Глава 3. изготовление световодов

3.2 Изготовление кварцевых стекол осаждением из газовой фазы

Оптические волноводы для коммуникаций состоят главным образом из кварцевого стекла (двуокись кремния SiO₂), со светопроводящим ядром из волокна, легируемым прибавлениями германия и фосфора, чтобы увеличить показатель преломления и возможно бора или фтора, чтобы понизить коэффициент преломления. Уникальная пригодность SiO₂ для изготовления сверхчистого, сверхпрозрачного кварцевого стекла основывается не только на его низком внутреннем поглощении, но и на том, что кварцевое стекло, с примесями или без, может быть получено осаждением из чистой и однородной газовой смеси.

Преимущество методов с осаждением из газовой фазы заключается в том, что упругость пара отличается от вещества к веществу, а материал из жидкого состояния выпаривается в почти постоянной температуре, побочные примеси находящиеся в жидкости  не испаряются и только требуемый материал выпаривается. Поэтому, материал становится намного чище в паровой нежели в жидкой фазе, что делает этот эффект полезным для создания чистых слоев. Если материал выбран правильно, температура испарения может слегка варьироваться и в этом случае парообразованием можно легко управлять.

Рисунок 3.3 Очистка натурального кремниевого песка.

Поэтапная перегонка гарантирует, что кремниевые хлориды, выделяемые в процессе хлорирования, получены в сверхчистой форме. Они отделяются от металлических хлоридов, типа хлористого железа. Кремниевые хлориды используются так же, например, для изготовления кремния с  высокой чистотой для полупроводников.

Чистая двуокись кремния восстанавливается из кремниевого тетрахлорида путем  осаждения из газовой фазы. Индекс преломления чистого вещества равен 1458. Чтобы изменить индекс преломления до требуемого уровня добавляются соответствующие примеси (GeCl₄, PОCl₃ и т.д.). Хлорид или смесь хлорида могут быть гидролизованы в газовом пламени (Реакция 2 рис. 3.3) или окислены в потоке кислорода при 1300^О C (Реакция 3, рис. 3.3), где на соответствующем основании конденсируется мелкозернистый порошок SiO₂.

Чтобы материал мог использоваться как легирующая примесь, он должен отвечать следующим требованиям:

• иметь высокую чистоту и быть легко доступным,
  легко переходить в жидкое состояние,

• отличаться от переходного металла давлением пара,

• легко остекловываться с кварцем и давать требуемый коэффициент преломления,

• иметь коэффициент теплового расширения после остекленения почти равным таковому у Si02,

• обладать неизменными физическими свойствами после остекленения.

Остаточная вода (например, от газов пламени) может быть эффективно удалена от полученной двуокиси кремния с помощью газа хлора, так как вода и хлор формируют летучий хлористый водород при температуре около 1000^О C (Реакция 4, рис. 3.3). Этот процесс просушивания значительно увеличивает световую проницаемость стекла.

Пористая двуокись кремния спекается в температурах более 1200^О C и формирует твердое, свободное от включений кварцевое стекло. Происходит это в результате снижения энергии поверхности при переходе от гранулированного стекла к твердому.