DEPOSIÇÃO FASE VAPOR DE PREFORMAS PARA FIBRAS ÓPTICAS:
TECNOLOGIA ESTRATÉGICA DENTRO DO CENÁRIO GLOBAL
Carlos K. Suzuki1 e Francisco M. Smolka2
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.
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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;
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(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 (SiO2) segue um elevado
numero de estágios de processamento. A partir da redução carbotérmica do quartzo natural
(SiO2 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, SiCl4). Para
aplicação em fibras ópticas, este material com alto grau de pureza, é novamente transformado
em SiO2 amorfo através da reação de hidrólise e oxidação do SiCl4 em chama de
hidrogênio/oxigênio (H2/O2) [4], de acordo com a equação:
SiCl4 + 2H2 + O2
→ SiO2 + 4HCl.
(1)
A deposição da Germânia (GeO2) 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
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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.
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(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
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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 GeO2, que é
diretamente relacionado com o índice de refração da fibra.
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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.
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