4. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ КВАРЦЕВЫХ ВОЛОКОН И КАБЕЛЕЙ И ИЗМЕРЕНИЕ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК

4.1. МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

Методы, используемые для получения высокопрозрачных материалов для оптических волокон, можно разделить на две большие группы: тигельные или методы осаждения из жидкой фазы и методы осаждения материала из газовой фазы. В обоих случаях достижение малых потерь сопряжено с самым строгим контролем чистоты исходных материалов и исключением попадания каких-либо посторонних веществ в течение всего технологического процесса. Ниже будет приведено описание технологии в самых общих чертах. Подробности можно найти в . Тонкости процесса получения волокна приобретаются опытным путем и обычно держатся изготовителями в секрете. Каждая из указанных групп методов изготовления оптических волокон имеет

много разновидностей. При их сравнении весьма важным оказывается вопрос, каким образом получают волокно; вытягивают ли его непосредственно в ходе непрерывного процесса, либо сначала делают заготовку, а затем из нее вытягивают волокно. Из методов осаждения вещества из газовой фазы только один (осевое осаждение) может быть легко приспособлен для непрерывного изготовления волокна, но он обычно не используется. Что касается тигельных методов, то установка с двумя тигелями, схематически изображенная на рис. 4.1, стала одной из распространенных для изготовления недорогих оптических волокон непрерывным способом.

Обычно тигельные методы используют для изготовления волокон из стекол с низкой температурой плавления. Тщательно очищенные и измельченные компоненты помещают в платиновый или кварцевый тигель и нагревают. При использовании для нагрева электрических печей компоненты нагреваются за счет тепловой радиации от стенок печи, при этом последние не должны содержать посторонних включений. Можно также использовать нагрев компонент токами высокой частоты. При этом металлический тигель можно нагревать бесконтактно в поле высокой частоты. Для применения кварцевого тигеля необходимо порошкообразные компоненты стекла предварительно подогреть и использовать более высокие частоты. В таком случае расплав будет находиться при более высокой температуре, чем тигель, и, следовательно, будет менее чувствителен к загрязнениям, попадающим в расплав от стенок тигеля. Следует отметить, что кварцевые тигли обычно не используют более одного раза, поскольку они не выдерживают циклических температурных воздействий. Традиционно стекло сердцевины получают в виде цилиндрического стержня, а стекло оболочки в виде трубки, причем цилиндр расположен внутри трубки, так что при совместном вытягивании и получается оптическое волокно.

При использовании установки с двойным тиглем (рис. 4.1) исходные материалы могут в них загружаться в виде порошков либо высокоочищенных цилиндрических заготовок. Двойной тигель помещают внутрь вертикальной облицованной кварцем муфельной печи, способной нагревать расплав до 1000 ...1200° С. Внутри печи поддерживают атмосферу из инертного газа. При использовании для получения разности показателей преломлений сердцевины и оболочки таких легирующих примесей, как таллий, обладающий сравнительно высокой скоростью диффузии в кварц, в процессе вытягивания волокна имеет место некоторое изменение показателя преломления на его внешней поверхности. Было установлено, что аналогичный эффект наблюдается при изготовлении волокон из боросиликатных стекол, содержащих натрий или кальций. Различия в показателе преломления получаются из-за изменения концентрации компонентов а диффузия скозь границу сердцевина-оболочка в расплаве приводит к изменению показателя преломления, достаточному для уменьшения межмодовой дисперсии до На рис. 4.2 приведены уровни потерь, которые при этом могут быть достигнуты.

(кликните для просмотра скана)

Рис. 4.2. Уровни потерь в оптических волокнах, изготовленных методом двойного тигля: 1 — волокно из натриевого боросиликатного стекла; 2 — волокно из кальциевого бороснлнкатного стекла [Данные взяты из статьи К. J. Beales et af. Ets. Lett. 13, 755-756 (24 Nov. 1977).]

Температура плавления стекол с высоким содержанием кремния оказывается слишком высокой для использования тиглевых методов, поэтому при изготовлении из них оптических волокон должны применяться методы осаждения вещества из газовой фазы. Некоторые из этих методов для получения мельчайших частиц стекла из паров галлоидных соединений его компонентов используют гидролиз в пламени, в процессе которого протекают реакции

Гидролиз в пламени обеспечил изготовление волокон с потерями менее 20 дБ/км. При этом пары галоидных соединений вводились в пламя, создаваемое при сгорании смеси метана с кислородом, непосредственно на поверхности стержня. Таким образом, наносили много слоев, причем их состав изменялся в зависимости от того, какое волокно, ступенчатое или градиентное, следовало получить. Затем стержень перемещали, формируя, таким образом, заготовку из пористого стекла, которую потом очищали от шлака для получения чистого стекла и вытягивания из нее волокна. Таким способом могут быть получены достаточно большие заготовки, из которых вытягивают волокно длиной 40 ... 50 км. Основная возникающая при этом трудность состоит в удалении излишков паров воды, оставшейся после гидролиза.

Другой метод гидролиза, называемый осевым методом осаждения из газовой фазы также позволяет получать заготовки больших размеров. Его сущность поясняет рис. 4.3. В данном методе стекло сердцевины и стекло оболочки осаждаются одновременно на заготовку в виде стержня, который вращается для обеспечения однородности по азимуту, и затем протягивается через электрическую печь со скоростью 2,5 мм/мин. Здесь он нагревается до 1500° С в атмосфере

паров кислорода и тионилхлорида. При этом обеспечивается решение двух задач:

а) удаляется вода вследствие протекания химических реакций

б) пористый стержень, имевший диаметр около 60 мм и длину 200 мм, превращается в прозрачную стеклянную заготовку диаметром 20 мм.

Рис. 4.3. (см. скан) Схема получения заготовки с использованием процесса осевого осаждения из газовой фазы (VAD)

Рис. 4.4. Экспериментально полученные характеристики потерь волокна, изготовленного с использованием VAD-процесса при улучшенной осушке газов

Метод может обеспечить получение достаточно хорошо контролируемого профиля показателя преломления путем тщательного поддержания в процессе осаждения требуемого закона распределения температуры в поперечном сечении пористого стержня. Установлено, что концентрация в синтезируемых стеклянных частицах увеличивается равномерно с температурой осаждения в диапазоне При использовании данного процесса были получены длинные градиентные волокна с потерями менее 0,5 дБ/км на 1,55 мкм и дисперсией, не превышающей Приведенная на рис. 3.5 кривая потерь была получена для волокна, изготовленного этим методом. Невозможность поддержания соответствующего контроля диаметра сердцевины данного волокна привело к наличию остаточных волноводных потерь порядка 0,4 дБ/км.

Совсем недавно улучшенный метод сушки позволил изготавливать волокна рассматриваемым способом с содержанием водяных паров менее, чем одна часть на Типичная кривая потерь такого волокна приведена на рис. 4.4. Обнаруживается лишь один пик поглощения на 1,39 мкм, обусловленный ОН-, а диапазон длин волн, в пределах которого потери остаются менее 1 дБ/км, составляет Была установлена возможность введения в пламя более широкого ассортимента легирующих веществ, распыляемых из водного раствора. Таким образом, этот метод уже не ограничивается использованием только таких материалов, как галоидные соединения или их гибриды, имеющие соответствующее давление паров.

В методе, который первым обеспечил получение волокон высшего качества (характеристики волокна представлены на рис. 3.2 и 3.3), осаждение из газовой фазы осуществлялось за счет теплового окисления внутри полой трубки из чистового плавленного кварца. Обычно такая трубка имеет длину около 1 м, диаметр 15 мм и толщину стенок около 1 мм. Сначала ее тщательно очищают, а внутреннюю поверхность протравливают и промывают. Затем трубку устанавливают горизонтально и вращают с помощью токарного станка для производства стекольных работ, оборудованного кислородно-водородной горелкой, осуществляющей нагрев трубки на коротком отрезке по замкнутой окружности. Горелки перемещают с контролируемой скоростью вдоль оси трубки от одного конца до другого. Обеспечение процесса исходными материалами осуществляется пропусканием внутрь трубки паров

четыреххлористого кремния (SiCU), а также хлоридов и бромидов любых других легирующих примесей, таких как GeCl4, РОС14 и , вместе с кислородом. При этом скорости потоков паров указанных веществ тщательно регулируют и контолируют, а требуемая высокая чистота исходных материалов обеспечивается их перегонкой. Схема установки, реализующей данный способ, приведена на рис. 4.5.

Обычный процесс получения заготовок начинается с нескольких проходов пламени вдоль трубки и пропускания через нее только чистого кислорода. Это обеспечивает нагрев трубки до 1500° С и эффективную полировку ее внутренней поверхности. Затем в пропускаемый сквозь трубку поток газов вводят легирующие примеси ооболочки, например, SiCU или . Эта операция следует за дополнительными проходами пламени при пропускании через трубку паров примеси для образования сердцевины волокна, например SiCU и GeCl4. При изготовлении заготовок для получения градиентных волокон осуществляется 50-100 таких проходов пламени для формирования сердцевины, причем концентрации легирующих примесей плавно увеличивается от прохода к проходу. Каждый из таких проходов может длиться 4...5 мин.

На внутренней поверхности кварцевой трубки в области нагрева имеет место взаимодействие между парами осаждаемых веществ и кислородом, в результате которого осаждается слой SiO2, содержащий легирующие примеси (Ge02, В203), а образующийся при этом газ, содержащий галогены осажденных веществ, уносится потоком паров. В зависимости от температуры стенки трубки осажденный слой может иметь вид «сажи» или быть более или менее прозрачным. Если формируются «сажевые» слои, то необходима последующая тепловая обработка для получения из них в результате плавления прозрачных слоев изменяющегося состава общей толщиной около 200 ...300 мкм. При этом протекают следующие химические реакции:

Температуру и давление паров обычно выбирают такими, чтобы эти реакции протекали в трубе до некоторой степени в газовой фазе. Этот способ называют иногда «модифицированным способом химического осаждения из азовой фазы» (MCVD1). В раннем способе химического осаждения из газовой фазы (CVD2). использовались более низкие температуры и давления, вследствие чего реакции происходили

(кликните для просмотра скана)

только на поверхности трубки. Способ MCVD обеспечивает значительно более высокие скорости осаждения, и они, кроме того, могут быть еще увеличены, если в зоне реакции создать СВЧ-плазму. Использование паров галоидных соединений вместо паров водородных соединений и удаление паров воды из зоны реакции позволит получить очень малые концентрации ионов гидроксила в осаждаемых слоях.

В конце рассматриваемого процесса трубка превращается в стержень диаметром 4 ... 5 мм вследствие повышения ее температуры до 1770° С из-за более медленного перемещения пламени горелки. Скорость перемещения горелок может регулироваться с помощью системы автоматического регулирования, которая также контролирует температуру трубки методами пирометрии. Последний проход горелки, в результате которого формируется стержень, длится 30 мин. Он должен осуществляться с большой аккуратностью, поскольку от этой операции зависит цилиндричность получаемой заготовки и концентричность сердцевины и оболочки.

Само волокно вытягивается из полученной заготовки на специальной машине, подобной той, схема которой приведена на рис. 4.6. Разумеется, при непрерывных методах изготовления волокна эта операция должна быть объединена с остальными процессами, а при использовании заготовок она может выполняться отдельно, как и показано на этом рисунке. В зоне нагрева должна поддерживаться температура 1900 ... 2000° С, обычно обеспечиваемая небольшими электрическими печами, облицованными цирконием. Однако было показано, что эффективны и другие нагревательные системы, включая использование для нагрева стержня излучения лазера на углекислом газе.

Весьма существенным является поддержание наружного диаметра волокна с точностью до долей микрометра, поскольку именно по наружной поверхности происходит выравнивание волокон при их соединении. Любые отклонения диаметра от номинального значения приводят к несовпадению сердцевин соединяемых волокон. Самая распространенная система для контроля диаметра вытягиваемого волокна состоит из лазера, освещающего волокно, и фотодетектора, помещаемого в дальнюю зону возникающей при этом дифракционной картины. Дифракционная картина изменяется при всяком изменении диаметра волокна, заставляя изменяться при этом и ток фотодиода. Это изменение тока действует, в свою очередь, как сигнал, который управляет сервомеханизмами, которые определяют скорость намотки волокна и скорость поступления заготовки в устройство вытяжки. Таким образом, обеспечивается нестабильность менее 0,1 %. Скорость намотки волокна регулируется наилучщим образом с помощью прецизионного электропривода. Затем куски волокна требуемой длины могут быть намотаны на шпули и без остановки и возобновления процесса вытягивания волокна в каждом отдельном случае.

Полезно знать, что отрезок волокна длиной 1 км, намотанный на цилиндр диаметром 30 см с шагом 5 волокон на миллиметр, занял бы

20 см его длины. При диаметре волокна 100 мкм он весил бы менее 1 унции (около 20 г).

Скорость намотки изменяется от 0,2 до Таким образом, на вытягивание 5 ... 10 км волокна требуется 5 ... 10 ч, а на получение самой заготовки для изготовления градиентного волокна высокого качества может потребоваться 10 ч. Даже при высокой степени автоматизации технологического процесса, которая здесь просто необходима, производство волокна данным способом недешево и остается, по-видимому, на уровне 100 долларов за километр. По сравнению с волокном, изготавливаемым непрерывным способом и вытягиваемым при скоростях, больше указанных, волокно, изготовленное вышеописанным способом, могло бы быть значительно дешевле, а его стоимость менее 10 долларов за километр.

Главным препятствием на пути увеличения скоростей изготовления волокна является не сам процесс вытягивания, а последующая операция покрытия его полимером. Было установлено, что весьма важно обеспечить нанесение на вытягиваемое волокно первичного слоя защитного покрытия из полимера непосредственно при выходе кварцевого волокна из отверстия фильеры для защиты его поверхности. В противном случае при нормальных атмосферных условиях на его поверхности образутся микротрещины, которые катастрофически уменьшают прочность волокна на разрыв. Обнаружено, что нанесение слоя полимера толщиной около обладающего хорошей адгезией с поверхностью кварца, предотвращает появление микротрещин. Иногда наносят два слоя: первичный тонкий (10 мкм) из материала с высоким показателем преломления и последующий более толстый (100 мкм) из материала с более ннзким показателем преломления. Первичное покрытие из полимера обычно осаждают из раствора, как это показано на рис. 4.6, а.

Опасность, которой оптические волокна могут подвергаться в процессе эксплуатации, — это доступ воды, которая ухудшает его прочность. Для обеспечения прочности волокна в процессе эксплуатации необходимо защитить его от всякого контакта с водой, которая могла бы диффундировать в кварц сквозь полимер. Для получения защитного водонепроницаемого слоя одни исследователи экспериментировали с керамическими покрытиями, наносимыми на волокно, а другие — с металлическими, наносимыми на полимерный слой. В другом случае защиту волокна от воздействия влаги должна осуществлять наружная оболочка кабеля.

Последний этап в процессе вытягивания волокна заключается в нанесении на его поверхность высокопрочного пластикового покрытия методом выдавливания. Такое покрытие защищает волокно от воздействия продольных и поперечных механических нагрузок независимо от того, используется ли волокно само по себе или в составе многожильного оптического кабеля. Пластиковое покрытие может наноситься непосредственно на вытягиваемое волокно, как это показано на рис. 4.6, б, или же этот процесс может составлять часть последующей

Рис. 4.6. Процесс вытягивания волокна и наиесеиия защитной оболочки: а — схема аппарата для вытягивания волокна из круглой заготовки и наиесения первичного защитного покрытия из полимера; б - разрез экструзионного мундштука для нанесения пластикового покрытия на предварительно защищенное волокно

операции по изготовлению кабеля из волокон. Готовое волокно обычно наматывают на нагретый алюминиевый барабан. При охлаждении до комнатной температуры барабан уменьшается в диаметре и предотвращает возникновение каких-либо напряжений, минимизируя, таким образом, последствия эффектов микроизгибов волокна.

При описании процессов MCVD и CVD упор делался на изготовление градиентного волокна. Однако оба эти процесса могут быть легко приспособлены и для получения одномодового волокна с малым диаметром сердцевины путем простого регулирования количества, содержащегося в заготовке материала для сердцевины и оболочки.

Сравним процессы MCVD и VAD. Первоначально размер заготовки, получаемой способом MCVD, ограничивался необходимостью поддержания контроля над процессом осаждения, в результате чего из нее обычно вытягивали 3 ... 5 км градиентного волокна. При более высоком давлении паров осаждаемых материалов и более тщательном контроле за условиями осаждения стало возможным получать заготовки больших размеров. Кроме того, после превращения заготовки в стержень, он вставляется в трубку из чистого кварца, которая образует наружную поверхность оболочки до того, как заготовка будет вытянута в волокно. Это особенно подходит для изготовления

одномодовых волокон. Используя данные методы, можно получить заготовки, из которых можно вытянуть 10 км градиентного волокна и свыше 30 км одномодового при сохранении очень высокого качества. Заготовки, полученные методом VAD обычно больше, чем заготовки, получаемые методом MCVD. Было показано, что при использовании последующего соединения с кварцевой трубкой одна заготовка может дать более 30 км многомодового волокна и по 100 км одномодового.

Профиль показателя преломления волокон, изготовленных методом VAD, более плавный по сравнению с профилем волокон, полученных методом MCVD, однако труднее обеспечить требуемую точность формы профиля показателя преломления и резкую границу между сердцевиной и оболочкой. Рисунок 4.7, а, иллюстрирует границы возможных изменений профиля показателя преломления в волокне, изготовленном методом VAD, путем регулирования температуры пламени горелки во время осаждения, осуществляемого за счет изменения в сжигаемой смеси соотношения кислорода и водорода Профиль показателя преломления заготовок, получаемых методом MCVD, обладает двумя дефектами, которые переносятся на вытягиваемое волокно и

Рис. 4.7. Профили показателей преломления: а — волокна, полученного с использованием процесса VAD при различных температурах пламени горелки [Взято из статьи М. Nakahara et al. Fabrication of low-loss and wide-bandwidth VAD optical fibers at 1.3 цт mavelength. Ets. Lett. 16, 102-103 (31 Jan. 1980).] б - волокна, полученного с использованием процесса MCVD и имеющего «провал» и периодические изменения показателя преломления. [Взято из статьи М. Presby et al. Rapid automatic index profiling of whole fiber samples: Part II, The Bell. Syst. Tech. Jnl. 58, 883-902 (1979).]

вредно влияют на его дисперсионные свойства. Это периодическое изменение показателя преломления от слоя к слою и его понижение («провал») на оси заготовки до величины, практически равной показателю преломления нелегированного кремния. Оба дефекта являются результатом диффузии и испарения легирующих примесей во время циклов иагрева перед началом осаждения слоев. Добавление к парам хлорида германия малых концентраций хлорокиси фосфора снижает температуру осаждения и уменьшает величину периодической ряби. «Провал» в профиле показателя преломления на оси волокна является результатом испарения легирующих примесей на этапе сжатия трубки в стержень. Провал уменьшается, если на этом этапе поддерживать более высокое давление и паров легирующих примесей. Профиль типичного легированного германием волокна, полученного методом MCVD, приведен на рис. 4.7, б.

Используемые в процессе MCVD реактивы должны быть высшей чистоты и специально высушиваться. В процессе VAD важной операцией является сушка пористой заготовки. В обоих случаях пары воды могут диффундировать из кварцевых стеиок во время сжатия трубки в стержень. Для предотвращения их вредного влияния на потери в волокне желательно иметь слой осажденного кварца толщиной несколько микрометров, который легирован или чтобы сформировать поверхность раздела сердцевина — оболочка и внутренние слои оболочки. В дальнейшем это будет действовать как буфер против излишка паров воды в покрытой защитной оболочкой кварцевой трубке.