Výroba optického vlákna

Z PanWiki
Přejít na: navigace, hledání

Výroba skleněného optického vlákna je technologicky náročný a proto i velmi nákladný proces. Od optického vlákna se očekává tak malý útlum, aby jím mohlo světlo procházet na vzdálenosti jednotek až stovek kilometrů. To předpokládá výběr vhodného typu skla a minimalizaci nečistot v materiálu vlákna. Proto celý výrobní proces musí být prováděn se zachováním ultra vysoké čistoty.

Jakékoliv nehomogenity v geometrii vlákna navíc znamenají odrazy a ztráty signálu. Z tohoto důvodu parametry vlákna musí být během výrobního procesu trvale pečlivě monitorovány a celý proces automatikou průběžně regulován tak, aby nedocházelo k jejich náhodným změnám.

Obsah

Suroviny

Křemenná okna (na obrázku jsou používané oblasti spektra vyznačeny barevně)
Největší vliv na přenos má pochopitelně jádro vlákna, kterým světlo přímo prochází. Co se týká ceny suroviny, ideálním materiálem pro výrobu je čisté křemenné sklo, neboli čistý kysličník křemičitý SiO2. Tento materiál má v infračervené oblasti spektra oblasti s velmi nízkým útlumem - takzvaná křemenná okna. Útlum křemenného skla na velkých vlnových délkách prudce klesá. Minimální útlum má SiO2 přibližně kolem vlnové délky 1400 nm. Od 1500 nm útlum opět začíná stoupat. V oblasti s nízkým útlumem je ovšem na křivce několik pahorků způsobených hlavně -OH ionty, tedy disociovanou vodou nacházející se uvnitř materiálu vlákna. Proto musí být ve vlákně obsah vody minimalizován. To je také důvodem, proč jsou optická vlákna extrémně citlivá na navlhnutí (vlhkost způsobuje jejich tzv. oslepnutí) a musí být před vlhkostí pečlivě chráněna ochrannými obaly bezprostředně ihned po procesu tažení.

Aby vlákno fungovalo, musí mít jeho jádro index lomu vyšší (cca o 1%) než plášť. Bohužel křemenné sklo má hodnotu indexu lomu pouze kolem 1,544 a příměsemi se dá zvyšovat, ale téměř ne snižovat. Proto se jádro nevyrábí z čistého křemenného skla, ale ze směsi křemenného a germániového skla GeO2, která má vyšší index lomu a téměř nezměněný útlum.

Starší technologie výroby spočívala v tažení vlákna ze skelné hmoty získané přímým roztavením směsi jemného práškového SiO2, GeO2 a dalších příměsí. Všechny suroviny musely být pochopitelně velmi čisté.

V moderních technologiích výroby se vlákno táhne z takzvané preformy, na níž se SiO2, GeO2 (případně další příměsi) usazují typicky chloridů křemíku a germánia SiCl4 a GeCl4.

Příprava preformy

Preforma vyrobená nanášením vrstev pro jádro zevnitř trubice

Preforma pro výrobu optického vlákna je trubice vyrobená ze skel požadovaných vlastností pro jádro a plášť budoucího vlákna. Velikost preformy ovlivňuje to, jak dlouhé vlákno v kuse z ní bude možno vytáhnout. Běžné jsou průměry od 1 do 5 cm a délky od 30 cm do několika metrů. Z velkých preforem se dá vytáhnout vlákno o délce až několik set km.

Existuje několik metod výroby preformy. Jedna z nich spočívá v usazování celé preformy z chloridů křemíku, germánia a případně dalších příměsí na kovovou tyčku od jádra směrem k plášti. Kovová tyčka (z kovu s vysokou teplotou tání) se otáčí a v jednom místě je ohřívána hořákem s kyslíko-vodíkovým plamenem, do kterého jsou přidávány chloridy v patřičných poměrech. Chemickou reakcí za vysoké teploty dojde k vytvoření oxidů Si a Ge, které se na tyčku usazují ve formě jakýchsi "sazí", jemného bílého prášku. Celý hořák se podél otáčející se tyčky posouvá od jednoho konce k druhému tam a zpět tak dlouho, až je dosaženo požadované tloušťky usazených vrstev. Po skončení procesu nanášení se vrstvy hořákem ohřejí na výrazně vyšší teplotu, při které dojde k jejich slití do porézní skelné hmoty a zároveň k výraznému snížení obsahu -OH iontů. Protože kovy mají výrazně vyšší teplotní roztažnost než sklo, dojde po zchladnutí soustavy k uvolnění vzniklé skleněné trubičky od kovové tyčky, na kterou se původně příměsi usazovaly.

U této metody výroby preformy se dá dosáhnout nejvyšší čistoty skla jak pro jádro, tak i pro plášť vlákna a změnami koncentrací surovin lze vytvořit i složité průběhy indexu lomu v celé tloušťce vlákna. Nevýhodou je větší energetická náročnost a delší čas potřebný pro výrobu. Proto se takto vyrábí obvykle preformy menších rozměrů pro různá vlákna se speciálními vlastnostmi.

Dnes zřejmě nejrozšířenější metodou výroby preformy je nanášení materiálu jádra na vnitřní stranu skleněné trubice vyrobená se skla vhodného pro plášť vlákna. Skleněná trubice je upevněna ve stroji podobnému soustruhu. Namísto nože u běžného soustruhu se ovšem po délce budoucí preformy pohybuje hořák s kyslíko-vodíkovým plamenem, který jí nahřívá na potřebnou teplotu. Dovnitř do trubice se přivádí chloridy spolu s kyslíkem, takže může na jejích vnitřních stěnách dojít k oxidaci a usazování složek budoucího jádra ve formě jemného bílého prášku. Po dosažení potřebné tloušťky usazeniny opakovaným posunem hořáku po délce otáčející se trubice je opět preforma vystavena vyšší teplotě, aby se tak prášek spekl do sklovité hmoty a zároveň byl zbaven problematických -OH iontů.

Výhodou této metody je možnost dosažení větších rozměrů preforem a výrazně zkrácení procesu nanášení, a to zejména u jednovidových vláken, kde průměr jádra tvoří necelou desetinu celkového průměru. Proto i tloušťka vrstvy pro jádro nanesené v preformě je menší než desetina tloušťky stěny původní trubice.

Poslední fází přípravy obou typů preforem je natavení a zúžení jejich spodního konce a jeho zatavení do špičky.

Tažení vlákna

Schéma stolice pro tažení optického vlákna z preformy.

Křemenné sklo má i při teplotách kolem 2000°C vysokou viskozitu, takže jeho vytažení do tenkého vlákna teoreticky není složité. V praxi je ovšem proces tažení vlákna velmi náročný, protože je potřeba ho řídit tak, aby vlákno mělo po celé délce zcela konstantní parametry, zejména tloušťku.

Proces tažení využívá zemskou gravitaci. Vlákno je tedy z preformy taženo směrem dolů, a protože je potřeba, aby vychladlo bez jakéhokoliv ohybu, musí být stolice pro jeho tažení poměrně vysoká. Obvykle prochází několika patry výrobních prostor.

V horní části stroje je mechanizmus pro zavěšení preformy, který jí dokáže podle potřeby tak, jak při tažení ubývá, velmi přesně posouvat směrem dolů. Spodní část preformy se nahřívá v peci na teplotu, při které má křemenné sklo optimální viskozitu pro tažení (teplota v oblasti těsně pod 2000°C). Pro ohřev se používá kyslíko-vodíkových hořáků, indukčních pecí nebo jejich kombinací.

Sklo preformy se nejprve nahřeje na vyšší teplotu tak, aby se utvořila kapka táhnoucí za sebou vlákno (podobně jako když odkapává med ze lžičky). Teplota je snížena, velká kapka z konce je odlomena a počáteční vlákno (zatím zcela nepoužitelných parametrů) je protaženo všemi částmi stroje a zavedeno k cívce, kam bude namotáváno.

Stroj začne vlákno řízeně vytahovat. První součástí stroje, kterou vytažené vlákno prochází je laserový optický měřič jeho průměru. Obvykle používaná vlákna mají průměr 125 μm. Pokud přístroj naměří větší průměr, tažení se mírně zrychlí, pokud naopak menší, tažení se zpomalí. Současně se také přesně reguluje teplota v peci.

Dále vlákno prochází částí stroje, která na něj nanese ochrannou vodě nepropustnou vrstvu laku. Ten je obvykle vytvrzován působením UV záření z výbojek umístěných podél cesty vlákna. Někdy se postupně nanáší a vytvrzuje několik takových vrstev.

Hala s tažnými stolicemi procházejícími do nižšího patra

Dále vlákno prochází důmyslnou soustavou kladek, které ho pevně ale citlivě drží a působí silou potřebnou na jeho tažení. V této části stroje je obvykle také směr vlákna ze svislého změněn na vodorovný a vlákno dále pokračuje k soustavě kladek navádějící ho na cívku, kde je ukládáno. Na cívku se vlákno začne namotávat teprve až po dosažení přesných hodnot parametrů, obvykle několika desítek metrů po zahájení procesu.

Viz také

Osobní nástroje
Jmenné prostory

Varianty
Akce
Navigace
Nástroje