การผลิตเส้นใยนำแสงเจือเออร์เบียม-ด้วยวิธี VAD มีห้าขั้นตอนที่แตกต่างกัน:
(1) การประดิษฐ์แกนแกนที่มีรูพรุนโดยใช้วิธี VAD
(2) กระบวนการเติมและการทำให้มีขึ้น
(3) กระบวนการขึ้นรูปพรีฟอร์ม
(4) กระบวนการปลอก
(5) การวาดใยแก้วนำแสง
แต่ละด่านจะนำเสนอชุดความท้าทายของตัวเอง
การสร้างแมนเดรลที่มีรูพรุนด้วยวิธี VAD
กระบวนการนี้เริ่มต้นด้วยการตั้งค่า VAD แบบเดิมๆ แม้ว่าจะเรียกมันว่า "แบบทั่วไป" แทบจะเข้าใจไม่ได้ว่าขั้นตอนนี้ซับซ้อนเพียงใด คุณเริ่มต้นด้วยแท่งซิลิกาเป้าหมาย-ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 มม. ไม่มีอะไรพิเศษในการวางในแนวตั้ง หัวฉีดคบเพลิงจะกลายเป็นระบบจัดส่งหลักของคุณ โดยป้อน SiCl₄ ในอัตราระหว่าง 450-550 ลิตรต่อนาที นั่นเป็นช่วงการทำงานที่ค่อนข้างกว้าง และจุดที่คุณไปถึงในช่วงนั้นจะส่งผลต่ออัตราการสะสมของคุณมากกว่าแผ่นข้อมูลจำเพาะส่วนใหญ่ที่ปล่อยไว้
ออกซิเจนไหลเข้าที่ 15 ลิตรต่อนาที ไฮโดรเจนที่ 10 ปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสด้วยเปลวไฟเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว-เรากำลังพูดถึงอุณหภูมิสูงพอที่จะทำให้ SiCl₄ ไม่เพียงสลายตัวเท่านั้น แต่ยังระเบิดออกเป็นอนุภาคซิลิกาเล็กๆ เหล่านี้ที่เริ่มสะสมบนแกนเป้าหมายด้วย สิ่งทั้งหมดขึ้นอยู่กับการออกซิเดชันความร้อนที่เกิดขึ้นพร้อมกันกับการไฮโดรไลซิส ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมอัตราส่วนของก๊าซจึงมีความสำคัญมาก หากทำผิดแล้วคุณจะเห็นความแตกต่างในความหนาแน่นของโครงสร้างที่มีรูพรุนของคุณ
ผลลัพธ์ที่ได้คือแมนเดรล SiO₂ ที่มีรูพรุนซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 60 มม. หลังจากใช้เวลาสะสมพอสมควร แกนเป้าหมายจะยกขึ้นในระหว่างกระบวนการนี้ที่ 55-60 มม. ต่อชั่วโมงอย่างช้าๆ และมั่นคง รีบเร่งและการสะสมของอนุภาคจะไม่สม่ำเสมอ ไปช้าเกินไปและคุณอาจเสี่ยงต่อความร้อนสูงเกินไปในบริเวณที่มีความเข้มข้น มีจุดที่น่าสนใจ และบางครั้งการค้นหามันก็ต้องอาศัยการวิ่งที่ล้มเหลวบ้าง โครงสร้างที่มีรูพรุนที่เกิดขึ้นนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากสัณฐานวิทยาของมันจะเป็นตัวกำหนดว่ามันจะดูดซับสารละลายยาสลบในภายหลังได้อย่างมีประสิทธิภาพเพียงใด สารละลายเออร์เบียมมีความหนาแน่นมากเกินไปและไม่สามารถเจาะลึกได้เพียงพอ หลวมเกินไปและคุณจะได้รับการไล่ระดับความเข้มข้นที่จะหลอกหลอนคุณในระหว่างขั้นตอนการเผาผนึก
กระบวนการทำให้มีสารต้องห้าม
นี่คือจุดที่สิ่งต่างๆ ได้รับสารเคมี แกนหลัก SiO₂ ที่มีรูพรุนจะถูกส่งไปยังภาชนะที่เต็มไปด้วยสารละลายโด๊ปของคุณโดยตรง โดยทั้งหมดนี้จะทำที่อุณหภูมิห้องเนื่องจากการให้ความร้อนในขั้นตอนนี้จะไม่ได้ผล วิธีแก้ปัญหานั้นง่ายมาก: เอทานอลเป็นตัวทำละลาย, ErCl₃ เป็นสารเจือปน
ตอนนี้ ErCl₃ มีความสามารถในการละลายในเอธานอลได้จำกัด-คุณสามารถดันให้เหลือประมาณ 0.54% ของน้ำหนัก และนั่นก็ถือว่าเพดานมากทีเดียว พยายามอัดเข้าไปให้มากขึ้นแล้วคุณจะเปลืองสารเจือปนเพราะมันไม่คงอยู่ในสารละลาย ห้องปฏิบัติการบางแห่งได้ทดลองใช้ตัวทำละลายต่างๆ เพื่อเพิ่มจำนวนนี้ แต่เอทานอลยังคงเป็นมาตรฐานเนื่องจากระเหยได้หมดจด และไม่ทิ้งสารปนเปื้อนที่รบกวนโครงสร้างของแก้ว
การทำให้ชุ่มนั้นตรงไปตรงมาในเชิงกลไก-คุณแค่ปล่อยให้การกระทำของเส้นเลือดฝอยและการแพร่กระจายทำงานในขณะที่สารละลายซึมเข้าไปในรูพรุนเหล่านั้น แต่ความสม่ำเสมอของการดูดซึมขึ้นอยู่กับความสอดคล้องของโครงสร้างที่มีรูพรุนตั้งแต่ขั้นตอนที่หนึ่ง วิธีนี้ยังใช้ได้กับ AlCl₃ ซึ่งบางครั้งจะมีการเจือ-ร่วมกับเออร์เบียมเพื่อปรับเปลี่ยนคุณลักษณะการปล่อยก๊าซ อะลูมิเนียมสามารถเปลี่ยนจุดสูงสุดของการปล่อยเออร์เบียมได้เล็กน้อย และส่งผลต่ออายุการใช้งานของสภาวะตื่นเต้น ซึ่งมีความสำคัญสำหรับการใช้งานกับแอมพลิฟายเออร์
สิ่งหนึ่งที่เอกสารด้านเทคนิคไม่ได้กล่าวถึงเสมอไป: เวลาในการแช่มีความสำคัญมากกว่าที่คุณคิด ปล่อยไว้สั้นเกินไปแล้วคุณจะเจาะเข้าไปด้านในของก้านได้ไม่ครบถ้วน ปล่อยทิ้งไว้นานเกินไปและ... จริงๆ แล้ว นั่นไม่ค่อยเป็นปัญหาเว้นแต่สารละลายของคุณเริ่มเสื่อมคุณภาพ ซึ่งสามารถทำได้หากมีความชื้นเข้าไป
กระบวนการขึ้นรูปพรีฟอร์ม
ขั้นตอนนี้เป็นจุดที่ความอดทนกลายเป็นคุณธรรม คุณมีแท่งที่มีรูพรุนแช่ด้วยสารละลายเจือปน และคุณต้องเปลี่ยนมันให้เป็นแท่งแก้วแข็งโดยไม่สูญเสียเออร์เบียมหรือทำให้เกิดข้อบกพร่อง กระบวนการนี้แบ่งออกเป็นการบำบัดด้วยความร้อนสามแบบ โดยแต่ละการบำบัดมีวัตถุประสงค์ของตัวเอง
ขั้นแรกให้กำจัดตัวทำละลาย แท่งเหล็กจะเข้าไปในเตาเผาภายใต้บรรยากาศไนโตรเจน-สภาพแวดล้อมเฉื่อยเป็นสิ่งสำคัญที่นี่- และคุณจะให้ความร้อนที่อุณหภูมิระหว่าง 60-70 องศา นี่ดูอ่อนโยน และจงใจเป็นเช่นนั้น คุณกำลังระเหยเอธานอลซึ่งมีจุดเดือด 78 องศา แต่คุณคงอุณหภูมิไว้ต่ำกว่านั้นเพื่อหลีกเลี่ยงการเดือด ซึ่งจะทำให้เกิดรอยแตกหรือช่องทางที่เกิดจากแรงดันในโครงสร้างที่มีรูพรุน ขั้นตอนนี้ใช้เวลาประมาณ 24 ชั่วโมงถึง 240 ชั่วโมง ขึ้นอยู่กับขนาดแท่งและความอิ่มตัวของสีในระหว่างการชุบ ไม่มีการเร่งรีบมัน ฉันเคยเห็นวิศวกรพยายามเร่งความเร็วโดยการปรับอุณหภูมิ และพวกเขาก็มักจะเสียใจเสมอเมื่อพบช่องว่างในผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปขั้นต้นขั้นสุดท้าย
เมื่อเอทานอลหมด คุณจะเหลือเออร์เบียมคลอไรด์ที่สะสมอยู่ทั่วทั้งเมทริกซ์ซิลิกาที่มีรูพรุน ตอนนี้ คุณต้องแปลงคลอไรด์ให้เป็นออกไซด์และขับคลอรีนออกไป เนื่องจากคลอไรด์ที่ตกค้างจะทำให้เกิดการลดทอนลงในเส้นใยสำเร็จรูป-พวกมันจะดูดซับแสงตามความยาวคลื่นที่คุณไม่ต้องการ นี่คือระยะการขาดน้ำ
อุณหภูมิเพิ่มขึ้นอย่างมาก: 950-1,050 องศา ในบรรยากาศแอมโมเนีย แอมโมเนียไม่บริสุทธิ์แม้ว่าจะมีออกซิเจน 0.25%-0.35% ซึ่งดูเหมือนมีปริมาณเล็กน้อยแต่ได้รับการควบคุมอย่างระมัดระวัง ออกซิเจนมากเกินไปและคุณเกิดการเผาผนึกก่อนเวลาอันควร น้อยเกินไปและการขาดน้ำไม่สมบูรณ์ แอมโมเนียช่วยขจัดกลุ่มไฮดรอกซิลที่อาจยังคงอยู่ในโครงสร้างแก้ว หมู่ OH⁻ ขึ้นชื่อในเรื่องการดูดกลืนแสงสูงสุดที่ประมาณ 1.39 ไมโครเมตร ซึ่งเป็นปัญหาสำหรับโทรคมนาคม คุณถือเงื่อนไขเหล่านี้เป็นเวลา 2.5-3.5 ชั่วโมง เออร์เบียมคลอไรด์แปลงเป็นเออร์เบียมออกไซด์ในระหว่างระยะนี้
จากนั้นก็มาถึงการเผาผนึก ซึ่งเป็นการรวมตัวกันครั้งสุดท้าย ตอนนี้คุณอยู่ในไนโตรเจนอีกครั้ง-ไม่มีแอมโมเนีย ไม่มีออกซิเจน-ที่อุณหภูมิ 1,400-1,600 องศาเป็นเวลา 3-5 ชั่วโมง นี่คือจุดที่โครงสร้างที่มีรูพรุนพังทลายลง และซิลิกากลายเป็นแก้วจนกลายเป็นแก้วใส เออร์เบียมออกไซด์จะถูกรวมเข้ากับโครงข่ายซิลิกา โดยจะกระจายตัวเองได้ค่อนข้างสม่ำเสมอในระดับโมเลกุล อุณหภูมิจะต้องสูงพอที่จะทำให้มีความหนาแน่นสมบูรณ์ แต่ไม่สูงเกินไปจนเออร์เบียมเริ่มย้ายหรือจับตัวเป็นก้อน ซึ่งจะทำให้เกิดความไม่สมดุลของความเข้มข้น
สิ่งที่เกิดขึ้นคือแท่งแกนแก้วใสที่มีเออร์เบียมกระจายอยู่ทั่ว หากคุณทำทุกอย่างถูกต้อง ก็ควรมีฟองอากาศน้อยที่สุด ความใสของแสงที่ดี และความเข้มข้นของเออร์เบียมที่ตรงกับการคำนวณของคุณจากขั้นตอนการทำให้มีขึ้น-แม้ว่าจะไม่ตรงกันทุกประการก็ตาม มีการสูญเสียอยู่เสมอในระหว่างการประมวลผลด้วยความร้อน
กระบวนการปลอก
หลังจากทำงานอย่างระมัดระวังบนแกนกลางแล้ว ขั้นตอนการหุ้มเปลือกเกือบจะให้ความรู้สึกต้านสภาวะอากาศ แม้ว่าจะไม่ใช่เรื่องเล็กน้อยก็ตาม แกนกลางจำเป็นต้องหุ้ม-ชั้นกระจกที่มีดัชนีการหักเหของแสงต่ำกว่า ซึ่งจะจำกัดแสงไว้ที่แกนกลางผ่านการสะท้อนภายในทั้งหมด
คุณนำแกนหลักที่เสร็จแล้วแล้วสอดเข้าไปในท่อหุ้มที่เตรียมไว้ล่วงหน้า- โดยทั่วไปแล้วหลอดนี้จะเป็นซิลิกาบริสุทธิ์หรือเจือเล็กน้อยเพื่อปรับคอนทราสต์ของดัชนีการหักเหของแสง ความพอดีเป็นสิ่งสำคัญ: หลวมเกินไปและอาจกักอากาศไว้ได้ แน่นเกินไปและคุณอาจเสี่ยงต่อการแตกหักระหว่างการใส่ เมื่อประกอบแล้ว โครงสร้างทั้งหมดจะกลับเข้าไปในเตาเผาที่เผาไฟเข้าด้วยกัน การให้ความร้อนจะทำให้ชิ้นส่วนทั้งสองอ่อนตัวลงและหลอมรวมกัน ทำให้เกิดเป็นชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปขั้นต้นเสาหิน-เป็นชิ้นเดียวที่เป็นของแข็งโดยไม่มีช่องว่างส่วนเชื่อมต่อที่จะกระจายแสง
ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของแกนกลางและส่วนหุ้มจะต้องเข้ากันได้ดีพอสมควร มิฉะนั้น คุณจะสร้างความเครียดในระหว่างการทำความเย็นซึ่งอาจนำไปสู่การเกิดปฏิกิริยาไบรีฟริงก์ หรือที่แย่กว่านั้นคือรอยแตกขนาดเล็ก ผู้ผลิตส่วนใหญ่มีชุดค่าผสมที่เป็นมาตรฐานที่พวกเขารู้ว่าทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือ
การวาดเส้นใยแก้วนำแสง
ขั้นตอนสุดท้ายเกิดขึ้นบนหอวาดภาพไฟเบอร์ออปติก โดยที่ผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปขั้นต้นจะถูกป้อนเข้าไปในเตาเผาที่ร้อนพอที่จะทำให้กระจกนิ่มลง-เรากำลังพูดถึงอุณหภูมิประมาณ 2000 องศา ให้หรือรับ เมื่อทิปที่ขึ้นรูปขั้นต้นอ่อนตัวลง แรงโน้มถ่วงและการดึงเชิงกลจะดึงทิปลงไปเป็นเส้นใยบางๆ ความเร็วในการดึง อุณหภูมิเตาหลอม และความตึงล้วนต้องอาศัยการประสานงานอย่างระมัดระวังเพื่อให้ได้เส้นผ่านศูนย์กลางเป้าหมาย ซึ่งปกติแล้วจะอยู่ที่ 125 μm สำหรับการหุ้ม
กระบวนการวาดแบบทั่วไปมีผลที่นี่ ซึ่งหมายความว่าคุณจะต้องมีการตรวจสอบเส้นผ่านศูนย์กลางตามเวลาจริง- มีตัวพ่นเคลือบเพื่อเพิ่มชั้นโพลีเมอร์ป้องกันในขณะที่กระจกยังร้อนอยู่ และรับ-แกนม้วนขึ้น ความเข้มข้นของเออร์เบียมในแกนกลางยังคงไม่เปลี่ยนแปลงในระหว่างการวาด-คุณแค่ลดขนาดทุกอย่างตามสัดส่วน แต่แรงดึงในการดึงต้องไม่สูงเกินไป ไม่เช่นนั้นคุณจะกระตุ้นให้เกิดความเครียดในเส้นใยซึ่งทำให้ประสิทธิภาพลดลง
สิ่งหนึ่งที่น่าสังเกต: การทำงานทั้งหมดเพื่อกระจายเออร์เบียมอย่างสม่ำเสมอให้ผลตอบแทนที่นี่จริงๆ ความแปรผันของความเข้มข้นใดๆ ในผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปขั้นต้นจะถูกเก็บรักษาไว้ในไฟเบอร์ ดังนั้นหากคุณประสบปัญหาในขั้นตอนที่ 2 หรือ 3 อาการเหล่านี้จะคงอยู่อย่างถาวร คุณไม่สามารถแก้ไขมันได้ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมช่วงแรกๆ เหล่านั้นจึงต้องการความสนใจอย่างมาก
หากทุกอย่างเป็นไปด้วยดี ไฟเบอร์ที่ได้จะเป็นไฟเบอร์ออปติกเจือเออร์เบียม-ที่เหมาะสำหรับเครื่องขยายสัญญาณหรือไฟเบอร์เลเซอร์ โดยมีลักษณะพิเศษเกนในหน้าต่าง 1530-1560 นาโนเมตรที่ระบบโทรคมนาคมต้องพึ่งพา ไม่เลวสำหรับสิ่งที่เริ่มต้นจากเกลือคลอไรด์และแท่งที่มีรูพรุน
