СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЕТОВОДОВ НА ОСНОВЕ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА С МАЛЫМИ ОПТИЧЕСКИМИ ПОТЕРЯМИ
METHOD OF MAKING LIGHT GUIDES BASED ON LOW-OPTICAL LOSS QUARTZ GLASS

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к модифицированному методу химического парофазного осаждения (MCVD) для изготовления волоконных световодов с малым затуханием для систем связи, датчиков физических величин и передачи мощного светового излучения.
2
Световоды, получаемые предлагаемым способом, имеют в поперечном сечении круглую сердцевину и изолирующую оболочку, которые расположены соосно внутри наружного слоя из кварцевого стекла. Показатель преломления (ПП) сердцевины выше, чем ПП изолирующей оболочки, которая исполняет роль отражающей оболочки и изолирует сердцевину от примесей наружного слоя, формируемого из кварцевого стекла промышленного производства. Примесь водорода создает основные проблемы в технологии световодов, так как обладает наиболее высокой диффузионной подвижностью по сравнению с другими примесями. Когда водород проникает в германосиликатную сердцевину, происходит реакция восстановления GeO. При этом увеличиваются оптические потери на всем участке спектра прозрачности стекла, особенно на длине волны 1.38 мкм из-за поглощения света ОН группами (Iino A., Kuwabara M., Kokura K. Mechanism of hydrogen-induced loss in silica-based optical fibers. - Journal of lightwave technology. 1990, v.8, No 11, p.1675-1679).
2
Обработка дейтерием исходных кварцевых труб, используемым в MCVD методе изготовления заготовок световодов, устраняет практически полностью поглощение на длине волны 1.38 мкм в оптических волокнах. Однако дейтерий, так же как и водород, при высокой температуре MCVD процесса диффундирует в германосиликатное стекло сердцевины и восстанавливает GeO, что приводит к увеличению оптических потерь (Shang Н.Т., Stone J., Burrus С.A. Low - ОН MCVD fibers without a barrier layer using OH-OD exchange substrate tubes. - Electronics letters. 1983, v 19, No 3, p.95-96).
Устранить поглощение на длине волны 1.38 мкм в световодах с германосиликатной сердцевиной можно нагревом оптического волокна в атмосфере дейтерия при температуре не более 50°С, однако для достижения предельно малых оптических потерь необходимо согласовать по вязкости стекло оболочки и сердцевины (Xinwei QIAN, Deming LIU, Feng TU. Deuterium treatment of low water peak fiber. - Front. Optoelectron. China. 2009, v.2, No.2, p.178-181).
Резкое отличие вязкости сердцевины из чистого кварцевого стекла и отражающей фторсиликатной оболочки в одномодовых световодах (W типа) также приводит к увеличению оптических потерь с уменьшением температуры вытягивания волокна (Долгов И.И., Иванов Г.А., Чаморовский Ю.К., Яковлев М.Я. Радиационно-стойкие одномодовые оптические волокна с кварцевой сердцевиной. Фотон-экспресс, 2005, №6, с.4-10).
-4
Наиболее близкий к предлагаемому техническому решению усовершенствованный способ изготовления волоконных световодов по патенту ЕР №0915065, опубликованный 05.21.2003 по индексу МПК СОЗС 13/04 и принятый нами за прототип. Этим способом изготавливаются световоды с ультранизкими оптическими потерями сердцевины на основе кварцевого стекла, дополнительно легированного малыми добавками оксидов натрия, калия или лития от 10 до 0,05 мас. %, понижающими вязкость стекла. При этом на 15% можно снизить оптические потери, обусловленные рэлеевским рассеянием.
Использование этого технического решения для MCVD метода изготовления световодов связано с двумя принципиальными проблемами:
- рекомендуемые этим патентом добавки оксидов натрия, калия или лития трудно ввести в реакционную парогазовую смесь в газофазных методах получения заготовок световодов из-за отсутствия легколетучих соединений этих металлов,
2
- диффузией водорода (дейтерия) из кварцевой трубы в сердцевину при длительных высокотемпературных операциях MCVD процесса изготовления заготовки приводит к дополнительным оптическим потерям световодов из-за восстановления GeO по реакции:
Задача настоящего изобретения заключается в упрощении технологии изготовления кварцевых волоконных световодов с малыми оптическими потерями.
Технический результат достигается за счет использования газообразных или легколетучих добавок, которые:
- снижают вязкость стекла сердцевины;
- предотвращают восстановление диоксида германия;
- вводятся в парогазовую смесь MCVD процесса в газообразном состоянии.
Поставленная задача решается новым способом изготовления волоконных световодов на основе кварцевого стекла с малыми оптическими потерями, включающим процессы изготовления заготовки световода методом газофазного осаждения на основе кварцевого стекла с использованием дополнительного легирования осаждаемых слоев стекла сердцевины малыми добавками оксидов и последующую вытяжку волоконного световода, в котором в отличие от прототипа осаждаемые слои стекла сердцевины легируют добавками оксидов водорода или дейтерия при содержании паров этих веществ в газовой фазе от 0,017 до 1 мол.%.
2
2
4
4
2
2
Введение таких добавок обеспечивает решение указанных проблем как в части упрощения технологического процесса, так и в части устранения дополнительных оптических потерь, обусловленных реакцией (1). Упрощение технологии изготовления световодов заключается в том, что исходными источниками этих добавок могут служить газы H, D, СН, CD и др., а также пары НО или DO в смеси с кислородом.
В процессе высокотемпературного легирования кварцевого стекла этими добавками содержание ОН (OD) групп в поверхностном слое стекла определяется константой химического равновесия:
2
5
2
2
Образующиеся по реакции (2) OH(OD) группы понижают вязкость стекла и смещают реакцию (1) в левую сторону, снижая тем самым степень восстановления диоксида германия и дополнительные оптические потери. При введении дейтерийсодержащих веществ устраняется полоса поглощения на длине волны 1.38 мкм, обусловленная Si-OH группами. Исчезает также поглощение в области 1.6 мкм, обусловленное Р-ОН колебаниями стекла отражающей оболочки, часто содержащей малые добавки PO для понижения вязкости стекла. Содержание паров НО или DO в газовой фазе от 0,017 до 1 мол.% определяется по нижнему уровню необходимостью ощутимого влияния на оптические потери, а верхний уровень ограничен упругостью паров воды при температуре транспортировки парогазовой смеси (≈20°С).
Совокупность изложенных признаков и анализ отличий от прототипа по существующему уровню техники позволяет сделать вывод о «новизне» и «изобретательском уровне» нового способа.
Предлагаемое новое техническое решение реализовано экспериментально в следующих примерах способа изготовления световодов.
2
2
5
2
2
3
2
2
2
5
2
2
2
Пример 1. По известной технологии (патент РФ №2155359 «Способ изготовления волоконных световодов, сохраняющих поляризацию излучения», опубликованный 27.08.2000 по индексу МПК G02B 6/17) изготовлен одномодовый световод с эллиптической германоборосиликатной напрягающей оболочкой. На внутреннюю поверхность метровой трубы из кварцевого стекла с наружным диаметром 20 мм, толщиной стенки 2 мм методом MCVD наносили 7 слоев защитной оболочки (0,963 SiO- 0,03 PO - 0,007 F), 6 слоев германоборосиликатной оболочки (0,77 SiO- 0,17 BO- 0,06 GeO), 4 слоя изолирующей оболочки (0,987 SiO- 0,01 PO - 0,003 F) и 2 слоя сердцевины (0,95 SiO- 0,05 GeO). Высокотемпературное сжатие трубки в штабик производили за два прохода горелки при температуре 2000°С и 2150°С. На первом проходе горелки во внутренний канал трубки с осажденными слоями вводили сухой кислород (с точкой росы -80°С) без каталитического дожигания в нем примесей водородсодержащих газов, концентрация которых в пересчете на HO составляла 0.017 мол.%. На втором проходе горелки при 2150°С внутренний канал захлопывался при скорости перемещения горелки 10 мм/мин. По всей длине заготовки с диаметрально противоположных сторон нарезали две канавки шириной ≈1 мм. Заготовку подвергали высокотемпературному круглению. В поперечном сечении заготовка имела следующие размеры: диаметр сердцевины - 0.72 мм, диаметр изолирующей оболочки - 1.6 мм, величина малой и большой оси эллиптической оболочки 1.7 и 6.4 мм соответственно, наружный диаметр заготовки - 10,5 мм.
Из полученной таким образом заготовки вытягивали одномодовый световод №1 диаметром 125 мкм и длиной 2 км. В процессе вытягивания волокно покрывали слоем мягкого и жесткого эпоксиакрилатного полимера, отверждаемого ультрафиолетовым облучением. Диаметр световода в двойном покрытии составлял 250 мкм.
2
Пример 2. Аналогичным образом изготовлен образец световода №2, отличающийся от предыдущего способа тем, что высокотемпературное сжатие заготовки производили с продувкой кислорода, насыщенного парами DO до 1 мол.%. Скорость перемещения горелки при схлопывании внутреннего канала в этом способе оказалась на 20% выше (12 вместо 10 мм/мин), чем в предыдущем случае. Это обусловлено снижением вязкости стекла сердцевины из-за повышенного содержания OD групп.
-4
Пример 3. Аналогичным образом изготовлен контрольный образец световода №3, отличающийся от предыдущего способа тем, что высокотемпературное сжатие заготовки производили с кислородом, прошедшим каталитическое дожигание водородсодержащих примесей и сушку на молекулярном сите. Концентрация водородсодержащих примесей в кислороде, подвергнутом такой обработке, не превышала 10 мол.%. Скорость перемещения горелки при схлопывании внутреннего канала в этом способе оказалась на 40% ниже (7 вместо 12 мм/мин), чем в предыдущем случае. Это обусловлено повышением вязкости стекла сердцевины из-за снижения содержания ОН групп.
2
2
В таблице сопоставлены оптические потери на длине волны 1,55 мкм для световодов, полученных при разных концентрациях НО (DO) в газовой фазе при высокотемпературном сжатии заготовки.
№ световода
Содержание паров H<sub>2</sub>O (D<sub>2</sub>O) в кислороде, мол.%
Скорость горелки при коллапсировании заготовки, мм/мин
Оптические потери, дБ/км
1
0.017
10
0.6
2
1
12
0.45
3 (контрольный)
0.0001
7
2
2
2
По мере увеличения содержания паров НО (DO) в кислороде оптические потери световодов снижаются, что обусловлено согласованием вязкости структурных элементов заготовки при вытягивании волокна, снижением величины рэлеевского рассеяния и степени восстановления диоксида германия в сердцевине световода.
Использование такого технического решения для световодов W типа с сердцевиной из чистого кварцевого стекла приведет к снижению ее вязкости, устранению в ней закалочных растягивающих напряжений, что обеспечит снижение оптических потерь.
Вышеизложенные сведения подтверждают очевидную промышленную применимость предлагаемого способа изготовления волоконных световодов для передачи как слабых сигналов в системах связи и волоконно-оптических датчиках, так и мощного лазерного излучения технологического назначения.