Optik fiberlerde en önemli konu, zayıflamada baskın rol oynayan, malzemelerin saflığıdır. Pencere camı ile modern optik fiberlerde ulaşılan geçirgenlik arasında katlık (dB olarak) bir fark vardır. (Eğer deniz, optik fiber camdan yapılmış olsaydı, Atlantik Okyanusunun dibi net bir şekilde görülebilirdi; bir güneş sözlüğünün etkisi 3 m kalınlığında bir pencere camı ile elde edilirken, aynı etki 3 km’lik bir optik fiber camla elde edilebilirdi.)
Tabii kuartz kristallerini eriterek cam elde edilmesine rağmen, haberleşme optik fiberleri için kullanılan silikanın sentetik orjinli olduğu söylenebilir. Geliştirilen teknikler iki ana grupta toplanabilir; İçerden buhar fazında oksitlenme (IVPO) ve dışardan buhar fazında oksitlenme (OVPO) her ikisi de Buhar Fazı işlemleri sınıfına dahildir. VPP’ler, ek kirlilikleri en aza indirmekle kalmayıp, aynı zamanda kullanılan reaktif maddeden daha saf olan camların eldesini sağlar. Ana reaktif maddelerin (SiCl4, GeCl4, TiCl4, BCl3) buhar basıncı, kirliliklerinkinden çok daha yüksektir ve basit buharlaştırma ile kirlilik azaltılır.
OVPO işlemi, 1970’de ilk düşük kayıplı optik fiberin üretilmesine imkan vermiştir. Bu yöntem SiCl4 buharının bir gaz yakıcıya gönderilmesinden oluşur. Alevin olduğu yerde reaksiyonu meydana gelir. Bu şekilde oluşan silika parçacıkları bir hedef üzerine biriktirilir. İşlem şartlarına bağlı olarak camsı silika elde etmek veya çeşitli büyüklüklerde camsı silika parçacıklarından oluşan bir kurum çubuğu elde etmek mümkündür. İki ana OVPO işlemi, ileri bir pekiştirme safhasından sonra bir preform haline gelecek olan bir çubuk verir.
IVPO işlemleri, yarı iletken endüstrisinde yaygın olarak kullanılan kimyasal buharla biriktirme işlemlerinden geliştirilmiştir. Bir silika camdan yapılmış reaksiyon tüpünden geçirilen asaloksitleyici bir gaz karışımı içine küçük bir miktar SiH4 katılmıştır. Bazı işlem parametrelerini değiştirmekle, tüpün iç duvarı üzerinde camsı bir tabakası oluşturmak mümkün olmuştur. Pek çok tabakasından sonra, daha yüksek kırılma indisli tabakalar oluşturmak için, gaz karışımına küçük bir miktar katılmıştır. Daha sonra tüp yüksek sıcaklıkla çöktürülmüştür. Böylelikle bir preform elde edilmiştir. Tüp küçük çaplı, işlem düşük verimli yavaş bir işlemdi ve yüksek zayıflatmalı fiberler elde edilmişti. Bununla birlikte bu yöntem, kısa zamanda optik fiber teknolojisi alanında en güçlü bir araştırma aracı haline gelen MCVD işleminin geliştirilmesinde temeli oluşturmuştur. Orijinal CVD’de yapılan ana değişiklikler şunlardır:
1- Hidroksil oluşumunu önlemek için hidrürlerle klorürler yerdeğiştirilmiştir
2- Bir ‘’hacim’’ reaksiyonu (homojen reaksiyon) elde etmek ve böylece daha büyük verime ulaşmak için bir yüksek sıcaklıklı yakıcı eklenmiştir.
3- Düzgün tabakalar oluşturmak ve uzun preformlar elde etmek için, reaksiyon tüpü döndürülmüş ve yakıcı uzunluğuna hareket ettirilmiştir.
Sadece bu değişiklikler MCVD yönteminin çok büyük başarısını ve potansiyelini açıklamaz; oldukça iyi esnekliği kadar basitliği ve düşük maliyeti de üstünlüklerindendir.
- MCVD YÖNTEMİ:
Bu yöntem, pek çok bakımdan yapılan katkılarla yavaş yavaş değiştirilmiş olan, bir içten biriktirme (IVP) işlemidir. MCVD işlemi en yaygın preform elde etme yöntemidir. Bir preform, sonuçta elde edilecek olan fiberin kırılma indis profiline sahip olan, ancak oldukça büyük çaplı ve 1 m uzunluklu bir çubuktur. İşlemdeki ilk adım, bir tüpünü oluşturmaktadır. Bu tüp, sonuç fiberin yeleği görevini görecektir ve bu yüzden oluşturulurken katkılanabilir. Bu tüp mandral denen, dönen seramik bir elamanın üzerine, kurum olarak adlandırılan parçacıkları ve katkılayıcılarda oluşan bir tabakanın biriktirmesiyle oluşturulur. Kurum yeterli kalınlığa ulaşınca, yaklaşık 1400 ’ye kadar ısıtılarak temiz bir cam haline getirilir. Daha sonra Mondrel çekilir.
Bu şekilde oluşturulan silika yelek tüpünün kısa bir bölgesi, tüp, bir cam işleme tezgahı üzerinde döndürülürken tüp boyunca hareket ettirilen harici bir ısıtıcı ile ısıtılır. Bu har fazında olan reaktif maddeler, taşıyıcı oksitleyici asal gazların bir karışımı ile beraber kontrollü miktarlarda reaksiyon tüpünden geçirilir, ısıtılan bölgeye yakındalarında oksitlenme oluşur.
Isıtıcı hızı, reaktif madde akışı yönünde kontrol edilir. Reaksiyon tüpünün ısıtılan bölgesinin sıcaklığı, aynı ısıtıcı taşıyıcısına yerleştirilmiş olan bir pirometre (sıcaklık ölçer) ile okunur. Tipik sıcaklık bölgesi 1200 ’den 1600 ’ye kadardır. Isıtılan bölgede, tüpün iç duvarı ile gazlar arasında homojen bir reaksiyon meydana gelir; bu reaksiyonla silika parçacıkları oluşur. Bu parçacıklar, sıcak bölgenin ilerlediği yönde tüp duvarları üzerinde bir kurum oluşturur. Bir sıcaklık değişimi olan bir bölgede bulunan bir parçacık, yüksek sıcaklıktaki parçacıklarla çarpışmanın bir sonucu olarak, soğuk bölgelere doğru hareket eder.
- OVD YÖNTEMİ
OVD yöntemi, 1930’da J.F.Hyde tarafından geliştirilen yönteme çok benzer ve OVPO işlemleriyle birlikte kısaca tasvir edilmiştir. Biriktirme fazı, yüksek sıcaklığa dayanıklı bir malzemeden (genellikle veya grafit) yapılmış küçük çaplı silindirik bir çubuğun dış duvarı üzerinde meydana gelir, bu çubuk aynı zamanda preformun desteğini oluşturur ve biriktirme işleminin sonunda çıkarılır. Çubuk bir tazgah üzerinde döndürülür ve biriktirme ocağının alevine tutulur. Ocak, tezgah ekseni boyunca hareket eder ve tazgahın bir gidiş geliş mesafesi preformun uzunluğunu belirler. Yakıt gaz, bazen diğer hidrokarbonlarla beraber olmak üzere çoğu kez metan veya hidrojendir.
Başlangıç bileşikleri, IVPO yöntemindekilerle aynıdır. Reaktantlar, bunlar olarak yakıcıya gönderilir, akış kontrolü ve karıştırma sistemleri, eş merkezli bir ağız takımıyla sağlanır. Reaktant gazlar merkezi ağızlardan, yanacak gazlar dıştaki ağızlardan çıkar. Bir asal gaz orta ağızlardan çıkar ve reaksiyon gazlarını alevin en sıcak bölgesine doğru götürür.
Burada, reaksiyon, oksijenlerle halojenler arasında meydana gelir ve 0,1 µm çaplı, silika veya katkılı silikanın küçük camsı parçacıklarından oluşan bir toz oluşur. Bu parçacıklar çubuğun üstüne püskürtülür ve beyaz sümgerimsi silindirik bir gövde oluşturur; bu gövdenin yoğunluğu, bitmiş preformunkinden %15-25 daha azdır. Biriktirme fazından sonra, destek çubuk çıkarılır ve süngerimsi silindir müteakip bir destek fazına geçer bu süngerimsi ara evrenin avantajları, düşük işlem sıcaklığı olması (bu, daha az katkı maddesinin buharlaşmasına yol açar) ve yoğun cama göre süngerimsi kütleden OH gruplarını gidermenin daha kolay olmasıdır. Biriktirmenin meydana geldiği dolanım, yüksek temizlik şartlarında çalışmayı mümkün kılmalıdır. OVD işleminde, biriktirme hızı ve verimi, üzerine biriktirmenin yapıldığı silindirin çapıyla ve akan gazların miktarıyla artar.
Bu yöntemin üstünlükleri, yüksek biriktirme hızı, büyük preform boyutu, düşük OH miktarı ve preformun iyi geometrik düzenliliği olarak özetlenebilir. Bir preform elde etmek için gereken adımların çokluğu bu yöntemin dezavantajıdır. Bundan başka, tüp biçimindeki bir preformdan konsolidasyon evresi geçirme özelliği olan bütün işlemler gibi, eksenel dönüş (dip) problemi vardır.
- VAD YÖNTEMİ
VAD yöntemi, iyi ürün kalitesi sağlamak, daha fazla işlem çok yönlülüğü elde etmek için endüstridleşme ve araştırmada büyük gelişme sağlamıştır. VAD’yi diğer buhar fazında biriktirme işlemlerinden ayıran karakteristik, optik fiber fabrikasyonu için sürekli bir işlem olarak kullanılabilmesidir. OVD için olduğu gibi, VAD, dehidrasyon ve konsolidasyon evresinin izlediği bir süngerimsi preform büyütme evresi ihtiva eder. OVD’de büyütme preform boyunca radyal iken, VAD’de ekseneldir ve preform, biriktirme odasından tedricen çıkarılmalıdır. Böylece biriktirme ve pekiştirme evresi ard arda gelir ve aynı tesiste aynı hat üzerindedir. Camsı silika biriktirme odasının üst ucunda, pekiştirme evresi için bir elektriksel direnç ihtiva eden ikinci bir oda vardır. Dış çevreden gelebilecek kirliliği önlemek için, iki oda sağlamca bağlanır ve mühürlenir. Preform, pekiştirme odasından dik bir konumda yavaşça çekilir. Simetriyi iyileştirmek için, ayrıca, preform çekilirken ekseni etrafında döndürülür.
İyi işlem düzgünlüğünü sağlamak için, sürekli kontrol altında tutulacak parametreler şunlardır. Reaktant ve yanıcı gazların akışı, egzost akışı alev ve büyüme yüzeyi sıcaklığı, dönme hızı ve preform konumlandırma. Mesela, preform konumunda bir dalgalanma, çapta bir değişime ve kırılma indisi profilinde düzensizliğe yol açar. Bunu önlemek için, büyüme bölgesi, dikkatlice sabit tutulur ve bir telekamera ile sürekli gözlenir. Preformun tekrar üretilebilirliğini ve kırılma indis profili düzgünlüğünü etkileyen diğer bir etken, ocak biçimidir. Yelek malzemesini biriktiren ocak, genellikle büyüyen preforma dik yerleştirilir.
Tüp çöktürülerek preform eldesinde kullanılan diğer yöntemlere göre bu işlemin üstünlüklerinden birisi, hiçbir eksenel düşüşün olmamasıdır, çünkü preform, bir tüpün kapatılmasından ziyade, bütün bir tüpün konsolidasyonu ile elde edilir. Konsolodasyondan sonra, uygun öz yelek oranlı fiberler elde etmek için, preform yüksek sıcaklıkta gerilir ve sonra preform üzerine çöktürülerek olan, uygun boyutlardaki camsı silikondan yapılmış bir tüp ceketle kaplanır. Ana dezavantaj, her tip kırılma indisi profili için gerektiğinde ayarlanabilen yakıcıların kompleksliği olarak gözükür.
- TÜPİÇİNDE ÇUBUK YÖNTEMİ
Bu çok basit ve optik fiber imalatında kullanılan ilk metodlar arasında bulunan bir yöntemdir. Yüksek kırılma indisli katı silindirik bir cam çubuk, daha düşük kırılma indisli fakat benzer kimyasal ve fiziksel özellikleri olan bir cam tüp içine konulur. Bu topluluk bir fırın içine tedricen sokulur. Bu fırında a- tüp çubuğa yaklaşacak şekilde çöker b- topluluğun çapı fiberi oluşturacak şekilde büzülür. Çubuk ve tüpün sokulma hızları, öz ve yelek çapları arasındaki oranı değiştirmek için değiştirilebilir. Çekme işleminin balarısı için, çekme sıcaklığı yakınında iki camın viskozitesinin ve fermal genleşme katsayılarının uyumu çok önemlidir.
Özel dikkat gösterilmezse, kabarcıklar ve pisletici parçacıklar öz-yelek arayüzeyinde kolayca bulunabilirler; bu da ışığın saçılmasına ve soğrulmasına neden olur. Bundan sakınmak için, temasa gelen cam yüzeyler, çekme işleminden önce temizlenir; bu işlem kontrollü tozsuz bir atmosferde gerçekleşmelidir. Bu teknik, şimdi CVD işlemiyle elde edilen preformun öz/yelek oranını düzeltmek veya üretim verimini arttırmak için bazen kullanılmaktadır. Bu amaçla, herhangi bir metotla üretilen bir preform, yüksek optik kalitede bir cam tüp içine sokulur ve sonra çekilir.
- ÇİFT POTA YÖNTEMİ
Çift pota yöntemi, sadece düşük kalitede düşük maliyette optik fiberin üretiminde ve yeni cam malzemelerin (ortak kızılötesi fiberler) çekilmesinde hala kullanılmaktadır. Temel malzemeler genellikle nispeten düşük erime noktalı (800-1200 ) çok bileşenli camlardır. Çift pota, cam topları veya çubukları ile beslenir. Kısa mesafeli (LAN gibi) uygulamalar için yararlı olan yüksek NA’lı fiberler (mesela silika fiberler için NA=0,6) çift pota yöntemiyle elde edilebilir.
Çift pota yönteminde ortaya çıkan ana sakıncalar, eriyikte bulunan gaz yüzünden kabarcıkların oluşumu ve fiber çapında değişimlere yol açan, ikinci pota dışındaki çekme menüsküsünün değişkenliğidir. Son olarak, pota malzemesinin sebep olduğu külçe kirlenmesi vardır. Platin bile bu açıdan ideal değildir. Diğer taraftan bu yöntemin ana faydası yüksek üretim verimini sağlayan sürekli bir işlem olmasıdır.
- PLAZMA İŞLEMLERİ
Alevli yakıcı yerine ısı kaynağı olarak mikrodalga oyuğu veya R.F bobini veya mikrodalga dalga kılavuzunun kullandığı yöntemlerde vardır. Bunlar plazma CVD (PCVD), plazmayla güçlendirilmiş MCVD (PEMCVD veya PMCVD), tahrik edilmiş plazmalı CVD (PICVD) olarak adlandırılırlar.
- FİBER ÇEKME
Optik fiberler, çekme olarak adlandırılan bir işlem kullanılarak preformlardan elde edilirler. Bu işlem, preformun sahip olduğu optik özellikleri ve kırılma indisi profilini değiştirmeden, preformun çapını fiberin çapına tedrici olarak düşürme işlemidir. Çap, düşey vaziyette, malzemenin erime noktasının yukarısındaki bir sıcaklıkta azaltılır. Çekme sıcaklığının seçimi ilk önce cam tipine (katkı yüzdesi) yani sıcaklığa göre viskozite (T) eğrisine; daha sonra preform çapı, çekme hızı ve fırın boyutları gibi diğer parametrelere bağlıdır.
Bir çekme makinesı aşağıdaki kısımlardan oluşmuştur.
1- Bütün makine elemanlarının bağlandığı düşey bir destek; bu destek mümkün olduğunca sağlam olmalıdır.
2- Preformu fırının içine aşamalı olarak sokan bir besleme mekanizması
3- Bir yüksek sıcaklı fırını (fiber çekme için)
4- Bir fiber çapı ölçme sistemi
5- Kaplama işlemi için tüp biçimli fırın
6- Fiberi çekme ve sarma makinesi
Bu klasik düzen zaman içinde büyük değişikliklere uğramıştır. Başlıca değişiklikler şunlardır; Kasnak, toplayıcı kasnaktan ayrı olan bir çekme sistemi ile yerdeğiştirmiştir ve bir veya daha fazla kaplama ağızlığı ile fiber üzerinde daha fazla koruyucu tabakalar oluşturmak için birleşik kaplama işleme fırınları eklenmiştir.
Endüstride daha büyük boyutları olan preformlar üretme eğilimi olduğundan ve desteğe bağlanan elemanların sayısı ve büyüklüğü arttığından, modern çekme kuleleri gittikçe yükselmektedir. Başlangıçta birkaç metre iken sonradan 10 veya 15 m’ye veya daha fazlaya çıkmıştır,
Bir silika çekme fırını için aranan özellikler şunlardır:
- 2000-2200 ’de çalışma kabiliyeti
- Isıtma ve soğutma hızı
- Havayla az veya hiç reaksiyona girmeme
- Uzun ömür, az veya hiç parçacık püskürtmeme
Bütün bu gerekleri karşılayan tek bir fırın tipi yoktur. En yaygın kullanılan ısıtma sistemleri alevi, lazer, grafit rezistans, veya grafit suseptörlü indüksiyon fırınıdır.
- KAPLAMA
Silika cam, iyi fiziksel ve kimyasal özellikli bir malzeme olmasına rağmen, dış ortam onun mekaniksel ve iletim özelliklerinin hızlı bir şekilde bozulmasına yol açabilir.iletim özelliği, sadece hidrojen ve iyonize edici radyasyon tarafından bozulur. Bir fiberin mekaniksel özellikleri onun yüzey şartlarına çok sıkı bağlıdır; Gerilme, veya atmosferik tozdaki aşındırıcı parçacıkların sebep olduğu mekaniksel etkiler; çevre sıcaklığında, su moleküllerinin, alkali çözeltilerin, hirdoflorik asitlerin ve birkaç tuzlu çözeltinin kimyasal etkileri veya kimyasal ve mekanik etkilerin birleşmesi yüzünden oluşan cam yüzeyi üzerindeki havar mekanik özelliklerde, özellikle gerilme dayanımında hızlı bozulmaya yol açar. Bu yüzden koruyucu kaplamalar yapılır. Bazı durumlarda, daha kuvvetli bir cam elde etmek için, preformun dışının katkılanması teşebbüsleri yapılmıştır. Mesela bu işlem bor-silikat cam fiberler durumunda ZnO ve yüzey katkılamasıyla yapılmıştır. Ancak, en yaygın yöntem organik polimer kaplamalar kullanmak olmuştur. Organik polimerler sadece atmosferik toza karşı mükemmel koruma sağlarken, aşınmaya karşı iyi koruma sağlar fakat sudan ve su buharı sızmasından iyi korunmaz; bugün, sadece inorganik kaplamalar iyi (etkilenmezlik) özellikleri gösterirler.
