СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОФИЛЯ ПОПЕРЕЧНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИМЕСИ ГЕРМАНИЯ В ЖИЛЕ И ОБОЛОЧКЕ КРЕМНИЕВЫХ СТЕКЛОВОЛОКОН
METHOD OF DETERMINING LATERAL DISTRIBUTION PROFILE OF GERMANIUM IMPURITIES IN CORE AND CLADDING OF SILICON GLASS FIBRES

Изобретение относится к измерительной технике, используемой в стекловолоконных технологиях при тест-контроле качества легированных германием образцов кремниевых стекловолокон, особо при определении профиля распределения примеси германия по поперечному сечению стекловолокон в центральной жиле и в приграничных, прилегающих к центральной жиле областях стекловолокон многоцелевого назначения, при анализе самоорганизующихся физических явлений или с искусственным их поддержанием в волоконно-оптических устройствах и средствах связи, а также в процессе их производства фирмами-изготовителями и проведения заказчиками входного контроля стекловолокон и волоконно-оптических кабелей, приобретаемых у фирм-производителей.
Диффузия примеси германия из жилы в оболочку образцов кремниевых стекловолокон, легированных германием, происходящая при технологически необходимых процедурах термообработки стекловолокон, и распределение продиффундировавшей примеси в прилегающих к жиле внутренних слоях оболочки стекловолокон определяют трансмиссионные свойства стекловолокон, их способность передавать/пропускать сигналы на десятки километров с малым затуханием на уровне от нескольких дБ/км до нескольких долей дБ/км (Большой энциклопедический словарь. Физика. Гл. ред. акад. А.М. Прохоров. М.: «Большая Российская энциклопедия», 1998. С.89-90 и 665; Г.Г. Девятых, Е.М. Дианов. Волоконные световоды с малыми оптическими потерями. Вестник АН СССР, 1981. №10. С.54; I.A. Bufetov, М.М. Bubnov, V.N. Neustroev, Е.М. Dianov, … A.М. Prokhorov. Raman Gain Properties of Optical Fibers with a High Ge-Doped Silica Core and Standart Optical Fibers // Laser Physics, 2001. Vol.11, №1. P.130-133).
Поиск эффективных и экспрессных способов контроля качества легированных стекловолокон ведется на протяжении многих лет с использованием возможностей методов оптической, электронной и атомной силовой микроскопии, а также с использованием методов компьютерной томографии.
Известен способ визуального, компьютерного тестирования световодов (В.К. Баранов и др. Патент РФ №2477847. МПК G01M 11/02, G01N 21/88, G02B 6/02, заявл. 27.09. 2011, опубл. 20.03.2013. Бюл. №8). В рамках известного способа контроль качества световода проводят, осуществляя зондирование световода через один из торцов белым светом с последующей регистрацией отраженного первичного белого света от недоступного торца световода (предварительно снабженного цветным отражателем) с помощью фотоприемника с цветной ПЗС-матрицей, а затем визуально по цвету изображения на доступном торце световода, или по параметру цветности этого изображения, определяемого с помощью ПЭВМ, судят о целостности или дефектности световода.
Однако известный способ визуального тестирования не пригоден для экспресс-тестирования световода на основе кремниевого стекловолокна, легированного германием, поскольку он не решает задачи определения профиля распределения примеси германия по поперечному сечению кремниевого стекловолокна и не позволяет при контроле выпускаемой продукции и при входном контроле приобретаемой продукции определять профиль поперечного распределения примеси германия ни в центральной жиле, ни в приграничных, прилегающих к жиле областях стекловолокна. Известный способ имеет недостаточно высокую чувствительность и не является экспрессным, поскольку за одну процедуру тестирования анализируется лишь один образец.
Известен способ визуального тестирования световодов (US патент №3884585, опубл. 20.05.1975. Fiber break detection methods for cables using multi-fiber optical bundles, R.L. Lebduska, G01N 21/16). Способ заключается в том, что зондирующее излучение в виде постоянного по интенсивности белого света вводится во входные торцы большого числа плотноупакованных световодов, входящих в состав волоконно-оптического кабеля. Выходное сечение волоконно-оптического кабеля, состоящее из большого числа плотно-упакованных выходных торцов световодов и соединяющего их эпоксидного клея, облучалось встречным источником белого света. Регистрировалось проходящее через световоды излучение. Выходной торец волоконно-оптического кабеля наблюдался через микроскоп и фотографировался фотокамерой «Поляроид». Тестирование световодов осуществлялось визуально по цвету изображения.
Однако известный способ визуального тестирования не пригоден для экспресс-тестирования световода на основе кремниевого стекловолокна, легированного германием, поскольку он не решает задачи определения профиля распределения примеси германия по поперечному сечению кремниевого стекловолокна и не позволяет при контроле выпускаемой продукции и при входном контроле приобретаемой продукции определять профиль распределения примеси германия ни в центральной жиле, ни в приграничных, прилегающих к жиле областях стекловолокна. Кроме того, в известном способе за одну процедуру контроля анализируется лишь один образец, что не обеспечивает проведения экспрессного контроля. Известный способ не отвечает метрологическим требованиям проведения экспрессного контроля, особенно при оценке качества волоконно-оптического кабеля, поскольку сравнения с эталонными образцами стекловолокон в рамках известного способа не проводится.
Известно устройство контроля диаметра световодов и оптических волокон (В.Н. Ильин, А.Ф. Рубцов. Авт. свид. СССР №1768962. МПК G01B 11/10. 1990. Заявл. 27.08.90. Опубл. 15.10.92. Бюл. №38). Изобретение предназначено для измерения диаметров прозрачных химических волокон и одножильных световодов. С помощью сложной осветительной системы, включающей лазер ЛГИ-302, светоделитель, систему зеркал и двух фокусирующих линз, обеспечивается освещение растра на двух диаметрально противоположных участках сходящимися пучками света для формирования сложной интерференционной картины, анализируемой с помощью двух измерительных каналов контроля и позволяющей судить по величие биений за изменением диаметра световода по его длине.
Однако известный способ визуального тестирования не пригоден для экспресс-тестирования световода на основе кремниевого стекловолокна, легированного германием, поскольку он не решает задачи определения профиля распределения примеси германия по поперечному сечению кремниевого стекловолокна и не позволяет при контроле выпускаемой продукции или при входном контроле приобретаемой продукции определять профиль поперечного распределения примеси германия ни в центральной жиле, ни в приграничных, прилегающих к жиле областях стекловолокна. Известный способ не является экспрессным и не отвечает метрологическим требованиям, поскольку сравнения с эталоном (с эталонными образцами стекловолокон) в рамках известного способа не проводится.
Известен способ наблюдения и анализа диффузии вводимой примеси германия в оптических стекловолокнах в процессе их термообработки (K. Lyytikainen et al. Dopant diffusion during optical fibre drawing. Optical Express. 2004. vol.12. №6, pp.972-977). Для осуществления известного способа определения диффузии примесного германия вначале готовились образцы в виде таблеток-держателей, в которых нелегированные кремниевые стекловолокна закреплялись вертикально с помощью полимерной субстанции, очищенные концы анализируемых волокон перед этим предварительно протравливались в 5% растворе HF в течение 2 минут. На торцы кремниевых стекловолокон, имеющих номинальный диаметр 125 мкм, наносилась примесь германия в виде трех концентрических колец с концентрацией 17, 8 и 4 мол.% германия, отдаленных друг от друга на несколько микрон. Затем волокна отжигались при температурах 1800 или 2100°C, соответствующих условиям отжига при изготовлении кремниевых стекловолокон. Далее проводили элементный анализ легированных германием торцов стекловолокон методом рентгенофлюоресцентного анализа с использованием сканирующего электронного микроскопа фирмы Филипс (EDAX+Philips XL30 SEM). Непосредственно профиль поперечного распределения примеси германия, нанесенной в виде трех концентрических колец на торец кремниевого стекловолокна, подвергнутого затем высокотемпературной термообработке, определяли с помощью атомного силового микроскопа (АСМ). С помощью получаемого АСМ-профиля торцевой поверхности стекловолокна установлено, что каждое из концентрических первичных колец с нанесенной примесью германия слегка расплылось вследствие диффузионных процессов, вызванных термообработкой, доказано, что диффузия германия в кремниевых стекловолокнах при выполнении технологических процедур их термообработки имеет место.
Однако известный способ не пригоден для визуального определения профиля распределения примеси германия по поперечному сечению волокна, не обладает достаточной экспрессностью и не отвечает метрологическим требованиям, поскольку в рамках известного способа сравнения с эталонными образцами стекловолокон не проводится; способ не пригоден для контроля выпускаемой стекловолоконной продукции и для входного контроля приобретаемых стекловолокон.
Известно, что в легированных германием кремниевых стекловолокнах, применяемых в системах волоконной связи, после облучения их гамма-излучением происходит светозапасание, реализуемое при нагреве в виде термостимулированной люминесценции (М. Benabdesselam, F. Mady, S. Girard. Journal of Non-Crystalline Solids.2013, v.360, pp.9-12), и что они могут представлять интерес для использования в качестве рабочих веществ для термолюминесцентной дозиметрии. Однако термостимулированная люминесценция легированных германием кремниевых стекловолокон для наглядного визуального определения профиля поперечного распределения примеси германия в жиле и оболочке кремниевых стекловолокон не применялась из-за длительности процедуры нагрева образцов до достаточно высоких температур.
Наиболее близким к заявляемому является способ определения профиля поперечного распределения примеси германия в жиле и оболочке кремниевого стекловолокна, связанный с применением сканирующего (растрового) электронного микроскопа, снабженного рентгенофлюоресцентным анализатором (D.A. Bradly et al. Review of doped silica glass optical fibre // Applied Radiation and Isotopes, 2012. Vol.71. P.2-11). В рамках известного способа вначале изготавливают полимерную таблетку-держатель стекловолокон, в которой устанавливают/закрепляют кусочки телекоммуникационного кремниевого стекловолокна, легированного германием (стекловолокно фирмы Cor-Active High Tech., Canada). Кусочки стекловолокна закрепляют так, что на рабочую поверхность таблетки-держателя выходят торцы стекловолокон. Далее таблетку-держатель с образцами стекловолокон устанавливают в рабочей камере сканирующего электронного микроскопа, проводят наблюдение (face-on examined) торцов стекловолокон, определяют характерный для одномодовых стекловолокон размер центральной жилы волокна (9-10 мкм), содержащей основное количество примеси германия, и размер оболочки стекловолокна (125 мкм), в которой обнаруживаются следы примеси германия.
Однако известный способ с использованием растрового микроскопа не пригоден для наглядного быстрого визуального контроля распределения примеси германия в центральной жиле и в приграничной к ней зоне диффузии примеси германия, поскольку не имеет оптического канала наблюдения. Известный способ не решает задачи визуального определения профиля поперечного распределения примеси германия по сечению кремниевого стекловолокна ни в центральной жиле волокон, ни в приграничных, прилегающих к жиле областях волокон. Кроме того, известный способ не дает возможности провести сравнение стекловолокон, поступающих для анализа, с эталонными образцами стекловолокон.
Задачей изобретения является разработка экспрессного, визуального, отвечающего метрологическим требованиям способа определения профиля поперечного распределения примеси германия в центральной жиле и в приграничных, прилегающих к центральной жиле областях оболочки стекловолокон, легированных германием.
Задача изобретения, связанная с разработкой экспрессного, визуального, отвечающего метрологическим требованиям способа определения профиля поперечного распределения примеси германия в жиле и оболочке кремниевых стекловолокон, решается за счет того, что образцы различных анализируемых стекловолокон размещают вертикально в держателе-таблетке из эпоксидной смолы, облучают торцы стекловолокон рентгеновским излучением (для обеспечения в них процесса светозапасания и накопления светосуммы), после чего таблетку с анализируемыми образцами загружают одновременно с держателем-таблеткой с эталонными образцами стекловолокон в рабочую камеру растрового электронного микроскопа, имеющего оптический канал регистрации, и далее визуально по виду и размерам концентрических кольцевых, различающихся по размерам и интенсивности свечения люминесцирующих участков на торцевых поверхностях тестируемых образцов стекловолокон, содержащих примесь германия, определяют профиль поперечного распределения примеси германия по сечению волокна и сравнивают с эталонными образцами.
Сущность изобретения заключается в том, что образцы различных анализируемых стекловолокон (одного или одновременно нескольких до 40 и более различных типов и более) длиной 5-10 мм и более размещают вертикально в держателе-таблетке из эпоксидной смолы толщиной 10-15 мм и более, после завершения процесса полимеризации смолы облучают рентгеновским излучением торцы стекловолокон для обеспечения в них процесса светозапасания и накопления светосуммы, после чего загружают одновременно с держателем-таблеткой, содержащей эталонные образцы стекловолокон, в рабочую камеру растрового электронного микроскопа, имеющего оптический канал регистрации, и далее визуально по виду и размерам концентрических кольцевых, различающихся по интенсивности свечения люминесцирующих участков (люминесценция возникает под действием электронного пучка микроскопа) на торцевых поверхностях тестируемых стекловолокон (с увеличенной интенсивностью за счет одновременно высвечиваемой запасенной светосуммой - оптически стимулированной люминесценции), содержащих примесь германия, визуально определяют профиль поперечного распределения примеси германия по сечению стекловолокна с выводом картины профиля на экран компьютера при одновременном определении содержания примеси в анализируемых образцах в контрольных точках методом рентгенофлюоресцентного анализа. Далее проводят сравнение с эталонными образцами, которые были загружены в камеру электронного микроскопа одновременно с анализируемыми образцами. При контроле качества волоконно-оптического кабеля в число одновременно анализируемых образцов включают все волокна данного кабеля.
Примеры осуществления способа определения профиля поперечного распределения примеси германия в жиле и оболочке кремниевых стекловолокон.
3
Пример 1. Осуществление предлагаемого экспрессного, визуального, отвечающего метрологическим требованиям способа определения профиля поперечного распределения примеси германия в жиле и оболочке кремниевых стекловолокон рассмотрено на примере анализа образцов стекловолокон фирмы Фуджикура, Япония (Fujikura, Fujikura Specification for single-mode optical fiber. Date Jan. 25.2011. NO JFS-00073A), один из которых принимается за эталонный. Кусочки стекловолокон фирмы Фуджикура (2 волокна один эталонный) закрепляют в таблетке-держателе из эпоксидной смолы так, чтобы на рабочую поверхность таблетки-держателя выходили торцы этих стекловолокон. Торцы шлифуют. Далее таблетку-держатель с образцами стекловолокон после завершения процесса полимеризации смолы облучают рентгеновским излучением (в течение 20-30 минут) для запасания светосуммы. Для облучения используют рентгеновский аппарат УРС-55А (30 кэВ, 10 мкА при мощности дозы 2,5 10 Р/мин). Затем облученную таблетку-держатель устанавливают в рабочей камере электронного микроскопа фирмы Carl Zeiss Σigma VP, имеющего оптический канал.
В электронном микроскопе выводят на экран компьютера изображение торцевой поверхности анализируемого/эталонного волокна, которое затем анализируется с применением катодолюминесцентного оптического канала микроскопа в интегральном режиме в диапазоне длин волн 185-850 нм.
Ниже приведены картины свечения торцов двух используемых в примере эталонного, Фиг.1, и анализируемого, Фиг.2, стекловолокон фирмы Фуджикура. Визуально наблюдается неоднородное свечение эталонного, Фиг.1, и анализируемого стекловолокон (верхняя картинка на Фиг.2) с тремя концентрическими люминесцирующими зонами. Наблюдаемые кривые распределения интенсивности свечения характеризуют распределение примеси германия по поперечному сечению образцов. На Фиг.2 это представлено в увеличенном виде для центральной части стекловолокна диаметром ~32 мкм. Зона свечения центральной жилы диаметром 9 мкм с повышенным содержанием примеси германия, около 3,6-3,8 мол.%, как показал рентгенофлюоресцентный анализ этой зоны, не является доминирующей по интенсивности (ее интенсивность всего 70-90 о.е.) вследствие эффекта концентрационного тушения люминесценции. Наиболее интенсивной (~100 о.е.) является ближайшая к жиле концентрическая кольцевая люминесцирующая полоска шириной до 5 мкм с содержанием в контрольной точке этой полоске-зоне наноструктурированной примеси германия до ~0,6 мол.%. Третья слабосветящаяся широкая кольцевая зона имеет более слабую интенсивность люминесценции (~25-40 о.е.). Эта крайняя зона с неоднородным содержанием продиффундирующей примеси германия на уровне, как показал рентгенофлюоресцентный анализ одной из контрольных точек этой зоны, до 0, 008 мол.%.
Пример 2. Кусочки стекловолокон фирмы Фуджикура закрепляют в таблетке-держателе из эпоксидной смолы так, чтобы на рабочую поверхность таблетки-держателя выходили торцы анализируемых стекловолокон. Их шлифуют. Далее, минуя процедуру облучения таблетки-держателя с анализируемыми стекловолокнами рентгеновским излучением, таблетку-держатель с образцами стекловолокон сразу устанавливают в рабочей камере электронного микроскопа, например, микроскопа фирмы Carl Zeiss Σigma VP, имеющего оптический канал. На экране микроскопа получают картину распределения примеси германия в жиле и оболочке стекловолокна, аналогичную приведенной на Фиг.1 и Фиг.2, однако интенсивность свечения почти в полтора раза ниже интенсивности свечения, чем в Примере 1, из-за отсутствия компоненты оптически стимулированной люминесценции.
Примеры 3, 4. Подготовку к анализу поступивших образцов германий-кремниевых стекловолокон диаметром 125 мкм проводят так же, как и в примере 1. Кусочки одножильных стекловолокон, а в случае контроля качества волоконно-оптического кабеля кусочки всех стекловолокон кабеля закрепляют в таблетке-держателе из эпоксидной смолы. Далее таблетку-держатель с образцами стекловолокон после завершения процесса полимеризации смолы облучают в течение 1 часа рентгеновским излучением для запасания светосуммы, после чего ее устанавливают в рабочей камере растрового электронного микроскопа фирмы Carl Zeiss Σigma VP, имеющего оптический канал. В электронном микроскопе сначала получают с выводом на экран компьютера изображение поверхности каждого из торцов волокон (анализируемых и эталонных), далее изображение этих участков анализируется с помощью катодолюминесцентного оптического канала микроскопа в интегральном режиме в диапазоне длин волн 185-850 нм, так же, как в примерах 1 и 2, визуально и с выводом кривой распределения интенсивности свечения на экран, что обеспечивает экспрессность метода. Для каждого из волокон характерно неоднородное свечение по их поперечному сечению с хорошо выраженными тремя зонами свечения, различающимися по интенсивности, соответствующих зонам с различной концентрацией примеси германия. Содержание германия определяют одновременно в нужных точках сечения волокна путем измерений элементного состава образцов рентгенофлюоресцентным методом. Узкая кольцевая зона с повышенным уровнем люминесценции связана с наноструктурированной примесной зоной германия. В ней заметны неоднородности. Увеличение времени облучения образцов до 1 часа и более не приводит к улучшению технического эффекта.
Технический результат. Повышенная интенсивность свечения при визуализации профиля распределения примеси германия по поперечному сечению стекловолокна с выделением зон неоднородной диффузии германия на границе между центральной жилой и оболочкой, увеличение чувствительности и производительности метода особенно при выходном и входном контроле многожильных волоконно-оптических кабелей.