен­ного отрезка. Микроструктурированные фотонокристал-лические волокна изготавливаются методом компоновки и вытяжки многочисленных капилляров вокруг сплошной сердцевины или полой трубки (Stack and Draw). Сложной задачей является сохранение требуемых геометрических размеров и продольной однородности

Оптическое волокно
Silitec
LCA
, Оптическое волокно с несколькими диаметром 180 мм
сердцевинами
Er
3+

Рис. 12.

Поликристаллические волокна

и легированные волокна с несколькими сердцевинами,

изготовленные методом засыпки кварцевой крошки

Новая технология, основанная на методе наращивания оболочки путем засыпки кварцевой крошки, была разработана компанией Silitec Fibers, которая внедрила гибкий процесс для создания оптических волокон сложной структуры – с несколькими сердцевинами или фотонокристаллических.

Возможность фиксировать и стабилизировать сложные и асимметричные структуры в кварцевом песке до начала затвердевания представляется главным преимуществом этой технологии. Капиллярные структуры могут быть окру­жены песком, включая пустоты между капиллярами. После затвердевания и схлопывания всей этой конструкции можно получить микроструктурированную заготовку, геометрию которой можно определить до вытяжки. Компания Silitec изготовила фотонокристаллические оптические волокна LMA с отличной геометрией, используя этот метод

Рис. 13.

Заготовки с несколькими сердцевинами

и фотонокристаллические заготовки,

изготовленные методом засыпки кварцевой крошки

Вытяжка оптических волокон
специального назначения

Для вытяжки оптических волокон специального назна­чения требуются универсальные и отвечающие требова­ниям заказчика башни, пригодные для работы с широким диапазоном (небольших) заготовок, типичными размерами волокон от 50 микрон до 1000 микрон, разнообразными материалами покрытий, а также рассчитанные на различ­ные методы отверждения (рис. 14). Для производства поли­кристаллических волокон недавно было установлено стро­гое требование: вытяжка капилляров с точными размерами и автоматическая резка.

В связи с тем, что башни для вытяжки часто распола­гаются в небольших лабораториях, наблюдается тенден­ция к созданию гибкого, оптимизированного оборудования с перестраиваемой конфигурацией.

Заключение

Процесс изготовления стержней для сердцевины одномо-довых оптических волокон не претерпел каких-либо значи­тельных изменений, но в его развитии отмечаются шаги по увеличению размера заготовок, повышению произво­дительности, решению проблем, связанных с вызванным наличием гидроксильных групп (OH) затуханием, и новыми конструкциями волокон, требующих новых профилей пока­зателя преломления.

Компания Nextrom внесла свой вклад в развитие этого процесса, разработав новый метод осевого парофазного осаждения, обеспечивающий высокую стабильность процесса,

Рис. 14.
Башня для вытяжки оптических волокон
специального назначения

для которого используется технология химического паро-фазного осаждения с помощью печи, разработанной компа­нией Silitec Fibers. Процесс наложения оболочки на одномо-довые оптические волокна претерпел более существенные изменения, направленные на увеличение размера загото­вок, повышение производительности и сокращение расходов на материалы. Компании Nextrom и Silitec внедрили новые высокоэффективные и востребованные процессы, такие как высокопроизводительный процесс наложения оболочки методом наружного парофазного осаждения, новая техно­логия наращивания оболочки методом засыпки кварцевой крошки и технология вытяжки заготовок большого диаме­тра. В области оптических волокон специального назначе­ния разработка технологических процессов шла в направ­лении новых более гибких способов производства загото­вок сложных структур и высоколегированных оптических волокон. В этой области компании Silitec и Nextrom также разработали инновационные процессы изготовления, такие как легирование и засыпка кварцевого песка, изготовление волокон с несколькими сердцевинами и поликристалличе­ских волокон с наращиванием оболочки методом засыпки кварцевого песка.

ЛИТЕРАТУРА

1.
F. Sandoz et al.

«A Novel process to manufacture high effciency laser fbers» Photonics 2008, Dehli.

2.
P. Roy et al.

«Active Optical Fibers: New design and alternative method of fabrication», Photonics 2008, Dehli.

3.
A. Sarkar, B. Orchanian, A. Chan.

«A Novel VAD process», IWCS 2008

4.
N. Niizek, N. Inagaki and T. Edahiro.

«Vapor-Phase Axial Deposition

Method», Chapter 3, Optical Fiber Communication Vol. 1, Fiber Fabrication, edited by T. Li, Academic Press (1983).

5. Журнал «НАУКА и ТЕХНИКА»