ESTUDO DOS PARÂMETROS DE DEPOSIÇÃO DO MÉTODO VAD PARA OBTENÇÃO DE PERFIS DE ÍNDICE GRADUAL PARA FIBRAS ÓPTICAS

ESPECIAIS

J. S. Santos, E. Ono, C. K. Suzuki Rua Mendeleiev s/n, C.P. 6122, CEP 13.083-970

Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, DEMA, Laboratório Ciclo Integrado de Quartzo (LIQC)

jssantos@fem.unicamp.br

RESUMO

Na etapa de deposição de preformas para fibras ópticas, a adição de dopantes

como GeO2 determina o perfil de índice de refração da fibra, que por sua vez, define

os tipos de fibra como multimodo e monomodo. Neste trabalho, estudou-se o efeito

da variação dos parâmetros de fabricação (ângulo de deposição e fluxo de GeCl4) no

perfil radial de germânio. Amostras de preformas consolidadas foram caracterizadas

por espectrometria de fluorescência de raios-X para determinação do perfil de

germânio. Perfis com formato parabólico e triangular foram obtidos para ângulos

menores e maiores que 42°, respectivamente. O fluxo de GeCl4 possui grande

influência na temperatura da superfície de deposição da preforma e na concentração

de GeO2 incorporado, sendo que altas concentrações foram obtidas para

temperaturas entre 693 a 743 K. Este estudo possibilita um controle preciso nos

parâmetros do processo de fabricação para obtenção de preformas para fibras

ópticas especiais.

Palavras Chave: Tecnologia VAD, fibras ópticas especiais, perfil de dopagem de

GeO2, preformas de sílica-germânia.

1

1

INTRODUÇÃO Atualmente, o sistema de comunicação utiliza a fibra óptica como principal

meio para transmissão ultra-rápida de informações (1). Desde o advento da fibra

óptica, surgiram vários tipos de fibra para diversas aplicações no sistema de

comunicação óptico (2).

Dentre os tipos existentes, têm-se as fibras ópticas multimodo utilizadas em

sistema de transmissão de curta distância como as redes de área local (“LANs”) e as

fibras ópticas monomodo NZDS (“Non-Zero Dispersion Shifted”) e DS (“Dispersion

Shifted”), utilizadas para sistemas de transmissão terrestre de longa distância e

sistemas submarinos. A fibra NZDS também é largamente utilizada no sistema WDM

(“Wavelength Division Multiplexing”) (3),(4),(5).

A principal característica de uma fibra que determina sua aplicação no sistema

de comunicação óptica é seu perfil de índice de refração. Este perfil é definido pela

concentração radial de dopantes, como o GeO2, adicionado durante a fabricação da

preforma, precursora da fibra óptica, para aumentar o índice de refração e confinar a

luz no interior do núcleo da fibra (6).

Fibras com alto índice de refração também possuem destaque através de

propriedades não lineares. Uma vez que altas concentrações de GeO2 provocam

efeitos não lineares na fibra (efeitos que surgem devido a dependência do índice de

refração da fibra em relação a intensidade do sinal óptico), estas fibras, quando

dopadas com alta concentração de GeO2, podem ser utilizadas em dispositivos

ópticos não lineares como em compressores de pulsos ópticos e chaveadores

ópticos (7),(8),(9),(10),(11).

Assim sendo, constantemente têm-se aprimorado os métodos de fabricação de

preforma para fibra óptica. Dentre os métodos para a produção de preformas,

destaca-se o VAD (“Vapor-phase Axial Deposition”) que viabiliza a produção de

preformas de alta qualidade com alta eficiência e custo reduzido (12). No entanto,

neste processo o perfil de concentração de germânio é sensível aos vários

parâmetros de deposição, incluindo distância e ângulo alvo-maçarico, geometria do

maçarico, razão H2/O2 na chama, razão GeCl4/SiCl4, distribuição radial e longitudinal

da temperatura de deposição, e a forma geométrica (diâmetro e perfil da superfície

de deposição) da preforma porosa (13).

2

2

Inserido neste contexto, estudou-se no presente trabalho o efeito da variação

dos parâmetros de deposição do processo VAD (ângulo de deposição e fluxo de

GeCl4) no perfil de dopagem de germânio para obter preformas para fibras ópticas

com perfil de dopagem parabólico e triangular com diversas concentrações de GeO2.

A espectrometria de fluorescência de raios-X (FRX) foi utilizada na determinação da

concentração de GeO2 e do perfil de dopagem.

MATERIAIS E MÉTODOS Processo VAD Desenvolvido no Laboratório Ciclo Integrado de Quartzo (LIQC)

O processo VAD, em desenvolvimento no laboratório, é constituído pelas

etapas deposição, desidratação e consolidação.

Na deposição, partículas de sílica (SiO2) e germânia (GeO2) com

aproximadamente 20 a 200 nm são geradas em chama (~2273 K) através das

reações de hidrólise e oxidação do SiCl4 e GeCl4. Essas partículas são depositadas

sobre um alvo de sílica em rotação que se desloca verticalmente de acordo com a

taxa de deposição, formando assim a preforma porosa (Figura 1).

Preforma

maçarico

Figura 1. Deposição da preforma porosa.

As reações que ocorrem na deposição são dadas por:

SiCl4 + 2H2 + O2 → SiO2 + 4HCl,

GeCl4 + 2H2 + O2 → GeO2 + 4HCl.

3

3

O ácido clorídrico resultante da reação é neutralizado com hidróxido de sódio

em um lavador de gases antes de ser descartado.

Para promover a mistura dos haletos metálicos (SiCl4 e GeCl4) e as respectivas

reações químicas, são utilizados maçaricos especiais VAD. Estes maçaricos são

constituídos de tubos de sílica vítrea concêntricos, muito resistentes à corrosão e à

alta temperatura.

Após a deposição, a preforma é desidratada e consolidada simultaneamente

por duas horas em temperatura de 1733 K em atmosfera de gás Cl2 para a

desidratação, e em gás He para a consolidação, obtendo uma preforma com alto

grau de pureza e transparência (Figura 2).

(a) (b)

Figura 2. (a) Preforma porosa. (b) Preforma consolidada.

Fabricação das Preformas VAD

Para este estudo foram produzidas 12 preformas porosas com

aproximadamente 200 mm de comprimento e 40 mm de diâmetro, utilizando-se um

maçarico circular de 5 vias (Figura 3). Os haletos metálicos são expelidos do tubo

central para a síntese da sílica e germânia; dos 4 tubos coaxiais adjacentes são

lançados os gases N2, H2, N2, e O2, respectivamente. Os gases H2 e O2 são

utilizados para promover a chama e os gases inertes (N2), para a proteção do

maçarico.

4

4

Figura 3. Maçarico VAD de 5 vias.

O fluxo dos gases H2, O2 e SiCl4 utilizado para a deposição das preformas VAD

foi de 61200 mm3/s, 88400 mm3/s e 2250 mm3/s, respectivamente.

Os demais parâmetros de deposição, tais como, distância alvo-maçarico (D),

vazão do gás GeCl4, temperatura da superfície de deposição da preforma (TS) e

ângulo de deposição (θ) estão listados na Tabela I. Variou-se o fluxo de GeCl4 e o

ângulo θ de deposição a fim de se obter diferentes tipos de perfis de dopagem com

diferentes concentrações, como também, analisar a influência destes parâmetros no

formato do perfil de dopagem.

Tabela I. Condições de deposição de preformas de sílica-germânia.

Preforma GeCl4 (mm3/s)

TS (K) D (mm) θ (º)

D176 1360 693 47,4 40,9 D183 680 747 47,4 39,4 D216 680 733 46,1 41,4 D224 680 739 46,8 41,9 D234 680 769 47,6 39,9 D235 680 728 46,3 43,0 D239 850 708 45,5 38,0 D250 850 713 46,0 41,7 D251 850 716 46,5 42,8 D254 680 705 47,0 39,3 D257 850 687 47,8 42,3 D276 680 704 47,3 39,5

A Figura 4 ilustra o esquema do processo de deposição de preforma VAD.

5

5

Figura 4. Representação esquemática do processo de deposição VAD.

θ

D H2, O2

Preforma

porosa

maçarico

SiCl4,

GeCl4

30 rpm

Uma vez que o ângulo de deposição afeta o formato da superfície de

deposição da preforma (14), para investigar o efeito da variação deste ângulo no perfil

de dopagem, quantificou-se o perfil da superfície de deposição da preforma através

do parâmetro h, definido como a distância entre o ponto médio do diâmetro de

referência e a origem da preforma. O diâmetro de referência é a distância entre dois

pontos da borda da região de deposição da preforma utilizado para o controle da

uniformidade geométrica da preforma durante a etapa de deposição (15). Convém

realçar que este diâmetro encontra-se sempre na mesma posição y0 da região de

deposição sobre o eixo da preforma (Figura 5).

h

Diâmetro de

referência

Origem (0, 0)x

y

(x0, y0)

Figura 5. Representação do parâmetro h.

Caracterização do Perfil de Concentração de GeO2

6

6

O perfil de dopagem de germânio foi obtido através da análise de

ESULTADOS E DISCUSSÕES

çarico, foi obtida uma relação praticamente linear

espectrometria de fluorescência de raios-X (FRX) na Faculdade de Engenharia

Mecânica – Unicamp. Para as medidas foram preparadas amostras em forma de

discos com aproximadamente 2 a 3 mm de espessura, cortadas na seção

transversal da preforma consolidada e polidas com acabamento óptico. O

equipamento utilizado, Rigaku RIX-3100, é equipado com um tubo de raios-X de

ródio operando em 50 kV e 80 mA com um cristal analisador LiF (2 0 0) para

determinação do espectro de Ge-Kα. As medidas de concentração de germânio

foram realizadas a cada 1 mm ao longo do diâmetro da amostra, obtendo-se o

gráfico do perfil da concentração de germânio.

R

Variando-se o ângulo do ma

entre o parâmetro h e o ângulo do maçarico (Figura 6). Para θ < 42°, o perfil da

superfície de deposição da preforma tende a ser largo (h < 4,6 mm), ao passo que,

para θ > 42°, o perfil da superfície de deposição da preforma tende a ser estreito

(Figura 7).

38 39 40 41 42 43

3,3

3,6

3,9

4,2

4,5

4,8

5,1

5,4

D23

9

D25

4D

183

D27

6

D23

4

D21

6D

250

D22

4

D25

7

D25

1D

235

Parâ

met

ro h

(mm

)

Ângulo (°)

Figura 6. Efeito do ângulo do maçarico no perfil de dopagem de germânio.

7

7

(a) (b)

Figura 7. Perfil da superfície de deposição da preforma (a) h = 3,6 mm e (b) h =

5,1 mm.

Observou-se também que, quando θ < 42° obtém-se um perfil de dopagem

parabólico (Figura 8 (a)) e quando θ > 42° obtém-se um perfil de dopagem

triangular (Figura 8 (b)). O perfil da superfície de deposição da preforma

determina o perfil de distribuição de temperatura da superfície de deposição da

preforma, e este define o perfil de dopagem (13),(16).

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 82

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Con

cent

raçã

o de

GeO

2 (%

mas

sa)

Posição radial (mm)

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

0

2

4

6

8

10

Con

cent

raçã

o de

GeO

2 (%

mas

sa)

Posição radial (mm)

(a) (b)

Figura 8. (a) Perfil de dopagem de germânio parabólico. (b) Perfil de dopagem de

germânio triangular.

Em relação ao efeito da variação do fluxo de GeCl4 verificou-se que o aumento

do fluxo de GeCl4 de 680 mm3/s para 850 mm3/s (25%) produziu um aumento na

concentração de GeO2 de 20% no centro da preforma, mantendo o formato do perfil

de dopagem. Porém, o aumento de 850 mm3/s para 1360 mm3/s (60%), produziu um

8

8

aumento relativamente menor, de apenas 27% na concentração de GeO2

deformando o perfil de dopagem principalmente na região do diâmetro externo

(Figura 9(a)). Neste caso, o aumento do fluxo de GeCl4, durante a deposição da

preforma, reduziu a temperatura da região do diâmetro externo da preforma (Figura

9(b)), favorecendo a incorporação de GeO2 na fase cristalina. O GeO2 na fase

cristalina reage facilmente com o gás Cl2 e é evaporado durante a desidratação em

oposição ao GeO2 amorfo, depositado predominantemente na região central da

preforma (17) (Figura 10).

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 102

4

6

8

10

12

14

16

18

Con

cent

raçã

o de

GeO

2 (%

mas

sa)

Posição radial (mm)

D183 680 mm3/s GeCl4 D250 850 mm3/s GeCl4 D176 1360 mm3/s GeCl4

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

690

700

710

720

730

740

750

Tem

pera

tura

da

supe

rfíci

e de

dep

osiç

ão (K

)

Fluxo de GeCl4 (mm3/s)

Temp.

10

12

14

16

18 Conc.GeO2 C

oncentração de GeO

2 (% m

assa)

(a) (b)

Figura 9. (a) Efeito do fluxo de GeCl4 no perfil de dopagem de germânio parabólico.

(b) Efeito do fluxo de GeCl4 na temperatura da superfície de deposição da preforma.

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 102

4

6

8

10

12

14

Con

cent

raçã

o de

GeO

2 (%

mas

sa)

Posição radial (mm)

GeO2 amorfo GeO

2 cristalino e amorfo

Figura 10. Efeito da remoção do GeO2 na etapa de desidratação.

9

9

A Figura 11 mostra a concentração de GeO2 em função da temperatura da

superfície de deposição no centro da preforma. Concentrações máximas de GeO2

foram obtidas para temperaturas no intervalo de 693 K a 743 K. Quando

temperaturas da superfície de deposição da preforma são menores de 693 K, o

GeO2 que é depositado predominantemente na forma cristalina é eliminado na etapa

de desidratação. Temperaturas maiores que 743 K são altas para a solidificação e

agregação do GeO2 que atinge a superfície de deposição da preforma na fase vapor (18).

660 680 700 720 740 760 7806

7

8

9

10

11

12

Con

cent

raçã

o de

GeO

2 (%

mas

sa)

Temperatura da superfície de deposição (K)

Conc.

Figura 11. Efeito da temperatura da superfície de deposição da preforma na

concentração de dopagem do GeO2.

CONCLUSÕES O ângulo de deposição é um dos parâmetros do processo de deposição VAD

que determina o formato do perfil de concentração de germânio na preforma. Para

as condições estudadas, ângulos menores de 42° tendem a formar perfis de

dopagem parabólicos; para ângulos maiores de 42° foram obtidos perfis de

dopagem triangular.

O fluxo de GeCl4 possui grande influência na temperatura da superfície de

deposição da preforma e, conseqüentemente na incorporação de GeO2. A deposição

de GeO2 aumenta quando a temperatura da superfície de deposição da preforma

varia de 693 a 743 K e o fluxo de GeCl4 de 680 a 850 mm3/s.

10

10

Preformas para fibras ópticas especiais e padrão, ou seja, com perfis de

dopagem triangular e parabólico, respectivamente, foram obtidas através do controle

do ângulo de deposição e fluxo de GeCl4.

AGRADECIMENTOS

Os autores gostariam de agradecer as instituições de fomento, FINEP/PADCT

III, FAPESP/PIPE, CAPES, CNPq-RHAE, CNPq-Universal e CNPq pelo apoio

financeiro. O autor J.S. Santos agradece a bolsa de mestrado CNPq.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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11

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2047.

STUDY OF VAD METHOD DEPOSITION PARAMETERS FOR THE GRADUAL AND TRIANGULAR INDEX PROFILE FABRICATION FOR SPECIAL OPTICAL

FIBERS

ABSTRACT

In the stage of preform deposition for optical fiber, the addition of dopants, such

as GeO2, determines its refractive index profile that defines the fiber type, multimode

or monomode. In the present research, it was studied the effect of fabrication

parameters (deposition angle and GeCl4 flux) in the germanium profile. Sintered

preform samples were characterized by X-ray fluorescence spectrometer for the

germanium profile determination. Profiles with parabolic and triangular shape were

obtained for deposition angle smaller and higher that 42°, respectively. The GeCl4

flux has great influence in the preform deposition surface temperature and the

incorporated GeO2 concentration, so that high concentration values were obtained for

12

12

temperatures 693-743 K. This study made possible an accurate control of the

fabrication parameters to obtain preforms for special optical fibers.

Key-words: VAD technology, special optical fibers, GeO2 doping profile, silica-

germânia preforms.

13

13