La fabricació de fibres òptiques dopades-erbi mitjançant la metodologia VAD inclou cinc etapes diferents:
(1) fabricació d'una vareta de nucli porós mitjançant el mètode VAD
(2) procés de dopatge i impregnació
(3) procés de formació de preformes
(4) procés de revestiment
(5) dibuix de fibra òptica
Cada etapa presenta els seus propis reptes
Fabricació de mandrils porosos mitjançant el mètode VAD
El procés comença amb una configuració de VAD convencional, tot i que anomenar-la "convencional" gairebé subestima el complicat que pot ser aquest pas. Comenceu amb una vareta de diana de sílice-20 mm de diàmetre, res de fantàstic posicionat verticalment. El broquet de la torxa es converteix en el vostre sistema de lliurament principal, alimentant-se en SiCl₄ a velocitats entre 450 i 550 litres per minut. Aquesta és una finestra de funcionament bastant àmplia, i on aterreu en aquest rang afecta la vostra taxa de deposició més del que permeten la majoria de fulls d'especificacions.
L'oxigen entra a 15 litres per minut, l'hidrogen a 10. La reacció d'hidròlisi de la flama passa ràpidament-estem parlant de temperatures prou altes perquè el SiCl₄ no només es descompon, sinó que pràcticament explota en aquestes petites partícules de sílice que comencen a acumular-se a la vareta objectiu. Tot es basa en l'oxidació tèrmica que es produeix simultàniament amb la hidròlisi, per això les proporcions de gas són tan importants. Equivoqueu-los i ho veureu en les variacions de densitat de la vostra estructura porosa.
El que acabeu amb, després de prou temps de deposició, és un mandril porós de SiO₂ d'aproximadament 60 mm de diàmetre. La vareta objectiu s'aixeca cap amunt durant aquest procés a 55-60 mm per hora, lent i constant. Apressa-ho i la deposició de partícules es torna desigual; anar massa lent i corre el risc de sobreescalfar zones concentrades. Hi ha un punt dolç, i trobar-lo de vegades requereix unes quantes carreres fallides. L'estructura porosa resultant és fonamental perquè la seva morfologia determina amb quina eficàcia absorbirà la solució de dopatge més tard. Massa densa i la solució d'erbi no penetrarà prou profundament; massa fluix i obteniu gradients de concentració que us perseguiran durant la fase de sinterització.
Procés d'impregnació de dopatge
Aquí és on les coses es posen químiques. El nucli porós de SiO₂ entra directament a un recipient ple de la vostra solució de dopatge, tot fet a temperatura ambient perquè l'escalfament en aquesta etapa seria contraproduent. La solució en si és enganyosament senzilla: etanol com a dissolvent, ErCl₃ com a dopant.
Ara, l'ErCl₃ té una solubilitat limitada en etanol-podeu empènyer-lo a un 0,54% en pes, i aquest és gairebé el vostre sostre. Proveu d'amuntegar-ne més i només esteu malgastant el dopant perquè no es quedarà en solució. Alguns laboratoris han experimentat amb diferents dissolvents per augmentar aquest nombre, però l'etanol segueix sent l'estàndard perquè s'evapora de manera neta i no deixa enrere contaminants que interfereixin amb l'estructura del vidre.
La impregnació en si és senzilla mecànicament-només esteu deixant que l'acció capil·lar i la difusió facin el seu treball a mesura que la solució s'endinsa en aquests porus. Però la uniformitat de l'absorció depèn completament de la coherència d'aquesta estructura porosa des del primer pas. Aquest mètode també funciona amb AlCl₃, que de vegades es co-dopa amb erbi per modificar les característiques d'emissió. L'alumini pot canviar lleugerament el pic d'emissió d'erbi i afectar la vida útil dels estats excitats, que és important per a les aplicacions d'amplificadors.
Una cosa que la literatura tècnica no sempre esmenta: el temps de remull importa més del que et penses. Deixeu-lo massa curt i obtindreu una penetració incompleta a l'interior de la vareta. Deixeu-ho massa temps i... bé, en realitat, això rarament és un problema tret que la vostra solució comenci a degradar-se, cosa que pot si hi entra humitat.
Procés de conformació de preformes
Aquesta etapa és on la paciència es converteix en una virtut. Tens una vareta porosa remullada amb una solució dopant i has de transformar-la en una vareta de vidre sòlida sense perdre l'erbi ni crear defectes. El procés es divideix en tres tractaments tèrmics, cadascun amb la seva finalitat.
Primer ve l'eliminació del dissolvent. La vareta entra a un forn sota atmosfera de nitrogen-l'entorn inert és crucial aquí-i l'escalfeu a una temperatura d'entre 60-70 graus . Això sembla suau, i ho és, deliberadament. Esteu evaporant etanol, que té un punt d'ebullició de 78 graus, però manteniu la temperatura per sota d'aquesta per evitar l'ebullició, que crearia esquerdes o canals induïts per la pressió a l'estructura porosa. Aquest pas triga entre 24 hores i 240 hores, depenent de la mida de la vareta i de la seva saturació durant la impregnació. No hi ha pressa. He vist enginyers intentar accelerar-ho augmentant la temperatura, i sempre es penedeixen quan troben buits a la preforma final.
Un cop desaparegut l'etanol, et quedes amb clorur d'erbi dipositat a tota la matriu de sílice porosa. Ara heu de convertir aquest clorur en òxid i expulsar el clor, perquè els clorurs residuals provocaran atenuació a la fibra acabada-absorbeixen la llum exactament a les longituds d'ona que no voleu. Aquesta és la fase de deshidratació.
La temperatura augmenta significativament: 950-1050 graus en una atmosfera d'amoníac. L'amoníac no és pur, però conté entre el 0,25% i el 0,35% d'oxigen, que sembla una petita quantitat, però es controla acuradament. Massa oxigen i obteniu una sinterització prematura; massa poc i la deshidratació és incompleta. L'amoníac ajuda a eliminar els grups hidroxil que, d'altra manera, romandrien a l'estructura de vidre. Els grups OH⁻ són coneguts per causar pics d'absorció al voltant d'1,39 μm, cosa que és problemàtica per a les telecomunicacions. Manteniu aquestes condicions durant 2,5-3,5 hores. El clorur d'erbi es converteix en òxid d'erbi durant aquesta fase.
Després ve la sinterització, la consolidació final. Ara torneu a estar en nitrogen-sense amoníac, sense oxigen-a 1400-1600 graus durant 3-5 hores. Aquí és on l'estructura porosa es col·lapsa i la sílice es vitrifica completament en vidre transparent. L'òxid d'erbi s'incorpora a la xarxa de sílice, distribuint-se idealment de manera relativament uniforme a nivell molecular. La temperatura ha de ser prou alta per a una densificació completa, però no tan alta perquè l'erbi comenci a migrar o a agrupar-se, cosa que crearia deshomogeneïtats de concentració.
El que sorgeix és una vareta de nucli de vidre transparent amb erbi distribuït per tot arreu. Si ho heu fet tot bé, hauria de tenir un mínim de bombolles, una bona claredat òptica i una concentració d'erbi que coincideixi amb els vostres càlculs del pas d'impregnació-encara que mai coincideixi exactament. Sempre hi ha alguna pèrdua durant el processament tèrmic.
Procés de revestiment
Després de tot aquest treball acurat al nucli, el pas de revestiment gairebé se sent anticlimàtic, tot i que no és trivial. La barra del nucli necessita un revestiment-una capa de vidre amb un índex de refracció més baix que limitarà la llum al nucli mitjançant una reflexió interna total.
Agafeu la vareta del nucli acabat i l'introduïu en un tub de revestiment pre-fabricat. Aquest tub és normalment de sílice pura o lleugerament dopat per ajustar el contrast de l'índex de refracció. L'ajust importa: massa fluix i atraparàs aire; massa ajustat i corre el risc de trencar alguna cosa durant la inserció. Un cop muntada, tota l'estructura torna a un forn on es couen junts. L'escalfament fa que les dues peces s'estovin i es fusionin, creant una preforma monolítica-una peça sòlida sense espais d'interfície que disperssin la llum.
Els coeficients d'expansió tèrmica del nucli i el revestiment han de coincidir raonablement bé, en cas contrari augmentareu l'estrès durant el refredament que pot provocar birrefringència o, pitjor, microfractures. La majoria dels fabricants tenen combinacions estandarditzades que saben que funcionen de manera fiable.
Dibuix de fibra òptica
L'últim pas passa en una torre de tret de fibra òptica, on la preforma s'introdueix a un forn prou calent com per suavitzar el vidre-estem parlant d'uns 2.000 graus aproximadament. A mesura que la punta de la preforma s'estova, la gravetat i l'estirament mecànic la fan baixar en una fibra fina. La velocitat de dibuix, la temperatura del forn i la tensió necessiten una coordinació acurada per assolir el diàmetre objectiu, normalment de 125 μm per al revestiment.
Els processos de dibuix convencionals s'apliquen aquí, el que significa que disposeu d'un control del diàmetre-en temps real, aplicadors de recobriment per afegir capes protectores de polímer mentre el vidre encara està calent i agafar-bobines. La concentració d'erbi al nucli es manté pràcticament sense canvis durant el dibuix-només esteu reduint-ho tot proporcionalment. Però la tensió d'estirament no pot ser massa alta o induiràs estrès a la fibra que en degrada el rendiment.
Una cosa que val la pena assenyalar: tot aquest treball per distribuir l'erbi de manera uniforme aquí té els seus fruits. Qualsevol variació de concentració de la preforma es conserva a la fibra, de manera que si heu tingut problemes als passos 2 o 3, ara són permanents. No els podeu arreglar, per això aquestes etapes anteriors demanen tanta atenció.
La fibra resultant, si tot ha anat bé, és una fibra òptica dopada amb erbi-apta per a amplificadors o làsers de fibra, amb característiques de guany en la finestra de 1530-1560 nm de la qual depenen els sistemes de telecomunicacions. No està malament pel que va començar com una sal de clorur i una vareta porosa.
