Лекции по Физико-технологическим основам волоконно-оптической техники   

3. Методы получения заготовок кварцевых ОВ

3.2 Метод внешнего парофазного осаждения (OVD)

Схема процесса OVD, который наиболее широко используется для получения заготовок фирмой "Corning glass" (США), приведена на рис.3.11. Процесс включает в себя:

         образование частиц оксидов кремния и легирующих компонентов за счет гидролиза паров исходных галогенидов, поступающих в кислородно-водородную горелку, по реакциям

SiCl4газ.  + 2 H2Oгаз. = SiO2 тв. + 4 НСlгаз.                        (3.16)

GeCl4газ. + 2 Н2Огаз. = GeO2тв. + 4 HClгаз.                         (2.17)

и т. д.

         осаждение частиц на затравку за счет термофореза и формирование пористой заготовки;

         сушка и остекловывание пористой заготовки.

Рис. 3.11. Схема процесса OVD: а) – образование и осаждение оксидов, б) - остекловывание пористой заготовки, в) – вытяжка волокна.

1 – кислородно-водородная горелка, 2 – затравочный штабик, 3 – пористая заготовка, 4 – печь остекловывания, 5 – остеклованная заготовка, 6 – высокотемпературная печь, 7 - волокно

         Пары исходных галогенидов подают в центральную часть многосопельной горелки и отделяют от водорода и кислорода потоком аргона, который препятствует преждевременному гидролизу галогенидов с осаждением оксидов на торце горелки. Поскольку скорость формирования заготовки методом OVD значительно больше, чем методом MCVD, разрабатывали различные методы подачи паров исходных галогенидов. Не вдаваясь в подробности, перечислим основные из этих методов: барботирование несущего газа через легколетучие жидкие галогениды (аналогично подаче SiCl4, GeCl4 и т.д. в методе MCVD); использование дозировочных насосов для подачи жидких галогенидов в смеситель, откуда они поступают в горелку; высокотемпературная система испарения и непосредственного контроля скорости поступления паров галогенидов в горелку; подача труднолетучих жидкостей и порошкообразных твердых тел с помощью форсунок и т. д. В пламени горелки происходит гидролиз галогенидов, зарождение и конденсационный рост частиц, их коалесценция (слияние) и коагуляция (слипание) до размеров 0.007..0.3 мкм в различных зонах факела горелки. Средний размер частиц аэрозоля, формирующегося в условиях свободно-молекулярной коалесценции (когда число Кнудсена Кп>>1 и частицы можно рассматривать как большие газовые молекулы), определяется как

d ~ (t´с0´Т0,5)0,4                                        (3.18),

где с0 – начальная концентрация конденсирующегося компонента, t - время, через которое происходит истощение мономера, Т – температура при которой происходит процесс. Из соотношения (3.18) следует, что основные факторы, определяющие размер частиц в пламени – это:

         концентрация оксида в пламени, которая определяется скоростями поступления исходного сырья и технологических газов;

         время пребывания частиц в факеле в области температур, обеспечивающих протекание процесса коалесценции;

         температура пламени, которая слабо влияет на дисперсный состав частиц.

Рис. 3.12. Зависимость скорости осаждения в методе OVD от диаметра затравки и потока горючего газа

Миграция частиц к поверхности затравочного штабика (или пористой заготовки) происходит под действием сил термофореза в поле градиента температур в пламени и на поверхности затравки. Одними из главных факторов, определяющих скорость осаждения, являются размер затравки и расход горючего газа. На рис. 3.12 приведена зависимость скорости осаждения SiO2 в методе OVD от диаметра затравки и потока горючего газа. Видно, что увеличение вышеуказанных параметров ведет к увеличению скорости осаждения. Эффективность осаждения в методе OVD составляет 50…70%.

Горелка перемещаясь вдоль затравочного штабика последовательно осаждает пористые слои оксидов элементов, галогениды которых подают в горелку. Меняя состав галогенидов, можно менять состав осаждаемых слоев (т.е. их ПП) и формировать профиль ПП будущей заготовки и ОВ соответственно, причем как в методе MCVD состав остается постоянным при рабочем движении горелки и меняется при ее возвращении к началу заготовки. После окончания процесса осаждения слоев затравочный штабик вынимают из пористой заготовки из-за разности КЛТР материалов затравки и пористой заготовки, КЛТР которой значительно меньше.

Рис. 3.13. Сушка в процессе OVD через центральное отверстие. 1 – вентиль, 2 - редуктор, 3-регулятор расхода газа

Пористая заготовка затем поступает на сушку, поскольку процесс гидролиза в пламени кислородно-водородной горелки приводит к высокому содержанию в заготовке адсорбированных паров Н2О и ОН-групп (до 0,2масс. %). Схема процесса приведена на рис. 3.13. Пористая заготовка помещается в печь, через которую продувается смесь О2 и Не. Через внутренний канал, оставшийся от вынутой затравки, в пористую заготовку подают Cl2 (или хлорагент), Не и О2. Хлор (или) хлорагент) взаимодействует с ОН-группами согласно уравнению 3.19 с образованием HCl, который удаляется из зоны реакции:

[ºSi-OH] + Cl2 = [ºSi-Cl] + HCl + O2                  (3.19).

Содержание Н2О и ОН-групп сильно зависит от температуры процесса. На рис. 3.14 приведена зависимость концентрации ОН-групп от температуры. При температуре выше 1500С сначала удаляется физически адсорбированная вода. Расчеты показывают, что если число адсорбированных молекул Н2О составляет 1…2 на 1 нм2 поверхности частиц диаметром 0,1 мкм, то концентрация ОН-групп в стекле будет ~ 30 ppm. Из рисунка видно, что вплоть до ~ 6000С концентрация ОН – групп (~20 ppm) не изменяется. Затем начиная с ~ 6000С содержание [ОН]- резко уменьшается до ~ 0,4 ppm при увеличении температуры до ~ 8000C, вероятно, по реакции:

2 [ºSi-OH] = [ºSi-O-Siº] + H2O                          (3.20)

и далее остается постоянным. Дальнейшее уменьшение концентрации ОН- групп наблюдается при увеличении температуры выше 10000С.

Рис. 3.14. Соотношение между температурой дегидратации и остаточным содержанием ионов ОН в кварцевом стекле

И, наконец, последняя стадия в методе OVD – сплавление (остекловывание) пористой заготовки. Сплавление проводят в узкозонной печи с вращением заготовки и ее подачей в печь с постоянной скоростью. Температура в печи составляет от 1000 до 16000С в зависимости от состава стекла сердцевины и светоотражающей оболочки. Условия сплавления стекла (температура и скорость подачи заготовки) подбирают таким образом, чтобы получающееся стекло не содержало пузырей и других дефектов. При сплавлении возможны 2 варианта: когда центральное отверстие остается и ликвидируется лишь при вытяжке волокна или центральное отверстие "захлопывается" при сплавлении заготовки. В первом случае необходимо, чтобы КЛТР материалов сердцевины и оболочки были сбалансированы, ибо наличие центрального отверстия может приводить к растрескиванию заготовки. Преимуществом ОВ (рис. 3.15), полученных методом OVD, является то, что концентрация ОН-групп минимальная в центре сердцевины (где распространяется основная мощность оптического сигнала) поскольку хлор поступает в центральный канал, а внутренняя поверхность затравки формирует слои сердцевины.

Следует отметить, что метод OVD используется не только для получения заготовок ОВ, но и для "наращивания" технологической кварцевой оболочки на заготовках, полученных, например, методом MCVD, поскольку скорость осаждения оксидов в методе OVD значительно выше. В настоящее время метод OVD применяется также для получения блоков стекла, используемых при изготовлении труб "Suprasil F-300".

Рис. 3.15. Распределение ОН по радиусу заготовок в процессах OVD и VAD (OD -наружный диаметр)

Обобщая вышесказанное, можно отметить следующие преимущества метода OVD: высокая скорость осаждения оксидов (до 6 г/мин); нет необходимости использовать дорогостоящие опорные кварцевые трубки; возможность использования в качестве исходных веществ более широкого круга соединений (гидриды, галогениды, металлоорганические соединения, некоторые труднолетучие жидкости и твердые вещества). К недостаткам этого метода следует отнести: высокие требования, предъявляемые к чистоте рабочего помещения; необходимость перемещения пористой заготовки из объема камеры осаждения в печь сушки и остекловывания, что может привести к разрушению и загрязнению заготовки; наличие центрального отверстия в пористой заготовке, что обуславливает провал в центре профиля ПП (аналогично методу MCVD) и требует согласования КЛТР материалов сердцевины и оболочки.



*****

© 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.