книги / Технология производства и свойства кварцевых оптических волокон

Таблица 2.3

Основные парофазные методы получения заготовок кварцевых ОВ и их характеристики

В настоящее время для получения заготовок ОВ часто используются комбинации указанных методов.

2.5. ФОРМИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ КВАРЦЕВОЙ ОБОЛОЧКИ

В телекоммуникационных ОВ, особенно одномодовых, сердцевина и окружающая ее светоотражающая оболочка занимают всего лишь 5…20 % от общего объема волокна в зависимости от выбранного парофазного метода и качества опорной трубки в методе MCVD. Основную же часть волокна составляет технологическая кварцевая оболочка, которая определяет только геометрические и механические свойства волокна. Поэтому в настоящее время с целью повышения производительности процессов получения заготовок и их габаритов предпочитают использовать парофазные методы только для формирования сердцевины и светоотражающей оболочки (где предъявляются наиболее высокие требования к чистоте материалов), а кварцевую технологическую оболочку формировать другими, более дешевыми и производительными способами. К числу таких способов относится в первую очередь «жакетирование», т.е. процесс «нахлопывания» дополнительной кварцевой трубки на первоначальную заго-

61

товку, как это видно из рис. 2.29. При этом абсолютные размеры сердцевины и светоотражающей оболочки в исходной и «жакетированной» заготовках остаются одинаковыми, а изменяется только отношение диаметров заготовки и сердцевины (dзаг/dсер). Иногда при наличии только определенного размера кварцевых трубок можно добиться требуемого отношения dзаг/dсер лишь только за счет «масштабирования», т.е. когда исходная заготовка предварительно перетягивается до определенного размера таким образом, чтобы после «жакетирования» имеющейся трубкой обеспечить необходимую величину dзаг/dсер. Следует отметить, что хотя часто осуществляется горизонтальное «жакетирование» на установках MCVD, вертикальное «жакетирование» более предпочтительно, так как способствует лучшей концентричности трубки и заготовки.

Рис. 2.29. «Жакетирование» заготовки: 1 – исходная заготовка, 2 – заготовка в дополнительной кварцевой трубке

В 2002 г. фирма «Heraeus» предложила новый продукт – кварцевые цилиндры для технологии «стержень в цилиндре» (RIC – Rod-in-Cylinder). Отличительной особенностью этой технологии является отсутствие процесса вытягивания «жакетных» труб, как это видно из рис. 2.30, а вытяжка волокна обычно ведется из цилиндра, в который вставлен штабикзаготовка (стержень), диаметр которой должен быть соответственно больше, чем для «жакетирования». Количество вытягиваемого волокна в этом случае может достигать 6000 вместо 600 км при использовании «жакетирования».

Другими способами наращивания технологической оболочки являются сочетания метода MCVD, которым формируются сердцевина и светоотражающая оболочка, а основная масса технологической оболочки – методом OVD, APVD и «Sand». Для примера на рис. 2.31, а приведена схема процесса осаждения кварцевого стекла методом APVD (advanced plasma and vapor deposition), предложенная фирмой «Alcatel»,

где наращивание технологической оболочки осуществляется с помощью

62

3.ВЫТЯЖКАОПТИЧЕСКИХВОЛОКОН

ИИХПРОЧНОСТНЫЕСВОЙСТВА

3.1. ВЫТЯЖКА ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

Принцип вытяжки оптического волокна (ОВ) достаточно прост – конец заготовки нагревают в печи до температуры размягчения кварцевого стекла, при которой из него вытягивается тонкая нить. Охлаждаясь на воздухе, такая кварцевая нить быстро стеклуется и перестает удлиняться, что обеспечивает возможность получения волокон с постоянным по длине диаметром. Соотношение между диаметром волокна и скоростью его вытяжки из заготовки определяется из следующего уравнения, которое представляет собой уравнение баланса масс кварцевого стекла в заготовке и в виде волокна:

где Dзаг и dвол – диаметры заготовки и волокна соответственно, Vзаг и Vвол – скорости подачи заготовки в печь и вытяжки волокна соответственно. Схема вытяжной установки приведена на рис. 3.1. Эта установка включает в себя:

–механизм подачи заготовки в печь с заданной скоростью,

–высокотемпературную графитовую или циркониевую печь,

–измеритель диаметра кварцевого волокна,

–фильеру для материала первичного покрытия,

–измеритель концентричности покрытия,

–источник УФ или термопечь,

–измеритель толщины первичного покрытия,

–фильеру для материала вторичного покрытия,

–измеритель диаметра волокна с суммарным защитно-упрочняю- щим покрытием,

–тянущие ролики или барабан, определяющие скорость вытяжки волокна,

–приемную катушку.

65

Часто перед тянущими роликами располагается измеритель натяжения волокна, поскольку требуемая температура нагрева заготовки (т.е. ее вязкость) определяется по натяжению волокна.

При вытяжке волокна сохраняется подобие, т.е.

где Dзаг и Dсер – наружный диаметр заготовки и диаметр сердцевины

в заготовке, dвол и dсер – наружный диаметр волокна и диаметр сердцеви-

ны в волокне. Температуру в печи подбирают таким образом, чтобы обеспечить принудительную вытяжку при заданном натяжении волокна. Обычно натяжение при вытяжке телекоммуникационного волокна составляет 5…10 г, а при вытяжке волокна с высокой концентрацией GeO2 или P2O5 в сердцевине – 70…100 г, так как при высокой температуре (характерной для малой вязкости и соответственно малого натяжения) в этих световодах наблюдается значительное увеличение потерь.

В качестве высокотемпературной печи используют либо печь с графитовым нагревателем, работающимватмосфере

инертного газа (аргона), либо печь с нагревателем из керамической двуокиси циркония, работающим на воздухе, т.е. в окислительной среде. На рис. 3.2 показана схема графитовой печи, в которой очень важно правильно создать потоки аргона для того, чтобы избежать осаждения на заготовку и на волокно налетов оксидов и карбидов кремния, которые значительно снижают прочность ОВ.

66

влаги окружающей среды очень быстро разрушается. Поэтому в процессе вытяжки на волокно одновременно наносят защитно-упрочняю- щее покрытие (ЗУП).

ЗУП должно обеспечить сохранность собственной прочности ОВ, защищая его поверхность от влаги, химических и механических повреждений, способствует фильтрации оболочечных мод и предотвращению возникновения дополнительных потерь, обусловленных микроизгибами. Эти покрытия бывают полимерными, металлическими и углеродными. Основные требования к полимерным ЗУП:

–вязкость материалов вблизи комнатной температуры, при которой обычно они наносятся, не более 5 Па·с;

–хорошая адгезия к стеклу волокна;

–полимерное покрытие должно хорошо сниматься с волокна (например, согласно требованиям фирмы «Bellcore» усилие снятия не должно превышать 0,5…3 кгс/м, что необходимо при сварке волокон и изготовлении ответвителей).

Различают два основных типа полимерных покрытий: термоотверждаемые и УФ-отверждаемые. Первые, среди которых наиболее применяемыми являются СИЭЛ (силоксановые эластомеры) и полиамидные или полиимидные лаки, полимеризуются под действием тепла (температура 250…350 °С). Полиорганосилоксаны (силиконы) – это кислород-

содержащие высокомолекулярные кремнийорганические соединения с химической формулой [R2SiO]n, где R – органическая группа (метильная, этильная, финильная). Силиконы имеют строение в виде неорганической кремний-кислородной цепи (…Si–O–Si–O–Si–O…) с присоединенными к ней боковыми органическими группами, которые крепятся к атомам кремния. Простейший представитель силиконов – полидиметилсилоксановый эластомер

Силиконовые компаунды в зависимости от структуры боковых гетерозвеньев имеют: удельную плотность – (1,09…1,1) г/см3, ПП – (1,395…1,52), КЛТР – (1…4)10–7 град–1, они являются водопроницаемыми (через пленку толщиной 50 мкм диффундирует до 300 г/м2 воды за сутки). На рис. 3.3 представлены зависимости ПП ряда силиконов, отличающихся гетерозвеньями.

68

Для того чтобы уменьшить величину изгибных и микроизгибных потерь, обычно наносят двухслойное ЗУП: первичное – мягкое (модуль Юнга Е = 1…20 МПа) и вторичное – более жесткое (Е = 0,1…4 ГПа). Для примера в табл. 3.1 приведены дополнительные микроизгибные потери в одномодовых ОВ с кварцевой сердцевиной и боросиликатной оболочкой в зависимости от материала ЗУП, при этом натяжение на барабане диаметром 25,3 см составляло ~ 132 г. Видно, что мягкое первичное покрытие почти на полтора порядка уменьшает величину микроизгибных потерь. Однако это покрытие легко удаляется с волокна, и чтобы этого избежать, поверх первичного наносят более жесткое вторичное покрытие.

Таблица 3.1

Дополнительные микроизгибные потери в одномодовых ОВ (SiO2–SiO2 B2O3)

Из вышеприведенных данных видно, что модуль Юнга для полимерных покрытий значительно меньше модуля Юнга для кварцевого стекла (Е = 7,06 1011 дин/см2 ≈ 73,5 ГПа). Поэтому само по себе покрытие не может упрочнить ОВ, а упрочняющую роль полимерного покрытия некоторые авторы сводят к защите от абразивного воздействия внешних факторов и «залечиванию» дефектов (микротрещин) материалом первичного покрытия, прочно скрепляющим противоположные берега микротрещин.

Следует отметить, что рыхлая структура полимерных покрытий (как уже отмечалось для СИЭЛ) не защищает поверхность стекловолокна от проникновения влаги окружающей среды. Как показали многочисленные исследования, влагосодержание полимерных покрытий увеличивается сростом парциального давления паров воды и уменьшается с ростом температуры. Однако последний эффект (сушка волокна) довольно быстро (от0,5 до 2 ч) нивелируется. Проницаемость полимерных покрытий для паров воды приводит со временем к деградации прочности волокна (стати-

70