2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ........................................................3
ГЛАВА I. МЕХАНИЧЕСКАЯ НАДЕЖНОСТЬ И ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ПАРАМЕТРЫ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ
(ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)..............................................10
§ 1.1. Механические свойства волоконных световодов.............10
§ 1.2. Радиационная стойкость волоконных световодов............15
§ 1.3. Воздействие водорода на оптические свойства волоконных
световодов.....................................................19
ГЛАВА II. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
МИКРОСТРУКТУРИРОВАННЫХ СВЕТОВОДОВ...............................26
§ 2.1. Исследуемые образцы и методика эксперимента.............26
§ 2.2. Влияние технологических режимов изготовления на механическую
прочность МС-световодов.........................................30
§ 2.3. Воздействие различных веществ заполняющих отверстия МС-
световодов на их механическую прочность и статическую усталость.33
§ 2.4. Деградация незащищенных сколов МС-световодов............41
ГЛАВА III. ВОЗДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА
МИКРОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ.....................44
§ 3.1. Начальные оптические потери МС-световодов с сердцевиной из
кварцевого стекла КУ-1..........................................45
§ 3.2. Радиационно-наведенные оптические потери МС-световодов с
сердцевиной из кварцевого стекла КУ-1...........................49
§ 3.3. Повышение радиационной стойкости МС-световодов..........51
ГЛАВА IV. ВОЗДЕЙСТВИЕ ВОДОРОДА НА ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ...........................60
§ 4.1. Диффузия водорода сквозь углеродное покрытие при повышенных
температурах...................................................60
§ 4.2. Влияние со-легирования оксидом фосфора на оптические потери в
световодах в атмосфере водорода.................................69
§ 4.3. Воздействие водорода на оптические потери волоконных световодов с
различным составом сердцевины при температурах ~300° С..........72
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................81
3
ВВЕДЕНИЕ
Микроструктурированные (МС) световоды это волоконные световоды новой архитектуры, которые активно разрабатываются и исследуются в последнее десятилетие. Все возрастающий интерес к этому типу световодов вызван рядом уникальных свойств последних [1, 2]. Это возможность управлять хроматической дисперсией в широких пределах [3, 4], возможность создания световода с высокой степенью локализации излучения [5, 6] или же наоборот световода с большой площадью моды [7] (при сохранении одномодового режима), возможность передачи излучения по полой сердцевине [8].
Все многообразие разработанных к настоящему времени МС-волокон (фотонно-кристаллических волокон, дырчатых световодов) можно разделить на два основных класса:
1 - Световоды, удержание излучения в сердцевине которых, достигается за счет эффекта полного внутреннего отражения; и
2 - Световоды работающие за счет существования фотонной запрещенной зоны в оболочке световода [9].
Главное отличие МС-световодов заключается в возможности варьировать разницу показателей преломления (Ап) сердцевины и оболочки в очень широких пределах. В случае МС-волокна из кварцевого стекла МОЖНО получить 0 < Ап < 0.45 (пвозд>*=1, ПКВарцсвоссте.сло=1-45).
Таким образом, специально сконструированные МС-световоды могут обладать существенно большей числовой апертурой по сравнению с классическими световодами. Высокоапертурные световоды необходимы для ввода в волокно максимально возможной оптической мощности, например для создания мощных волоконных лазеров, основанных на световодах с двойной оболочкой. Максимально возможная разница показателей преломления сердцевины и оболочки которая может быть достигнута
4
легированием кварцевого стекла составляет примерно несколько сотых едениц, например в стандартных многомодовых световодах числовая апертура равна 0.2. В специальных кварц-полимерных световодах с Ап - 0.05 можно получить значение числовой апертуры, на коротких отрезках световода, равное 0.4. В тоже время, числовая апертура МС-световода может достигать значений вплоть до 1 [10].
Еще одно преимущество МС-световодов заключается в возможности эффективного управления степенью локализации излучения, которое осуществляется за счет изменения процентного содержания воздуха в отражающей оболочке [11]. Высокая эффективная разница показателей преломления сердцевины и оболочки МС-волокна позволяет достичь радикального увеличения эффективности целого ряда нелинейных оптических явлений, таких как: фазовая кросс- и само-модуляция [12], четырехволновое смешение [13, 14], генерация третьей гармоники [15, 16] и вынужденное комбинационное рассеяние света [14]. Кроме того, изменяя геометрию поперечного сечения световода можно эффективно управлять дисперсионными характеристиками световода, длиной волны нулевой дисперсии и наклоном дисперсионной кривой. Как известно, ноль хроматической дисперсии для чистого кварцевого стекла расположен в районе 1300 нм. В МС-волокнах с большим коэффициентом заполнения, и малой площадью моды можно сместить точку нулевой дисперсии в сторону коротких длин волн вплоть до видимого диапазона [17].
В ряде применений оптических волокон, в частности в телекоммуникации, всякого рода нелинейно-оптические явления крайне негативны. Для того чтобы уменьшить действие нелинейных явлений необходимо увеличивать эффективную площадь моды. Световоды с относительно большой площадью моды могут быть сделаны и классическими методами (МС\Т), РСУЭ, РСЮ, ОУЭ и т.п.) путем уменьшения числовой апертуры и увеличения размера сердцевины. Однако минимальная числовая апертура, которая может быть достигнута, ограничена
5
точностью контроля разницы показателя преломления. Специально разработанные МС-световоды кроме того, что имеют большую площадь моды, обладают рядом уникальных свойств. Например, МС-волокна со значением параметра d/A < 0.4 (d - диаметр отверстий, А - расстояние между центрами отверстий) поддерживают одномодовый режим распространения во всем спектральном диапазоне (endlessly single-mode PCF) [11, 18]. Кроме того, вариации структуры одномодового МС-волокна позволяют изменять эффективную площадь моды в очень широких пределах: от 2.6 цш2 [19] до 1417 цт2 [20].
Безусловно, интересной задачей является разработка МС-волокна в котором бы свет распространялся по сердцевине имеющей меньший показатель преломления по сравнению с оболочкой. Идея структуры с фотонной запрещенной зоной была предложена в 1987 г. [21, 22], а в 1998 г. [23] было экспериментально продемонстрировано распространение света по волноводной структуре с запрещенной зоной. Световоды с воздушной сердцевиной представляют интерес в первую очередь вследствие того, что теоретический предел минимальных потерь в них существенно меньше. Свет, распространяющийся по воздушной сердцевине, практически не взаимодействует со стеклом, т.е. отсутствуют фундаментальные механизмы потерь характерные для стандартных волокон (релеевское рассеяние, коротковолновое (электронное) поглощение, длиноволновое поглощение). Еще одним уникальным свойством фотонно-кристаллических волокон с воздушной сердцевиной является низкая эффективность нелинейнооптических явлений. Плюс ко всему, полую сердцевину таких световодов можно заполнять различными газами и жидкостями, получая принципиально новые оптические волокна [24,25].
Кроме вышеперечисленных уникальных свойств МС-волокна обладают еще одним неоспоримым преимуществом, заключающимся в отсутствии какого-либо легирования сердцевины. Добавка любого элемента приводит к изменению структуры сетки стекла, при этом возникают нерегулярные,
6
напряженные связи, могут образоваться различные центры окраски. Таким образом, световоды с сердцевиной легированной тем или иным элементом оказываются более чувствительными к таким воздействиям как радиоактивное излучение и действие водорода. Известно, что световоды с фторированной отражающей оболочкой и нелегированной сердцевиной обладают более высокой радиационной стойкостью [26] и стойкостью к воздействию водорода [27], не смотря на то, что часть излучения, в таких световодах, распространяется по легированной фтором области. А поскольку в МС-волокне свет распространяется по структуре состоящей только из чистого стекла и воздуха, то от таких световодов можно ожидать улучшения соответствующих свойств.
Несмотря на весь спектр вышеперечисленных уникальных свойств, МС-световоды за свою десятилетнюю историю не нашли широкого применения. По нашему мнению, это обусловлено некоторым недоверием возможных потребителей к новому типу световодов. Сама структура световода представляющая собой стеклянную нить с продольными отверстиями наводит на мысль о ее механической ненадежности. Такое впечатление усиливается практически полным отсутствием достоверных данных о механической прочности и надежности МС-световодов.
Несмотря на явную перспективность МС-световодов, исследований их работоспособности в экстремальных условиях эксплуатации практически ни кем не проводилось, нам удалось найти всего две работы касающихся радиационной стойкости МС-световодов [28, 29], и ни одной публикации относительно воздействия водорода на такие световоды.
Приведенные выше соображения послужили основанием для проведения настоящей работы, цели которой можно сформулировать следующим образом:
- исследование влияния технологических режимов изготовления, а также влияния условий окружающей среды на механические свойства МС-световодов;
7
- исследование радиационной стойкости МС-световодов в сравнении со световодами с сердцевиной из чистого кварцевого стекла;
- исследование воздействия водорода при температурах ~ 300° С на оптические потери МС-световодов в сравнении со световодами с разным составом сердцевины.
Проведение данной работы стало возможным, благодаря тому, что в Научном центре волоконной оптики РАН создан полный технологический цикл по получению МС-световодов и существует полный набор оборудования для изучения как оптических, так и механических свойств любых световодов.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников.
В первой главе сделан обзор литературных данных по механической прочности и статической усталости волоконных световодов, а также воздействию водорода и ионизирующего излучения на оптические свойства оптических волокон.
Во второй главе представлены результаты исследований прочности и статической усталости МС-световодов. Приводятся экспериментальные данные по изучению деградации незащищенных сколов МС-световодов.
В третьей главе представлены экспериментальные данные по изучению радиационной стойкости МС-световодов. Продемонстрирован метод радикального уменьшения радиационно-наведенного поглощения в МС-световодах в видимом диапазоне длин волн.
В четвертой главе представлены результаты исследований диффузии водорода сквозь углеродное покрытие световодов. А также, влияния состава сердцевины световодов на характер наведенных взаимодействием с водородом оптических потерь.
В заключении сформулированы основные выводы по результатам проведенных исследований.
- Київ+380960830922