Optik fiber üretimindeki saflık sorunu açıkçası çoğu insanın düşündüğünden daha acımasızdır. Metal iyonları için 1 ppb'nin altında olması gereken kirlilik seviyelerinden bahsediyoruz-ve tam-dalga optik fiberlerle çalışıyorsanız OH iyon gereksinimi neredeyse saçma bir 0,8 ppb'ye düşer. Standart saflaştırılmış SiCl₄ ve GeCl₄ onu kesmez, hatta yakın bile değildir.
Buhar Basıncı Aslında Burada Neden Önemlidir?
İşte tüm bu ön kalıplama işlemlerinin ({0}}MCVD, PCVD, VAD, OVD-hepsi buhar fazında biriktirmeye dayanır) olayı şudur. Ancak bu arınmayı gerçekten işe yarayan şey sadece biriktirmenin kendisi değil. Malzemeler reaksiyon bölgesine ulaşmadan önce gerçekleşen seçici buharlaşmadır.
SiCl₄ için örneğin 55 derecede (kaynama noktası 57,6 derece) orada duran bir kabarcıklı şişe düşünün. Sıvı sürekli olarak buharlaşarak yüzeyin üzerinde bu buhar basıncını P₁ oluştururken atmosferik basınç P₂ aşağı doğru iter. Bu basınçlar P₃'da eşitlendiğinde doymuş buhar basıncı dediğimiz noktaya ulaşırsınız. Biraz daha ısıtın ve P₁, P₂'yi aştığında-daha fazla molekül gaz fazına atlar. Soğutun, yoğunlaşma hakim olur.
Bunun güzelliği mi? Metalik safsızlıkların çoğu, SiCl₄ veya GeCl₄'den (83,1 derecede kaynayan) çok daha yüksek kaynama noktalarına sahiptir. Saf madde buharlaşırken onlar sadece sıvı fazda kalırlar. Örneğin demir kirliliği yalnızca bu işlemle 20 ppb'den 1 ppb'ye düşebilir. Bu, herhangi bir karmaşık kimyasal işlem gerektirmeden 20 kat azalma demektir.
MCVD Malzeme Teslimatını Üstleniyor
MCVD sistemlerinde, yüksek-saflıkta oksijen bir MFC'den kabarcıklı şişeye akar. Bir taşıyıcı gaz görevi görür, doymuş buharı dağıtım hatları boyunca ve gerçek sihrin-kimyasal buhar reaksiyonunun ve iç duvarda-katman{-birikiminin gerçekleştiği kuvars tüpün içine doğru sürükler.
Buradaki sıcaklık kontrolü titizdir. Çok sıcak ve yabancı maddeleri buharlaştırmaya başlıyorsunuz. Çok soğuk ve yeterli malzeme akışı alamıyorsunuz. Tatlı nokta genellikle kaynama noktasının birkaç derece altındadır ve kirletici maddelerin gelmeye başladığı bölgeye geçmeden maksimum saf buhar elde ettiğiniz dengeyi korur.
OVD ve VAD: Farklı Geometri, Aynı Fizik
OVD ve VAD işlemleri, harici biriktirme kurulumları nedeniyle işleri farklı şekilde ele alır. Bir tüpe beslenen tek bir kabarcıklı şişe yerine, birden fazla gaz akışına (-O₂, H₂, Ar-) ve ayrıca SiCl₄ ve GeCl₄ buharlarınızın tümü ayrı torç nozullarından çıkıyor.
Bu sistemler aslında uygun gaz akışları oluşturmak için ham maddeleri kaynama noktalarının üzerinde ısıtır. SiCl₄ 57,6 dereceyi, GeCl₄ ise 83,1 dereceyi geçiyor. Ancak-ve bu çok önemlidir-sıcaklık hâlâ safsızlıkların kaynama noktalarının çok altında kalır. Yani hala daha agresif bir konfigürasyonda damıtma etkisini alıyorsunuz. Torç kurulumu bunu gerektirir çünkü yalnızca bir akışta taşınan buhara değil, tanımlanmış gaz jetlerine de ihtiyacınız vardır.
Sonuç? Modern elyaf spesifikasyonlarının gerektirdiği saflık seviyelerinde kurum parçacıklarını önceden şekillendirin.
Kimsenin Yeterince Konuşmadığı Kirlilik Sorunu
Metal iyonları bariz kötü adamlardır. Demir, krom, bakır-hepsi ışığı emer ve kayıp yaratır. Ancak OH iyonları sinsidir. Belirli dalga boylarında, özellikle de 1383 nm civarında emilim tepe noktaları yaratırlar; bu, tarihsel olarak, erken fiber sistemlerini belirli dalga boyu pencerelerinden tamamen kaçınmaya zorlayan bir "su zirvesi" yaratmıştır.
Tam-dalga fiber, 1 ppb'nin altında OH içeriği talep ederek oyunu değiştirdi ve dürüst olmak gerekirse, bu noktaya ulaşmak tüm malzeme taşıma zincirinin yeniden düşünülmesini gerektirdi. Artık mesele sadece kabarcık şişesinin sıcaklığı değil. Dağıtım sistemindeki her valf, her hat, her conta potansiyel bir kirlenme kaynağı haline gelir.
Balonlu şişede mükemmel bir damıtma elde edebilirsiniz ve dağıtım hatlarınıza nemin girmesine izin veren küçük bir sızıntı varsa yine de yüksek OH ile karşılaşabilirsiniz. Fiber ön kalıp imalat laboratuvarlarının yarı iletken temiz odalara benzemesinin nedeni budur-çünkü bu saflık düzeylerinde aslında öyledir.
Sıcaklık Değişimleri ve Seçici Buharlaşma
Yeterince dikkat çekmeyen ikincil bir saflaştırma etkisi var: termal gradyan ayrımı. Baloncuk şişesinin içinde bile sıcaklık değişimleri elde edersiniz. Sıvı yüzeyi en sıcak olanıdır, şişe duvarlarına yakın bölgeler ise bir veya iki derece daha soğuk olabilir.
Bu, saf malzeme tercihen daha sıcak yüzeyden buharlaşırken, aslında safsızlıkların daha soğuk bölgelerde yoğunlaşmasına yardımcı olan mikro-konveksiyon akımları yaratır. Bu küçük bir etkidir, belki genel saflaştırmaya %10-15 oranında katkıda bulunur, ancak ppb düzeyinde saflığın peşinde olduğunuzda her küçük parça önemlidir.
Hatta bazı sistemler, çoklu damıtma adımları oluşturmak için dağıtım hatlarında kasıtlı olarak kademeli sıcaklık bölgeleri kullanır. Buhar, daha soğuk bir noktada kısa süreliğine yoğunlaşır, sonra-bir sonraki ısıtılan bölgede yeniden buharlaşır ve her seferinde arkasında başka bir yabancı madde tabakası bırakır.
Sayılar Gerçekte Ne Anlama Geliyor?
"1 ppb'nin altında metal iyonları" dediğimizde 10⁹'da bir kısımdan bahsediyoruz. Bunu perspektife koymak gerekirse, SiCl₄ ile dolu bir yüzme havuzunuz varsa, bir ppb, tek bir damla kirleticiden daha azına eşdeğer olacaktır.
Bu seviyelerde saflığı bile ölçen analitik teknikler-ICP-MS, GDMS-numune işlemeyi başlı başına bir zorluk haline getirecek kadar karmaşıktır. Dikkatli olmazsanız ölçüm işlemi sırasında numunenizi kirletebilirsiniz.
İşin sinir bozucu kısmı da şu: Tam-dalga fiberde 0,8 ppb OH'ye ulaşmak yalnızca ham maddelerin saflaştırılmasını değil, aynı zamanda tüm proses atmosferinin kontrol edilmesini de gerektirir. Ultra-saf nitrojen bile eser miktarda nem içerebilir. Silindirlerdeki "kuru" oksijen bile yeterince kuru değil. Çoğu ciddi ön kalıplama operasyonu, spesifikasyonları karşılamak için kendi gaz arıtma sistemlerini çalıştırmakla sonuçlanır.
Malzeme Akış Dinamiği
Bu baloncuklu şişelerden geçen gerçek akış hızı, biriktirme işlemine ve istenen katkılama seviyelerine bağlı olarak değişir. MCVD, küçük bir iç yüzey alanında biriktirdiğiniz için nispeten düşük akış hızlarında çalışabilir. OVD harici biriktirme, malzemeyi daha hızlı tüketir çünkü çapı birkaç inç olabilen bir kurum topağı oluşturursunuz.
Bu akış hızı baloncuklu şişedeki dengeyi etkiler. Daha yüksek çekme hızları, buharlaşmalı soğutma yoluyla sıvıyı gerçekten soğutabilir ve tutarlı buhar basıncını korumak için aktif sıcaklık dengelemesi gerektirir. Bazı sistemler, yalnızca yoğuşmayı önlemek için değil aynı zamanda seçici yoğuşma ve yeniden buharlaştırma yoluyla buhar-fazı bileşimini aktif olarak kontrol etmek için ısıtılmış dağıtım hatlarını kullanır.
Mühendislik hızla karmaşıklaşıyor, bu yüzden çoğu makale basit buhar basıncı dengesine odaklanıyor ve dinamik etkileri görmezden geliyor.
Sistemin tamamı temel olarak nispeten düşük sıcaklıklarda çalışan sürekli bir damıtma kolonudur; silikon ve germanyum tetraklorürlerin uçucu olmasına rağmen safsızlıklarının uçucu olmaması gerçeğinden yararlanır. Prensipte basit, tam-dalga fiber ön formunda 0,8 ppb OH'yi kovalarken uygulaması kabus gibi.
