DEPOSIÇÃO FASE VAPOR DE PREFORMAS PARA FIBRAS ÓPTICAS: TECNOLOGIA ESTRATÉGICA DENTRO DO CENÁRIO GLOBAL Carlos K. Suzuki 1 e Francisco M. Smolka 2 1 UNICAMP, Faculdade de Engenharia Mecânica, DEMA, Laboratório Ciclo Integrado de Quartzo, C.P. 6122, 13081-970 Campinas, SP 2 XTAL Fibras Ópticas, Rodovia SP 340, Campinas, SP RESUMO A tecnologia de deposição de preformas para fibras ópticas pelo método de deposição fase vapor é considerada uma das mais eficientes e econômicas em comparação com outras metodologias em uso. A sua principal característica é a possibilidade de se realizar deposição simultânea do núcleo e da casca da fibra óptica, evitando a confecção em separado de tubos e cladding. A instrumentação completa desta tecnologia, e os processos de fabricação (deposição do soot, desidratação e consolidação, e obtenção do perfil de dopagem relacionado ao índice de refração da fibra) foram desenvolvidas no país através da colaboração entre o Laboratório Ciclo Integrado de Quartzo (LIQC/UNICAMP) e XTAL Fibras Ópticas. Alguns pontos básicos, como é o caso da tecnologia de maçaricos para deposição fase vapor foi desenvolvida em Campinas com a vinda de consultores internacionais. A aplicação desta tecnologia no país poderá trazer grandes benefícios sócio-econômicos e de desenvolvimento tecnológico ao país, dentro do atual cenário global. Palavras-chave: preforma de fibras ópticas, deposição fase vapor, sílica vítrea, dopagem com germânio, cenário global. ABSTRACT The technology of optical fiber preform fabrication by the vapor phase deposition is considered one of the most efficient and economical in comparison with other methodologies. Its main characteristic is the possibility of simultaneously conducting the deposition of both nucleous and cladding. The complete instrumentation of vapor phase deposition methodology and also the process of preform fabrication (soot deposition, dehydration, consolidation, and the doping profile related to the index of refraction of the fiber) have been developed by the Laboratory of Integrated Quartz Cycle (LIQC/UNICAMP) in collaboration with XTAL Fibras Ópticas. Additional fundamental points, such as the vapor phase deposition torches have been developed in Campinas with the collaboration of international consultants. The utilization of this technology in this country should bring great benefits in terms of social & economical, and technological points of view in the present global scenario. Key-words: optical fiber preform, vapor phase deposition, germanium doping, global scenario. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 05901
1. INTRODUÇÃO Na atualidade, a expansão de verdadeiras redes de fibras ópticas em todo o mundo tem se constituído numa das tecnologias mais eficientes para atender a incrível demanda na área de informação através da explosão de mega-investimentos em infra-estrutura de comunicações, e também para atender o ingresso a cada dia de milhões de novos usuários da Internet, TV a cabo e outros serviços da tecnologia da informação. Sabe-se que o fluxo de dados transmitidos no mundo tem dobrado a cada cem dias, sendo imprevisível a taxa deste aumento num futuro próximo. Ainda hoje, um grande volume de informações transmitido é referente a serviços não-interativos, como é o caso de distribuição de TV a cabo, canais de eventos, tele-ensino, home-shopping, home-banking, etc. Num futuro próximo, com a implantação generalizada de serviços interativos em tempo real (multi-mídia seletivo, tele-ensino interativo, tele-trabalho, compras e agencias de viagens interativo,...), bem como a Internet 2, deverá acelerar ainda mais o fantástico crescimento do fluxo de informações através de redes nacionais e globais, as chamadas infovias. No Brasil e em todo o mundo, as redes de transmissão e distribuição de energia elétrica, as redes de distribuição de água e gás, as rodovias e ferrovias, e as conexões das sub-estações de telefonia celular estão se tornando parte destas infovias através da instalação de cabos de fibras ópticas. O mais recente e avançado networking de cabos de fibras ópticas é o Projeto Oxygen, que somente na primeira fase interliga 75 países através de cabos submarinos em sua grande parte, numa extensão de 168.000 km, e com uma capacidade de 2,56 Terabit por segundo (30 milhões de canais de 64 kbit/seg) [1]. A demanda por fibras ópticas no Brasil, passou de 3 mil km/ano em 1985 para 3 milhões de km/ano na atualidade, sendo imprevisível o crescimento futuro desta demanda já nos próximos 2 ou 3 anos. Entretanto, o custo da fibra óptica comercializado no país passou de US$ 800,00/km em 1984 para US$ 34,00/km na atualidade. Neste contexto, aspectos essenciais no processo de otimização dos custos de produção de fibras ópticas, juntamente com a elevada potencialidade para desenvolver novas propriedades em fibras ópticas encontra maiores vantagens na tecnologia de deposição fase vapor. O Laboratório Ciclo Integrado de Quartzo (LIQC/UNICAMP) com a colaboração da XTAL Fibras Ópticas tem desenvolvido um grande esforço para a implantação e desenvolvimento desta avançada metodologia [2] objetivando quatro principais componentes: (a) desenvolvimento científico do mecanismo de obtenção da preforma de ultra-alta pureza para fibras ópticas, e da caracterização das propriedades do material nos seus diversos estágios de processamento; CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 05902
(b) desenvolvimento de tecnologia industrial de vanguarda; (c) integração deste estágio de processamento da preforma com outras etapas do ciclo de vida do sistema de materiais quartzo-silício (Programa QITS); (d) formação de recursos humanos em áreas estratégicas. 2. METODOLOGIA E IMPLANTAÇÃO DA TECNOLOGIA DE DEPOSIÇÃO FASE VAPOR O processo de obtenção de uma fibra óptica à base de sílica (SiO 2 ) segue um elevado numero de estágios de processamento. A partir da redução carbotérmica do quartzo natural (SiO 2 cristalino), é extraído o silício metálico [3], que é submetido a processos de purificação por destilação fracionada na forma de silanos (p.ex., tetracloreto de silício, SiCl 4 ). Para aplicação em fibras ópticas, este material com alto grau de pureza, é novamente transformado em SiO 2 amorfo através da reação de hidrólise e oxidação do SiCl 4 em chama de hidrogênio/oxigênio (H 2 /O 2 ) [4], de acordo com a equação: SiCl 4 + 2H 2 + O 2 SiO 2 + 4HCl. (1) A deposição da Germânia (GeO 2 ) para se obter o perfil de dopagem relacionado com o índice de refração da fibra, também se processa de forma análoga. Tratando-se de uma tecnologia de elevado interesse econômico, tanto a instrumentação básica, quanto o processo da deposição fase vapor para obtenção da preforma para fibras ópticas, não são disponíveis comercialmente. Desta forma, toda a instrumentação necessária foi projetada pela equipe do LIQC com a colaboração da XTAL e de consultores internacionais. Os principais equipamentos projetados foram: (i) maçaricos de deposição da sílica e Germânia [5]; (ii) câmara de deposição da preforma porosa soot ; (iii) sistemas de controle (fluxo de gases, temperatura, dopagem, velocidade de deposição, etc.); (iv) sistemas de automação e controle do processo de deposição da preforma usando a plataforma LabVIEW; e (v) fornos para desidratação e consolidação da preforma. A construção da câmara de deposição, um dos equipamentos de maior complexidade, foi executada por uma empresa especializada no Japão de acordo com o projeto desenvolvido pelo LIQC. Os maçaricos foram projetados e construídos no país com a ajuda de um especialista estrangeiro, que permaneceu no LIQC/Unicamp durante um período de 18 meses. Apesar da elevada complexidade do processo deposição fase vapor, a implantação desta tecnologia no país constituiu-se num grande sucesso, tratando-se no momento de um dos CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 05903
únicos laboratórios a atuar em pesquisa nesta área fora dos domínios da NTT Laboratories (Nippon Telegraph and Telephone Corp.) e de algumas poucas empresas multinacionais. 3. ALGUNS RESULTADOS REPRESENTATIVOS O procedimento para obtenção da preforma envolve duas principais componentes: (i) o estudo fundamental dos n-parâmetros do processo (p.ex., o fluxo, velocidade e a razão da mistura dos gases reagentes, a temperatura de deposição, o tipo de maçarico utilizado), e o entendimento do mecanismo de deposição e consolidação; e (ii) os aspectos tecnológicos envolvidos, em termos de custo, eficiência, e a adequação das propriedades do dispositivo com a realidade de tecnologia industrial. A caracterização da preforma usando diversas técnicas (difração de raios-x, espalhamento de raios-x à baixo ângulo, microscopia eletrônica de varredura, medidas de densidade, espectrometria infravermelho, ultravioleta, e de fluorescência de raios-x, análises térmica, análise estrutural por absorção de raios-x, entre outras técnicas) e a sua correlação com os parâmetros de fabricação é de importância vital para o desenvolvimento do projeto, e tem sido conduzido através de diversas interfaces de colaboração em nível nacional e internacional. Trata-se de um dos únicos projetos de desenvolvimento de preforma para fibras ópticas conduzidos em sua maior parte por projetos integrados de pós-graduação em nível de mestrado, doutorado e pós-doutorado. O resultado tem sido surpreendente em termos de evolução, tanto no conhecimento científico, quanto tecnológico. Outro fator decisivo tem sido a interação bastante harmoniosa com as empresas, superando as dificuldades intrínsecas da diferença no modus operandi, filosofia e objetivos da empresa em relação à Universidade. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 05904
(a) (b) (c) Fig. 1. Fabricação da preforma porosa pelo método de deposição fase vapor: (a) maçarico e preforma na fase inicial de deposição; (b) preforma na fase mais avançada de deposição; e (c) preforma final. Fig. 2. Automação e controle do processo de deposição fase vapor da preforma para fibras ópticas usando a Plataforma LabVIEW. A Fig. 1 ilustra o processo de fabricação da preforma porosa pelo método deposição fase vapor conduzida com sucesso no LIQC. Um dos aspectos fundamentais deste avanço foi a possibilidade de poder controlar com precisão um grande numero de parâmetros de deposição CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 05905
através da implantação de um processo de automação e controle baseado no principio virtual instrument, usando a plataforma LabVIEW (Fig. 2). A Fig. 3 apresenta a seqüência do processo de consolidação da preforma porosa ( soot ) em preforma transparente. Uma das propriedades de maior importância nesta tecnologia, é o processo de dopagem para a obtenção de um perfil controlado de concentração ao longo da direção radial da preforma. A Fig. 4 ilustra um perfil representativo da concentração de germânio na preforma, que se reflete diretamente no índice de refração da fibra. (a) (b) Fig. 3. (a) Forno de consolidação da preforma porosa. (b) Seqüência ilustrativa do processo de consolidação para obter a preforma totalmente transparente. Fig. 4. Exemplo de um perfil representativo de dopagem da preforma com GeO 2, que é diretamente relacionado com o índice de refração da fibra. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 05906
4. CONCLUSÕES O projeto de desenvolvimento de preformas para fibras ópticas pelo método deposição fase vapor tem logrado grande sucesso na integração ciência fundamental, tecnologia industrial, e formação de recursos humanos e abre novas perspectivas de aplicação em outras tecnologias, como é o caso de fibras ópticas dotadas de efeito não-linear, materiais de ultra-alta pureza, e dispositivos ópticos planares. AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer o apoio financeiro da FINEP/PADCT III, FAPESP, CNPq/RHAE, CNPq, e CAPES. REFERENCIAS [1] ARENAS, J. Project Oxigen, 1999. [2] SUZUKI, C.K., TORIKAI, D. Vitreous silica processing by vapor-phase deposition for optical fiber preform, Radiation Effects and Defects in Solids, v. 147, p.55-63, 1998. [3] SUZUKI, C.K. Integrated quartz cycle processing and sustainable development, Proceedings of the First Workshop on QITS: Materials Life-cycle and Sustainable Development, Published by The United Nations University, Institute of Advanced Studies, 1998, p.11-20. [4] T. IZAWA AND S. SUDO, Optical Fibers: Materials and Fabrication, KTK Scientific Publishers, Tokyo (1987). [5] SHIMIZU, H., TORIKAI, D., SUZUKI, C.K. VPD burner technology for optical fiber preform deposition, Proceedings of thefirst Workshop on QITS: Materials Life-cycle and Sustainable Development, Published by The United Nations University, Institute of Advanced Studies, 1998, p.79-84. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 05907