4.1. Вытяжка оптических волокон

Принцип вытяжки волокна достаточно прост – конец заготовки нагревают в печи до температуры размягчения кварцевого стекла, при которой из него вытягивается тонкая нить. Охлаждаясь на воздухе, такая кварцевая нить быстро стеклуется и перестает удлиняться, что обеспечивает возможность получения волокон с постоянным по длине диаметром. Соотношение между диаметром волокна и скоростью его вытяжки из заготовки определяется из следующего уравнения, которое представляет собой уравнение баланса масс кварцевого стекла в заготовке и в виде волокна:

(4.1),

где D_заг. и d_вол. – диаметры заготовки и волокна соответственно, V_заг. и V_вол. скорости подачи заготовки в печь и вытяжки волокна соответственно. Схема вытяжной установки приведена на рис. 4.1. Эта установка включает в себя:

— механизм подачи заготовки в печь с заданной скоростью,

— высокотемпературную графитовую или циркониевую печь,

— измеритель диаметра кварцевого волокна,

— фильеру для материала первичного покрытия,

— измеритель концентричности покрытия,

— источник УФ или термопечь,

— измеритель толщины первичного покрытия,

— фильеру для материала вторичного покрытия,

— измеритель концентричности покрытия,

— источник УФ или термопечь,

— измеритель диаметра волокна с суммарным защитно-упрочняющим покрытием,

— тянущие ролики или барабан, определяющие скорость вытяжки волокна,

— приемную катушку.

Часто перед тянущими роликами располагается измеритель натяжения волокна, поскольку требуемая температура нагрева заготовки (т.е. ее вязкость) определяется по натяжению волокна.

Рис. 4.1. Схема установки для вытяжки ОВ:1 – заготовка, 2 – высокотемпературная печь, 3 – измеритель диаметра волокна, 4 – аппликатор (фильера) с материалом защитного покрытия, 5 – измеритель концентричности покрытия, 6 – УФ-облучатель, 7 – измеритель толщины покрытия, 8 – приемная катушка

При вытяжке волокна сохраняется подобие, т.е

(4.2),

где D_заг. и D_сер. – наружный диаметр заготовки и диаметр сердцевины в заготовке, d_вол. и d_сер. – наружный диаметр волокна и диаметр сердцевины в волокне. Температуру в печи подбирают таким образом, чтобы обеспечить принудительную вытяжку при заданном натяжении волокна. Обычно натяжение при вытяжке телекоммуникационного волокна составляет 5…10 г, а при вытяжке волокна с высокой концентрацией GeO₂ или P₂O₅ в сердцевине – 70…100 г., т.к. при высокой температуре (характерной для малой вязкости и соответственно малого натяжения) в этих световодах наблюдается значительное увеличение потерь.

В качестве высокотемпературной печи используют либо печь с графитовым нагревателем, работающим в атмосфере инертного газа (аргона), либо печь с нагревателем из керамической двуокиси циркония, работающим на воздухе, т.е. в окислительной среде. На рис. 4.2 показана схема графитовой печи, в которой очень важно правильно создать потоки аргона с тем, чтобы избежать осаждения на заготовку и на волокно налетов оксидов и карбидов кремния, которые значительно снижают прочность ОВ.

Преимуществом графитовой печи является относительная легкость в управлении и обслуживании, а недостатками – необходимость в инертной атмосфере, испарение графита и относительно высокая стоимость графитового нагревателя. Для работы циркониевой печи требуется предварительный нагрев (до ~ 1200 ⁰C) керамического нагревателя из двуокиси циркония, т. к. при комнатной температуре эта керамика является диэлектриком. Только после появления проводимости нагреватель можно разогревать дальше, например, с помощью ВЧ-генератора. Преимущество циркониевой печи – возможность работать в окислительной атмосфере, а основной недостаток – нагреватель не выносит частых циклов (нагрев – охлаждение) и разрушается. Поэтому циркониевые печи используются в условиях круглосуточной вытяжки волокна в промышленных условиях.

Рис. 4.2. Схема высокотемпературной печи с графитовым нагревателем

В измерителях диаметра волокна обычно используется «теневой» метод, когда тень волокна, освещаемого гелий-неоновым лазером (l = 0,63 мкм), фокусируется на полупроводниковую матрицу ПЗС. Измеритель диаметра волокна связан с системой регулировки скорости его вытяжки, а именно: если диаметр волокна увеличивается от заданного, то увеличивается скорость вытяжки и наоборот.

Вытягиваемое «голое» кварцевое волокно из-за абразивного воздействия пыли и элементов вытяжной установки, а также под действием влаги окружающей среды очень быстро разрушается. Поэтому в процессе вытяжки на волокно одновременно наносят защитно-упрочняющее покрытие (ЗУП). Эти покрытия бывают полимерными, металлическими и углеродными. Основные требования к полимерным ЗУП:

— вязкость материалов вблизи комнатной температуры, при которой обычно они наносятся, — не более 5 Па×с;

— хорошая адгезия к стеклу волокна;

— полимерное покрытие должно хорошо сниматься с волокна (например, согласно требованиям Bellcore усилие снятия не должно превышать 0,5…3 кгс/м что необходимо при сварке волокон и изготовлении ответвителей).

Рис. 4.3. Схема аппликатора под давлением: 1 – волокно, 2 – верхняя фильера, 3 – корпус, 4 – полимерная композиция, 5 – нижняя фильера, Р — давление

Различают два основных типа полимерных покрытий: термоотверждаемые и УФ-отверждаемые. Первые, среди которых наиболее применяемыми являются СИЭЛ и полиамидные или полиимидные лаки, полимеризуются под действием тепла (температура 250…350⁰С). УФ-отверждаемые покрытия полимеризуются под действием УФ-излучения. К этим покрытиям относятся эпоксиакрилаты и уретанакрилаты, которые имеют ПП ≥ 1,48. В настоящее время наиболее широко применяют последние из-за большей стабильности их свойств. Исходные полимерные композиционные материалы заливают в аппликаторы (чаще их просто называют фильерами). Аппликаторы бывают 2-х типов: в виде «открытой чаши», в донной части которой располагается коническая фильера с калиброванным внутренним диаметром, и в виде сосуда, работающего под избыточным давлением (рис. 4.3).

В первом случае толщина полимерного покрытия (t) определяется соотношением диаметров фильеры и ОВ согласно уравнению (4.3):

t = {a² + 1/ln(b/a) [(b² – a²)/2 – a² ln(b/a)]}^1/2 – a (4.3),

где 2а=d – диаметр волокна, 2b=D – диаметр фильеры, и не зависит от вязкости полимерного покрытия и скорости вытяжки. Уравнение (4.3) апроксимируется в простое соотношение

t = (D – d)/2 (4.4).

При входе волокна в аппликатор типа «открытая чаша» образуется воронкообразный мениск, размеры которого находятся в прямой зависимости от вязкости материала и скорости движения волокна. Пограничный газовый (воздушный) слой служит источником воздушных пузырей в аппликаторе, которые вовлекаются в полимерную композицию движущимся волокном. Войдя в покрытие эти пузыри после отверждения (полимеризации) ЗУП приводят к снижению механической прочности и повышению оптических потерь из-за появления микроизгибов.

Для предотвращения этого используют аппликаторы, работающие под избыточным давлением (например, рис. 4.3). В этом случае радиус кривизны мениска сокращается на несколько порядков, а поперечные размеры мениска становятся меньше диаметра верхней фильеры. Мениск с малой кривизной поверхности активно отсекает пограничный слой в месте входа волокна в аппликатор, а под действием избыточного давления пузыри выводятся наружу. При приложении избыточного давления в отличие от аппликатора типа «открытая чаша» толщина покрытия существенно зависит от вязкости полимерной композиции (ее температуры), а также от скорости вытяжки волокна, а именно: увеличение вязкости полимера и скорости вытяжки сопровождается уменьшением толщины покрытия при фиксированном давлении. Кроме того, с ростом скорости вытяжки уменьшается диапазон толщины покрытия, управляемый давлением. Скорость вытяжки волокна зависит, главным образом, от скорости полимеризации ЗУП и длины УФ-облучателей, которые в свою очередь определяются высотой вытяжной установки. Обычно на промышленных установках скорость вытяжки составляла 2,5…5 м/с., хотя применение аппликаторов под давлением и уретанакрилатных покрытий позволило в настоящее время увеличить скорость вытяжки волокна до десятков метров в секунду.

С тем, чтобы уменьшить величину изгибных и микроизгибных потерь, о которых говорилось в гл.1.2, наносят двухслойное покрытие: первичное – мягкое (Е = 1…20 МПа) и вторичное – более жесткое (Е = 0,1…4 ГПа). В таблице 4.1 приведены дополнительные микроизгибные потери в одномодовых ОВ с кварцевой сердцевиной и боросиликатной оболочкой в зависимости от материала ЗУП, при этом натяжение на барабане диаметром 25,3 см составляло ~ 132 г. Видно, что мягкое первичное покрытие почти на полтора порядка уменьшают величину микроизгибных потерь. Однако это покрытие легко удаляется с волокна, и чтобы этого избежать поверх первичного наносят более жесткое вторичное покрытие.

Таблица 4.1. Дополнительные микроизгибные потери в одномодовых ОВ (SiO₂-SiO₂*B₂O₃)