PL185626B1 - Sposób wytwarzania preformy dla światłowodów - Google Patents

Abstract

· Sposób wytwarzania preformy dla światłowodów polegający na nałożeniu szkła na trzpień, zdjęciu powstałej rury, obróbce termicznej, chemicznej i następnie przetopieniu jej w nieporowate szkło, znamienny tym, że na trzpień nakłada się materiał na płaszcz po czym wewnątrz uzyskanej rury nakłada się drugi materiał.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania preformy dla światłowodów. Światłowód jest włóknem, najczęściej szklanym, które zawiera rdzeń pokryty izolacją optyczną oraz płaszcz. Rdzeń typowego światłowodu telekomunikacyjnego posiada średnicę około 0,008 milimetra. Jego masa stanowi zaledwie 0,4% masy światłowodu. Rdzeń otoczony jest optyczną izolacją o średnicy zewnętrznej około 0,06 milimetra zaś średnica

185 626 zewnętrzna światłowodu osiąga zaledwie 0,125 milimetra. Aby światłowód miał wystarczająco niskie tłumienie przenoszonych fal, dla zastosowania w telekomunikacji, to czystość rdzenia rozumiana jako zawartość pierwiastków przejściowych nie może przekraczać 10'¹¹, a czystość izolacji optycznej od 10⁴¹ do 10'⁹, w zależności od odległości od osi rdzenia. Jednocześnie maksymalna zawartość wody w szkle rdzenia i w obrębie izolacji optycznej w jego sąsiedztwie nie może być większa niż 10⁸ - 2x10'⁸. Światłowód powinien także zapewniać ściśle określoną zależność współczynnika załamania światła w funkcji odległości od osi rdzenia. Preforma, z której wyciąga się światłowód musi więc zapewniać ściśle określony skład, strukturę i wyżej wymienione parametry przyszłego światłowodu. To jej jakość decyduje o jakości światłowodu.

Znane metody wytwarzania preform można podzielić najogólniej na dwa rodzaje.

Metoda zewnętrzna, nazywana w skrócie OVD, polega na osadzaniu kolejnych warstw szkła na powierzchni wirującego, poziomego, ceramicznego pręta o średnicy wynoszącej najczęściej od 15 do 30 milimetrów·'. Szkło w postaci drobnych kuleczek uzyskiwane jest w wyniku rakcji czterochlorku krzemu z wodą w płomieniu palnika, który jednocześnie ogrzewa pręt wraz z wcześniej osadzonymi na nim warstwami szkła. W trakcie kolejnych przejść palnika wzdłuż pręta osadzają się kolejne warstwy szkła tworząc porowatą strukturę. Jako pierwsze nanosi się warstwy szkła, z których powstanie w przyszłości rdzeń. Później nanosi się szkło na izolację optyczną, a w końcu na płaszcz. Szkło na poszczególne części różni się między sobą wprowadzonymi dodatkami i domieszkami. Po uzyskaniu żądanej grubości zdejmuje się powstała kształtkę z pręta i wygrzewa się w temperaturze 600 - 1200°C w celu usunięcia resztek wody (dehydroksylacja), po czym podnosi się temperaturę do około 1500.°C w celu konsolidacji porowatego szła, a tym samym uzyskania jednorodnej przezroczystej rurki. Następnie przeprowadza się kolaps, czyli przekształcanie rurki w pręt.

Metoda ta nie wymaga szczególnych rygorów w zakresie czystości używanych materiałów pod względem zawartości związków wodoru. Zawartość związków wodoru w surowcach na poziomie 100000 ppm nie przeszkadza uzyskiwać światłowody o zawartości wody poniżej 0,01 ppm. Metoda ta pozwala osiągnąć dużą szybkość syntezy szkła do około 4-8 gramów na minutę. Niedogodnością tej metody jest pękanie porowatych kształtek spowodowane wewnętrznymi naprężeniami związanymi z wprowadzonymi w trakcie syntezy domieszkami. W zależności od przeznaczenia osadzanych warstw wprowadza się różne domieszki. Profil współczynnika załamania światła jest jednak trudny do precyzyjnego ukształtowania.

Metoda ta jest między innymi opisana w opisie patentowym US 3,589,073. Do palnika zasilanego paliwem doprowadzana jest mieszanina tlenu i czterochlorku krzemu. Powstające w trakcie hydrolizy płomieniowej szkło osadza się na obracającym się trzpieniu, ogrzewanym tym samym palnikiem.

Znana jest również metoda pod nazwą VAD, w której wykorzystuje się szereg palników, przy czym każdy palnik jest zasilany surowcem do tworzenia innych warstw preformy. Trzpień w tej metodzie zamocowany jest pionowo i w miarę nakładania materiału przesuwany jest ku górze, do pieca, gdzie powstała preforma jest obrabiana termicznie i chemicznie. Metoda ta jest opisana między innymi w europejskim opisie zgłoszeniowym nr EP 0 634 372.

Druga metoda, wewnętrzna, otrzymywania preform, znana jest pod skrótem MCVD. Polega ona na syntezie szkła wewnątrz rury ze szkła kwarcowego poprzez reakcję czterochlorku krzemu z tlenem. Do wirującej rury ze szkła kwarcowego wprowadza się pary czterochlorku krzemu i pary domieszek w strumieniu gazu nośnego oraz tlen. W zależności od domieszek uzyskuje się materiał na odpowiednie części preformy. Od dołu rura jest ogrzewana przez przesuwający się palnik. Powstający proszek szkła osadza się na ściankach rury, a pod wpływem temperatury zachodzi jednocześnie dehydroksylacja i konsolidacja. Tak otrzymaną rurę następnie przekształca się w procesie kolapsu w pręt. Zaletą tej metody jest łatwość w kształtowaniu profilu współczynnika załamania światła i jego duża dokładność. Wadą jest natomiast mała wydajność, 0,5-2 gramów na minutę. Kolejną wadą są deformacje rury, które powstają w trakcie długotrwałego jej ogrzewania. Deformacje rury zmniejsza się poprzez wprowadzanie do szkła pięciotlenku fosforu obniżającego temperaturę procesu. Niestety dodatek ten wpływa na pogorszenie właściwości transmisyjnych przyszłego światłowodu. Dodatkowo

185 626 jednoczesność procesów dehydroksylacji i konsolidacji znacznie utrudnia należyte usunięcie wody i konieczne jest zastosowanie ostrych reżimów technologicznych oraz surowców o bardzo wysokiej czystości, tak aby jak najmniej wody wprowadzić do szkła. W tej metodzie zawartość związków wodoru w surowcach nie może przekraczać kilku ppm aby w światłowodzie móc uzyskać zawartości wody poniżej 0,01 ppm, gdy w metodzie zewnętrznej zawartość 100000 ppm nie stanowi problemu. Inną wadą jest wysoki koszt rury, w której odbywa się proces. Przekracza on 50% kosztów wszystkich materiałów używanych w całym procesie wytwarzania światłowodu.

W każdej z wymienionych metod nanosi się kolejno, w jednym procesie, materiał na poszczególne części światłowodu, to jest na rdzeń, izolację optyczną i płaszcz.

Istota sposobu wytwarzania preformy dla światłowodów polega na tym, że na wirujący trzpień nakłada się materiał na płaszcz po czym wewnątrz uzyskanej rury, po usunięciu trzpienia, nakłada się drugi materiał.

Na trzpień, przed materiałem na płaszcz korzystnie nakłada się materiał na izolację. Drugi materiał stanowi korzystnie materiał na rdzeń, lub dwa materiały, na rdzeń i na izolację. Trzpień korzystnie posiada dużą średnicę. Rura przed nakładaniem drugiego materiału korzystnie jest wyciągana. Rurę korzystnie uzyskuje się w wyniku nakładania proszku szkła wytwarzanego w trakcie hydrolizy płomieniowej czterochlorku krzemu lub czterochlorku krzemu i domieszek, zaś drugi materiał korzystnie uzyskuje się w reakcji czterochlorku krzemu z tlenem w obecności dodatków.

Istota alternatywnego sposobu wytwarzania preformy dla światłowodów polega na tym, że na trzpień nakłada się materiał na izolację po czym wewnątrz uzyskanej rury, po usunięciu trzpienia, nakłada się drugi materiał. Drugi materiał korzystnie stanowi materiał na rdzeń, lub dwa materiały, na rdzeń i na izolację, zaś trzpień korzystnie posiada dużą średnicę.

Rurę korzystnie uzyskuje się w wyniku nakładania proszku szkła wytwarzanego w trakcie hydrolizy płomieniowej czterochlorku krzemu lub czterochlorku krzemu i domieszek.

Rura przed nakładaniem drugiego materiału korzystnie jest wyciągana, przy czym drugi materiał korzystnie uzyskuje się w reakcji czterochlorku krzemu z tlenem w obecności dodatków.

Istota drugiego alternatywnego sposobu wytwarzania preformy dla światłowodów polega na tym, że wytwarza się co najmniej dwie rury, z których pierwszą rurę wyciąga się po czym w jej wnętrzu nakłada się drugi materiał i przekształca się ją w pręt, który następnie wtapia się do drugiej rury. Korzystnie obie rury wyciąga się, przy czym średnica wewnętrzna drugiej rury jest nieco większa od średnicy zewnętrznej pręta uzyskanego z pierwszej rury. Drugi materiał korzystnie stanowi materiał co najmniej na rdzeń, a szczególnie są to dwa materiały, na rdzeń oraz na izolację.

Przykład

Na wirującym trzpieniu w postaci rury ceramicznej o średnicy 100 milimetrów i długości dwóch metrów osadzono szereg warstw ze szkła kwarcowego. Szkło uzyskiwano w płomieniu wodorotlenowym, poprzez hydrolizę czterochlorku krzemu. Po zdjęciu z trzpienia uzyskano rurę o średnicy zewnętrznej 250 milimetrów. Następnie poddano ją dehydroksylacji w temperaturze około 900°C, w atmosferze tlenu i 5% chloru, po czym porowatą kształtkę poddano konsolidacji w temperaturze około 1500°C w atmosferze o składzie 5% chloru, 15% tlenu i 80% helu. Uzyskano przezroczystą rurę, z której wyciągnięto rurki o średnicy zewnętrznej 35 i wewnętrznej 25 milimetrów. Rurki pocięto na odcinki o długości 1,4 metra. Z innej przezroczystej rury wyjściowej wyciągnięto rurki o średnicy zewnętrznej 53 i wewnętrznej 26 milimetrów·'. Rurki o średnicy wewnętrznej 19 milimetrów zaopatrzono w końcówki ze szkła technicznego i poddano obróbce chemicznej w celu przygotowania powierzchni od osadzania dalszych warstw szkła w ich wnętrzu. Wewnątrz oczyszczonych rurek najpierw osadzono pięć warstw szkła na izolację optyczną z czystego SiO2, po czym osadzono dalsze warstwy szkła na rdzeń o składzie: 95,5% SiO2 + 4,5% GeO2. Po zakończeniu osadzania przeprowadzono częściowe przetopienie rurek w pręty, po czym trawiono je gazowo i przekształcono ostatecznie w pręty. Otrzymane pręty mogąjuż służyć jako preformy, na przykład dla specjalnych światłowodów.

185 626

Następnie uzyskane pręty wtopiono do wcześniej odłożonych rurek o średnicy wewnętrznej 26 milimetrów i tym samym otrzymano preformy o średnicy około 52 milimetry. Z każdej takiej preformy można wyciągnąć około 170 kilometrów światłowodu.

Dzięki temu, że płaszcz i ewentualnie izolację optyczną uzyskuje się w wysokowydajnym procesie z tanich składników, zaś rdzeń w procesie zapewniającym uzyskanie materiału o szczególnie wysokiej czystości, osiąga się 30-40% oszczędności na składnikach procesu oraz osiąga się znaczące skrócenie procesu wytwarzania preformy. Mała ilość materiału jaki trzeba zastosować na rdzeń stanowi ilość nieistotną dla powstania wad metody wewnętrznej jakie pojawiają się przy wytwarzaniu całych preform. Nie ma też potrzeby stosowania pięciotlenku fosforu dzięki czemu osiąga się wysokie właściwości transmisyjne. Dodatkową zaletą sposobu jest wykorzystanie części wyciągniętych rurek o większych średnicach do wtapiania w nie otrzymanych prętów. Pochodzenie rurek i prętów ze wspólnego procesu zwiększa jednorodność preformy co dodatnio wpływa na właściwości zarówno mechaniczne jak i optyczne przyszłych światłowodów.

Sposób wytwarzania preform według wynalazku nadaje się szczególnie do wytwarzania preform dla światłowodów jednomodowych.

185 626

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.

Claims (16)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania preformy dla światłowodów polegający na nałożeniu szkła na trzpień, zdjęciu powstałej rury, obróbce termicznej, chemicznej i następnie przetopieniu jej w nieporowate szkło, znamienny tym, że na trzpień nakłada się materiał na płaszcz po czym wewnątrz uzyskanej rury nakłada się drugi materiał.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że na trzpień, przed materiałem na płaszcz nakłada się materiał na izolację.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że drugi materiał stanowi materiał co najmniej na rdzeń.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że trzpień posiada dużą średnicę.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że rura przed nakładaniem drugiego materiału jest wyciągana.
6. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że rurę uzyskuje się w wyniku nakładania proszku szkła wytwarzanego w trakcie hydrolizy płomieniowej czterochlorku krzemu lub czterochlorku krzemu i domieszek.
7. 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że drugi materiał uzyskuje się w reakcji czterochlorku krzemu z tlenem w obecności dodatków.
8. 8. Sposób wytwarzania preformy dla światłowodów polegający na nałożeniu szkła na trzpień, zdjęciu powstałej rury, obróbce termicznej, chemicznej i następnie przetopieniu jej w nieporowate szkło po czym wtopieniu w inną rurkę, znamienny tym, że na trzpień nakłada się materiał na izolację po czym wewnątrz uzyskanej rury nakłada się drugi materiał.
9. 9. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że drugi materiał stanowi materiał co najmniej na rdzeń.
10. 10. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że trzpień posiada dużą średnicę.
11. 11. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że rura przed nakładaniem drugiego materiału jest wyciągana.
12. 12. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że rurę uzyskuje się w wyniku nakładania proszku szkła wytwarzanego w trakcie hydrolizy płomieniowej czterochlorku krzemu lub czterochlorku krzemu i domieszek.
13. 13. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że drugi materiał uzyskuje się w reakcji czterochlorku krzemu z tlenem w obecności dodatków.
14. 14. Sposób wytwarzania preformy dla światłowodów polegający na nałożeniu szkła na trzpień, zdjęciu powstałej rury, obróbce termicznej, chemicznej i następnie przetopieniu jej w nieporowate szkło i wtopieniu w inną rurkę, znamienny tym, że wytwarza się co najmniej dwie rury, z których pierwszą rurę wyciąga się po czym w jej wnętrzu nakłada się drugi materiał i przkształca się ją w pręt, który następnie wtapia się do drugiej rury.
15. 15. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że obie rury wyciąga się, przy czym średnica wewnętrzna drugiej rury jest nieco większa od średnicy zewnętrznej pręta.
16. 16. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że drugi materiał stanowi materiał co najmniej na rdzeń.