Тянем, потянем…<br>(эволюция установок для производства заготовок)

"Три девицы под окном
пряли поздно вечерком".

А. С. Пушкин

Технологии производства оптоволокна всего три десятка лет. Это если считать от момента появления первых теоретических работ, в которых была показана принципиальная возможность создания световодов ¹ с приемлемым, менее 20 дБ/км, затуханием. Первые образцы, удовлетворяющие этому требованию, были созданы в начале семидесятых годов. А до того ясность, из чего лучше всего делать световоды, полностью отсутствовала: ученые исследовали многокомпонентные составы стекла, предлагали даже использовать капилляры с жидкостью. В конце концов остановились на волокне из кварцевого стекла.

Технологический процесс изготовления световодов на основе кварцевого стекла делится на два этапа.

Первый этап - получение заготовки, которая представляет собой стеклянный стержень длиной порядка метра и диаметром около 10-20 мм. ² Для этого существует несколько способов (основных - три, как и девиц в эпиграфе); каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.

Первый способ назван "модифицированным методом химического осаждения из газовой фазы" (MCVD). Представьте себе подобие токарного станка, в котором на место резца установлена кислородно-водородная горелка. В станок зажимается стеклянная трубка и через нее на первом этапе пропускается хлорид кремния и кислород (на самом деле состав смеси более сложен). В горячей зоне напротив горелки синтезируется оксид кремния. Образуются, фигурально выражаясь, пушинки окиси, которые дрейфуют из горячей области в более холодную и прилипают к стенке. Этот процесс называется термофорезом, он прекрасно описывается и объясняется кинетической теорией. Важно, что осаждение происходит не в месте нагрева пламенем, а перед ним - там, куда пламя еще не дошло. На поверхности трубки образуется пористый слой окиси, и, двигаясь дальше, горелка его проплавляет - остекловывает. Так получается слой чистого стекла. При следующих проходах через трубку пропускают еще и германий в виде хлорида ³. Таким образом легируют материал световода, создавая в нем градиент коэффициента преломления. После того как необходимое число слоев осаждено, подачу хлоридов выключают, а температуру пламени увеличивают - в результате трубка плавится и схлопывается просто под действием сил поверхностного натяжения.

В основном этот метод был разработан компанией AT&T, которая производит больше трети всего объема волокна в мире. Как уже было сказано, метод самый простой, и, кстати, в отечестве только он реально и работал. Однако для него нужна очень хорошая труба-заготовка без включений, так как включения - это центры напряжений, из которых может начать расти трещина. С этим довольно успешно борются путем химической или огневой полировки поверхности трубок.

Другой метод, которым пользуется фирма "Корнинг", называют еще внешним осаждением (в отличие от первого - внутреннего): стекло осаждается на огнеупорный стержень прямо из пламени горелки, куда подаются хлориды исходных веществ. Поскольку осаждение происходит в атмосфере пламени, в таком материале остается много воды, получившейся в результате окисления водорода. Поэтому, после того как центральный стержень вынимают, приходится продувать заготовку хлором, который экстрагирует воду. И только после этого заготовка остекловывается.

В третьем методе, разработанном японскими фирмами, среди которых NTT, "Сумитомо" и др., реализована более сложная конструкция. Заготовка растет из затравки, расположенной на определенном расстоянии выше пламени горелки, имеющего сложную слоевую структуру, как у рулета. В середину пламени подают смесь хлоридов германия и кремния, затем слой буферного газа, потом только хлорид кремния для чистого стекла, потом опять буферный газ, и, в конце концов, на краю горелки, кислород с водородом - то, что, собственно говоря, и горит. Вещество осаждается на только что созданную в этом же процессе поверхность. Однако расстояние до этой поверхности должно быть строго фиксированным, и заготовка постоянно отодвигается от пламени горелки. Таким методом можно создавать заготовки, которых хватает на несколько тысяч километров волокна, а в принципе процесс может быть непрерывен - по мере изготовления заготовки из нее же можно вытягивать волокно.

На втором этапе конец заготовки размягчают в печи и тянут из него волокно. При вытяжке не происходит смешивания отдельных слоев - при этом происходит, выражаясь математическим языком, преобразование подобия. То есть, если диаметры сердцевины и оболочки заготовки относились, как один к десяти, то так оно будет и в вытянутом волокне. Вытяжка световодов проводится в столько же чистых помещениях, как и при производстве микросхем, чтобы на их поверхность не попадали пылинки - те же самые включения.

После того как волокно остынет, на него наносится защитная пленка полимера. Полимер призван защитить волокно от механических воздействий и от окружающей среды, прежде всего от водорода и воды. Дело в том, что вода ускоряет рост трещин, а водород, диффундируя вглубь волокна, повышает коэффициент затухания. Однако по-настоящему могут защитить стекло только два покрытия: металлическое и углеродное. И японские фирмы сейчас начинают покрывать стекловидным углеродом каждое волокно в отдельности.

Пока же, для достижения полной защиты, лучше всего помещать уже готовый кабель в герметичную металлическую оболочку, но это практически реализуемо только в наиболее дорогих кабелях для трансокеанский линий.

Довольно хитро обстоит дело с проверкой прочности световодов. Рассчитаны определенные стандартные усилия, при которых волокно не должно рваться. Казалось бы, достаточно просто перемотать волокно под нагрузкой, взятой с запасом. Порвалось - плохое, не порвалось - хорошее, можно использовать при меньших нагрузках. Однако не все так просто. Дело в том, что те дефекты, например трещины, которые до испытания не привели бы к порче волокна, могли развиться при тестировании, и при следующем приложении даже меньшей нагрузки волокно может порваться. Прогнозировать рост трещин весьма непросто, так как он зависит от среды, в которой находится волокно, и от механических нагрузок (в частности изгибов). Так что стопроцентную гарантию на волокно дать невозможно. Вообще, прямые испытания устойчивости свойств и надежности волокна провести трудно. Как, например, оценить изменения прозрачности, если характерный период таких изменений составляет порядка десяти лет? Чтобы решить эту проблему, световоды выдерживают при повышенной температуре, ускоряя старение.

На данный момент производство оптоволокна - мощная отрасль промышленности с большими капиталами и объемами производства (см. интервью с академиком Диановым в этом номере). Волокно, которое сейчас производится в России, приближается к конкурентоспособному уровню, но объемы его производства несравнимо меньше, чем у ведущих иностранных компаний. Самым ходовым отечественным товаром на российском рынке сейчас являются кабели, изготовленные из зарубежного волокна. Налоги в России на ввоз материалов и оборудования для производства оптоволокна устроены так, что покупать готовое волокно за границей гораздо выгоднее, чем производить здесь. На Западе, тем временем, претворяется в жизнь лозунг "больше, лучше и дешевле", - так что, глядишь, через несколько лет ребятня будет играть в то, что у них там будет вместо Quake, по волоконной сети, ими же собственноручно и установленной в квартире.

¹ На самом деле, оптическое волокно правильнее называть световодом. Именно такое название предусмотрено для него ГОСТом от 1982 года.

² На Западе диаметр заготовок достигает 80 миллиметров, соответственно - и волокно можно получить длиннее.

³ На деле состав смеси гораздо сложнее.