Материалы оптических волокон из кварцевого стекла

Материалы оптических волокон из кварцевого стекла

Стекла для волоконной оптики должны обладать комплексом физико-химических свойств, не традиционных для классической оптики. Для обеспечения нормального процесса формирования волокон из расплавов двух стекол необходимо, чтобы вязкости, коэффициенты линейного термического расширения стекол сердцевины и оболочки были совместимы в широком интервале температур [11]. Наибольшая часть применяемых в оптике стекол относится к числу оксидных и в свою очередь в зависимости от химического состава делится: по виду окисла-стеклообразователя на силикатные, боратные, фосфатные, германатные, альминатные, борсиликатные, алюмоборсиликатные и т.д.; по содержанию щелочных окислов на бесщелочные (не содержат щелочных, но могут содержать щелочноземельные окислы -- MgO, СаО, ВаО и пр.), малощелочные, многощелочные [12].

Выбор материалов для изготовления ОВ определяется необходимостью удовлетворения одновременно следующих требований: способностью вытягиваться в нить, обладающую высокой прочностью и гибкостью; возможностью варьирования в широком интервале ПП для создания различных типов оптических сред; низкими оптическими потерями на несущей частоте излучения и т.д. Наиболее удовлетворяют этим требованиям оксидные (видимая область и ближняя ИК -- область спектра), халькогенидные и галогенидные (средняя и дальняя ИК -- область спектра) стекла.

Стекла характеризуются следующими физико-химическими параметрами, важными для эксплуатации ОВ.

Механическая прочность стекла зависит не столько от его химического состава, сколько от состояния поверхности. Теоретическая прочность при разрыве кварцевого стекла, рассчитанная исходя из прочности связи Si-О, составляет (70-74) ГПа, реальная прочность того же стекла при растяжении может составлять всего 2-5 ГПа. Подобное снижение прочности стекла обусловлено наличием на его поверхности большого количества микродефектов (трещин Гриффита), являющихся концентраторами напряжений. Удаление дефектного поверхностного слоя, например, путем травления, увеличивает прочность стекла до 5-5,5 ГПа.

Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) стекол находится в пределах от 5,8 10^-7 (кварцевое стекло) до 150 10^-7 град . Большинство стекол с низким ТКЛР отличаются более высокой термической и химической устойчивостью и более высокой температурой размягчения.

Температура размягчения для стекол разного состава изменяется в пределах 350-1730^oС. Последняя цифра относится к кварцевому стеклу.

Важным параметром, характеризующим оптические свойства стекла, является показатель преломления ( n ), который в зависимости от состава меняется от 1,3 до 2,0, возрастая с увеличением концентрации окислов PbO, ВаО и пр. Специальную зависимость показателя преломления стекол в диапазоне длин волн 0,2..2,0 мкм можно описать формулой Селмейера:

(1)

где А_i, l_i -- коэффициенты ряда Селмейера; л, l_i выражены в микрометрах.

Для изготовления ОВ, используемых в диапазоне длин волн 0,8 .. 1,8 мкм, применяются кварцевые стекла с легирующими добавками окиси германия GeO₂, фосфора Р₂О₃, повышающими показатель преломления кварца, и добавками окиси бора В₂О₃, фтора F, понижающими его показатель преломления. Значения коэффициентов А_i, l_i в (1) для стекол различных составов приведены в табл.

Самым низким значением поглощения в видимой и ближней инфракрасной областях длин волн среди большинства стекол обладает плавленый кварц при высокой степени очистки и гомогенности. Кварц имеет значительные преимущества перед остальными видами стекол из-за малых внутренних потерь на рассеивание. В ОВ из плавленого кварца самое низкое известное значение поглощения составляет 1,9 дБ/км на длине волны 0,85 мкм, 0,291 дБ/км на длине волны 1,3 мкм и 0,154 дБ/км на длине волны 1,55 мкм, следовательно собственное поглощение материала еще меньше. Высокая температура плавления кварца, с одной стороны, требует специальной технологии для изготовления ОВ, с другой, помогает избавиться от различных примесей, испаряющихся при более низких температурах.

Таблица 1. Коэффициенты ряда Селмейера для кварцевых стекол

Состав стекла	Тип коэффициента	Значение коэффициента для i
		1	2	3
Si O2	Ai li	0,6961663 0,0684043	0,4079426 0,1162414	0,8974794 9,8961610
13,5% Ge О2 86,5% Si О2	Ai li	0,73454395 0,08697693	0,42710828 0,11195191	0,82103399 10,84654000
7% Ge О2 93,0% Si О2	Ai li	0,686982900 0,078087582	0,44479505 0,11551840	0,79073512 10,43662800
4,1% Ge О2 95,9% Si О2	Ai li	0,686717490 0,072675189	0,43481505 0,11514351	0,89656582 10,00239800
13,5% Ве2 О3 86,5% Si О2	Ai li	0,707246220 0,080478054	0,39412616 0,10925792	0,63301929 7,89080630
3,1% Ge О2 96,9% Si О2	Ai li	0,7028554 0,0727723	0,4146307 0,1143085	0,8974540 9,8961610
3,5% Ge О2 96,5% Si О2	Ai li	0,7042038 0,0514415	0,4160032 0,1291600	0,9074049 9,8961560
3,0% В2 О3 97,0% Si О2	Ai li	0,6935408 0,0717021	0,4052977 0,1256396	0,9111432 9,8961540
3,5% В2 О3 96,5% Si О2	Ai li	0,6929642 0,0604843	0,4047458 0,1239609	0,9154064 9,8961520
3,3% Ge О2 9,2% В2 О3 87,5% Si О2	Ai li	0,6958807 0,0665654	0,4076588 0,1211422	0,940193 9,896140
2,2% Ge О2 3,3% В2 О3 94,5% Si О2	Ai li	0,6993390 0,0617482	0,4111269 0,1242404	0,9035275 9,8961580
9,1% Р2 О5 90,9% Si О2	Ai li	0,695790 0,061568	0,452497 0,119921	0,712513 8,656641
1% F 99% Si О2	Ai li	0,691116 0,068227	0,399166 0,116460	0,890423 9,993707
16,9% Nа2 O 32 5% В2 О3 50,6% Si О2	Ai li	0,796468 0,094359	0,497614 0,093386	0,358924 5,999652

Стекла для изготовления ОВ (сердцевины и оптической оболочки) отличаются друг от друга показателем преломления.

Значительное влияние на характеристики ОВ оказывает конструкция защитного полимерного покрытия. Покрытие должно обеспечивать сохранность собственной прочности ОВ, защищая его поверхность от влаги, химических и механических повреждений, фильтрации оболочечных мод и предотвращая возникновение дополнительных потерь на передачу, обусловленных макроизгибами.

Защитная оболочка ОВ из полимерных материалов в общем случае имеет сложную структуру и состоит из первичного, буферного и вторичного покрытий. Первичное покрытие защищает оптическую оболочку ОВ. Буферное -- предотвращает возникновение дополнительных потерь на макроизгибах. Вторичное -- защищает первичное и буферное покрытия от механических повреждений в процессе изготовления и прокладки ОК. Первичное и буферное покрытия наносятся в процессе вытяжки ОВ, вторичное -- методом экструзии при вытяжке ОВ или осуществляется отдельная операция.

В качестве вторичной защиты ОВ могут служить (рис.): трубки оптических модулей или пазы профилированных сердечников ОК; плотные покрытия из полимеров; ленточно-элементная укладка.

Первичное защитное покрытие (ПЗП) наносится на оптическую оболочку в виде лака с последующим отверждением. Несмотря на его небольшую толщину (от единиц до десятков микрон), ПЗП существенно улучшает характеристики ОВ. Так, например, ПЗП из силиконового компаунда почти на 50 % уменьшает чувствительность одномодового ОВ (в части стабильности фазы) к воздействию раздавливающих нагрузок. Это позволяет во многих случаях использовать для передачи сигналов с повышенным требованием к сохранению поляризации обычные одномодовые ОВ. При воздействии раздавливающей нагрузки на ОВ с кварцевой сердцевиной и кварцевой оптической оболочкой в ПЗП возникают микроизгибы вследствие шероховатости поверхности основания какого-то элемента кабельной конструкции.

Рис. Вторичное покрытие оптического волокна: а-плотное; б-трубчатое; в-пазы профилированного сердечника; г-ленточно-элементная укладка: 1-ОВ; 2-вторичная укладка

На практике все большее применение стали получать ОВ с двухслойным покрытием, в которых первый слой выполнен мягким (буферным) с низким (1-20 МПа) модулем Юнга, а второй - с жестким модулем Юнга от 0,1 до 4 ГПа. Второй слой накладывается вокруг первого практически без промежутка, т.е. плотно. Такая конструкция ОВ получила название ОВ с плотной защитной оболочкой (ПЗО). Мягкая буферная оболочка достаточно эффективно предохраняет световод от действия раздавливающих нагрузок и обеспечивает малый прирост оптических потерь при изготовлении ОК и его эксплуатации. Выбор материала и размеров вторичной (внешней) защитной оболочки определяют оптические характеристики ОВ и их стабильность во времени. При этом учитываются размеры ОВ, числовая апертура, размеры вторичного защитного покрытия и его материал. Волокна с большой числовой апертурой менее подвержены воздействию микроизгибов.

Основной причиной возникновения микроизгибов в ОВ с ПЗО является различие температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) материала ОВ и материала защитных полимерных покрытий. Для ОВ в тонком защитном покрытии эта разница не очень существенна, но при наличии ПЗО влияние микроизгибов на оптические характеристики волокна велико. Кроме этого микроизгибы появляются при усадке полимерных материалов. Поэтому увеличить модуль Юнга внешнего полимерного покрытия за счет ориентирования молекул (вытяжки) при экструдировании нельзя.

Диаметр ОВ по ПЗО обычно составляет от 0,5 до 2,0 мм.

Первичное защитное покрытие наносится на поверхность ОВ при его непосредственном изготовлении в едином технологическом процессе. ПЗП защищает ОВ от механических повреждений, влаги и других внешних факторов. Полимер, используемый для первичного покрытия, должен быть стоек при воздействии рабочих температур; реагенты должны быть жидкими при комнатной температуре и иметь достаточно низкую вязкость для наложения на световод в виде пленки толщиной 10-50 мкм концентричным слоем, постоянным по толщине, т.е. вязкость не должна превышать 5 Па с. Реагирующие компоненты материала должны полностью превращаться в твердый полимер (свободный от растворителя или продуктов реакции) с гладкой поверхностью. Время полимеризации должно быть соотнесено со скоростью вытяжки ОВ. Показатель преломления полимера должен быть не менее 1,43. Первичное защитное покрытие должно обладать хорошей адгезией к материалу оптической оболочки световода и быть эластичным. Это покрытие, как и другие виды покрытий, при его наложении на оболочку ОВ не должно вызывать остаточных напряжений по всей его длине или в локальных точках. Полимерное покрытие должно легко сниматься с поверхности волокна. При выборе материала необходимо учитывать ТКЛР, который должен приближаться к ТКЛР материала ОВ.

Для ПЗП в большинстве своем используются лаки. По способу отверждения они делятся на материалы теплового и ультрафиолетового (УФ) отверждения. К первым из них можно отнести силиконовые компаунды, представляющие собой модифицированную двухкомпонентную силиконовую смолу, отверждаемую при нагреве. Компоненты имеют: удельную плотность (1,09-1,1) г/см; показатель преломления 1,43-1,52; время полимеризации при температуре 150^оС до 30 мин; ТКЛР=3х10^-4 град^-1. Указанные значения могут изменяться в зависимости от конкретного типа материала. Основным недостатком данных полимеров является водопроницаемость. Через пленку толщиной приблизительно 50 мкм вода диффундирует до 300 г/м² в сутки.

Материалы ПЗП ультрафиолетового отверждения имеют лучшую однородность покрытия, так как отверждение происходит практически мгновенно при низкой температуре. Показатель преломления составляет 1,375-1,385. Материал обеспечивает изготовление ОВ со скоростью от 2,5 до 5м/с.

В качестве ПЗП ОВ могут использоваться неорганические диэлектрические материалы (алмазноподобная форма углерода в виде пленки толщиной в несколько нанометров) и металлы (индий, олово, алюминий), наносимые на поверхность ОВ методами ионного осаждения в вакууме или протягиванием волокна через фильеру с расплавленным металлом. Однако ОВ с металлическими ПЗП имеют большие потери из-за наличия микроизгибов, вызванных жесткими свойствами материала покрытия.

Материалы буферного покрытия ОВ должны играть роль демпфера, уменьшающего воздействие защитных оболочек на ОВ. Буферный слой заполняется мягким полимерным материалом, например, СИЭЛ или уретанакрилатные композиции.

В некоторых фирмах, например, в фирме Ericsson, в качестве первичного покрытия ОВ применяется акрилат с УФ обработкой. Акрилатное покрытие наносится двумя отдельными слоями: мягкий внутренний слой и жесткий внешний слой. Обеспечивая физическую защиту и значительную прочность покрытие одновременно придает кабелю стойкость от поперечной силы, абразивного износа и коррозионной среды, например, влаги. Оно также уменьшает риск потерь от микроизгиба.

Акрилат применяется и в качестве связующего материала матрицы ленты для удержания волокон на ленточной структуре. Температурные характеристики для акрилатного покрытия разработаны из расчета эксплуатации в одном диапазоне температур с волоконно-оптическими кабелями, от -- 40^оС до + 70^оС.

Материалы вторичного защитного покрытия (ВЗП) должны обеспечить защиту ПЗП и буферного слоя от механических повреждений в процессе изготовления и прокладки кабеля. Обычно для этого используют эпоксиакрилаты, уретанакрипаты, фторполимеры, полипропилен, найлон-12, полиамид, капрон, полиэтилены, кремнийорганические резины и пр. Материал вторичного защитного покрытия должен обеспечить механическую прочность покрытия выше прочности ОВ. Однако необходимо учитывать воздействие ВЗП на ОВ, возникающее за счет разности ТКЛР материала ВЗП и волокна, а также вклада релаксационных напряжений в материал покрытия. Влияние ВЗП на ОВ можно уменьшать за счет применения тонкослойных покрытий и управления релаксационными и ориентационными процессами в полимерах. Тонкослойные покрытия наносят с использованием эпоксиакрилатов и уретанактилатов.

Значения ТКЛР различных материалов приведены в табл.

Таблица 2. ТКЛР материалов, применяемых для изготовления ОВ и ОК

Материал	ТКЛР, град-1
Поливиннлацетат	8,6•10-5
Поликарбонат	6•10-6
Полиамид	1,5•10-4
Найлон-12	1•10-4
Халар	8•10-5
Хайтрап	8•10-5
Самозатухающий полиэтилен	(2,1-5,5)•10-4
Полиуретан	(1-2)•10-4
Алюминий	(2,2-2,5)•10-5
Материал	ТКЛР, град-1
Кварц	5,8•10-7
Полиэтилен низкой плотности	(2,2-5,5)•10-4
Полиэтилен высокой плотности	4•10-4
Полипропилен	1,1• 10-4
Поливинилхлорид	1,6•10-4
Полистирол	8•10-5
Фторопласт-40	(6-9)•10-5
Полиакрилат	7,7•10-5
Сталь	(1,1-1,8)•10-5

Изготовление оптических волокон

Общие положения

Технологический процесс изготовления ОВ разрабатывается, исходя из требований точного использования конструктивных решений и наименьшего влияния на параметры волокна внешних воздействующих факторов, а также экономической целесообразности работ.

Волокна обычно изготавливаются в ходе нескольких технологических операций, чтобы целенаправленно оптимизировать их механические, геометрические и оптические характеристики. Такая технология позволяет осуществлять быстро и экономично массовое производство, что является существенным фактором для современной техники связи, использующей волоконно-оптические кабели.

Общая технологическая схема изготовления ОВ включает изготовление заготовок и вытяжку ОВ из этих заготовок. Заготовка представляет собой стеклянный стержень, состоящий из стекла сердцевины и стекла оболочки. Если рассматривать поперечное сечение такой заготовки, то в увеличенном масштабе видны геометрические размеры и профиль показателя преломления ОВ, который может быть сделан из заготовки. При сильном нагревеодного конца заготовка вытягивается в волокно, при этом одновременно наносится покрытие, являющееся его защитной оболочкой.

Изготовление кварцевых заготовок осуществляют различными технологическими методами, в основе которых лежит метод жидкой фазы, парофазная техника и золь-гель процесс.

Метод жидкой фазы в основном используют для изготовления многокомпонентных ОВ с диаметром сердцевины 250 мкм и 400 мкм, числовой апертурой более 0,5 и коэффициентом затухания 3 -- 20 дБ/км.

К методам жидкой фазы относят методы: тигля, слоистого расплава, двойного тигля, обменной диффузии, модифицированный метод обменной диффузии "фазил", ионного обмена [13].

Золь-гель процесс производства оптических заготовок разрабатывался с 1977 г. Существуют два основных метода изготовления кварцевого гель-стекла: гидролиз и полимеризация алкоголятов; превращение в гель золей, полученных из коллоидных оксидных дисперсий. С помощью золь-гель процесса изготовляют опорные кварцевые трубы (ОКТ), сердцевину и оптическую оболочку.

Алкоголяты позволяют получать многокомпонентные гели и благодаря маленьким порам (2 -- 7 нм), эти гели могут спекаться при температурах, значительно меньших, чем температуры, которые применяются при образовании стекла. Таким образом можно исключить проблему кристаллизации, так как спекание происходит при температуре значительно ниже той, при которой начинается образование центров кристаллизации и рост кристаллов. Однако сушка монолитных алкоголятных гелей представляется трудной задачей. Она может быть решена путем гиперкритической откачки воздуха из автоклава. Метод очень трудоемок, требует громоздкого оборудования и больших затрат.

Остановимся в основном на изготовлении заготовок методом парофазной техники. Он является наиболее распространенным для ОВ, применяемых в технике связи.

Технология изготовления опорных кварцевых труб

Опорные кварцевые трубы (ОКТ) являются важным исходным компонентом для изготовления кварцевых заготовок [13]. Они изготовляются из различных видов сырья по одностадийной или двухстадийной технологии (рис.).

Рис. Перечень основных технологических операций производства опорных кварцевых труб

Одностадийный процесс обеспечивает наилучшие геометрические характеристики изготовляемых труб, но, как и процесс контактного двухстадийного формирования труб, не обеспечивает высокой прочности кварцевого стекла ОКТ ввиду его загрязнения частицами материала дорна установки контактного формирования трубы.

Наибольшее распространение получил двухстадийный процесс производства ОКТ из натурального стекла с использованием метода бесконтактного формирования трубы, имеющий достаточно высокие технико-экономические показатели [13]. Изготовленные на его основе ОКТ выпускают диаметром 8 -- 24 мм с радиальной толщиной стенок 1 -- 1,6 мм. Допуски на радиальную толщину стенки для лучших образцов ОКТ колеблются от ± 0,2 до ± 0,4 мм. Длина ОКТ может составлять 1 -- 2,5 м. Допуск на радиальную толщину стенки в значительной степени определяет точность изготовления заготовки с заданным профилем показателя преломления заготовки.

Изготовление заготовок путем плавления стекла

При изготовлении волоконных световодов методом "стержень в трубке" стержень из высокочистого кварцевого стекла в качестве сердцевины вдвигается в опорную кварцевую трубку с меньшим показателем преломления, служашую оболочкой. Размеры стержня и трубки таковы, что между ними практически не остается зазора. Однако при этом любые мельчайшие повреждения и примеси на их пограничной поверхности после вытяжки световода приводят к большому затуханию (от 500 до 1000 дБ/км) и, кроме того, этим методом можно изготавливать только многомодовые световоды со ступенчатым профилем показателя преломления. При другом методе стекло сердцевины и стекло оболочки приводятся одновременно в расплавленное состояние и световод вытягивается непосредственно из расплава. Такой метод называется методом двойного тигля или методом совмещенного расплава, так как стекло для сердцевины и для оболочки плавится раздельно в двух тиглях. В качестве стекла используются высокочистые типы многокомпонентных стекол, например щелочносвинцовосиликатное стекло и натрийборсиликатное стекло. За счет диффузии или ионного обмена между стеклом сердцевины и стеклом оболочки можно изготавливать волоконные световоды с градиентным профилем показателя преломления (метод Сельфок). Поскольку внутренние поверхности тиглей не могут быть абсолютно чистыми, в световод наряду с переходными металлами дополнительно попадают примеси, увеличивающие затухание (от 5 до 20 дБ/км при 850 нм). Этот метод используется для производства световодов с "толстой" сердцевиной (диаметр сердцевины ? 200 мкм). При методе разделения фаз стекла стержень из натрийборсиликатного стекла формируется при температуре 1200^оС, а затем выдерживается в течение нескольких часов при t = 600^оС. За это время происходит разделение натрийборат-стеклофазы в матрицу SiО₂-стекла. Переходные металлы, такие как Fe и Си, собираются в натрийборат-стеклофазе и могут быть выщелочены с помощью кислоты, так что получается пористая заготовка. Она пропитывается высокочистым солевым раствором, например, нитрата цезия, а затем промывается снаружи. Легирование цезием увеличивает показатель преломления внутри. Промытая зона становится оболочкой. С помощью этого метода могут производиться волоконные световоды со ступенчатым и градиентным профилями показателя преломления с затуханием от 10 до 50 дБ/км при длине волны 850 нм.

Используется еще один метод изготовления заготовки, когда стержень из коммерчески доступного кварцевого стекла используется лишь в качестве сердцевины, а во время вытягивания вокруг него накладывается оболочка из прозрачной пластмассы с низким показателем преломления. При этом достигаются величины затухания от 5 до 50 дБ/км.

Существуют также исключительно полимерные световоды, у которых сердцевина и оболочка изготавливаются из оптически чистых пластмасс с различными показателями преломления. У таких световодов затухание по результатам измерений составило от 100 до 400 дБ/км при длине волны 600 нм.

Изготовление заготовки методом осаждения стекла из паровой фазы

Прорыв в производстве волоконных световодов с крайне малым затуханием был достигнут только с помощью различных методов парофазного осаждения -- способа, который впервые был использован в 1970 г. американской фирмой Corning Glass Works. При этом осаждение стекла может происходить на внутренней поверхности вращающейся ОКТ (метод внутреннего парофазного осаждения), на внешней поверхности вращающегося затравочного стержня (метод внешнего парофазного осаждения) или на торце поверхности стержня из кварцевого стекла (метод осевого парофазного осаждения).

Сравнительные данные, характеризующие технологические методы производства заготовок на базе осаждения стекла из паровой фазы, приведены в табл. 3

Таблица 3 Сравнительные характеристики различных технологических методов производства заготовок

Параметр	Значения для
	MCVD	OVD	VAD
Коэффициент затухания одномодовых ОВ на л=1,3 мкм, дБ/км	0,40	0,35	0,4-0,45
Коэффициент затухания градиентных ОВ на л =1,3 мкм, дБ/км	0,55	0,55	0,55
Коэффициент широкополосности на л = 1,3 мкм, МГц км	800-1800	800-1200	700-1200
Скорость осаждения частиц кремниевого диоксида, г/мин	0,5-2,0	4	0,6-2,0
Минимально возможная длина ОВ из заготовки, км	10-30	50	50
Число технологических операций при изготовлении заготовки	1-2	3-4	4-5

Энергия, необходимая для осаждения стекла при методе внутреннего паромного осаждения, может быть получена либо снаружи от кислородно-водородной газовой горелки (модифицированный метод химического парофазного осаждения), либо изнутри от плазменного пламени (плазменный метод химического парофазного осаждения), рис. При этих методах осаждение стекла происходит за счет реакции разложения сильно летучих высокочистых соединений в кислородно-водородном или плазменном пламени. В настоящее время в промышленном серийном производстве заготовки для много- и одномодовых световодов изготовляются этими методами. Так одномодовые ОВ имеют самое низкое затухание (0,2 дБ/км при длине волны 1550 нм) и малый коэффициент дисперсии (< 3,5 пс/нм км в диапазоне длин волн от 1290 до 1330 нм). С одной стороны, особое внимание уделяется выбору оптимальной скорости осаждения (т.е. количество осажденных порошкообразных частиц в минуту), которая обычно бывает в диапазоне от 1 до 5 г/мин. С другой стороны, желательно увеличение размера заготовки, с тем чтобы из одной заготовки можно было вытянуть световод длиной более 100 км. Рассмотрим более подробно производство кварцевого стекла методом осаждения [12]. Оптическое волокно для передачи информации состоит главным образом из ультрачистого кремниевого диоксида (SiО₂). Сердцевина волокна, по которой передается свет, состоит из кремниевого диоксида, легированного небольшим количеством германия для увеличения показателя преломления сердцевины. Если изготовитель хочет уменьшить показатель преломления оболочки, то SiО₂ легируется фтором. Кремниевый диоксид поглощает мало света, что делает его наиболее подходящим материалом в изготовлении ультрачистого (ультрапрозрачного) стекла. Процесс производства ультрачистого кремниевого диоксида, легированного или нелегированного, относительно прост. Он осуществлятся осаждением чрезвычайно чистого, гомогенизированого, кремниевого диоксида из SiCl₄ в паровой фазе.

Естественный кремниевый диоксид, например, кварцевый или кварцевый минеральный песок, не может использоваться непосредственно для производства стекловолокна.



Рис. Изготовление заготовок методами внутреннего парофазного осаждения: а-плазменный; б-MCVD методы

Кварц и кварцевый минеральный песок содержат недопустимые количества металлических окисей, которые должны быть удалены. Для этого жидкий тетрахлорид кремния выпаривается. Кремниевый тетрахлорид производится из естественного кремниевого диоксида за счет уменьшения углерода и дальнейшей реакции с хлором (рис.). Частичная дистилляция гарантирует, что кремниевый тетрахлорид, который должен использоваться при производстве ОВ, ультрачист. Металлы в форме металлических хлоридов, например хлористое железо, остаются как отходы производства. Кремниевый тетрахлорид также имеет другие области применения, например, в производстве ультрачистого кремния для производства полупроводников.

Следующая стадия в изготовлении стекла для ОВ -- это восстановление кремниевого диоксида из кремниевого тетрахлорида (рис.9). Кремниевый диоксид осаждается из паровой фазы на подходящую заготовку. Кремниевый тетрахлорид может быть легирован добавками хлоридов, прежде всего германия (GeCl₄), но иногда также фосфора (РОС1₃). Хлорид или смесь хлоридов окисляются в газовом пламени или окислительном газе в результате термической реакции при температуре приблизительно 1300^oС.



Рис. Блок-схема производства ультрачистого кремниевого диоксида из естественного кварца или кварцевых минеральных песков

Реакции заставляют очень мелкие частицы порошка кремниевого диоксида конденсироваться из пара и оседать в соответствующей заготовке. Излишки воды в кремниевом диоксиде эффективно удаляются газом хлора, так как реакция воды и хлора формирует соляную кислоту, которая получается при температуре около 1000^oС. Удаление воды (дегидратации) способствует улучшению передачи света через готовое стекловолокно. Пористый кремниевый диоксид затем спекается при повышенной температуре 1200^oС и кремниевый диоксид формируется в твердое, свободное от пузырьков воздуха стекло.

Рис. Осаждение кремниевого диоксида при высокой температуре в ультрачистой кварцевой трубке при MCVD процессе

Модифицированный метод химического парофазного осаждения (МСVD)

Этот метод изготовления заготовок для производства волокон был сначала описан в работах Лаборатории Бэлла в 1974 г. Модифицированный метод химического, парофазного осаждения MCVD стал одним из наиболее испытанных и проверенных методов, используемых для изготовления волоконно-оптических заготовок. Процесс прост, гибок и легок в производстве. Простота его выполнения наиболее подходит для научных исследований в области оптических волноводов. Крупномасштабное использование этого метода осуществлено фирмой Lucent Technologies в США и многими другими изготовителями США, Японии и Европы. Метод позволяет осуществить вариацию множества параметров, например, диаметра готового многомодового или одномодового стекловолокна, числовой апертуры (NA) и профиля показателя преломления. Эти параметры могут меняться в зависимости от количества пара кремниевого диоксида и примесей легирования, при этом весь процесс управляется и контролируется компьютерами.

При методе MCVD сверхчистый кремниевый диоксид (всегда легированный для сердцевины) осаждается на внутренней части стеклянной трубки, которая затем подвергается воздействию повышенной температуры (газовое пламя). В результате трубка приобретает форму твердого стеклянного стержня диаметром около 30 -- 40 мм и длиной 1000 мм., т.е. имеет готовый профиль стекловолокна. Этот процесс также включает вытягивание стержня (называемого заготовкой) в стекловолокно, которое является оптическим волноводом.



Рис. Непосредственные составляющие ОВ

Процесс осаждения фазы основан на высоком температурном окислении SiCl₄, и окислении легирующих примесей. Процесс занимает около восьми часов, в зависимости от размера заготовки. Этот процесс одинаков как для одномодовых так и многомодовых волокон. Составляющие сердцевины и оболочки ОВ в виде примера представлены на рис. Процесс осаждения начинается с вымывания очень чистой, высококачественной ОКТ кремнезема в кислотной ванне, затем трубка фиксируется в токарноподобном устройстве, где вращается вокруг центральной оси. Кислородно-водородная горелка перемещается в двух направлениях вдоль трубки, прогревает ее очень высокой температурой. Вводный конец трубки соединен через газонепроницаемый вращающийся соединитель с системой, подающей газы. Эта система включает газовый смеситель и компьютер, регулирующий управление потоком газов (контроллер расхода массы). Эта часть аппарата должна быть абсолютно герметичной, исключать попадание загрязняющих веществ из системы ввода и обеспечивать точную пропорцию подачи газов. Из другого конца трубки (выходного конца) удаляются лишние материалы.

Рис. Процесс сжатия трубки

В процессе осаждения точно контролируется количество химических компонентов, подаваемых в трубку с помощью подачи индивидуальных потоков газов (Ar, Не и О₂). В области повышенной температуры, создаваемой непосредственно над горелкой, SiСl₄ и легирующие примеси окисляются. При этом мелкая порошковая окись формируется из подаваемых газов по всей длине трубки. Когда тепловая энергия от горелки достигает осевшего порошка, под действием тепла порошок плавится в свободный от пузырьков, твердый, прозрачный кремниевый диоксид (легированный или нелегированный). Горелка при достижении конца трубки меняет направление движения и быстро перемещается назад по трубке к начальной точке, чтобы образовать новый слой порошка. Разнообразные легирующие материалы, подаваемые в различных количествах в течение фазы осаждения, образуют сердцевину и оболочку. Различие профиля показателя преломления ОВ зависит от количества легирующих примесей. В этом методе доступ загрязняющих веществ всех видов снижен настолько, насколько это технически возможно -- особенно загрязняющих веществ, содержащих водород. Загрязняющие вещества, содержащие водородные формы ОН в стекловолокне, приводят к серьезным увеличениям затухания в световодах.

Основное преимущество метода MCVD состоит в том, что структура ОВ и его свойства могут быть включены в заготовку и сохранены в готовом стекловолокне. Относительные габариты и индексная конфигурация заготовки задаются готовому волокну в течение процесса вытяжки.

После окончания процесса осаждения выполняется в несколько этапов сжатие трубки (рис.). Для этого повышается температура трубки при помощи газовой водородно-кислородной горелки до 1500 -- 2000^oС, при которой трубка медленно размягчается и свертывается в твердый стержень заготовки. Этот процесс является решающим для формирования заключительных геометрических свойств заготовки. Сжатие происходит, когда пламя горелки последовательно передается трубке.

Если газы, реагирующие внутри трубки, не содержат водорода, то при этом методе особого процесса сушки не требуется, так как, в общем, газ, сильно насыщенный водородом и используемый для нагрева, входит в контакт с трубкой только снаружи, другие факторы окружающей среды также не оказывают влияния.

Недостатком метода MCVD следует считать наличие большого температурного градиента между внутренней поверхностью ОКТ в месте реакции и наружной поверхностью.

Плазменный метод химического парофазного осаждения (PCVD)

Изготовление заготовок плазменным методом химического парофазного осаждения осуществляется, в основном, аналогично модифицированному методу химического парофазного осаждения. Различие заключается в технике реакции. Плазму получают путем возбуждения газа (рис.7. а) с помощью, например, микроволн (сверхвысокие частоты). При этом газ ионизируется, т.е. разлагается на свои носители электрических зарядов. При воссоединении этих носителей вычисляется тепловая энергия, которая может быть использована для плавления материалов с высокой температурой точки плавления. Так, при плазменном методе галогениды вступают в реакцию с помощью плазмы низкого давления (давление газа примерно 10 мбар), и в результате соединения с кислородом образуется SiO₂. Возникающие при этом порошкообразные частицы при температуре примерно 1000^оС осаждаются в виде стеклянного слоя. Поскольку плазменное пламя движется быстро вдоль трубки назад и вперед, то за счет перемещения резонатора можно изготовить более 1000 тонких слоев, благодаря чему можно повысить точность профиля показателя преломления.

Основным преимуществом метода является более низкая температура всего процесса осаждения, чем при методе MCVD. Точность изготовления профиля показателя преломления повышается.

Метод внешнего парофазного осаждения (OVD)

Метод внешнего парофазного осаждения более сложен, чем метод MCVD. Однако полный объем ОВ, изготовленных из заготовок, выполненных методом OVD больше, чем объем ОВ, изготовленных из заготовок, выполненных методом MCVD так же в крупномасштабном производстве этот метод более эффективен, чем метод MCVD. Сложность и всесторонняя патентная защита метода OVD привели к тому, что он используется исключительно фирмой Coming Glass Work [14].

Производство заготовки методом OVD осуществляется двумя этапами.

Первый этап включает в себя осаждение порошка кремниевого диоксида с или без легирующих примесей (см. описание процесса MCVD) на тонком стержне. Горячий поток частиц кремниевого диоксида проходит по поверхности стержня, некоторые из них прилипают к стержню, вращающемуся вокруг своей оси вдоль горелки (рис.).

Рис. Изготовление заготовки методом OVD

Пористая заготовка создается слой за слоем. При этом некоторые частицы спекаются.

После осаждения достаточного количества стекла для сердцевины и оболочки, процесс останавливается, и начальный стержень становится заготовкой. В процессе изготовления заготовки кислород (O₂ вместе с другими легирующими добавками, необходимыми для обеспечения нужного профиля показателя преломления, например с металлогалогенидами (SiCl₄, GeCl₄, BCl₃, РСl₃), подается в горелку и там преобразуются в соответствующие оксиды. Оксиды образуют малые порошкообразные частицы, которые осаждаются на вращающемся стержне. Если стержень также перемещается назад и вперед вдоль продольной оси, то получается слоистая пористая стеклянная заготовка. Каждый слой может легироваться по-разному, т.е. к основному материалу (SiО₂) может быть добавлено определенное количество примеси. Для градиентных профилей показателя преломления легирование сердцевины с помощью GeO₂ уменьшается от первого слоя к последующим непрерывно до тех пор, когда будет осаждаться SiO₂ в чистом виде. Соответственно для ступенчатых профилей показателя преломления легирование сердцевины посредством GeO₂ остается постоянным от слоя к слою.

Рис. Усадка пористой заготовки

Второй этап изготовления заготовки предусматривает процесс усадки пористого стержня. Пористая форма заготовки в управляемой печи нагревается сначала в среде газа хлора, а затем позонно нагревается до температуры 1400-1600^oС, при которой частицы кремниевого диоксида спекаются в твердый, свободный от пузырьков стеклянный стержень -- заготовку (рис.). Пустоты из начального стержня в основном схлопываются в течение этого этапа, отверстие по центру заготовки тоже исчезает. Во время спекания заготовка постоянно омывается газообразным хлором с тем, чтобы удалить из стекла, по возможности, все следы воды, так как в противном случае следует ожидать больших величин затухания.

В целом описанные выше этапы метода OVD включают в себя пять основных последовательных циклов: очистка материалов, транспортировка реагирующих материалов к тепловой зоне, химическая реакция и формирование частиц, осаждение частицы на начальный стержень или заготовку с уже имеющимся напылением, дегидрация и спекание.

Метод осевого парофазного осаждения (VАD)

Этот метод, разработанный в Японии, является альтернативой методу OVD. При методе осевого парофазного осаждения порошкообразные частицы, образуемые с помощью кислородно-водородной горелки, осаждаются на торцевую поверхность вращающегося стержня из кварцевого стекла (рис.).

Рис. Принципиальная схема, показывающая VAD метод изготовления заготовок

Аксиальное осаждение частиц кремниевого диоксида при этом методе происходит не радиально как в OVD; что делает более трудным процесс изменения индексного ППП, но позволяет проще изготавливать более длинные заготовки. Производственная система состоит из механизма для осевого движения заготовки, вакуумной камеры, горелки, выпаривающего модуля для составляющих сырья и блока управления. Заготовка вытягивается медленно, вертикально вверх через производственное оборудование. Сырье (SiCl₄, GeCl₄ и РОС1₃) вводится таким же образом как в OVD; используется газовая водородно-кислородная горелка и чрезвычайно мелкие стеклянные частицы, сформированные в процессе реакции теплового гидролиза. Эти частицы оседают на поверхности стержня с уже имеющимся напылением, который функционирует как основа для наращивания заготовки. Пористая заготовка наращивается вдоль оси стержня и увеличивается в направлении роста заготовки. При этом расстояние между горелкой и растущей в осевом направлении заготовкой должно оставаться постоянным. Можно также использовать несколько горелок одновременно, для того чтобы обеспечить требуемые показатели преломления сердцевины и оболочки. В зависимости от конструкции горелок и их расстояния от стержня, а также от температуры при осаждении можно изготавливать различные профили показателя преломления.

Превращение в прозрачную заготовку (остеклование) осуществляется с помощью кольцеобразной печи по окончании осаждения. Для сушки, т.е. удаления остатков влаги, в процессе усадки заготовка омывается газообразным хлором.

Важными элементами процесса изготовления заготовки методом VAD являются: постоянный процесс роста; точный контроль над потоком сырья; точный контроль относительно выхода избыточных материалов; температура пламени; поверхностная температура зоны роста заготовки; скорость вращения заготовки; позиция зоны роста заготовки.

Вариации в позиции зоны роста дают флуктуации в индексной конфигурации готовой заготовки. Осевая скорость изготовления заготовки -- приблизительно 40 -- 60 мм/час.

Чтобы получить световод с более толстой оболочкой, можно после этого на заготовку надвинуть трубку из кварцевого стекла в соответствии с методом "стержень в трубке", используемую в качестве оболочки.

Вытяжка оптического волокна

Для вытяжки кварцевого ОВ применяют установку вертикального типа (рис.), которая состоит из каркаса 1, узла подачи заготовок 2, печи 3, системы измерения диаметра ОВ 4, узла нанесения ПЗП на ОВ 5, системы контроля концентричности ПЗП б, системы отверждения ПЗП 7, измерителя диаметра но ПЗП 8, тягового устройства 9, системы испытания ОВ на механическую прочность 10 -- 12, компенсатора 13, приемного устройства 14, системы управления 15, систем газоснабжения, водоснабжения, освещения, вентиляции.

Технология и оборудование для изготовления волокон с кварцевой сердцевиной и кварцевой оптической оболочкой изложены в [13, 14].

Каркас помещен на специальные резиновые амортизаторы, которые до минимума снижают вибрацию всей установки. Заготовки крепят в узле подачи заготовок с помощью зажима цангового типа.

Подачу заготовки осуществляют с помощью прецизионного винтового приспособления. Центрирование заготовки по оси Х и Y происходит автоматически. Дополнительно предусмотрен ручной режим центрирования заготовки. Узел подачи заготовки может иметь дополнительный привод, обеспечивающий вращение заготовки с одновременным ее продольным перемещением.

Печь для вытяжки ОВ должна обеспечивать оптимальный температурный градиент для максимального переноса тепла к заготовке в зоне плавления и высокую чистоту атмосферы, окружающей заготовку. Основными источниками тепла для разогрева заготовок являются: газовые горелки, CO₂ -- лазеры, печь с графитовым нагревателем, индукционная печь с циркониевым нагревателем, индукционная печь с графитовым нагревателем.

Система измерения диаметра ОВ основана на использовании лазера (метод лазерного сканирования), который обеспечивает точность ±0,5 мкм измерения даже при вибрации ОВ.

Узел нанесения первичного зенитного покрытия на ОВ позволяет наносить полимерный материал на поверхность ОВ. Слой ПЗП должен быть концентричным, постоянным по толщине, не иметь посторонних включений.

Система контроля концентричности первичного ПЗП основана на явлении дифракции и интерференции света. Концентричность покрытия относительно ОВ измеряют с помощью гелий-неонового лазерного интерферометра. В зависимости от наблюдаемой картины узел нанесения ПЗП перемещают вручную или автоматически, добиваясь наилучшей концентричности. Точность нанесения однослойного покрытия ±1 мкм, для двойного ± 2 мкм.

Система отверждения ПЗП выполняется двух типов: тепловая или ультрафиолетовая. Тепловая система представляет собой печь (или печи), в которые при необходимости подают инертный газ. Температура в печи достигает 800^о С, количество печей в зависимости от скорости вытяжки может достигать трех, точность поддержания температуры +2^оС.

УФ-печь применяют для отверждения эпоксиакрилатов, кремнийорганических компаундов и уретанакрилатов. Полимеризация осуществляется в атмосфере азота, что в значительной мере ускоряет весь процесс.

Измеритель диаметра по ПЗП аналогичен измерителю диаметра ОВ.

Тяговое устройство ременного типа обеспечивает постоянство скорости с точностью 0,5%. Система испытания ОВ на механическую прочность предназначена для выявления механических дефектов ОВ по всей его длине. Принцип действия заключается в перемотке ОВ при заданном напряжении, которое можно создать путем приложения к ОК растягивающей нагрузки или одновременно растягивающей и изгибающей нагрузок.

Процесс вытяжки ОВ на примере оборудования фирмы Ericsson Cable АВ происходит следующим образом [14]. Готовый стержень, независимо от метода его изготовления, вытягивается в волокно в башнях высотой приблизительно 12 м. Процесс вытягивания начинается наверху башни, где стержень заготовки зафиксирован в центрирующем патроне. Нижний конец заготовки помещен в печь, и нагревается до температуры 2000^о С. Графитовый нагревательный элемент защищен инертной атмосферой аргонового газа. Заготовка медленно опускается сверху в печь, в то время как стекловолокно вытягивается вниз и выходит из печи. Скорость вытягивания и скорость подачи автоматически контролируется машинной системой управления.

Немедленно под печью управляемый лазером прибор измерения проверяет диаметр стекловолокна. Полученные значения подаются назад к системе управления, которая управляет скоростью кабестана вытягивания внизу башни. Увеличение диаметра волокна приводит к увеличению скорости вытягивания и наоборот. Обычное волокно имеет диаметр 125±2 мкм и скорость вытягивания -- обычно 3-10 м/с. Стекловолокно охлаждается окружающим воздухом. Изготовленное стекловолокно имеет те же самые геометрические отношения между оболочкой и сердцевиной, что и заготовка. Стекловолокно покрывается защитным слоем акрилата (первичным покрытием) во время процесса вытягивания. Первичное покрытие состоит из двух слоев акрилата, более мягкого внутреннего слоя и жесткого внешнего слоя. Первичное покрытие из акрилата увеличивает прочность волокна; защищает от влаги (ОН) и против микроизгибов; облегчает прокладку.

Сразу после наложения первичное покрытие подвергается обработке УФ облучением. При первичном контроле диаметра проверяется диаметр первичного покрытия и концентричность волокна. Готовое волокно будет иметь диаметр 245±10 мкм.

После вытяжки волокно проходит тестирование на прочность. Для этого оно подвергается механическим воздействиям. При обнаружении трещин или других повреждений оно бракуется. Это испытание называется проверкой прочности и означает, что волокно подвергается указанному натяжению в течение 1 с. Трещины в волокне могут привести к его разрыву. После проверки прочности волокно транспортируется в лабораторию, где испытывается в экстремальных условиях. Из одной заготовки в условиях этой фирмы обычно получается 50-150 км волокна.

Конструкции и материалы волоконно-оптических кабелей

Типы конструкций волоконно-оптических кабелей

Международная электротехническая комиссия разделила в своих предложениях [15] все волоконно-оптические кабели на ряд основных типов:

* для непосредственной прокладки в земле;

* для прокладки в коллекторах и трубах;

* для воздушной прокладки (кабели с несущим тросом);

* для подводной прокладки (для относительно коротких водных преград);

* для внутриобъектовой прокладки;

* для межобъектовой связи;

* монтажные;

* для специальных целей (отличаются от соответствующих изделий общего назначения наличием особых требований, вызванных особенностями их эксплуатации в специальных отраслях техники или климатической зоне);

* морские (герметизированные, гидроакустические, грузонесущие).

Кроме того, ОК различают:

* по материалу ОВ -- из кварца, многокомпонентного стекла, кварца в сочетании с полимером и полимера;

* по конструкции ОВ -- моноволоконные и оптические жгуты;

* по профилю показателя преломления ОВ -- как правило, ступенчатое, градиентное;

* по количеству передаваемых типов волн (мод) по ОВ -- многомодовое, маломодовое, одномодовое;

* по материалу, применяемому для изготовления ОК, -- нормальной и повышенной нагревостойкости;

* по наличию (отсутствию) токопроводящих жил -- простые и комбинированные;

* по наличию экрана -- экранированные и неэкранированные;

* по конструкции и материалам защитных покровов -- нити, пленки, ленты;

* по технологии изготовления методы -- экструзии, контактно-тепловой сварки, эмалирование и т.д.;

* по виду прокладки и монтажа -- для фиксированных и подвижных объектов.

Несмотря на более, чем двадцатилетний опыт, волоконно-оптическая технология находится в начале своего развития -- в коммерческих сетях связи она начала применяться только в 1977 г. Несмотря на этот сравнительно небольшой срок, оптический кабель успел пройти три важных этапа в своем развитии и в результате на сегодняшний день имеются три кабельные конструкции, а именно: концентрическая, с профилированным сердечникам и с профилированным ленточным сердечником [16].

Рис. Виды конструкций ОК: а-концентрические; б-с профилированным сердечником; в-с профилированным ленточным сердечником

Концентрические кабели. Результатом первых разработок стали именно эти кабели. Волокно в таких кабелях располагается в плотном полиамидовом покрытии или в свободно уложенных трубках ОМ, которые, в свою очередь, скручиваются вокруг центрального силового элемента и формируют кабель концентрической конструкции. Такие кабели могут содержать до 144 волокон и от 2 до 12 волокон в каждой трубке.

Кабели с профилированным сердечником. Разработка кабеля с профилированным сердечником дала более мощные и прочные кабели, содержащие до 48 волокон и от 2 до 8 волокон в каждой свободно уложенной трубке ОМ. Дальнейшие разработки силового элемента привели к конструкции спирально-профилированного сердечника. Скрутка идет спиралью вдоль всей длины кабеля или в форме SZ с чередованием направления скрутки в правую и левую сторону через каждые несколько метров и точками перехода через каждые несколько оборотов.

Кабели данной конструкции имеют повышенную устойчивость против воздействия сил сжатия, где профилированный сердечник и трубка ОМ защищают волокна.

Кабели с профилированным ленточным сердечником. Растущие требования по более плотной упаковке волокон в кабеле и ускорению сварки волокон привели к конструкции с профилированным ленточным сердечником. Такие кабели содержат, например, до 192 волокон в каждом кабеле. Каждый паз в кабеле с профилированным ленточным сердечником может разместить до четырех ленточных слоев, где каждая лента содержит четыре или восемь волокон. Кабель с профилированным ленточным сердечником используется на междугородних и местных сетях связи.