Foram produzidas fibras ópticas do tipo núcleo-casca e microestruturadas de vidros teluritos de composição TeO2-GeO2-Bi2O3-K2O a partir do puxamento dessas preformas em uma torre de puxamento de fibras ópticas. O diâmetro típico das fibras são 125 μm, mas é possível obter fibras com diâmetros entre 40 a 2000 μm. A figura III.20 mostra esquematicamente o diagrama do processo de puxamento de fibras ópticas em uma torre. Inicialmente, a preforma é colocada e alimentada verticalmente dentro de um forno no topo da torre, o qual é aquecido em uma região estreita, chamada de zona quente (~ 5 mm), até a temperatura de amolecimento do material. Quando o vidro amolece, forma-se uma “gota” (adaptado da expressão inglesa, neck-down), a qual começa a cair devido a gravidade. Neste momento o material passa ao longo da torre e por último pode ser puxado através de uma roldana (capstan), com velocidade controlada para o controle do diâmetro da fibra em um determinado diâmetro.
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Os próximos itens descreverão as partes do processo de puxamento para preformas do tipo núcleo-casca e microestruturadas, sendo que para a última, algumas modificações no processo são necessárias e serão abordadas na seção 4.4.
4.1. Alimentação da preforma
A preforma de vidro é presa a um mecanismo controlador de velocidade que a leva para dentro do forno vertical. A taxa de alimentação da preforma, Vp, depende do diâmetro da preforma, Dp, do diâmetro final esperado da fibra, Df e da velocidade de puxamento, Vf, de acordo com a lei de conservação de massa (assumindo a densidade constante):
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ࡰࢌࢂࢌࡰ (Eq. III.14) Na produção das fibras ópticas de teluritos, os parâmetros experimentais da alimentação da preforma, estão expostos na tabela III.6:
Tabela III.6 Parâmetros experimentais do puxamento dos dois tipos de preformas.
Tipo de preforma Taxa de alimentação (mm/min) Diâmetro da preforma (mm) Diâmetro final da fibra (μμμμm) Velocidade de puxamento (m/min) Núcleo-casca 1 10,11 125 § 6,5 Microestruturada 1 16,10 125 § 16,5 4.2. Forno de puxamento
Diversos métodos podem ser utilizados para aquecer a preforma até a temperatura de trabalho (temperatura na qual irá puxar a fibra). Existem perturbações ao redor da fibra que podem causar variações indesejáveis no diâmetro e na resistência mecânica da fibra. Neste sentido, os fornos devem ter um fluxo laminar de gás inerte para eliminar impurezas, além de estarem completamente livres de poeiras e outras partículas do ambiente.
A temperatura do forno é controlada por um pirômetro óptico ou mesmo por termopares diretamente ligados na zona quente. A temperatura deve ser controlada com um
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erro de ±1°C. A tensão de puxamento depende da viscosidade do vidro, mas deve ser mantida constante durante todo o processo para garantir a uniformidade do diâmetro da fibra.
Assim, a temperatura do forno de puxamento para obtenção das fibras ópticas de teluritos variou da preforma núcleo-casca para a microestruturada, devido a maior quantidade de massa de vidro e a presença de furos de ar ao longo do material, como mostra a tabela
III.7. A taxa de aquecimento até essas temperaturas foi de 2°C/min.
Tabela III.7 Temperaturas utilizadas para o puxamento das preformas núcleo-casca e microestruturadas.
Tipo de preforma Temperatura de
amolecimento - “gota” (°C)
Temperatura de trabalho – puxamento (°C)
Núcleo-casca 380 410 – 420
Microestruturada 390 420 – 430
4.3. Controle do diâmetro da fibra
Para manter a uniformidade do diâmetro da fibra, o processo de puxamento inclui este monitoramento na saída do forno. Os valores obtidos na saída do forno são utilizados para ajustar dois importantes parâmetros do processo: (i) a velocidade de alimentação da preforma na zona quente do forno, e (ii) a velocidade da “capstan”. Estes dois fatores irão determinar o diametro final da fibra óptica. Para minimizar as flutuações no diâmetro, é utilizado controladores óptico-eletronicos para monitoramento. As variações no diâmetro podem ter diversas causas, principalmente por perturbações ocorridas na “gota”, causadas por flutuações térmicas do forno, flutuações na atmosfera do forno, vibrações acústicas e mecâncias, etc92.
4.4. Efeitos do puxamento
As propriedades ópticas das fibras são predominantemente determinadas pela composição do material, além da estrutura e fabricação da preforma. O processo de puxamento de fibra pode modificar a estrutura padrão da preforma e afetar as propriedades da fibra. Devido as preformas serem puxadas em altas temperaturas seguido do rápido resfriamento, são possíveis modificações estruturais no vidro93. Estes defeitos podem causar aumento das perdas por absorção na fibra. Para prevenir essas perdas induzidas durante o
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processo, a tensão de puxamento é otimizada em função da composição e do tipo de fibra requerido.
O perfil do índice de refração da fibra também pode ser mudado durante o puxamento via tensão residual. A diferença nas propriedades viscoeslasticas entre o núcleo e a casca resulta em tensões estruturais diferentes durante o puxamento94. As consequencias são mudanças do indice de refração via efeitos fotoelasticos. A modificação depende particularmente da estrutura da fibra e das condições de puxamento.
4.5. Puxamento de fibras microestruturadas de vidros moles
A fabricação de fibras ópticas microestruturadas a partir de vidros moles, como é o caso dos teluritos, exige algumas modificações durante o processo, devido, principalmente, ao comportamento da viscosidade dessa classe de vidros, como ilustra a figura III.21.
Figura III.21 Curvas de viscosidade de vidros ópticos, sendo curva: 1) telurito (75TeO2-20ZnO-5Na2O), 2)
vidro Schott SF59 (SiO2-B2O3-PbO), 3) GLS (65Ga2S3-32La2S3-3La2O3), 4) sílica pura (SiO2).
Devido a este comportamento, o intervalo entre a temperatura de amolecimento e a temperatura de trabalho ou puxamento é muito estreito. As preformas microestruturadas apresentam furos de ar ao longo do material separados por finas paredes de vidro. Durante o puxamento, a maior preocupação é em evitar o colapsamento dos furos e manter a estrutura física da preforma dentro dos parâmetros previamente modelados. Então, durante o puxamento, foi utilizado uma pressão positiva dentro dos furos da preforma, que têm a função de preservar a estrutura dos furos e da interface entre eles. O fluxo também foi utilizado,
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controladamente, para inflar os furos de ar da preforma durante o puxamento, auxiliando para diminuir a área efetiva do núcleo (Aeff) e diminuir o índice de refração da casca. Essas duas condições, além de gerar um alto confinamento da luz no núcleo, são de suma importância quando se busca efeitos ópticos não lineares na fibra.