Το πρόβλημα καθαρότητας στην κατασκευή οπτικών ινών είναι ειλικρινά πιο βάναυσο από ό,τι αντιλαμβάνονται οι περισσότεροι. Μιλάμε για επίπεδα μόλυνσης που πρέπει να είναι κάτω από 1 ppb για μεταλλικά ιόντα-και εάν εργάζεστε με οπτικές ίνες πλήρους-κύματος, η απαίτηση ιόντων ΟΗ πέφτει σε σχεδόν παράλογο 0,8 ppb. Το τυπικό καθαρισμένο SiCl4 και GeCl4 απλά δεν το κόβουν, ούτε καν το κλείνουν.
Γιατί η πίεση ατμών έχει πραγματικά σημασία εδώ
Εδώ είναι λοιπόν το θέμα με όλες αυτές τις διεργασίες προμορφώματος-MCVD, PCVD, VAD, OVD-όλες βασίζονται στην εναπόθεση σε φάση ατμού. Αλλά αυτό που πραγματικά κάνει αυτό το έργο για καθαρισμό δεν είναι μόνο η ίδια η εναπόθεση. Είναι η επιλεκτική εξάτμιση που συμβαίνει πριν καν τα υλικά φτάσουν στη ζώνη αντίδρασης.
Φανταστείτε μια φιάλη με φυσαλίδες που κάθεται εκεί, για παράδειγμα, στους 55 βαθμούς για SiCl4 (σημείο βρασμού 57,6 βαθμούς). Το υγρό εξατμίζεται συνεχώς, δημιουργώντας αυτή την τάση ατμών P1 πάνω από την επιφάνεια, ενώ η ατμοσφαιρική πίεση P2 ωθεί προς τα κάτω. Όταν αυτές οι πιέσεις εξισωθούν στο P3, χτυπάτε αυτό που ονομάζουμε πίεση κορεσμένων ατμών. Ζεσταίνετε το λίγο περισσότερο και το P1 ξεπερνά το P2-περισσότερα μόρια μεταπηδούν στην αέρια φάση. Ψύξτε το, η συμπύκνωση αναλαμβάνει.
Η ομορφιά αυτού; Οι περισσότερες μεταλλικές ακαθαρσίες έχουν σημεία βρασμού πολύ υψηλότερα από το SiCl4 ή το GeCl4 (που βράζει στους 83,1 βαθμούς). Απλώς κάθονται στην υγρή φάση ενώ το καθαρό υλικό εξατμίζεται. Η μόλυνση με σίδηρο, για παράδειγμα, μπορεί να πέσει από 20 ppb σε 1 ppb μόνο μέσω αυτής της διαδικασίας. Αυτό είναι 20 φορές μείωση χωρίς περίπλοκη χημική επεξεργασία.
Η MCVD's Take on Material Delivery
Στα συστήματα MCVD, οξυγόνο υψηλής καθαρότητας-ρέει μέσω ενός MFC στη φιάλη φυσαλίδων. Λειτουργεί ως φέρον αέριο, σαρώνοντας τον κορεσμένο ατμό μέσω των γραμμών παροχής και στον σωλήνα χαλαζία όπου συμβαίνει η πραγματική μαγεία-χημική αντίδραση ατμού και στρώμα-με-εναπόθεση στρώσης στο εσωτερικό τοίχωμα.
Ο έλεγχος θερμοκρασίας εδώ είναι δύσκολος. Πολύ ζεστό και αρχίζετε να ατμίζετε τις ακαθαρσίες. Πολύ κρύο και δεν έχετε αρκετή ροή υλικού. Το γλυκό σημείο είναι συνήθως μερικούς βαθμούς κάτω από το σημείο βρασμού, διατηρώντας αυτή την ισορροπία όπου παίρνετε τον μέγιστο καθαρό ατμό χωρίς να περνάτε στην περιοχή όπου αρχίζουν να έρχονται ρύποι για τη βόλτα.
OVD και VAD: Διαφορετική γεωμετρία, ίδια φυσική
Οι διεργασίες OVD και VAD χειρίζονται τα πράγματα διαφορετικά λόγω της ρύθμισης εξωτερικής εναπόθεσής τους. Αντί μια φιάλη φυσαλίδων να τροφοδοτείται σε ένα σωλήνα, έχετε πολλαπλές ροές αερίου-O2, H2, Ar-συν τους ατμούς SiCl4 και GeCl4 που βγαίνουν όλοι από ξεχωριστά ακροφύσια φακού.
Αυτά τα συστήματα στην πραγματικότητα θερμαίνουν τις πρώτες ύλες πάνω από τα σημεία βρασμού τους για να δημιουργήσουν κατάλληλα ρεύματα αερίου. Το SiCl4 ξεπερνά τις 57,6 μοίρες, το GeCl4 τις 83,1 μοίρες. Αλλά-και αυτό είναι σημαντικό-η θερμοκρασία εξακολουθεί να παραμένει πολύ κάτω από τα σημεία βρασμού των ακαθαρσιών. Έτσι, εξακολουθείτε να έχετε αυτό το αποτέλεσμα απόσταξης, απλώς σε μια πιο επιθετική διαμόρφωση. Η ρύθμιση του φακού το απαιτεί επειδή χρειάζεστε καθορισμένους πίδακες αερίου, όχι μόνο ατμούς που μεταφέρονται σε ένα ρεύμα.
Το αποτέλεσμα; Προδιαμορφώστε τα σωματίδια αιθάλης με τα επίπεδα καθαρότητας που απαιτούνται από τις σύγχρονες προδιαγραφές ινών.
Το πρόβλημα της ακαθαρσίας Κανείς δεν μιλάει αρκετά
Τα μεταλλικά ιόντα είναι οι προφανείς κακοί. Ο σίδηρος, το χρώμιο, ο χαλκός-απορροφούν το φως και προκαλούν απώλεια. Αλλά τα ιόντα ΟΗ είναι ύπουλα. Δημιουργούν κορυφές απορρόφησης σε συγκεκριμένα μήκη κύματος, ιδιαίτερα γύρω στα 1383 nm, κάτι που ιστορικά δημιούργησε μια «αιχμή νερού» που ανάγκασε τα πρώιμα συστήματα ινών να αποφεύγουν εντελώς τα παράθυρα ορισμένου μήκους κύματος.
Το Full{0}}wave fiber άλλαξε το παιχνίδι απαιτώντας περιεχόμενο OH κάτω από 1 ppb και ειλικρινά, για να φτάσουμε εκεί χρειαζόταν επανεξέταση ολόκληρης της αλυσίδας χειρισμού υλικού. Δεν είναι πλέον μόνο η θερμοκρασία της φιάλης φυσαλίδων. Κάθε βαλβίδα, κάθε γραμμή, κάθε σφράγιση στο σύστημα παροχής γίνεται μια πιθανή πηγή μόλυνσης.
Μπορείτε να έχετε τέλεια απόσταξη στη φιάλη με φυσαλίδες και να καταλήξετε με αυξημένο OH εάν υπάρχει μια μικροσκοπική διαρροή που αφήνει την υγρασία στις γραμμές παράδοσης. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα εργαστήρια κατασκευής προμορφωμάτων ινών μοιάζουν με χώρους καθαρισμού ημιαγωγών-γιατί σε αυτά τα επίπεδα καθαρότητας, βασικά είναι.
Διαβαθμίσεις θερμοκρασίας και επιλεκτική εξάτμιση
Υπάρχει ένα δευτερεύον αποτέλεσμα καθαρισμού που δεν τραβάει την αρκετή προσοχή: διαχωρισμός θερμικής κλίσης. Ακόμη και μέσα στην ίδια τη φιάλη φυσαλίδων, έχετε διακυμάνσεις θερμοκρασίας. Η επιφάνεια του υγρού είναι πιο ζεστή, ενώ οι περιοχές κοντά στα τοιχώματα της φιάλης μπορεί να είναι κατά ένα ή δύο βαθμούς ψυχρότερες.
Αυτό δημιουργεί μικρο-ρεύματα μεταφοράς που πραγματικά βοηθούν στη συγκέντρωση ακαθαρσιών σε ψυχρότερες ζώνες, ενώ το καθαρό υλικό εξατμίζεται κατά προτίμηση από τη θερμότερη επιφάνεια. Είναι ένα μικρό αποτέλεσμα, ίσως συνεισφέρει 10-15% στον συνολικό καθαρισμό, αλλά όταν κυνηγάτε την καθαρότητα σε επίπεδο ppb, κάθε λίγο μετράει.
Ορισμένα συστήματα χρησιμοποιούν ακόμη και σκόπιμα σταδιακές ζώνες θερμοκρασίας στις γραμμές παράδοσης για να δημιουργήσουν πολλαπλά στάδια απόσταξης. Ο ατμός συμπυκνώνεται για λίγο σε ένα πιο ψυχρό σημείο και στη συνέχεια εξατμίζεται ξανά στην επόμενη θερμαινόμενη ζώνη, αφήνοντας πίσω άλλο ένα στρώμα ακαθαρσιών κάθε φορά.
Τι σημαίνουν πραγματικά οι αριθμοί
Όταν λέμε "κάτω από 1 ppb μεταλλικά ιόντα", μιλάμε για ένα μέρος στο 10⁹. Για να το θέσουμε σε μια προοπτική, αν είχατε μια πισίνα γεμάτη SiCl4, ένα ppb θα ισοδυναμούσε με λιγότερο από μια σταγόνα ρύπων.
Οι αναλυτικές τεχνικές ακόμη και για τη μέτρηση της καθαρότητας σε αυτά τα επίπεδα-ICP-MS, GDMS-είναι αρκετά εξελιγμένες ώστε ο χειρισμός του δείγματος να γίνεται η δική του πρόκληση. Μπορείτε να μολύνετε το δείγμα σας κατά τη διάρκεια της διαδικασίας μέτρησης εάν δεν είστε προσεκτικοί.
Και εδώ είναι το απογοητευτικό μέρος: η επίτευξη 0,8 ppb OH σε πλήρη-κυματική ίνα δεν απαιτεί απλώς καθαρισμό των πρώτων υλών, αλλά και έλεγχο ολόκληρης της ατμόσφαιρας της διαδικασίας. Ακόμη και το εξαιρετικά{3}}καθαρό άζωτο μπορεί να έχει ίχνη υγρασίας. Ακόμη και το "ξηρό" οξυγόνο από τους κυλίνδρους δεν είναι αρκετά στεγνό. Οι περισσότερες σοβαρές εργασίες προμορφώματος καταλήγουν να λειτουργούν τα δικά τους συστήματα καθαρισμού αερίου μόνο και μόνο για να πληρούν τις προδιαγραφές.
Δυναμική ροής υλικού
Ο πραγματικός ρυθμός ροής μέσα από αυτές τις φιάλες φυσαλίδων ποικίλλει ανάλογα με τη διαδικασία εναπόθεσης και τα επιθυμητά επίπεδα ντόπινγκ. Το MCVD μπορεί να έχει σχετικά χαμηλούς ρυθμούς ροής, καθώς εναποθέτετε σε μια μικρή εσωτερική επιφάνεια. Η εξωτερική εναπόθεση OVD καταναλώνει το υλικό γρηγορότερα επειδή δημιουργείτε μια αιθάλη που μπορεί να έχει διάμετρο αρκετές ίντσες.
Αυτός ο ρυθμός ροής επηρεάζει την ισορροπία στη φιάλη φυσαλίδων. Οι υψηλότεροι ρυθμοί άντλησης μπορούν στην πραγματικότητα να ψύξουν το υγρό μέσω ψύξης με εξάτμιση, απαιτώντας ενεργή αντιστάθμιση θερμοκρασίας για τη διατήρηση σταθερής πίεσης ατμών. Ορισμένα συστήματα χρησιμοποιούν θερμαινόμενες γραμμές παροχής όχι μόνο για την πρόληψη της συμπύκνωσης, αλλά για τον ενεργό έλεγχο της σύστασης ατμών-με επιλεκτική συμπύκνωση και εκ νέου{3}}εξάτμιση.
Η μηχανική γίνεται πολύπλοκη γρήγορα, γι' αυτό πιθανώς τα περισσότερα χαρτιά επικεντρώνονται στην απλή ισορροπία της τάσης ατμών και σβήνουν τα δυναμικά εφέ.
Το όλο σύστημα είναι βασικά μια στήλη συνεχούς απόσταξης που λειτουργεί σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες, εκμεταλλευόμενη το γεγονός ότι το πυρίτιο και το τετραχλωριούχο γερμάνιο είναι πτητικά ενώ οι ακαθαρσίες τους όχι. Απλό κατ' αρχήν, εφιαλτική στην εκτέλεση όταν κυνηγάς 0,8 ppb OH σε ένα πλήρες-προμόρφωμα κυματικής ίνας.
