Pembuatan serat optik yang didoping erbium-melalui metodologi VAD melibatkan lima tahap berbeda:
(1) fabrikasi batang inti berpori dengan metode VAD
(2) proses doping dan impregnasi
(3) proses pembentukan sebelumnya
(4) proses selubung
(5) gambar serat optik
Setiap tahap menghadirkan serangkaian tantangannya sendiri
Pembuatan Mandrel Berpori Melalui Metode VAD
Prosesnya dimulai dengan pengaturan VAD konvensional, meskipun menyebutnya "konvensional" hampir tidak menunjukkan betapa rumitnya langkah ini. Anda memulai dengan batang target silika berdiameter-20mm, tidak ada yang mewah yang diposisikan secara vertikal. Nosel obor menjadi sistem pengiriman utama Anda, memasukkan SiCl₄ dengan kecepatan antara 450-550 liter per menit. Itu adalah jendela operasi yang cukup luas, dan posisi Anda dalam kisaran itu akan mempengaruhi tingkat deposisi Anda lebih dari yang diizinkan oleh sebagian besar lembar spesifikasi.
Oksigen mengalir dengan kecepatan 15 liter per menit, hidrogen dengan kecepatan 10 liter per menit. Reaksi hidrolisis api terjadi dengan cepat-kita berbicara tentang suhu yang cukup tinggi sehingga SiCl₄ tidak hanya terurai, namun juga meledak menjadi partikel silika kecil yang mulai terakumulasi pada batang target. Semuanya bergantung pada oksidasi termal yang terjadi bersamaan dengan hidrolisis, itulah sebabnya rasio gas sangat penting. Jika salah, Anda akan melihatnya pada variasi kepadatan struktur berpori Anda.
Apa yang Anda dapatkan, setelah waktu deposisi yang cukup, adalah mandrel SiO₂ berpori dengan diameter sekitar 60 mm. Batang target terangkat ke atas selama proses ini dengan kecepatan 55-60 mm per jam, lambat dan stabil. Terburu-buru dan pengendapan partikel menjadi tidak merata; lakukan terlalu lambat dan Anda berisiko menyebabkan area terkonsentrasi menjadi terlalu panas. Ada titik manisnya, dan untuk menemukannya terkadang memerlukan beberapa kali kegagalan. Struktur berpori yang dihasilkan sangat penting karena morfologinya menentukan seberapa efektif ia akan menyerap larutan doping nantinya. Terlalu padat maka larutan erbium tidak akan meresap cukup dalam; terlalu longgar dan Anda mendapatkan gradien konsentrasi yang akan menghantui Anda selama fase sintering.
Proses Impregnasi Doping
Di sinilah hal-hal menjadi kimia. Batang inti SiO₂ yang berpori langsung dimasukkan ke dalam wadah berisi larutan doping Anda, semuanya dilakukan pada suhu kamar karena pemanasan pada tahap ini akan menjadi kontraproduktif. Solusinya sendiri tampak sederhana: etanol sebagai pelarut, ErCl₃ sebagai dopan.
Sekarang, ErCl₃ memiliki kelarutan yang terbatas dalam etanol-Anda dapat meningkatkannya hingga sekitar 0,54% beratnya, dan itu adalah batas maksimalnya. Cobalah untuk menjejalkan lebih banyak dan Anda hanya membuang-buang dopan karena tidak akan bertahan dalam solusi. Beberapa laboratorium telah bereksperimen dengan pelarut berbeda untuk meningkatkan angka ini, namun etanol tetap menjadi standar karena menguap dengan bersih dan tidak meninggalkan kontaminan yang mengganggu struktur kaca.
Impregnasinya sendiri mudah dilakukan secara mekanis-Anda hanya membiarkan aksi kapiler dan difusi bekerja saat larutan meresap ke dalam pori-pori tersebut. Namun keseragaman serapan bergantung sepenuhnya pada seberapa konsisten struktur berpori tersebut sejak langkah pertama. Metode ini juga dapat digunakan dengan AlCl₃, yang terkadang digabungkan dengan erbium untuk mengubah karakteristik emisi. Aluminium dapat sedikit menggeser puncak emisi erbium dan mempengaruhi masa keadaan tereksitasi, yang penting untuk aplikasi amplifier.
Satu hal yang tidak selalu disebutkan dalam literatur teknis: waktu perendaman lebih penting daripada yang Anda kira. Biarkan terlalu pendek dan Anda mendapatkan penetrasi yang tidak sempurna ke bagian dalam batang. Biarkan terlalu lama dan... sebenarnya, hal itu jarang menjadi masalah kecuali larutan Anda mulai rusak, dan hal ini dapat terjadi jika kelembapan masuk.
Proses Pembentukan Sebelumnya
Tahap inilah dimana kesabaran menjadi suatu kebajikan. Anda memiliki batang berpori yang direndam dalam larutan dopan, dan Anda perlu mengubahnya menjadi batang kaca padat tanpa kehilangan erbium atau menimbulkan cacat. Proses ini dipecah menjadi tiga perlakuan termal, masing-masing memiliki tujuannya sendiri.
Yang pertama adalah penghilangan pelarut. Batang dimasukkan ke dalam tungku dalam atmosfer nitrogen-lingkungan lembam sangat penting di sini-dan Anda memanaskannya hingga suhu antara 60-70 derajat . Ini tampaknya lembut, dan memang memang demikian. Anda menguapkan etanol, yang memiliki titik didih 78 derajat, namun Anda menjaga suhu di bawah itu untuk menghindari mendidih, yang akan menciptakan retakan atau saluran akibat tekanan pada struktur berpori. Langkah ini memakan waktu antara 24 jam hingga 240 jam tergantung pada ukuran batang dan seberapa jenuhnya selama impregnasi. Tidak perlu terburu-buru. Saya telah melihat para insinyur mencoba mempercepat hal ini dengan menaikkan suhu, dan mereka selalu menyesalinya ketika menemukan kekosongan pada bentuk awal.
Setelah etanol hilang, Anda akan mendapatkan endapan erbium klorida di seluruh matriks silika berpori. Sekarang Anda perlu mengubah klorida tersebut menjadi oksida dan membuang klorin, karena sisa klorida akan menyebabkan pelemahan pada serat jadi-mereka menyerap cahaya pada panjang gelombang yang tidak Anda inginkan. Ini adalah fase dehidrasi.
Suhu melonjak secara signifikan: 950-1050 derajat di atmosfer amonia. Namun amonia tersebut tidak murni—mengandung 0,25%-0,35% oksigen, yang tampaknya merupakan jumlah yang kecil namun dikontrol dengan hati-hati. Terlalu banyak oksigen akan menyebabkan sintering dini; terlalu sedikit dan dehidrasi tidak sempurna. Amonia membantu menghilangkan gugus hidroksil yang tersisa dalam struktur kaca. Gugus OH⁻ terkenal menyebabkan puncak serapan sekitar 1,39 μm, yang merupakan masalah bagi telekomunikasi. Anda menahan kondisi ini selama 2,5-3,5 jam. Erbium klorida berubah menjadi erbium oksida selama fase ini.
Kemudian terjadi sintering, konsolidasi terakhir. Sekarang Anda berada dalam nitrogen lagi-tanpa amonia, tanpa oksigen-pada suhu 1400-1600 derajat selama 3-5 jam. Di sinilah struktur berpori runtuh dan silika sepenuhnya berubah menjadi kaca transparan. Erbium oksida dimasukkan ke dalam jaringan silika, idealnya mendistribusikan dirinya secara relatif seragam pada tingkat molekuler. Suhu harus cukup tinggi untuk pemadatan sempurna tetapi tidak terlalu tinggi sehingga erbium mulai bermigrasi atau berkelompok, yang akan menimbulkan ketidakhomogenan konsentrasi.
Apa yang muncul adalah batang inti kaca transparan dengan erbium tersebar di seluruh bagiannya. Jika Anda telah melakukan semuanya dengan benar, gelembungnya akan minimal, kejernihan optiknya bagus, dan konsentrasi erbiumnya sesuai dengan perhitungan Anda dari langkah impregnasi-meskipun tidak pernah sama persis. Selalu ada kerugian selama pemrosesan termal.
Proses Selubung
Setelah semua pengerjaan inti yang cermat, langkah pelapisan hampir terasa antiklimaks, meski bukan hal sepele. Batang inti memerlukan pelapis-lapisan kaca dengan indeks bias lebih rendah yang akan membatasi cahaya ke inti melalui refleksi internal total.
Anda mengambil batang inti yang sudah jadi dan memasukkannya ke dalam-tabung pelapis yang telah dibuat sebelumnya. Tabung ini biasanya terbuat dari silika murni atau sedikit diolah untuk menyesuaikan kontras indeks bias. Kesesuaiannya penting: terlalu longgar dan Anda akan memerangkap udara; terlalu ketat dan Anda berisiko memecahkan sesuatu saat dimasukkan. Setelah dirakit, seluruh struktur dikembalikan ke tungku tempat mereka dibakar bersama-sama. Pemanasan menyebabkan kedua bagian tersebut melunak dan menyatu, menciptakan bentuk awal yang monolitik-satu bagian padat tanpa celah antarmuka yang akan menyebarkan cahaya.
Koefisien ekspansi termal inti dan kelongsong harus cukup sesuai, jika tidak, Anda akan menimbulkan tekanan selama pendinginan yang dapat menyebabkan birefringence atau, lebih buruk lagi, retakan mikro. Sebagian besar produsen memiliki kombinasi standar yang mereka tahu dapat diandalkan.
Gambar Serat Optik
Langkah terakhir terjadi pada menara gambar serat optik, tempat bentuk awal dimasukkan ke dalam tungku yang cukup panas untuk melunakkan kaca-kita berbicara tentang suhu sekitar 2000 derajat, kurang lebih. Saat ujung yang sudah dibentuk melunak, gravitasi dan tarikan mekanis menariknya ke bawah menjadi serat tipis. Kecepatan menggambar, suhu tungku, dan ketegangan semuanya memerlukan koordinasi yang cermat untuk mencapai diameter target Anda, biasanya 125 μm untuk kelongsongnya.
Proses menggambar konvensional berlaku di sini, artinya Anda memiliki-pemantauan diameter secara real-time, aplikator pelapis untuk menambahkan lapisan polimer pelindung saat kaca masih panas, dan-spul pengambil. Konsentrasi erbium di inti tetap tidak berubah selama menggambar-Anda hanya menyusutkan semuanya secara proporsional. Namun ketegangan penarikan tidak boleh terlalu tinggi atau Anda akan menyebabkan tekanan pada serat yang menurunkan kinerjanya.
Satu hal yang perlu diperhatikan: semua upaya untuk mendistribusikan erbium secara seragam benar-benar membuahkan hasil di sini. Variasi konsentrasi apa pun dalam bentuk awal akan tersimpan di dalam serat, jadi jika Anda mengalami masalah di langkah 2 atau 3, masalah tersebut sekarang bersifat permanen. Anda tidak dapat memperbaikinya, itulah sebabnya tahap-tahap awal tersebut memerlukan begitu banyak perhatian.
Serat yang dihasilkan, jika semuanya berjalan dengan baik, adalah serat optik doping erbium-yang cocok untuk amplifier atau laser serat, dengan karakteristik penguatan pada jendela 1530-1560 nm yang diandalkan oleh sistem telekomunikasi. Lumayan untuk apa yang awalnya berupa garam klorida dan batang berpori.