Struktura

Výroba optického vlákna

Výroba optického vlákna

Výroba skleněného optického vlákna je technologicky náročný, a proto i velmi nákladný proces. Od optického vlákna se očekává tak malý útlum, aby jím mohlo světlo procházet na vzdálenosti jednotek až stovek kilometrů. To předpokládá výběr vhodného typu skla a minimalizaci nečistot v materiálu vlákna. Proto celý výrobní proces musí být prováděn se zachováním ultra vysoké čistoty.

Jakékoliv nehomogenity v geometrii vlákna navíc znamenají odrazy, rozptyly, absorpce a ztráty signálu. Z tohoto důvodu parametry vlákna musí být během výrobního procesu trvale pečlivě monitorovány a celý proces automatikou průběžně regulován tak, aby nedocházelo k jejich náhodným změnám.

Materiál pro výrobu optických vláken

Základním materiálem pro výrobu je čisté křemičité sklo, čistý kysličník křemičitý SiO2. Tento materiál má v infračervené oblasti spektra oblasti s velmi nízkým útlumem – takzvaná telekomunikační okna. Útlum křemenného skla na velkých vlnových délkách prudce klesá. Minimální útlum má SiO2 přibližně kolem vlnové délky 1550 nm. Od vlnové délky1600 nm útlum opět začíná stoupat. V oblasti s nízkým útlumem je ovšem na křivce několik pahorků způsobených hlavně OH ionty, tedy disociovanou vodou nacházející se uvnitř materiálu vlákna (například útlumové maximum na vlnové délce 1397 nm). Proto musí být ve vlákně obsah vody minimalizován. To je také důvodem, proč jsou optická vlákna extrémně citlivá na navlhnutí (vlhkost způsobuje jejich tzv. oslepnutí), a musí být před vlhkostí pečlivě chráněna ochrannými obaly bezprostředně ihned po procesu tažení.

Aby vlákno fungovalo, musí mít jeho jádro index lomu vyšší (cca o 1%) než plášť. Bohužel křemenné sklo má hodnotu indexu lomu pouze kolem 1,544 a příměsemi se dá zvyšovat, ale téměř ne snižovat. Proto se jádro nevyrábí z čistého křemenného skla, ale ze směsi křemenného a germaniového skla GeO2, které má vyšší index lomu a téměř nezměněný útlum.

Starší technologie výroby spočívala v tažení vlákna ze skelné hmoty získané přímým roztavením směsi jemného práškového SiO2, GeO2 a dalších příměsí. Všechny suroviny musely být pochopitelně velmi čisté. V moderních technologiích výroby se vlákno táhne z takzvané preformy, na níž se SiO2, GeO2 (případně další příměsi) usazují typicky z chloridů křemíku a germania SiCl4 a GeCl4.

Preforma

Preforma pro výrobu optického vlákna je trubice vyrobená ze skel požadovaných vlastností pro jádro a plášť budoucího vlákna. Velikost preformy ovlivňuje to, jak dlouhé vlákno v kuse z ní bude možno vytáhnout. Běžné jsou průměry od 1 do 5 cm a délky od 30 cm do několika metrů. Z velkých preforem se dá vytáhnout vlákno o délce až několik set km.Existuje několik metod výroby preformy.

Jednou z metod výroby preformy je nanášení materiálu jádra na vnitřní stranu skleněné trubice vyrobené ze skla vhodného pro plášť vlákna. Skleněná trubice je upevněna ve stroji podobnému soustruhu. Namísto nože se po délce budoucí preformy pohybuje hořák s kyslíkovo-vodíkovým plamenem, který jí nahřívá na potřebnou teplotu. Dovnitř trubice se přivádí chloridy nebo fluoridy křemíku nebo germania spolu s kyslíkem, takže na jejích vnitřních stěnách může dojít k oxidaci a usazování složek budoucího jádra ve formě jemného bílého prášku. Po dosažení potřebné tloušťky usazeniny opakovaným posunem hořáku po délce otáčející se trubice je opět preforma vystavena vyšší teplotě, aby se prášek spekl do sklovité hmoty a zároveň byl zbaven problematických OH iontů.

Výhodou této metody je možnost dosažení větších rozměrů preforem a výrazné zkrácení procesu nanášení, a to zejména u jednovidových vláken, kde průměr jádra tvoří necelou desetinu celkového průměru. Proto je i tloušťka vrstvy pro jádro nanesené v preformě menší než desetina tloušťky stěny původní trubice.

Poslední fází přípravy preforemy je natavení a zúžení jejich spodního konce a jeho zatavení do špičky.

Tažení vlákna z preformy

Křemenné sklo má i při teplotách kolem 2000 °C vysokou viskozitu, takže jeho vytažení do tenkého vlákna teoreticky není složité. V praxi je ovšem proces tažení vlákna velmi náročný, protože je potřeba ho řídit tak, aby vlákno mělo po celé délce zcela konstantní parametry, zejména tloušťku.

Proces tažení využívá zemskou gravitaci.  Vlákno je tedy z preformy taženo směrem dolů, a protože je potřeba, aby vychladlo bez jakéhokoliv ohybu, musí být stolice pro jeho tažení poměrně vysoká. Obvykle prochází několika patry výrobních prostor.

V horní části stroje je mechanizmus pro zavěšení preformy, který jí dokáže podle potřeby tak, jak při tažení ubývá, velmi přesně posouvat směrem dolů. Spodní část preformy se nahřívá v peci na teplotu, při které má křemenné sklo optimální viskozitu pro tažení (teplota v oblasti těsně pod 2000 °C). Pro ohřev se používá kyslíko-vodíkových hořáků nebo indukčních pecí.

Sklo preformy se nejprve nahřeje na vyšší teplotu tak, aby se utvořila kapka táhnoucí za sebou vlákno (podobně jako když odkapává med ze lžičky). Teplota je snížena, velká kapka z konce je odlomena a počáteční vlákno (zatím zcela nepoužitelných parametrů) je protaženo všemi částmi stroje a zavedeno k cívce, kam bude namotáváno.

Stroj začne vlákno řízeně vytahovat. První součástí stroje, kterou vytažené vlákno prochází je laserový optický měřič jeho průměru. Obvykle používaná vlákna mají průměr 125μm. Pokud přístroj naměří větší průměr, tažení se mírně zrychlí, pokud je naopak menší, tažení se zpomalí. Současně se také přesně reguluje teplota v peci.

Dále vlákno prochází částí stroje, která na něj nanese ochrannou vodě nepropustnou vrstvu  – primární ochranu. Ten je obvykle vytvrzován působením UV záření z výbojek umístěných podél cesty vlákna. Někdy se postupně nanáší a vytvrzuje několik takových vrstev. Dále vlákno prochází důmyslnou soustavou kladek, které ho pevně ale citlivě drží a působí silou potřebnou na jeho tažení. V této části stroje je obvykle také směr vlákna ze svislého změněn na vodorovný a vlákno dále pokračuje k soustavě kladek navádějící ho na cívku, kde je ukládáno. Na cívku se vlákno začne namotávat teprve až po dosažení přesných hodnot parametrů, obvykle několika desítek metrů po zahájení procesu. Tahání vlákna z preformy je znázorněno na obrázku.

 

                                                              

 

Obr. 1: Princip tahání vlákna z preformy

Cívky s optickým  vláknem chráněným primární ochranou jsou připraveny k dalšímu zpracování na optické kabely.

                                               

Obr. 2: Cívka s vláknem v primární ochraně

Zdroje

  • STRNAD, Stanislav. Optická vlákna a telekomunikace. 2. vydání Praha 1991, ISBN 80-900721-0-0

Obrázky:

  • Obr. 1: Archiv autora
  • Obr. 2: Archiv autora
  • Obr. 3: Autor neznámý. www.google.cz [online].[cit. 31.10.2014]. Dostupný na WWW:  www.google.cz/search?q=výroba+optických+vláken&rlz=1C1KMZB_enCZ520CZ563&espv=2&biw=1014&bih=608&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ei=_sG4VPzLEI34aJD7goAJ&ved=0CAYQ_AUoAQ#tbm=isch&q=ta%C5%BEen%C3%AD+vl%C3%A1kna+z+preformy&imgdii=_&imgrc=dsu1aS6u514LUM%253A%3B4wWFc8IA0l93KM%3Bhttp%253A%252F%252Fpanwiki.panska.cz%252Fimages%252Fthumb%252Ff%252Ff9%252FKremenna-okna.png%252F180px-Kremenna-okna.png%3Bhttp%253A%252F%252Fpanwiki.panska.cz%252Findex.php%252FV%2525C3%2525BDroba_optick%2525C3%2525A9ho_vl%2525C3%2525A1kna%3B180%3B109
 

Graf

Obr. 3: Graf znázorňuje závislost útlumu na vlnové délce. Barevnými pásy jsou znázorněna telekomunikační okna, která se používají pro přenos.

Logolink