Способ изготовления многомодовых малодисперсионных световодов

Способ изготовления многомодовых малодисперсионных световодов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к технологии изготовления малодисперсионных многомодовых волоконных световодов (ВС), обладающих повышенной радиационно-оптической стойкостью. Такие световоды используются в различных волоконно-оптических системах атомной энергетики и космической техники.

Наиболее радиационно-стойкими ВС являются оптические волокна на основе кварцевого стекла, легированного фтором. Основной способ их изготовления - это модифицированный методом химического парофазного осаждения (modified chemical vapor deposition - MCVD) слоев стекла на внутреннюю поверхность кварцевой трубки (Андреев А.Г., Ермаков B.C., Крюков И.И., Цибиногина М.К., Дукельский К.В., Ероньян М.А., Петровский Г.Т., Серков М.М. «Исследование процессов легирования кварцевого стекла фтором методом модифицированного химического парофазного осаждения» - Физика и химия стекла, 2006, т.32, №1, с.49-55). Такой метод позволяет изготавливать многомодовые малодисперсионные световоды, однако разность показателей преломления сердцевины и оболочки (Δn) в них не превышает 0,005. Поэтому эти ВС имеют большие оптические потери из-за вытекания излучения через депрессированную оболочку в наружную оболочку из чистого кварцевого стекла. Столь низкое значение Δn обусловлено одностадийным методом осаждения монослоев фторсиликатного стекла, когда процессы взаимодействия тетрахлорида кремния с кислородом, осаждение частиц SiO₂, их фторирование и спекание происходят за один проход горелки. Исходный SiCl₄ подают в реакционную зону в виде пара посредством барботажа кислорода через жидкий реагент при температуре 20-25°С. При этом расход кислорода в три раза больше того, что необходимо для образования SiO₂. Неоправданно повышенное содержание кислорода в парогазовой смеси приводит к уменьшению концентрации фторирующего реагента и снижению Δn.

MCVD метод для изготовления фторсиликатных многомодовых световодов с повышенным значением Δn, равным 0,0011 (Гурьянов А.Н., Салганский М.Ю., Хопин В.Ф., Косолапов А.Ф., Семенов С.Л. «Высокоапертурные световоды на основе кварцевого стекла, легированного фтором» - Неорганические материалы, 2009, т.45, №7, с.887-891), является наиболее близким к предлагаемому техническому решению и принят за прототип. В указанном методе слои стекла наносят на внутреннюю поверхность кварцевой трубы. Сначала, при осаждении слоев оболочки, осуществляют легирование стекла фтором с постоянной концентрацией SiF₄ в газе. При осаждении стекла сердцевины концентрацию фтора в слоях уменьшают от периферии к центру, а при осаждении центральных слоев легирование фтором не производят. После осаждения слоев сердцевины производят высокотемпературное сжатие трубки в штабик-заготовку, из которой вытягивают ВС.

Этот метод позволяет получить фторсиликатные многомодовые ВС с градиентным профилем показателя преломления сердцевины и Δn, равным 0,011. Увеличение значения Δn достигается фторированием пористого слоя SiO₂ оболочки при давлении SiF₄, равном атмосферному давлению (10⁵ Па). Благодаря высокому значению Δn оптические волокна имеют низкий уровень оптических потерь на излучение. Недостатками вышеописанной технологии являются низкая производительность процесса из-за его двухстадийности. Процесс осаждения монослоев фторсиликатного стекла осуществляют за два прохода горелки, на первом из которых производят осаждение пористого слоя SiO₂, а на втором - фторирование. Кроме того, увеличивается уровень дисперсии ВС из-за несоответствия радиального профиля показателя преломления сердцевины требуемой параболической форме. Это обусловлено диффузионной миграцией фтора в центральный слой сердцевины из чистого кварцевого стекла в процессе высокотемпературного сжатия трубки.

Задача изобретения состоит в повышении производительности процесса изготовления фторсиликатных многомодовых ВС и снижении уровня межмодовой дисперсии, что обеспечивает увеличение ширины полосы пропускания систем оптической связи.

Предлагаемый новый способ изготовления многомодовых молодисперсионных световодов заключается в нанесении методом химического парофазного осаждения на внутреннюю поверхность кварцевой трубы слоев кварцевого стекла, легированного фтором, высокотемпературном сжатии трубки в штабик-заготовку и вытягивании из заготовки ВС. Осаждение монослоев кварцевого стекла и их фторирование производят одновременно за один проход горелки. Процесс осаждения слоев отражающей оболочки производят при эквимолярном соотношении тетрахлорида кремния (SiCl₄) и кислорода в парогазовой смеси. В качестве газа-носителя для паров тетрахлорида кремния используют SiF₄. При осаждении слоев отражающей оболочки концентрация фторирующего реагента (SiF₄) постоянна в реакционной зоне. На первых проходах осаждения слоев сердцевины Δn изменяют пропорционально расходу фторсодержащего реагента в степени 0,25 (как принято в традиционном MCVD методе). При содержании фтора в стекле сердцевины менее 0,5 ат.% (что соответствует Δn, равному 0,002) расход фторсодержащего газа в парогазовой смеси уменьшают равномерно от слоя к слою, так как при таком малом уровне легирования стекла, количество фтора в нем пропорционально его содержанию в газовой фазе. В промежуточной области осаждения слоев стекла сердцевины содержание фторирующего реагента в парогазовой смеси производят экспериментальным подбором, увеличивая расход кислорода, обеспечивая степень параболического профиля показателя преломления, равную 2.

Целесообразно последний слой сердцевины из чистого кварцевого стекла наносить после предварительного высокотемпературного сжатия трубки до диаметра внутреннего канала, равного 6-8 мм. Поэтому при последующем высокотемпературном сжатии трубки исключается диффузионное проникновение фтора в центральную часть сердцевины, обеспечивая тем самым параболический профиль показателя преломления требуемой формы.

Во время высокотемпературного сжатия трубку целесообразно дополнительно продувать кислородом совместно с дейтерийсодержащим газом. Дополнительное легирование стекла дейтерием обеспечивает снижение вязкости стекла сердцевины, что приводит к сокращению длительности процесса коллапсирования и ограничению диффузионного проникновения фтора в центральный слой сердцевины из чистого кварцевого стекла. Образующиеся при этом группы OD, в отличие от ОН-групп, не имеют полос поглощения в области особой прозрачности кварцевого стекла от 1,3 до 1,6 мкм.

Предложенная технология позволяет увеличить производительность процесса изготовления заготовки волоконного световода по сравнению с прототипом, предусматривающим двухстадийный процесс осаждения стекла, за счет совмещения процессов осаждения, фторирования и спекания монослоев фторсиликатного стекла за один проход горелки и увеличения концентрации фтора в реакционной зоне и в стекле при использовании газа-носителя тетрафторида кремния.

На Фиг.1 схематично представлена структура радиального профиля показатель преломления без применения заявляемого технического решения, когда в центральную зону сердцевины диффундирует фтор из периферийной зоны в процессе сжатия заготовки, снижая Δn ВС. Это приводит к искажению требуемой параболической формы радиального профиля показателя преломления и, как следствие, к повышению дисперсии и увеличению оптических потерь на излучение в оболочку.

На Фиг.2 схематично представлена структура радиального профиля показателя преломления с применением заявляемого технического решения, когда центральная зона сердцевины не содержит фтора, обеспечивая тем самым требуемую форму профиля показателя преломления, малую дисперсию и более высокое значение Δn ВС.

Пример №1. Изготовлен ВС №1 по заявленному способу. На внутреннюю поверхность трубки из кварцевого стекла марки F-300 с наружным диаметром 21 мм, толщиной стенки 2 мм и длиной 1 м методом MCVD наносили 40 слоев фторсиликатной оболочки (при расходах SiF₄, SiCl₄ и кислорода, равных, соответственно, 940 мл/мин, 200 мл/мин и 200 мл /мин). Затем осаждали 16 слоев сердцевины при расходе тетрахлорида кремния, равном 100 мл/мин, используя на первых проходах горелки для легирования стекла фтором SiF₄, а после 10 прохода - SF₆, содержание которого в парогазовой смеси равномерно уменьшали с 12-го по 15-й слой сердцевины с 1,4 до 0,2 мл/мин. На первых проходах осаждения слоев сердцевины содержание SiF₄ в газе уменьшали в соответствии с известной зависимостью показателя преломления стекла от давления тертафторида кремния в степени 0,25. Скорость горелки при осаждении всех слоев стекла была постоянной, равной 120 мм/мин. Перед осаждением последнего слоя сердцевины из чистого кварцевого стекла производили высокотемпературное сжатие трубки до величины диаметра внутреннего канала, равного 8 мм. Окончательное высокотемпературное сжатие трубки в штабик-заготовку осуществляли за два прохода при скорости горелки 20 и 8 мм/мин. В процессах высокотемпературного сжатия трубки ее внутренний канал продували кислородом с расходом 500 мл/мин после насыщения его парами диметилсульфоксида Д6 (C₂D₆SO). Из заготовки вытягивали световод длиной 1 км с диаметрами стекловолокна и сердцевины 125 и 27 мкм, соответственно. В процессе вытяжки на волокно наносят защитное УФ отверждаемое эпоксиакрилатное покрытие толщиной 40 мкм.

Радиальный профиль показателя преломления заготовки измеряли на рефрактометре Р-101. Оптические свойства световодов контролировали на длине волны 1,06 мкм. Затухание определяли методом обрыва, а его дисперсию оценивали методом уширения светового импульса, прошедшего отрезок волокна длиной 30 м.

Пример №2. По аналогии с примером №1 изготовлен контрольный ВС №2 одностадийным методом без применения нового технического решения, используя в качестве газа-носителя для паров тетрахлорида кремния кислород. Расход фторсодержащих реагентов (SiF₄ и SF₆) при осаждении слоев сердцевины уменьшали в соответствии с известной зависимостью показателя преломления стекла от содержания фтора в парогазовой смеси в степени 0,25. Операцию продувки трубки дейтерийсодержащим газом с кислородом на производили.

В таблице представлены свойства изготовленных ВС.

Процесс изготовления заготовки ВС одностадийным MCVD методом при дополнительном легировании стекла сердцевины дейтерием снижает продолжительность процесса изготовления заготовки на 1 час на этапе высокотемпературного сжатия. Это свидетельствует о повышении производительности процесса при одностадийном MCVD способе получении ВС из фторсиликатного стекла. При сопоставлении приведенных примеров с прототипом, предусматривающем осаждение слоев за два прохода горелки, можно предположить, что производительность нового процесса изготовления заготовки ВС будет почти в два раза выше. Применение нового способа обеспечивает высокое значение Δn и снижение уровня межмодовой дисперсии.

Вышеизложенные сведения подтверждают очевидную промышленную применимость предлагаемого способа изготовления волоконных световодов.

1. Способ изготовления многомодовых малодисперсионных световодов модифицированным методом химического парофазного осаждения, включающий осаждение слоев кварцевого стекла отражающей оболочки с постоянной концентрацией фтора и слоев сердцевины с переменным его содержанием при уменьшении концентрации фтора от периферии к центру, высокотемпературное сжатие трубки в штабик-заготовку и вытягивание из нее световода, отличающийся тем, что осаждение слоев кварцевого стекла и его фторирование производят одновременно за один проход горелки, причем при концентрации фтора в слоях сердцевины менее 0,5 ат.% расход фторсодержащего газа уменьшают равномерно от слоя к слою, при этом процесс осаждения слоев отражающей оболочки производят при эквимолярном соотношении тетрахлорида кремния и кислорода в парогазовой смеси, где в качестве газа-носителя для паров SiCl₄ используют газообразный SiF₄.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при фторировании слоев сердцевины используют последовательно SiF₄ и SF₆.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что последний слой сердцевины из чистого кварцевого стекла наносят после предварительного сжатия трубки до диаметра внутреннего канала, равного 6-8 мм.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессах высокотемпературного сжатия трубки ее продувают кислородом совместно с дейтерийсодержащим газом.