توضیح روشهای مختلف تولید فیبر نوری

برای ساخت موجبرهای تمام شیشه ای، از دو روش اصلی استفاده می کنند. این روشها عبارتند:

1- مراحل اکسیداسیون به حالت بخار.

2- روشهای ذوب مستقیم.

روش ذوب مستقیم، مطابق روشهای سنتی ساخت شیشه است که در آن تارهای نوری را مستقیماً از حالت مذاب مولفه های کاملاً خالص شیشه های سیلیکات می سازند. در مراحل اکسیداسیون به حالت بخار، نخست بخارهای کاملاً خالص از مواد خام هالوژنه (مثلاً GeCl4, Sida) را برای تشکیل پودر سفیدی از ذرات Sio2 با اکسیژن ترکیب می کنند. سپس این ذرات را با یکی ازسه روش متداول:

رسوب بیرونی- CVD

رسوب محوری- AVD

رسوب داخلی- IVD

روی سطح بدنه ای از شیشه جمع آوری و توسط تکنیکهای گوناگون برای تشکیل میله یا لوله شیشه ای شفاف، به شکل متراکم در می آورند. این میله یا لوله را پیش سازه می گویند. قطر پیش سازه در حدود 10 میلیمتر و طول آن 60 تا 90 سانتیمتر است. تارها را در یک عمل مجزا از پیش سازه ها می سازند.

1- روش بوته مضاعف (ذوب مستقیم)

روش بوته مضاعف در شکل نشان داده شده است. شیشه هسته به صورت مذاب در ظرف داخلی قرار دارد و شیشه پوسته به صورت مذاب ظرف بیرونی را اشغال می کند.دو شیشه مذاب در ته ظرف شیشه ای بهم می رسند و تشکیل یک هسته پوشیده شده با شیشه می دهند. این مخلوط مذاب کشیده شده و به شکل تار در می آید. در اولین نگاه چنین به نظر می رسد که روش بوته مضاعف می تواند فقط تارهای ضریب شکست پله ای تولید کند. این درست نیست، اگر بگذاریم که شیشه های هسته و پوسته پس از اینکه بهم می رسند در یکدیگر نفوذ نمایند تارهای ضریب شکست تدریجی می توانند تولید شوند.

2- روش اکسیداسیون به حالت بخار

در اکسیداسیون چهار روش PCVD , MCVD , VAD , OVD  را توضیح می دهیم این چهار روش در شکلهای زیر دیده می شوند.

روش OVD

تولید پیش سازه با روش OVD ، طی دو مرحله انجام می گیرد. ابتدا میله هدف از شیشه سیلیکا گداخته، Al2O3 یا گرافیت را روی چرخ گردانی حول محور طولی اش می چرخانند و سطح خارجی آن را در ناحیه باریکی با مشعل گازی اکسی هیدروژن یا پروپان، حرارت می دهند. (شکل روبرو)

اکسیژن O2 و هر آنچه که بعنوان تغلیظ کننده مثل مواد خام هالوژنه (Sicl4, Pci3, Bci3, GeCl4) برای مقطع ضریب شکست لازم است، در داخل مشعل قرار می دهند و به اکسیدهای متناظر تبدیل می کنند. به این ترتیب دوده نرمی بدست می آید که روی میله در حال چرخش، رسوب می کند. با حرکت طولی میله به جلو و عقب، پیش سازه شیشه ای متخلخلی بصورت لایه های مختلف ساخته می شود. لایه ها را می توان به شکل های گوناگون، مثلاً با افزایش مقدار معینی از ماده ناخالصی به ماده اصلی SiO2 تغلیظ کرد. در مورد مقاطع ضریب تدریجی، میزان تغلیظ کنندگی هسته با GeO2 را از اولین لایه به شکل یکنواخت آنقدر کاهش می دهند تا به SiO2 کاملاً خالص برای پوشش برسند. در مقاطع ضریب شکست پله ای، میزان تغلیظ کنندگی هسته باGeO2 را در لایه به لایه ثابت نگه می دارند.

به مجرد رسوب کامل لایه های هسته و پوشش تار، فرایند متوقف شده و لوله استوانه ای ساخته شده از ذرات دوده را از میله هدف جدا می کنند. در مرحله بعدی این روش، پیش سازه لوله ای را در جزء به جزء طول آن تا حد نقطه ذوب حرارت می دهند. پیش سازه در درجه حرارت بین 1400 تا 1600 سانتیگراد فرو می ریزد (یکپارچه می شود) و به حالت جامد، بدون حباب و میله شیشه ای شفاف (سفید) که سوراخ مرکزی آن از بین رفته است، در می آید. در حین متراکم شدن،برای برطرف کردن آثار ناخالصی از شیشه که موجب تضعیف زیادتری می شود، پیش سازه را مداوماً در معرض جریان کلر گازی بعنوان ماده موثر خشک کننده قرار می دهند.

2-روش VAD

در روش VAD، ذرات دوده بوجود آمده در مشعل اکسی هیدروژن را روی قسمت انتهایی یک میله شیشه ای سیلیکای گداخته در حال چرخش، رسوب می دهند. (شکل روبرو)

پیش سازه متخلخل بوجود آمده را بسمت بالا می برند تا فاصله بین مشعل و پیش سازه که به شکل محوری در حال رشد است ثابت بماند. برای ایجاد ضرایب شکست هسته و پوشش، می توان از چندین مشعل بطور همزمان استفاده کرد. بسته به ساختمان مشعلها و فاصله آنها از میله و درجه ها حین رسوب، می توان ضریب شکستی گوناگونی را تولید کرد. پیش سازه متخلخل بعد از عمل رسوب توسط کوره حلقوی شکل فرو می ریزد و بصورت شفافی (سفید) در می آید. برای خشک کردن پیش سازه یکپارچه اطراف آن را در معرض گاز کلر قرار می دهند. شبیه به روش درون میله، برای بدست آوردن تارهای نوری با پوشش ضخیم تر، می شود از لوله شیشه ای سیلیکای گداخته بعنوان پوشش روی پیش سازه استفاده کرد.

3-روش MCVD

پیش سازه ها در روشMCVD  پیش سازه ها در روش MCVD در دو مرحله تولید می شوند. نخست لوله شیشه ای سیلیکای گداخته را در چرخی حول محور طولی اش می چرخانند وقسمت خارجی اش را در ناحیه باریکی با یک مشعل گازی اکسی هیدروژن که روی آن در حرکت است،حرارت می دهند.‹شکل زیر›

اکسیژن وترکیبات هالوژنه گازی شکل (Pcl3, GeCl4, SiCl4) لازم را بعنوان جریانهای تغلیظ کننده، وارد لوله می کنند.این ترکیبات هالوژنه همانند روشهای OVD وVAD  نه در شعله مشعل، بلکه در داخل لوله ترکیب می شوند. به این ترتیب، رسوبی از لایه های نازک و متعدد وشیشه در داخل لوله تشکیل می شود که که برای ضریب شکست مقطعی مورد نظر قابی تغلیظ است. خود لوله، بخش خارجی شیشه پوشش را تشکیل میدهد. بخش داخلی شیشه پوشش وشیشه هسته را از طریق رسوب به حالت بخار تولید می کنند.

لایه ای از شیشه با ظاهر شدن ذرات ریز در ناحیه حرارت داده شده با درجه C 1600 و رسوب آنها روی جداره داخلی لوله به وجود می آید. با حرکت بیشتر مشعل در جهت جریان مواد، ذرات رسوبی در لایه نازکی از شیشه ذوب می شوند.

4- روش PCVD

اصولاً مراحل فرایند تولید با روش PCVD  ،شبیه روش MCVD  است فقط نوع  تکنیک واکنش در آنها تفاوت دارد. در صورت تحریک گاز مثلاً با امواج ریز موج، پلاسما ایجاد می شود. تحریک موجب یونیزه کردن گاز می شود، یعنی آنرا به حاملهای بار الکتریکی اش تجزیه می کند. با به هم پیوستن این حاملها، انرژی حرارتی آزاد می شود که برای ذوب کردن مواد با نقطه ذوب بالا استفاده می شود. با کاربرد این روش، مواد هالوژنه به کمک پلاسمای با فشار پایین ‹فشار گاز تقریباً mbar 10 › با اکسیژن ترکیب شده ونتیجتاً Sio2  به دست می آید. ذرات دوده حاصل را مستقیماً در درجه حرارت حدود C 1000 بعنوان لایه ای از شیشه رسوب می دهند.‹شکل 8 ›