книги / Технология производства и свойства кварцевых оптических волокон

Были проведены исследования зависимости длины биения АОВ типа «галстук-бабочка» от нагрева и охлаждения волокна. Результаты некоторых этих исследований продемонстрированы на рис. 5.13. Кривая а отвечает нагреву волокна со скоростью 30°/мин, а кривая б – охлаждению волокна со скоростью ~ 30°/мин.

Рис. 5.13. Зависимости изменения длины биения в АОВ типа «галстук-бабочка» от температуры: а – первый цикл, б – второй цикл

Видно, что вначале длина биения возрастает (соответственно ДЛП уменьшается) из-за уменьшения величины напряжений, обусловленных секторами. При охлаждении наблюдается гистерезис, причем величина Lб при комнатной температуре всегда ниже, чем исходная Lб. Повторный цикл нагрев-охлаждение б всегда дает меньший гистерезис. При большей скорости охлаждения (~ 150°/мин) длина биения становится больше исходного значения, т.е. наблюдается «обратный гистерезис». При быстром охлаждении окончательное ДЛП и осевые напряжения уменьшаются, а при медленном охлаждении они увеличиваются. Аналогичные зависимости имеют место и для АОВ с эллиптической «напрягающей» оболочкой. Объяснение этому следует из рис. 5.14.

Видно, что при медленном охлаждении наблюдается большее уменьшение длины (соответственно объема) боросиликатного стекла за счет изменения его структуры. Это приводит к увеличению напряжений в направлении «напрягающих» секторов, т.е. к росту ДЛП. Хорошо известно что

121

с величиной модового ДЛП, тем не менее с ростом ДЛП величина h уменьшается.

5.1.2.4. АОВ типа «PANDA»

АОВ типа «PANDA», схематически изображенное на рис. 5.3, в, отличается от АОВ типа «галстук-бабочка» только формой «напрягающих» элементов и способом изготовления, а методология является одинаковой. Получение заготовок АОВ типа «PANDA» включает в себя следующие этапы, показанные на рис. 5.15:

–получение материнской заготовки, содержащей сердцевину будущего АОВ;

–«жакетирование» материнской заготовки с целью увеличения кварцевой технологической оболочки;

–изготовление заготовок, центральная часть которых сформирована боросиликатным стеклом. Эти заготовки и являются исходным материалом для «напрягающих» элементов, и с них стравливается излишняя кварцевая технологическая оболочка, чтобы максимально приблизить боросиликатные штабики к сердцевине,

–формирование отверстий в материнской заготовке для боросиликатных штабиков сверлением.

Материнская заготовка с вставленными в нее боросиликатными штабиками, у которых сошлифована или стравлена основная масса кварцевой технологической оболочки, перетягивается в волокно на вытяжной установке.

Рис. 5.15. Схема процесса изготовления заготовок АОВ типа «PANDA»:

1 – материнская заготовка с сердцевиной будущего волокна, 2 – боросиликатные штабики с частично стравленной кварцевой оболочкой, 3 – сверление отверстий в материнской заготовке, 4 – окончательная сборка заготовки

123

Иногда для формирования исходной заготовки используют метод сборки, когда в центр опорной кварцевой трубки вставляют перетянутую материнскую заготовку, вокруг нее с диаметрально противоположных сторон располагают два боросиликатных штабика, а свободное пространство в трубке заполняют кварцевыми штабиками.

Для сравнения на рис. 5.16 приведены зависимости величины ДЛП в трех вышерассмотренных типах АОВ в зависимости от фактора ассиметрии ε, который определяется уравнением (5.3), где использованы обозначения, приведенные на рис. 5.3.

Рис. 5.16. Зависимости двулучепреломления от фактора ассиметрии для основных типов АОВ: 1 – «галстук-бабочка», 2 – «PANDA», 3 – с эллиптической «напрягающей» оболочкой

Видно, что с ростом фактора ассиметрии величина ДЛП возрастает (см. рис. 5.16), причем наибольшим ДЛП обладают АОВ типа «галстук-ба- бочка» за счет более оптимальной структуры, однако АОВ типа «PANDA» мало им уступают, а воспроизводимость таких АОВзначительно выше.

На рис. 5.17 приведены зависимости величины ДЛП также от фактора ассиметрии, но для различных значений ∆α·∆Т (т.е. для различных напряжений, обусловленных использованием различных материалов «напрягающих элементов»). На этом рисунке показаны данные не только для АОВ «PANDA», но и для АОВ «галстук-бабочка».

Видно, что при увеличении напряжений за счет выбора другого перспективного материала (например, кварцевого стекла, одновременно легированного бором и фосфором, или боросиликатного стекла с большей концентрацией бора) ДЛП в АОВ типа «PANDA» может достигнуть

124

зованной частоты для поляризационных мод в направлениях х и y АОВ,

имеющего ДЛП за счет анизотропии напряжений. При V < 1,2 n'эффу < nобх

'

и «y-мода» вытекает в оболочку, а для «х-моды» n'эффу > n'обх и она распространяется в волокне.

Рис. 5.18. Зависимости эффективных ПП от нормализованной частоты для поляризационных мод в направлениях х и y АОВ, имеющих ДЛП за счет анизотропии напряжений: а – теоретически предсказанное вытекание, b – экспериментально наблюдаемое вытекание

Были предложены различные пути реализации однополяризационного режима работы АОВ, например:

– за счет создания в оболочке в направлении х областей (ям) с меньшим ПП, чем в направлении y, т.е.

– за счет выбора материала «напрягающих» элементов в АОВ типа «PANDA», ПП которых (nнэ) лежит между эффективным ПП двух поляризационных мод, т.е. n'эффу < nнэ < n'эффх ;

– за счет работы при значениях V, меньших Vкр, которое обусловливает соотношение n'эффу < n'эффх , и т.д.

Для иллюстрации работы «поляризующих» световодов на рис. 5.19 приведены спектральные зависимости потерь для двух поляризационных мод с вектором поляризации в направлении х и y. Видно, что при коротких

126

Таблица 5.1

Типичные радиационные допуска на различные типы волоконно-оптических компонентов

Основная причина роста потерь заключается в возникновении центров окраски (ЦО) в световедущей сердцевине или в светоотражающей оболочке под действием радиации, причем природа и количество этих ЦО в значительной степени зависят от состава стекол, выбранных для формирования сердцевины, и от способа изготовления кварцевого световода. Для примера в табл. 5.2 дано представление о качественном соотношении между некоторыми последствиями воздействия радиации на волоконные световоды (ВС) с разным составом сердцевины.

Таблица 5.2

Последствия воздействия радиации на ВС с разным составом сердцевины

Из таблицы видно, что наибольшей устойчивостью к ионизирующим воздействиям обладает чисто кварцевое стекло. Ниже приведены причины возникновения наведенного поглощения (НП) в кварцевых стеклах различного состава. При этом надо иметь в виду, что единицей дозы излучения (облучения) является рентген (Р), при котором суммарный заряд положительных и отрицательных ионов, образующихся

128

в 1,239·10–6 кг воздуха, равен 109/3 кулон. Это соответствует образованию 2,08·109 пар одновалентных ионов в 1 см3 воздуха при нормальных условиях. Для поглощенной дозы излучения используется рад, соответствующий поглощению 0,01 Дж энергии излучения в 1 кг облученного вещества, при этом 100 рад = 1 Гр.

5.2.1. Световоды с кварцевой сердцевиной

На рис. 5.20 приведены спектры НП после γ -облучения (доза– 10 кГр, скорость дозы – 10 Гр/с) трех различных типов световодов, измеренных ваналогичных условиях. Видно, что наименьшее НП имеет световод, в котором сердцевина сформирована чистым кварцевым стеклом, а светоотражающая оболочка – кварцевым стеклом, легированным фтором.

Рис. 5.20. Спектры НП в образцах одномодовых ОВ после γ-облучения (доза – 10 кГр, мощность – 10 Гр/с): 1 – с германосиликатной сердцевиной и фторсиликатной оболочкой; 2 – с кварцевой сердцевиной и фторсиликатной оболочкой; 3 – с сердцевиной, легированной азотом

Влияние радиации на оптические свойства кварцевого стекла изучалось многими авторами. Под действием ионизирующего излучения (γ -излу- чения) вкварцевомстеклемогутобразовыватьсяследующиеосновныеЦО:

– так называемые Е'-центры , возникающие при разрыве це-

почки –Si–O–Si–, содержащие валентный электрон и имеющие полосы поглощения на длинах волн 0,212 мкм;

129

– пероксильные радикалы , появляющиеся в присут-

ствии избытка кислорода в стекле и имеющие полосы поглощения на λ = 0,191, 0,230 и 0,63 мкм, причем последняя полоса является наиболее важной для ОВ, работающих в ИК-диапазоне;

– кислородная вакансия , возникающая при отрыве кислорода в цепочке Si – O – Si (λ = 0,163 и 0,248 мкм);

– радиационный дефект немостикового кислорода , об-

разующийся вместе с Е'-центром при разрушении цепочки Si–O–Si (λ = 0,26; 0,61 мкм);

– связи между атомами хлора , возникаю-

щие в кварцевом стекле при получении его из SiCl4 (λ = 0,257; 0,31

и0,390 мкм);

–молекулы хлора (Cl–Cl), растворенного в кварцевом стекле (λ = = 0,33 мкм).

Из приведенных данных следует, что наибольшее поглощение должно наблюдаться в УФ-области, меньшее – в видимой области спектра (0,45…0,63 мкм), и с ростом длины волны НП должно уменьшаться

вплоть до λ = 1,3 и 1,55 мкм, которые являются «окнами прозрачности» кварцевых ОВ.

На рис. 5.21 приведены спектральные зависимости НП в 4 образцах световодов с различным типом кварцевых стекол, формирующих сердцевину и отличающихся содержанием гидроксильных ионов и хлора, как это видно из табл. 5.3. НП в двух световодах с крайне малым содержанияем хлора и гидроксила (кривые 1 и 3) заметно ниже, чем в двух других. При этом наименьшее НП имеет световод с сердцевиной из стекла КС-4В. Однако отметим, что в световодах с сердцевиной из фторсиликатного стекла и стекла КС-4В в начале облучения (при дозе ~ 17 кГр) возникает гигантская полоса с центром вблизи 700 нм, которая затем распадается в процессе облучения и полностью исчезает при дозах ~ 1,5 МГр. Полоса НП на λ = 630 нм и рост потерь в УФ-области обусловлены радиационным дефектом немостикового кислорода, типичным для световодов с влажной сердцевиной.

130