5. ПРОИЗВОДСТВО ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ И ИЗМЕРЕНИЕ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Предыдущие разделы книги посвящены, в основном, анализу особенностей волоконно-оптических приборов и входящих в их состав компонентов. Однако прогресс в волоконно-оптическом приборостроении неразрывно связан с созданием специализированных систем и приборов для производства и измерения параметров волоконных световодов. В настоящее время ясно, что успехи, достигнутые в исследовательских лабораториях, могут быть перенесены на уровень массового производства, только если будет обеспечен автоматический контроль и регулирование всех существенных параметров технологического процесса. В последние годы в результате научных исследований, технологических и конструкторских разработок сформировалась новая область приборостроения — автоматизированное производство волоконных световодов и производство аппаратуры для измерения их характеристик [15 43, 90]. Назначение настоящей главы состоит в том, чтобы кратко ознакомить читателя с возможностями и особенностями этой области.

5.1. Производство волоконных световодов

По назначению волоконные световоды можно разделить на пять основных групп:

1) одномодовые световоды для систем дальней скоростной связи фазовых ВОД; отличаются предельно низким уровнем потерь и широкой полосой пропускания

стандартные размеры: диаметр сердцевины 5—10 мкм, оболочки — 125 мкм, числовая апертура 0,15-0,2 (сюда же можно отнести волокна с сохранением поляризации, необходимые для целого ряда ВОД и перспективных систем передачи с когерентным приемом);

2) многомодовые световоды с градиентным профилем показателя преломления для систем передачи на расстояния в несколько километров; уровень потерь полоса пропускания стандартные размеры: диаметр сердцевины 50 мкм, оболочки — 125 мкм, числовая апертура около 0,2;

3) многомодовые световоды со ступенчатым профилем показателя преломления для локальных сетей, объектов систем передачи и различных ВОД; характеризуются весьма умеренными полосой пропускания и уровнем потерь имеют повышенную числовую апертуру и диаметр сердцевины 80—400 мкм, что допускает эффективное сопряжение с дешевыми и надежными источниками излучения — светодиодами;

4) волоконные световоды со специальными свойствами для ВОД и других волоконно-оптических функциональных устройств: лазерные волокна, активированные редкоземельными ионами; волокна с пьезоэлектрической или магнитострикционной оболочкой и т. п.;

5) полимерные световоды со ступенчатым или градиентным профилем показателя преломления, отличающиеся высокой гибкостью, прочностью и низкой стоимостью; область их применения ограничена из-за высокого уровня потерь, поэтому используются они для передачи данных внутри ЭВМ, в роботах, автомобильных датчиках и т. п.

Световоды первой, второй и отчасти третьей групп имеют одинаковую композицию и изготавливаются из кварцевого стекла, легированного различными добавками, изменяющими показатель преломления в нужную сторону. Кварцевое стекло характеризуется высокой однородностью и чистотой, что обусловливает низкий уровень потерь на рассеяние и поглощение (см. гл. 2), отличается высокой термической, химической и радиационной стойкостью. Технология производства высококачественных кварцевых волокон, как будет показано ниже, достаточно сложна, тем не менее она доведена до уровня, обеспечивающего массовый выпуск без снижения качества.

Требования к характеристикам световодов третьей и четвертой групп не являются предельно жесткими, поэтому они изготавливаются из более дешевых материалов (многокомпонентных стекол) и по более простой технологии. Производство полимерных волокон является самым простым и дешевым.

Наиболее распространенные в мировой практике способы изготовления высококачественных кварцевых волоконных световодов являются разновидностями процесса химического осаждения основного стеклообразующего окисла и легирующих окислов из парогазовой смеси, или CVD-процесса (от англ. Chemical

Vapour Deposition). Галоиды кремния, германия, бора, фосфора и т. п., входящие в состав парогазовой смеси, при высокой температуре реагируют с кислородом:

В результате реакции образуется мелкодисперсная масса, напоминающая белую сажу, которая после проплавления превращается в прозрачное стекло, содержащее около 90 % . Добавки легирующих окислов меняют коэффициент преломления в нужную сторону: добавки окислов германия и фосфора повышают показатель преломления стекла, а добавка окисч бора снижает его (рис. 5.1). Содержание добавок в стекле регулируется в процесса путем изменения состава парогазовой смеси галоидов, концентрации ее компонентов.

Рис. 5.1. Зависимость коэффициента преломления кварцевого стекла от концентрации легирующих добавок

Минимальный уровень потерь при работе на длинах волн 1,3 и 1,5 мкм обеспечивают кварцевые стекла, не содержащие бора, поэтому в последние годы в качестве присадки, снижающей показатель преломления, используется фтор, образующийся при окислении фреона или фтористого углерода Естественно, что исходные компоненты при использовании CVD-процесса должны быть высокой химической чистоты [41].

Существует несколько вариантов CVD-процесса: модифицированный CVD-процесс плазменный MCVD-процесс плазменный CVD-процесс процесс с вертикальным осевым осаждением внешнее химическое осаждение из парогазовой фазы