Fibra ottica: produzione della preforma

La diffusione delle reti a Banda Ultra Larga, siano esse fisse come le FTTx o mobili come le reti 5G, vedono un enorme ricorso alla fibra ottica come mezzo trasmissivo in luogo del rame o dei minilink radio rispettivamente. Vediamo allora come si realizza questo mezzo trasmissivo.

Abbiamo visto, in Fibra ottica: filatura diretta, le tecniche di filatura diretta per la produzione della fibra ottica.

Molte delle fibre ottiche attualmente in commercio sono però fabbricate a partire dalle preforme da cui sono ottenute per filatura e successivo processo di rivestimento.

Produzione della preforma

Le preforme sono fabbricate usando i metodi di deposizione chimica da fase vapore:

1. Deposizione chimica per fasi di vapore (CVD)
2. Deposizione chimica di vapori modificata (MCVD)
3. Deposizione chimica di vapori modificata da plasma. (PMCVD)
4. Deposizione chimica di vapori da plasma. (PCVD)
5. Deposizione esterna di vapori (OVD)
6. Deposizione assiale da fase vapore (AVD)

Tutti questi metodi sono basati su una reazione di ossidazione (o di idrolisi) ad elevata temperatura che subiscono il SiCl4 gassoso e gli altri cloruri degli elementi droganti aggiunti per ottenere il profilo d’indice desiderato.

La SiO2 così ottenuta si deposita in strati di particelle di vetro solide finissime (fuliggine), all’esterno di una barra o all’interno di un tubo di vetro rotanti.

Le reazioni chimiche operano come segue:

SiCl4 + O2 –> SiO2 + 2Cl2

GeCl4 + O2 –> GeO2 + 2Cl2

4POCl3 + 3O2 –> 2P2O5 + 6Cl2

4BCl3 + 3O2 –> 2B2O3 + 6Cl2

Il GeO2 ed il P2O5 aumentano l’indice di rifrazione del vetro, mentre B2O3 ne determina una diminuzione. Questi ossidi sono conosciuti come droganti. Il cambiamento di composizione della miscela durante il processo influenza il profilo dell’indice di rifrazione della preforma.

1 Deposizione chimica per fasi di vapore (CVD)

La deposizione chimica per fasi di vapore (Chemical vapour deposition, CVD) è una tecnica molto utilizzata per produrre materiali di altissima purezza. È già largamente impiegata, ad esempio, nella produzione dei semiconduttori.

La principale reazione chimica che avviene nella CVD è:

SiCl4 + O2 à SiO2 + 2Cl2. Durante tale reazione, i vapori di tetracloruro di silicio (composto liquido tra -70°C e 57.6°C) vengono ossidati ad alta temperatura (1200÷1600°C), producendo cloro e silice.

La silice precipita sotto forma di particolato, accrescendo la preforma. La reazione è irreversibile.

Uno dei pregi del CVD è che la silice ottenuta è più pura dei reagenti usati (la purezza dei quali è già di per sé considerevole, dato il loro ampio uso nell’industria dei semiconduttori). Ciò è possibile sostanzialmente perché, a parità di pressione, il tetracloruro di silicio evapora a temperature molto più basse dei contaminanti. La concentrazione dei contaminanti è di poche decine di ppm.

L’indice di rifrazione della silice vetrosa è 1.4585.

Per realizzare i profili d’indice la silice viene contaminata in maniera controllata con opportuni droganti, che hanno la proprietà di diminuire o aumentare l’indice di rifrazione. Il drogante più usato è il biossido di germanio, che viene introdotto nella silice miscelando i vapori di SiCl4 con quelli di tetracloruro di germanio, sfruttando la reazione:

GeCl4 + O2 –> GeO2 + 2Cl2

2 Deposizione chimica di vapori modificata (MCVD)

Con questo metodo, messo a punto dai Laboratori Bell, la miscela gassosa dei reattivi è alimentata all’estremità di un tubo rotante di SiO2. Questo tubo è riscaldato da un cannello ossidrico mobile. I vapori vengono immessi, tramite un collegamento a tenuta stagna, all’interno del tubo e reagiscono in corrispondenza della fiamma secondo la seguente reazione:

SiCl4 + O2→SiO2 + 2Cl2

La fuliggine di SiO2 condensa sulle pareti più fredde a valle della fiamma. Quando il bruciatore passa in corrispondenza di queste zone, le particelle si legano formando uno strato vetroso sinterizzato.

Prima si deposita il vetro della guaina, poi si varia progressivamente la composizione della miscela di cloruri in ingresso, con deposizione successiva di alcune decine di strati per ottenere il gradiente d’indice. Quando la deposizione è finita, la temperatura del bruciatore viene aumentata a 1800°C e il tubo rammollisce e collassa per le forze di tensione superficiale, formando una preforma solida cilindrica.

3 Deposizione chimica di vapori modificato da plasma (PMCVD)

Una variante del metodo MCVD è il processo conosciuto come PMCVD. In aggiunta alla normale tecnica di MCVD, una bobina genera un plasma coni radiofrequenza intorno al tubo avente una elevata temperatura interna. Il plasma è in pratica una regione contenente gas ionizzati riscaldati elettricamente. Ciò comporta, con un opportuno riscaldamento, un aumento della velocità di reazione e della velocità di deposizione all’interno del tubo.

Il processo PMCVD consente di produrre fibre molto lunghe (50Km) ed è usata sia per le fibre con indice a gradino, sia per le fibre ad indice di rifrazione graduale.

4 Deposizione chimica di vapori da plasma (PCVD)

Il metodo di PCVD è simile a PMCVD, ma qui la bobina di radiofrequenza è sostituita da un reattore a microonde. Il plasma si forma in corrispondenza ad una sorgente cava di microonde che si muove avanti e indietro lungo il tubo di quarzo.

Con questa tecnica non si assiste alla formazione di fuliggine nella fase gassosa, ma il vetro si forma direttamente, allo stato compatto, sulla parte interna del tubo.

Questa tecnica, a fronte di una maggiore lentezza, consente una precisione molto maggiore nella realizzazione del profilo dell’indice della fibra ottica.

5 Deposizione esterna di vapori (OVD)

Questo processo, denominato processo della fuliggine, è stato utilizzato dal produttore Corning dagli anni 70. I vapori dei cloruri prescelti subiscono una reazione di idrolisi in un bruciatore a gas metano e ossigeno. La SiO2 si deposita come fuliggine all’esterno di una barra rotante. Spostando la barra o la fiamma avanti ed indietro, si forma una “boule” allungata di vetro. Variando la composizione e la temperatura di reazione dei vapori, si possono depositare strati successivi di vetro ad indice di rifrazione diverso, realizzando così il profilo d’indice desiderato.

Completata la deposizione, la barra, generalmente costituita da allumina avente un coefficiente di dilatazione termica maggiore del materiale deposto, viene attentamente rimossa. La preforma di vetro poroso ottenuta ha una elevata purezza, ma contiene una rilevante quantità d’acqua e di ioni OH- che vengono eliminati in un forno di disidratazione a 1200°C in atmosfera di elio e cloro. La temperatura del forno viene poi innalzata a 1400-1500°C per sinterizzare e consolidare il materiale. La boule così si contrae, assumendo la forma finale di vetro trasparente e privo di bolle.

6 Deposizione assiale di vapori (VAD)

Al contrario dei metodi visti fino ad ora, con il metodo VAD la preforma può essere fabbricata in modo continuo. I componenti chimici di partenza sono trasportati dalla parte inferiore alla fiamma di un bruciatore di ossigeno e idrogeno per produrre la fuliggine di vetro che è depositata all’estremità di un tubo rotante in SiO2. Si sviluppa così una preforma porosa in senso assiale. La deposizione avviene solo in corrispondenza dell’estremità dell’asta. L’asta viene tirata verso l’alto e ruotata. Infine, la preforma viene disidratata e vetrificata in riscaldatori circolari.

Con questa tecnica è possibile depositare contemporaneamente il vetro del core e quello del cladding. Si ottengono preforme più grandi, ma a velocità inferiori.

Nel prossimo appuntamento affronteremo le successive fasi della produzione: dalla filatura, al rivestimento, ai test per arrivare alla messa in cavo.