يتضمن تصنيع الألياف الضوئية المشبعة بالإربيوم-من خلال منهجية VAD خمس مراحل متميزة:
(1) تصنيع قضيب أساسي مسامي باستخدام طريقة VAD
(2) عملية التطعيم والتشريب
(3) عملية تشكيل التشكيل
(4) عملية التغليف
(5) رسم الألياف الضوئية
تقدم كل مرحلة مجموعة التحديات الخاصة بها
تصنيع الشياق المسامية عبر طريقة VAD
تبدأ العملية بإعداد VAD تقليدي، على الرغم من أن وصفه بـ "التقليدي" يقلل تقريبًا من مدى صعوبة هذه الخطوة. تبدأ بقضيب هدف من السيليكا -قطره 20 مم، ولا يوجد شيء في موضعه الرأسي. تصبح فوهة الشعلة نظام التسليم الأساسي لديك، حيث تغذي SiCl₄ بمعدلات تتراوح بين 450-550 لترًا في الدقيقة. هذه نافذة تشغيل واسعة جدًا، والمكان الذي تهبط فيه في هذا النطاق يؤثر على معدل الترسيب الخاص بك أكثر مما تسمح به معظم أوراق المواصفات.
يتدفق الأكسجين بمعدل 15 لترًا في الدقيقة، والهيدروجين عند 10. يحدث تفاعل التحلل المائي باللهب بسرعة-نحن نتحدث عن درجات حرارة عالية بما يكفي بحيث لا يتحلل SiCl₄ فحسب، بل ينفجر عمليًا إلى جزيئات السيليكا الصغيرة هذه التي تبدأ بالتراكم على القضيب المستهدف. يعتمد الأمر برمته على الأكسدة الحرارية التي تحدث بالتزامن مع التحلل المائي، ولهذا السبب فإن نسب الغاز مهمة جدًا. أخطئ في فهمها وسترى ذلك في اختلافات الكثافة في البنية المسامية.
ما ينتهي بك الأمر، بعد وقت ترسيب كافٍ، هو شياق مسامي SiO₂ يبلغ قطره حوالي 60 مم. يرتفع قضيب الهدف لأعلى أثناء هذه العملية بمعدل 55-60 ملم في الساعة - ببطء وثبات. استعجله ويصبح ترسيب الجسيمات غير متساوٍ؛ كن بطيئًا جدًا وتخاطر بارتفاع درجة حرارة المناطق المركزة. هناك نقطة جيدة، والعثور عليها يستغرق أحيانًا بعض عمليات التشغيل الفاشلة. يعد الهيكل المسامي الناتج أمرًا بالغ الأهمية لأن شكله يحدد مدى فعالية امتصاص محلول المنشطات لاحقًا. كثيف جدًا ولن يخترق محلول الإربيوم بعمق كافٍ؛ فضفاض جدًا وستحصل على تدرجات تركيز ستطاردك أثناء مرحلة التلبيد.
عملية التشريب المنشطات
هنا حيث تصبح الأشياء كيميائية. ينتقل قضيب SiO₂ الأساسي المسامي مباشرة إلى حاوية مملوءة بمحلول المنشطات الخاص بك، ويتم كل ذلك في درجة حرارة الغرفة لأن التسخين في هذه المرحلة سيكون له نتائج عكسية. الحل نفسه بسيط بشكل مخادع: الإيثانول كمذيب، وErCl₃ باعتباره المنشط.
الآن، يتمتع ErCl₃ بقابلية ذوبان محدودة في الإيثانول-يمكنك دفعه إلى حوالي 0.54% بالوزن، وهذا هو الحد الأقصى الذي يمكنك تحقيقه. حاول حشر المزيد وأنت تهدر فقط مادة منشطة لأنها لن تبقى في الحل. قامت بعض المختبرات بتجربة مذيبات مختلفة لتعزيز هذا الرقم، لكن الإيثانول يظل هو المعيار لأنه يتبخر بشكل نظيف ولا يترك وراءه ملوثات تتداخل مع الهيكل الزجاجي.
يعد التشريب في حد ذاته أمرًا بسيطًا من الناحية الميكانيكية-فأنت فقط تترك العمل الشعري والانتشار يقومان بعملهما بينما يتغلغل المحلول في تلك المسام. لكن انتظام الامتصاص يعتمد كليًا على مدى اتساق البنية المسامية منذ الخطوة الأولى. تعمل هذه الطريقة أيضًا مع AlCl₃، والذي يتم في بعض الأحيان تطعيمه مع الإربيوم لتعديل خصائص الانبعاث. يمكن للألمنيوم أن يغير ذروة انبعاث الإربيوم قليلاً ويؤثر على عمر الحالات المثارة، وهو أمر مهم لتطبيقات المضخمات.
هناك شيء واحد لا تذكره الأدبيات التقنية دائمًا: وقت النقع مهم أكثر مما تعتقد. اتركه قصيرًا جدًا وستحصل على اختراق غير كامل داخل القضيب. اتركه لفترة طويلة جدًا و... حسنًا، في الواقع، نادرًا ما تكون هذه مشكلة إلا إذا بدأ المحلول الخاص بك في التحلل، وهو ما يمكن أن يحدث إذا دخلت الرطوبة.
عملية تشكيل التشكيل
في هذه المرحلة يصبح الصبر فضيلة. لديك قضيب مسامي منقوع بمحلول معزز، وتحتاج إلى تحويله إلى قضيب زجاجي صلب دون فقدان الإربيوم الخاص بك أو خلق عيوب. تنقسم العملية إلى ثلاث معالجات حرارية، ولكل منها غرضها الخاص.
أولا يأتي إزالة المذيبات. يتم إدخال القضيب في فرن تحت جو من النيتروجين-وتعد البيئة الخاملة أمرًا بالغ الأهمية هنا-وتقوم بتسخينه إلى درجة حرارة تتراوح بين 60-70 درجة . يبدو هذا لطيفًا، وهو كذلك عن عمد. أنت تقوم بتبخير الإيثانول، الذي تبلغ درجة غليانه 78 درجة، لكنك تحافظ على درجة الحرارة أقل من ذلك لتجنب الغليان، مما قد يؤدي إلى إنشاء شقوق أو قنوات ناتجة عن الضغط في البنية المسامية. تستغرق هذه الخطوة من 24 ساعة إلى 240 ساعة اعتمادًا على حجم القضيب ومدى تشبعه أثناء التشريب. ليس هناك من استعجال. لقد رأيت مهندسين يحاولون تسريع ذلك عن طريق رفع درجة الحرارة، ودائمًا ما يندمون على ذلك عندما يجدون فراغات في الشكل النهائي.
بمجرد اختفاء الإيثانول، يتبقى لديك كلوريد الإربيوم المترسب في جميع أنحاء مصفوفة السيليكا المسامية. أنت الآن بحاجة إلى تحويل هذا الكلوريد إلى أكسيد وطرد الكلور، لأن الكلوريدات المتبقية ستسبب توهينًا في الألياف النهائية- فهي تمتص الضوء بالأطوال الموجية التي لا تريدها بالضبط. هذه هي مرحلة الجفاف.
تقفز درجة الحرارة بشكل كبير: 950-1050 درجة في جو يحتوي على الأمونيا. على الرغم من ذلك، الأمونيا ليست نقية، فهي تحتوي على 0.25% - 0.35% أكسجين، وهي كمية تبدو ضئيلة ولكن يتم التحكم فيها بعناية. الكثير من الأكسجين وتحصل على تلبيد سابق لأوانه؛ قليل جدًا والجفاف غير مكتمل. تساعد الأمونيا على تجريد مجموعات الهيدروكسيل التي قد تبقى في الهيكل الزجاجي. تشتهر مجموعات OH⁻ بتسببها في حدوث قمم امتصاص تبلغ حوالي 1.39 ميكرومتر، وهو ما يمثل مشكلة بالنسبة للاتصالات. تحتفظ بهذه الشروط لمدة 2.5-3.5 ساعة. يتحول كلوريد الإربيوم إلى أكسيد الإربيوم خلال هذه المرحلة.
ثم يأتي التلبيد، وهو الدمج النهائي. أنت الآن في النيتروجين مرة أخرى-بدون أمونيا ولا أكسجين-عند درجة حرارة 1400-1600 لمدة 3-5 ساعات. هذا هو المكان الذي ينهار فيه الهيكل المسامي وتتزجج السيليكا بالكامل وتتحول إلى زجاج شفاف. يتم دمج أكسيد الإربيوم في شبكة السيليكا، ويوزع نفسه بشكل مثالي بشكل موحد نسبيًا على المستوى الجزيئي. يجب أن تكون درجة الحرارة مرتفعة بما يكفي للتكثيف الكامل ولكن ليست عالية جدًا بحيث يبدأ الإربيوم في الهجرة أو التجمع، مما قد يؤدي إلى عدم تجانس التركيز.
ما يظهر هو قضيب زجاجي شفاف مع الإربيوم موزع في جميع الأنحاء. إذا فعلت كل شيء بشكل صحيح، فيجب أن يحتوي على الحد الأدنى من الفقاعات والوضوح البصري الجيد وتركيز الإربيوم الذي يطابق حساباتك من خطوة التشريب-على الرغم من أنه لا يتطابق تمامًا أبدًا. هناك دائمًا بعض الخسارة أثناء المعالجة الحرارية.
عملية التغليف
بعد كل هذا العمل الدقيق على القلب، تبدو خطوة التغليف تقريبًا غير ملائمة، على الرغم من أنها ليست تافهة. يحتاج قضيب القلب إلى كسوة-طبقة من الزجاج ذات معامل انكسار منخفض والتي ستحصر الضوء في القلب من خلال الانعكاس الداخلي الكلي.
يمكنك أخذ القضيب الأساسي النهائي وإدخاله في-أنبوب تكسية مُجهز مسبقًا. عادة ما يكون هذا الأنبوب عبارة عن سيليكا نقية أو مخدر قليلاً لضبط تباين معامل الانكسار. الملاءمة مهمة: فضفاضة جدًا وسوف تحبس الهواء؛ ضيق جدًا ويعرضك لخطر تشقق شيء ما أثناء الإدخال. بمجرد تجميعها، يعود الهيكل بأكمله إلى الفرن حيث يتم حرقهما معًا. يؤدي التسخين إلى تليين القطعتين ودمجهما، مما يؤدي إلى إنشاء شكل متجانس -قطعة صلبة واحدة بدون فجوات في الواجهة قد تؤدي إلى تشتيت الضوء.
يجب أن تتطابق معاملات التمدد الحراري للقلب والكسوة بشكل جيد، وإلا فسوف تزيد من الضغط أثناء التبريد مما قد يؤدي إلى انكسار مزدوج، أو ما هو أسوأ من ذلك، كسور دقيقة. لدى معظم الشركات المصنعة مجموعات موحدة يعرفون أنها تعمل بشكل موثوق.
رسم الألياف الضوئية
تتم الخطوة الأخيرة على برج سحب الألياف الضوئية، حيث يتم إدخال القالب في فرن ساخن بدرجة كافية لتليين الزجاج-ونحن نتحدث عن 2000 درجة تقريبًا، زيادة أو نقصانًا. عندما يلين طرف التشكيل، تقوم الجاذبية والسحب الميكانيكي بسحبه إلى أسفل إلى ألياف رقيقة. تحتاج سرعة السحب ودرجة حرارة الفرن والتوتر إلى تنسيق دقيق للوصول إلى القطر المستهدف، والذي عادة ما يكون 125 ميكرومتر للكسوة.
يتم تطبيق عمليات الرسم التقليدية هنا، مما يعني أنك تتمتع بمراقبة حقيقية لقطر الزمن-وأدوات تطبيق الطلاء لإضافة طبقات بوليمر واقية بينما يكون الزجاج ساخنًا، بالإضافة إلى-التقاط البكرات. يظل تركيز الإربيوم في القلب دون تغيير بشكل أساسي أثناء الرسم-أنت تقوم فقط بتقليص كل شيء بشكل متناسب. لكن لا يمكن أن يكون شد السحب مرتفعًا جدًا وإلا ستؤدي إلى إجهاد الألياف مما يؤدي إلى انخفاض أدائها.
شيء واحد جدير بالملاحظة: كل هذا العمل لتوزيع الإربيوم بشكل موحد يؤتي ثماره هنا. يتم الحفاظ على أي اختلافات في التركيز في التشكيل في الألياف، لذا إذا واجهت مشاكل في الخطوتين 2 أو 3، فهي دائمة الآن. لا يمكنك إصلاحها، ولهذا السبب تتطلب تلك المراحل المبكرة الكثير من الاهتمام.
والألياف الناتجة، إذا سارت الأمور على ما يرام، هي عبارة عن ألياف بصرية مشبعة بالإربيوم- مناسبة لمكبرات الصوت أو ليزر الألياف، مع خصائص الكسب في النافذة 1530-1560 نانومتر التي تعتمد عليها أنظمة الاتصالات. ليس سيئًا بالنسبة لما بدأ ببعض ملح الكلوريد وقضيب مسامي.
