Физические основы процесса вытяжки волоконных световодов с малыми потерями

Содержание
1. Общая характеристика работы
1.1. Предпосылки постановки работы и актуальность темы.................4
1.2. Цель исследований....................................................8
1.3. Научная новизна, практическая ценность и реализация результатов
работы..............................................................9
1.4. Основные защищаемые положения.......................................11
1.5. Публикации и апробация работы. Объем и структура диссертации.
Личный вклад автора...:............................................12
2. Обзор литературы
2.1. Вытяжка волоконных световодов.......................................14
2.2. Высокотемпературные источники нагрева заготовки.....................17
2.3. Управление процессом вытяжки световодов.............................23
2.4. Прочность волоконных световодов.....................................30
2.5. Полимерные покрытия волокоштых световодов...........................38
2.6. Световоды типа «стекло-полимер».....................................43
2.7. Оптические потери световодов при низких температурах................47
2.8. Фундаментальные механизмы оптических потерь.........................52
2.9. Дополнительные оптические потери, возникающие в процессе
вытяжки волоконных световодов......................................60
2.10. Выводы к главе 2....................................................63
3. Процесс перетяжки заготовки в световод
311. Установка для вытяжки волоконных световодов.........................67
3.2; Высокотемпературные нагреватели.....................................68
3.3. Система автоматического управления процессом вытяжки................80
3.4. Нанесение первичных полимерных покрытий.............................88
3.5. Технология нанесения на световод защитных покрытий..................96
3.6. Основные результаты главы............................’.............104
4. Прочность волоконных световодов
4.1. Прочность однородных кварцевых волокон.............................105
4.2. Прочность световодов, изготовленных МСУО методом...................117
4.3. Прочность световодов большой длины.................................124
4.4. Влияние полимерных покрытий на прочность световодов................129
4.5. Основные результаты главы..........................................136
5. Разработка и исследование кварц-полимерных световодов-
5.1. Оптические потери..................................................138
5.2. Оптические потери при низких температурах..........................147
2
5.3. Влияние воды на оптические характеристики кварц-полимерных
световодов........................................................154
5.4. Разработка световодов с многоэлементной отражающей
оболочкой.........................................................161
5.5. Основные результаты главы.........................................166
6. Влияние полимерных покрытий на оптические потери световодов на основе кварцевого стекла
6.1. Демпфирующие свойства полимерных покрытий.........................168
6.2. Влияние первичных полимерных покрытий на оптические потери
при изменении температуры.........................................172
6.3. Влияние защитных полимерных покрытий на оптические потери
при изменении температуры.........................................186
6.4. Морозостойкий волоконно-оптический кабель.........................205
6.5. Основные результаты главы.........................................213
7. Дополнительные оптические потери, возникающие в процессе вытяжки в высоколегированных одномодовых световодах
7.1. Влияние легирования фтором сердцевины световодов на
дополнительные потери, возникающие в процессе вытяжки.............215
7.2. Рэлеевское рассеяние в высоколегированных световодах..............224
7.3. Пространственное распределение источников оптических потерь ■
по сечению световодов.............................................235
7.4. Аномальное рассеяние оптического излучения в одномодовых
световодах и его связь с процессом вытяжки........................247
7.5. Снижение оптических потерь в высоколегированных одномодовых
световодах, изготовленных МСУО методом............................263
7.6. Основные результаты главы.........................................275
8. Заключение..............................................................277
9. Список цитируемой литературы............................................281
10. Список цитируемой литературы с участием автора.........................304
11. Приложения.............................................................318
1. Общая характеристика работы
1.1. Предпосылки постановки работы и актуальность темы.
Создание в начале 70-х годов волоконных световодов с малыми потерями стало мощным стартовым импульсом для развития на стыке физики конденсированного состояния и оптики нового научного направления -волоконной оптики. Первоначально это направление охватывало только разработку элементов, волоконно-оптических систем передачи информации (ВОСПИ). Однако очень- быстро в рамках волоконной оптики стали развиваться датчики различных физических полей, волоконные лазеры и усилители, различные нелинейные устройства, в том числе рамановские лазерьь и усилители, переключатели, а в последнее время мощные технологические волоконные лазеры, что потребовало создания волоконных световодов с принципиально новыми характеристиками.
Современная технология производства волоконных световодов с малыми потерями на основе кварцевого стекла состоит из двух основных операций: изготовление заготовки и вытяжка из заготовки' волоконного световода. Для изготовления заготовок разработано несколько методов, основанных на высокотемпературном парофазном осаждении с использованием летучих соединений исходных реагентов. Среди этих методов наибольшее распространение получили: модифицированный метод парофазного осаждения в опорной кварцевой трубе (МСУБ), метод внешнего парофазного осаждения (ОУЭ) и метод аксиального осаждения (УАЛ): Независимо от1 метода изготовления заготовки трансформация ее в волоконный световод происходит одинаково: из локально разогретого до размягчения конца заготовки под действием силы натяжения вытягивается геометрически подобный ей световод.
Большинство основных параметров волоконных световодов (оптические потери, полоса пропускания, числовая апертура, дисперсия, соотношение геометрических размеров сердцевины, отражающей оболочки и
внешнего диаметра, состав легирующих добавок) полностью или в значительной степени обусловлены технологией изготовления заготовки. Тем не менее, процесс вытяжки также оказывает существенное влияние на многие характеристики световодов: вариации геометрических размеров по длине, оптические потери, механическую прочность, границы работоспособности (диапазон допустимых рабочих температур и сдавливающих напряжений).
Вариации диаметра сердцевины вызывают увеличение оптических потерь на рассеяние, а при соединении волоконных световодов могут привести к возрастанию потерь на стыковку. Для обеспечения постоянства диаметра световода по всей многокилометровой длине необходимо выявить и устранить источники возмущений процесса перетяжки • заготовки в: световод как характерные для данной вытяжной установки, так и свойственные процессу вытяжки в целом.
Стабилизация геометрических параметров световода является важной, но не единственной задачей при совершенствовании процесса перетяжки, заготовки в световод. Процесс вытяжки в значительной степени определяет прочность, световода, которая в. отличие от большинства его' основных параметров (оптических потерь, полосы пропускания, дисперсии и других),, определяется минимальным локальным значением.
Прочность кварцевого стекла на основании различных оценок величины межатомной связи атомов кремния и кислорода составляет 10-25ГПа. На коротких отрезках свежевытянутых кварцевых волокон удавалось достигнуть прочности - ЮГПа (в вакууме) и ~ 14ГПа (в жидком азоте), в то время как в лабораторных условиях максимальная прочность этих образцов равнялась 5-7 ГПа. Любое соприкосновение поверхности такого волокна с твердым предметом или даже частицами пыли,, находящимися, в. воздухе, приводило к катастрофическому падению прочности. Простейшие оценки показывают, что для обеспечения минимально необходимой для изготовления оптического кабеля прочности волоконного световода
5
диаметром 125мкм и километровой длины на уровне всего лишь 0.35ГПа
О 1
фебуется, чтобы ни на его поверхности (~ 0.4 м ), ни в объеме (~ 12см ) не было ни одного дефекта или инородного включения размером больше — 1-2 мкм. Таким образом, задача изготовления световодов даже с умеренной прочностью достаточно сложна, и для ее решения необходимо выяснить и устранить причины появления в заготовках объемных включений и поверхностных микротрещин, а также разработать технологию нанесения на световод в процессе вытяжки полимерного покрытия для защиты поверхности световода от последующих повреждений.
Помимо защиты поверхности световода от механических повреждений полимерное покрытие световода выполняет еще одну важную функцию: разгружает световод от боковых сдавливающих нагрузок в процессе эксплуатации в оптическом кабеле. Расчеты показывают, что лучше всего такую защиту осуществляет двухслойное покрытие: мягкое демпфирущее первичное и жесткое, стойкое к истиранию вторичное. Однако, нанесение на световоды защитно-упрочняющих покрытий привело к возникновению новых проблем. Оптические потери собственно световодов, изготовленных на основе кварцевого, стекла, практически не меняются в широком температурном диапазоне от -196°С до 150°С. При охлаждении, вследствие большого различия коэффициентов линейного расширения, полимерных материалов и кварцевого стекла, происходит усадка полимерных оболочек, в результате чего возникают микроизгибы световода, вызывающие увеличение оптических потерь. Таким образом, выбор конструкции волоконно-оптического модуля (световода с одной или несколькими полимерными оболочками) и полимеров для этих оболочек должны обеспечивать минимальные добавочные потери световода в рабочем интервале температур.
На ранних этапах развития волоконной оптики в нашей стране, когда производство большинства компонентов для ВОСПИ (непрерывных полупроводниковых лазеров с высокой яркостью излучения, суперлюминисцентных диодов, разветвителей, разъемов и малошумящих
6
высокочувствительных приемников) либо отсутствовало, либо только начинало создаваться, возникла острая потребность в световодах с умеренно низкими оптическими потерями (~10-20 дБ/км), большим диаметром сердцевины (100-600мкм) и относительно высокой (0.2-0.4) числовой апертурой для моделирования первых отечественных ВОСПИ сравнительно небольшой длины. Такие световоды с сердцевиной из кварцевого стекла и полимерной отражающей оболочкой уже были разработаны за рубежом. Было понятно, что нанесение отражающей полимерной оболочки необходимо производить непосредственно в процессе вытяжки кварцевой сердцевины, однако ни подробности технологии, ни возможность использования отечественных исходных материалов известны не были. Кроме того, необходимо было установить механизмы, вызывающие потери кварц-полимерных световодов. Следует отметить, что кварц-полимерные световоды не потеряли своей актуальности и в настоящее время для использования в локальных и внутриобъектовых ВОСПИ, а также для передачи мощного оптического излучения для технологических целей.
Минимальный уровень оптических потерь в волоконных световодах, особенно одномодовых, зависит от условий вытяжки, в. частности, от трех технологических параметров: температуры, скорости и натяжения, а также состава стекла сердцевины. Увеличение концентрации оксида германия в сердцевине приводит к увеличению степени влияния условий вытяжки на оптические потери. Особенно актуальным стал вопрос выяснения природы добавочных потерь, обусловленных вытяжкой, в последнее время, в связи с широким использованием высоколегированных (15-30 мол.% Се02) одномодовых световодов в различных нелинейных устройствах: компенсаторах дисперсии, рамановских лазерах и усилителях, генераторах суперконтинуума. Однако низкий уровень оптических потерь, определяющих эффективность работы таких устройств, удалось достигнуть только в световодах, изготовленных методом УАЕ). Высоколегированые световоды, изготовленные методом МСУЭ, единственным методом, освоенным в нашей
7
стране, имели значительно более высокий уровень оптических потерь, причем не был даже однозначно установлен их источник.
Все вышеперечисленные проблемы тесно связаны с процессом вытяжки волоконных световодов. За рубежом к решению этих проблем приступили в 1975-1977 годах, когда стали актуальными задачи практического использования волоконных световодов. В нашей стране первые световоды на основе кварцевого стекла с малыми потерями были изготовлены в 1975 году в результате тесного сотрудничества Института общей физики (ИОФАН) и Института химии (ИХАН), в настоящее время Института химии высокочистых веществ (ИХВВ РАН). Почти одновременно и независимо работы по разработке световодов с малыми потерями были начаты в Институте радиотехники и электроники (ИРЭАН) и в-Государственном оптическом институте им. С.И.Вавилова (ГОИ).
Работы автора над решением вышеперечисленных проблем начались в 1977 году. Уже первые эксперименты по вытяжке волоконных световодов-показали, что исследование процесса вытяжки волоконных световодов и-решение связанных с нею проблем невозможно без создания современного автоматизированного оборудования для вытяжки волоконных световодов и детального изучения физических закономерностей и явлений, которые лежат в основе исследуемых процессов. Следует отметить, что работы зарубежных авторов по данным вопросам были мало информативны, поскольку содержали в основном обсуждение достигнутых результатов. К тому же использовать зарубежные результаты было затруднительно вследствие различия технологического оборудования и исходных материалов:
1.2. Цель исследований
Целью данной работы является постановка и проведение физических исследований, направленных на изучение процесса вытяжки волоконных световодов и механизмов, определяющих их оптические и механические
8
характеристики. В, соответствии с этим были сформулированы следующие основные задачи диссертационной работы:
• установить и исследовать источники возмущений, оказывающих влияние на процесс вытяжки световодов, разработать систему обратной связи;
• изучить физические механизмы, определяющие прочность волоконных световодов, изготовленных МСУО-методом;
• исследовать механизмы оптических потерь кварц-полимерных световодов;
• идентифицировать физические процессы, вызывающие добавочные потери световодов на основе кварцевого стекла при низких температурах;
• установить природу избыточных потерь высоколегированных одномодовых световодов.
1.3. Научная новизна, практическая ценность и реализация результатов работы.
Научная новизна работы
В результате проведенных в настоящей работе исследований:
• выявлены основные факторы, вызывающие снижение прочности волоконных световодов, изготовленных МСУО методом; реализованы первые отечественные высокопрочные световоды с малыми потерями на основе кварцевого стекла;
• впервые в мире разработаны одномодовые световоды с дисперсией, изменяющейся по длине световода по заданному закону;
• обнаружено, что кристаллизация первичного кремнийорганического покрытия ограничивает низкотемпературный предел работоспособности волоконных световодов.
• установлено, что избыточные оптические потери в высоколегированных (20-30 мол.% веОг) одномодовых световодах обусловлены аномальным
рассеянием, возникающем на вариациях диаметра сердцевины и в области
центрального провала профиля показателя преломления.
Практическая ценность и реализация результатов работы
1. Создана автоматизированная лабораторная установка для вытяжки волоконных световодов на основе кварцевого стекла, обеспечивающая как стабилизацию диаметра световода в пределах ± 0.2 мкм на километровой длине, так и вытяжку профилированных световодов, диаметр которых меняется по заранее заданной программе. Разработана технология нанесения полимерных покрытий на световоды в процессе их вытяжки. Синтезированы кремнийорганические и полиакрилатные полимерные композиции, защищенные авторскими свидетельствами, для первичных покрытий волоконных световодов. Отдельные узлы установки для вытяжки световодов (кислородно-водородная горелка, гибкие конусные, фильеры) переданы в НИИ электровакуумного стекла (МИИЭС МЭИ) для организации промышленного производства волоконных световодов (Приложение 1,2).
2. Выявлены основные физические факторы, влияющие на прочность волоконных световодов, изготовленных МСУИ-методом. Разработана' последовательность технологических операций, обеспечивающих изготовление волоконных световодов с высокой прочностью. Технология изготовления таких световодов внедрена в НИИЭС (Приложение 3).
3. Разработана технология кварц-полимерных световодов с малыми (менее 10 дБ/км) потерями. Определены основные технологические факторы, определяющие оптические и механические характеристики этих световодов. Разработанная технология внедрена в НИИЭС (Приложение 4).
4. Разработан, изготовлен (совместно с предприятием Минэлектротехпрома) и исследован опытный образец первого отечественного морозостойкого
ю
волоконно-оптического кабеля, уровень добавочных потерь в котором не превышает 1 дБ/км в температурном интервале от—120° до 85°.
5. Предложены и реализованы методы снижения оптических потерь в высоколегированных одномодовых световодах, изготовленных МСУП методом, до рекордно низкого уровня. На базе этих световодов были разработаны различные высокоэффективные нелинейные устройства: компенсаторы дисперсии, рамановские и параметрические лазеры и усилители.
Полученные результаты представляют собой новое крупное достижение в развитии научного направления - волоконная оптика, которое в последнее время быстро развивается и вносит значительный вклад в рост экономики нашей страны, а также в повышение ее обороноспособности.
1.4. Основные защищаемые положения
1. Совокупность исследований процесса перетяжки заготовки в волоконный световод и методика создания цифровой системы управления процессом вытяжки световода.
2. Разработка методов повышения прочности волоконных световодов на основе кварцевого стекла.
3. Метод изготовления кварц-полимерных световодов с оптическими потерями менее 10 дБ/км и работоспособных до -60°С.
4. Идентификация физических механизмов . низкотемпературных оптических потерь в волоконных световодах с различными полимерными покрытиями.
5. Комплексный физико-технологический метод снижения оптических потерь в высоколегированных одномодовых световодах.
1)
1.5. Публикации и апробация работы; Объем и структура диссертации Личный вклад автора.
По теме диссертации, исследованию различных характеристик волоконных световодов и их применениям опубликовано более 200 работ, 8 авторских свидетельств на изобретение, 3 патента РФ и 2 патента США. Основные результаты диссертации содержатся в 83 работах, 5 авторских свидетельствах, 1 патенте США, приведенных в списке литературы с участием автора и отмеченных индексом «а». Ряд рассмотренных в настоящей диссертации вопросов был предметом научных исследований трех кандидатских диссертаций, выполненных под руководством автора.
Основные результаты исследований, представленных в диссертации, докладывались на следующих всесоюзных и международных конференциях: Всесоюзная конференция по проблеме «Волоконно-оптические линии связи» (Москва 1978, 1981, 1984, 1988 г.г., Киев 1983г.), Всесоюзная конференция-по методам получения и анализа высокочистых веществ (Горький 1981, 1985, 1988, 1992 г.г.), Всесоюзная конференция по технологии волоконных световодов (Горький 1982г.), Всесоюзная конференция «Состояние' и перспектива развития кабелей связи в 12 пятилетке » (Бердянск, 1986г.), 13 конференция «Высокочистые вещества и материалы» (Нижний Новгород 2007 г.), Международная школа по когерентной оптике (Иена, ГДР, 1984 г.), Международная конференция по нелинейным волноводным эффектам (Хьюстон, США, 1989 г.), Международная конференция но лазерам и электрооптике CLEO (Анахейн, 1992г.; Лонг Бич, 2002, США), Международная конференция по волоконной оптике ISFOC (С.-Петербург, 1992'г.), Международная конференция по волоконно-оптической связи OFC (Сан-Хосе, 1994; Сан-Диего, 1995; Сан-Хосе, 1999, США), Международный конгресс по стеклу (Ленишрад, 1989; Пекин, КНР, 1995), Европейская конференция по оптической связи ЕСОС (Флоренция, Италия, 1994; Брюссель, Бельгия, 1995; Ницца, Франция, 1999; Мюнхен, ФРГ 2000;
Римини, Италия 2003; Стокгольм, Швеция, 2004), Международная конференция инженеров-оптиков ЭРШ (Сан-Диего, 1987; Бостон, 2001; США), а также на научных семинарах ИОФ РАН, НЦВО РАН, МНТК «Световод».
Объем и структура диссертации
Диссертация изложена на 321 странице, включая список цитируемой литературы, (221 наименование), список из 89 публикаций автора по теме диссертации; в том числе 35 публикаций в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией, 4х приложений, содержит 10 таблиц и 88 рисунков;
В; первой главе дается общая характеристика- работы, во второй! приведен обзор литературных данных,, главы 3( - 7 содержат описание* проведенных исследований, их обсуждение и анализ, в> заключении-сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.
Личный вклад автора-
Диссертационная работа является? результатом, многолетней работы; автора в Научном центре волоконной оптики РАН (ранее: сектор, лаборатория, отдел ИОФ РАН) и представляет собой- обобщение работ автора, выполненных совместно с сотрудниками1 НЦВО и ИХВВ РАН. Коллективный характер экспериментальных и технологических работ обусловил публикацию полученных результатов в соавторстве с коллегами. В работах, включенных в диссертацию, автор являлся инициатором (выдвигал идею, формулировал задачу, намечал пути ее- решения),, разрабатывал методики исследований, участвовал в проектировании- и. изготовлении’ технологических и измерительных установок, проведении экспериментов, осуществлял анализ, обобщение результатов и формулировал выводы на их основе.
13
2. Обзор литературы
2.1 Вытяжка волоконных световодов.
Исходной предпосылкой для разработки технологии волоконных световодов с малыми потерями послужил анализ механизмов затухания оптического излучения в диэлектрических средах [1]. В этой работе было впервые показано, что высокие оптические потери в диэлектрических материалах обусловлены не фундаментальными механизмами, а поглощением различных примесей (в первую очередь, оксидов переходных металлов и гидроксильных групп). Решающий прогресс в технологии волоконных световодов с малыми* потерями был достигнут в результате разработки принципиально новых методов их изготовления.
Технология изготовления современных волоконных световодов на основе кварцевого стекла с предельно-низкими потерями состоит из двух самостоятельных операций: изготовление заготовки и перетяжка заготовки в-волоконный световод. Для изготовления заготовок разработано несколько, методов, основанных на высокотемпературном парофазном осаждении с использованием летучих соединений исходных реагентов. Среди этих, методов наибольшее распространение получили: модифицированный метод парофазного осаждения в опорной кварцевой трубе (MCVD. - Modified Chemical Vapor Deposition), парофазного осевого осаждения (VAD'- Vapor Phase Axial Deposition) и внешнего парофазного осаждения (OVD - Outside1 Vapor Deposition) [2,3]. Успех новых технологий был в первую очередь обусловлен тем^ что в качестве исходных соединений в них использовались легко кипящие жидкости: SiCl4, GeCU, POCI3, ВВг3 и другие, уровень поглощающих примесей в которых может быть снижен на несколько порядков ниже, чем в твердых исходных соединениях. Следует также отметить, что к началу разработки новых технологий изготовления волоконных световодов во многих странах мира имелось крупнотоннажное
и
промышленное производство летучих исходных соединений достаточно высокой степени чистоты для использования в электронной промышленности. Кроме того, по сравнению с традиционным тигельным методом изготовления волоконных световодов [2-4] достоинством новых технологических методов являлось исключение стадии плавления в тигле исходных высокочистых веществ, в процессе которой происходило их повторное загрязнение.
Процесс вытяжки волоконных световодов, являющийся вторым существенным этапом технологического процесса, базируется на свойстве стекла относительно медленно переходить при нагревании от твердого состояния- к жидкому. Вытяжка волоконных световодов обычно-осуществляется на вертикальных установках. Внешний вид такой' лабораторной установки середины 70-х годов (начало работы над диссертацией) приведен на Рис. 1. [3-8].
Базовыми элементами установки для: вытяжки световодов- являются: механизм для подачи заготовки, источник высокотемпературного нагрева, тянущий и приемный механизмы. Процесс вытяжки световодов осуществляется следующим образом. Механизм подачи опускает с заданной скоростью заготовку в зону нагрева. Из размягченного нижнего конца заготовки под действием натяжения, создаваемого тянущим механизмом, вытягивается волоконный световод и наматывается на приемный барабан виток к витку за счет горизонтального перемещения барабана. В дальнейшем, в процессе совершенствования технологии вытяжки световодов, установки были оборудованы дополнительными элементами: бесконтактными оптическими измерителями диаметра световода и полимерных покрытий; устройствами для нанесения и вулканизации полимерных покрытий, оптическими устройствами для- контроля’ концентричности полимерных покрытий, измерителем натяжения световода в процессе вытяжки, системой автоматического управления установкой [3,4].
15
Рис.1. Внешний вид лабораторной установки для вытяжки волоконных световодов. 1-механизм подачи заготовки; 2 - высокотемпературный нагреватель; 3- тянущий и приемный механизм.
16
Важнейшей особенностью процесса перетяжки заготовки в волоконный световод является отсутствие каких-либо формующих элементов. Поэтому геометрические размеры световода определяются только законом сохранения массы, который устанавливает, что масса заготовки перетягиваемой в единицу времени равняется массе вытянутого за это время световода. Если У3 и В3 - соответственно скорость подачи и диаметр заготовки, а ус и 4 - скорость вытяжки и диаметр световода, то в. стационарном режиме вытяжки
усёс2 = У3Оз2 (1)
Вариации диаметра световода согласно выражению (1) определяются, в первую очередь, изменениями диаметра заготовки, скорости ее подачи и скорости вытяжки.
Рассмотрим конструктивные особенности основных элементов вытяжной установки.
2.2. Высокотемпературные источники нагрева-заготовки.
Для вытяжки волоконных световодов на основе кварцевого стекла необходимо обеспечить нагрев заготовки, до температуры 1950-2200°С . Кроме того, нагревательное устройство должно иметь открытые в атмосферу порты для подачи заготовки и вытяжки волоконного световода, создавать аксиально симметричный и стабильный нагрев и в то же время обеспечивать быстрый, выход на заданную рабочую температуру. Длина зоны нагрева должна быть небольшой для того, чтобы уменьшить потери заготовки в начале и в конце вытяжки, а также для снижения вероятности кристаллизации поверхности заготовки при нагреве.
Наиболее простым и традиционным устройством для вытяжки кварцевых волокон является кислородно-водородная горелка [9]. К достоинствам нагревателя такого типа относятся: простота и дешевизна
17
N
конструкции, стерильность нагрева, отсутствие необходимости создавать инертную атмосферу, возможность непосредственного наблюдения за процессом вытяжки. К дополнительным преимуществам кислородноводородной горелки относятся узкая зона и высокая интенсивность нагрева, в результате чего непосредственно в процессе вытяжки происходит огневая "полировка" заготовки, которая устраняет поверхностные микротрещины и микровключения и повышает прочность вытягиваемого световода.
Основным недостатком кислородно-водородных горелок является нестабильность пламени, которая может приводить к вариациям диаметра световода. С целью уменьшения турбулентности пламени, характерной для стандартных горелок внутреннего смешивания горючих газов, для вытяжки волоконных световодов были разработаны различные конструкции горелок внешнего смешивания [3; 10]. Кислород и водород в этих горелках смешивались на выходном торце сопел, непосредственно перед воспламенением. Детальное исследование вариаций диаметра световода в. зависимости от количества сопел, наклона и расстояния сопел по отношению-к заготовке, а также использование экрана из двойной медной сетки для изоляции зоны нагрева заготовки от окружающей атмосферы позволили получить флуктуации диаметра световода менее ±5% [10]. Кроме того, в этой же работе сообщалось о достижении рекордного значения (~6.9ГПа) механической прочности вытянутых с помощью горелки кварцевых волокон. Следует отметить, что ни в последующих публикациях, ни в: наших исследованиях такого высокого значения, прочности кварцевых волокон обнаружено не было.
Для вытяжки волоконных световодов были также сделаны попытки использовать С02 -лазеры, инфракрасное излучение (Ю.бмкм) которых интенсивно поглощается кварцевым стеклом [11-13]. При нагреве заготовки инфракрасным излучением отсутствуют нагревательные элементы, коррозия которых при высоких температурах может загрязнить атмосферу вокруг зоны перетяжки — "луковицы". К принципиальным достоинствам лазерной
вытяжки также относятся: безинерционность, простота управления мощностью нагрева и его стабильность, возможность формирования заданной формы "луковицы" и работа в произвольной атмосфере. Кроме того, также, как и в случае кислородно-водородной горелки, СОг - лазеры обеспечивают возможность визуального наблюдения за процессом вытяжки, узкую зону нагрева и возможность огневой полировки заготовки.
В немногочисленных зарубежных описаниях процесса лазерной вытяжки волоконных световодов использовался один достаточно мощный СОг-лазер [11-13]. Поэтому для создания аксиально-симметричного нагрева заготовки было разработано несколько подходов. Простое вращение заготовки во время вытяжки приводило к значительному возрастанию вариаций диаметра световода. Значительно лучшие результаты были-получены при использовании линзы, эксцентрично- вращающейся, относительно луча С02 - лазера с частотой 25-60 Гц, и конического отражателя [12]. В результате, вариации диаметра световода были впервые снижены до ±1%. В то же время, в используемой1 оптической системе терялось до 30% подводимой мощности, а вращающаяся линза требовала водяного охлаждения.
Излучение СОг-лазера поглощается в тонком ~ 5 мкм слое заготовки, а нагрев ее приосевой зоны происходит за счет механизма теплопроводности. Вследствие этого, по радиусу заготовки возникает значительный градиент температуры, ограничивающий как предельную скорость вытяжки до- 1-2 м/сек, так и максимально допустимый (менее 10 мм) диаметр заготовки. Увеличение мощности лазерного излучения приводит к испарению поверхностного слоя заготовки, но не к уменьшению градиента температуры [14].
Для того, чтобы* снизить испарение кварцевого стекла и повысить эффективность лазерного нагрева заготовки, в работе [13] была предложена новая оптическая схема. Луч С02 - лазера мощностью до 300Вт последовательно отражался от двух зеркал, колеблющихся во взаимно
19
перпендикулярных направлениях с частотой ~500Гц и направлялся на заготовку конусным отражателем. За счет изменения частоты, либо амплитуды колебаний зеркал, луч лазера перемещался относительно заготовки не только в азимутальном, но и в осевом направлении, что позволило увеличить длину зоны нагрева в 2.4 раза. В результате, было полностью подавлено испарение кварцевого стекла, однако, при скорости 1 м/сек можно было вытягивать заготовку диаметром не более 5мм (при максимальной мощности лазера 300Вт). Таким образом, лазерная вытяжка имеет принципиальные ограничения на максимальный диаметр заготовки и скорость ее перетяжки.
Наибольшее распространение для вытяжки волоконных световодов получили высокотемпературные печи с нагревательными элементами из графита [15-18]. Поскольку графит при высокой температуре быстро окисляется, в печах необходимо поддерживать инертную атмосферу. Печи современных конструкций для вытяжки световодов позволяют достигать высокой радиальной однородности нагрева и стабильности температуры.
К достоинствам графитового нагревательного элемента можно отнести:
-наличие промышленного производства графита высокой чистоты, и относительно низкой стоимости;
-простота его механической обработки;
-высокая прочность графита при высоких температурах и стойкость к термоударам.
Печи с графитовыми нагревательными элементами различаются по способу нагрева на резистивные и индукционные. Конструкция одной из первых лабораторных резистивных печей для вытяжки волоконных световодов подробно описана в [15]. Эта печь имела водоохлаждаемый корпус из нержавеющей стали, теплоизоляцию из графитового войлока и зону нагрева длиной 32мм и диаметром 22мм. Графитовый нагревательный элемент состоял из разрезанного толстостенного цилиндра с фланцами для крепления и электрического подсоединения и тонкостенной части, служащей
20
для формирования зоны нагрева. Сквозные прорези в тонкостенной части нагревателя образовывали два одинаковых и параллельно соединенных нагревательных элемента. Вследствие небольшой массы нагревателя и высокой стойкости графита к термоударам нагрев печи до рабочей температуры 2000-2200°С можно было производить всего лишь за три минуты. Температура печи стабилизировалась с помощью вольфрам-рениевой термопары с точностью лучше 0.1 °С. Печь позволяла перетягивать заготовки диаметром до 16 мм и потребляла сравнительно небольшую мощность ~1.4кВт. Срок службы графитового нагревательного элемента достигал нескольких месяцев. Аналогичная конструкция- графитовой печи для вытяжки волоконных световодов была разработана в ИРЭ АНСССР [16].
В дальнейшем для промышленного производства волоконных световодов были разработаны мощные (20-30 кВт)* резистивные нечи с графитовым нагревательным элементом [17].
Преимущество печей с индукционным нагревом графитового нагревательного элемента заключается в том, что исключаются трудности, возникающие из необходимости подачи электрического тока на нагревательный элемент, находящийся при высокой температуре [7, 8]. Недостатком таких печей является- относительно высокая стоимость ВЧ-генерагоров.
В печи с индукционным нагревом графитовый элемент имел форму трубки длиной 70 мм, внутренним диаметром 20 мм и внешним диаметром 40 мм [7]. Такой нагреватель легко изготавливается и легко заменяется. Длина зоны нагрева определялась канавками, нанесенными на внешней поверхности элемента, и в данной работе составляла 30 мм. Нагрев печи до температуры 2000°С занимал около трех минут, а вариации температуры в процессе вытяжки не превышали 1 °С.
При использовании графитовых нагревательных элементов необходимо обеспечить внутри печи инертную атмосферу. Поэтому печи с графитовым нагревателем продуваются осушенным аргоном с расходом 7-
21
Юл/мин [7,15-18]. Турбулентность потоков аргона может приводить к резким изменениям температуры "луковицы", что вызывает высокочастотные вариации диаметра волоконного световода [7,18]. Поскольку такие вариации невозможно подавить с помощью системы обратной связи, необходимо очень тщательно подбирать конструкцию нагревательного элемента, внутренней полости печи, распределение и расход газовых потоков. При оптимально подобранных расходах газов и конструкции печи удастся снизить вариации диаметра световода до ±0.5 мкм на километровой длине световода [18].
Помимо печей с 1рафиговым нагревательным элементом для вытяжки волоконных световодов была разработана печь с нагревательным элементом из оксида циркония [19]. Такая печь могла работать в окислительной атмосфере и не требовала продувки инертным газом.
Конструкция печи включала металлический водоохлаждаемый корпус, циркониевый нагревательный элемент, состоящий из нескольких.колец (с целью уменьшения вероятности растрескивания), индуктора и теплоизоляции (гранулированного оксида циркония). Питание печи осуществлялось-от ВЧ-генератора с частотой 1-10МГц и мощностью 7 кВт. Оксид циркония, стабилизированный иттрием, имеет очень высокую (2625°С) температуру плавления, и стоек к термоударам, однако при комнатной температуре обладает сравнительно высоким сопротивлением (более 104 Ом.см), поэтому для запуска печи в нее помещали вспомогательный графитовый нагреватель. Этот нагреватель медленно разогревали индукционными токами до температуры ~1100°С, после которой циркониевая керамика начинало сама нагреваться индукционными токами, а 1рафитовый нагреватель из печи удалялся. Выход на рабочую температуру занимал у печи с циркониевым нагревательным элементом около 30 минут. Температура печи контролировалась с помощью оптического пирометра, и ее вариации не превышали ±1°.
Срок службы нагревательного элемента из стабилизированного оксида циркония составлял от трех месяцев до нескольких лет, однако, при
22
многократных циклах "включение-выключение" наблюдалось его растрескивание. Чтобы удлинить срок службы нагревательного элемента, печь после окончания вытяжки не выключают, а оставляют работать в дежурном режиме при температуре 1600°С. Поэтому печи с циркониевым нагревательным элементом более пригодны для промышленных предприятий с непрерывным циклом работы, чем для научных лабораторий.
2.3. Управление процессом вытяжки.
Вариации диаметра волоконного световода могут быть вызваны геометрическим несовершенством исходной заготовки, однако, при современной технологии изготовления заготовок, вариации диаметра световода определяются процессом вытяжки. За время нагрева заготовки при* вытяжке существенной диффузии легирующих оксидов обнаружено не было [20], поэтому обычно предполагается, что профиль показателя преломления в световоде полностью подобен профилю в заготовке, а вариации диаметра световода сопровождаются пропорциональным изменением диаметра сердцевины.
Геометрические нерегулярности диаметра сердцевины световода оказывают негативное влияние на все его основные характеристики. Вариации диаметра увеличивают оптические потери на рассеяние [21, 22]. Как было обнаружено в [23], изменение диаметра сердцевины на 1 мкм приводит к увеличению оптических потерь на 1.5 дБ/км. Кроме того, из-за увеличения конверсии мод могут непредсказуемо изменяться передаточные характеристики многомодовых световодов [24]. Вариации диаметра сердцевины одномодовых световодов вызывают изменение длины волны отсечки и дисперсионных характеристик [25, 26].
При соединении световодов различие поперечных сечений их сердцевин также вызывает дополнительные потери [27, 28]. В большинстве методов соединения световодов наружная поверхность используется как опорная [29, 30], поэтому необходимо обеспечивать не только постоянство
23
диаметра сердцевины, но и внешнего диаметра световода. При сварке световодов несовпадение их внешних размеров может вызвать рассогласование их сердцевин [31]. Отметим также, что вариации поперечного сечения световода приводят к ухудшению его механических характеристик [32]. Таким образом, при вытяжке волоконных световодов флуктуации диаметра должны быть снижены до минимума.
Для уменьшения вариаций диаметра по длине световода существует два принципиально различных метода. Согласно выражению (1), для того, чтобы флуктуации диаметра не превышали 1%, суммарные вариации скорости подачи и скорости вытяжки должны быть снижены до 2%. Для этого в качестве тянущего устройства использовались массивные барабаны, на стабильность вращения которых не оказывали влияния люфт в редукторе и нестабильность работы электропривода. При таком подходе все остальные источники вариаций диаметра световода должны быть снижены до уровня, обеспечивающего необходимую стабильность. Именно такую конструкцию-имели первые лабораторные установки для вытяжки волоконных световодов [3-8] (Рис. 1). В' современных установках для вытяжки световодов стабилизация диаметра в заданных пределах по всей многокилометровой длине световода осуществляется за счет использования системы автоматического управления процессом вытяжки. Обычно- в такой системе сигнал с бесконтактного измерителя диаметра световода передастся через цепь обратной связи на малоинерционный исполнительный механизм (тянущий ролик) [17, 18, 33].
Для- бесконтактного измерения диаметра волоконного световода было разработано несколько методов [34-37]. В измерителе диаметра, рассмотренном в [34], коллимированный луч одномодового гелий-кадмиевого лазера направлялся на волоконный световод перпендикулярно его оси. В диапазоне углов 5°-90° к направлению падающего луча индикатриса рассеяния представляла собой набор интерференционных полос. Изменение диаметра световода проявлялось как в смещении полос, так и в
изменении их угловой частоты. С помощью многоэлементной (1024 элемента) фотодиодной матрицы измерялось число интерференционных полос между углами 5° и 90°, пропорциональное диаметру световода. Предложенная схема обеспечивала точность измерения диаметра ±0.25 мкм и допускала поперечное смещение световода в пределах 10 мм.
Наиболее широкое применение для измерения диаметра волоконного световода в процессе вытяжки нашли датчики, основанные на так называемом "теневом” методе [36]. В таких устройствах сфокусированный луч одномодового лазера, сечение которого значительно меньше диаметра световода, сканирует с постоянной скоростью перпендикулярно оси световода. Фотоприемник, приемная площадка которого больше зоны сканирования лазерного луча, принимает излучение. В промежуток времени, когда световод перекрывает лазерный луч, количество света, попадающего на фотоприемник, резко снижается из-за сильного рассеяния на световоде, в результате- чего длительность электрического сигнала с фотоприемника-определяется диаметром световода и скоростью сканирования. Точность измерения датчиков, основанных на теневом методе, составляет 0.1-0.5 мкм при частоте сканирования 100-1000 Гц.
Результаты измерений диаметра световода в процессе вытяжки обычно представляют 1рафически в виде зависимости амплитуды вариаций от времени. Чем меньше амплитуда, тем стабильнее процесс вытяжки. Дополнительная информация о процессе вытяжки может быть получена из анализа частотных компонент вариаций диаметра [37]. Результаты такого анализа, приведенные на Рис.2, показывают, что все приведенные спектры имеют внешнее сходство, независимо от того, какой источник нагрева использовался при вытяжке световода. Например, во всех спектральных зависимостях наблюдается широкий пик с более или менее плоской вершиной- при увеличении пространственной длины волны (уменьшение частоты), который можно интерпретировать как саморегулирование процесса вытяжки, обусловленное законом сохранения массы. Это саморегулирование
25
Потери на стыковку Конверсия мод Потери на
и потери рассеяние
Рис.2. Зависимость спектральной плотности мощности вариаций диаметра световода от пространственной длины волны вариаций [37].
26
*
*
*
г
осуществляется только для вариаций диаметра с пространственными длинами волн большими, чем длина световода, который может быть вытянут из расплавленного конца заготовки (луковицы). По этой причине выравнивание спектральной зависимости для световода, вытянутого с помощью печи, происходит при больших длинах волн, чем световода,
\
вытянутого посредством С02 - лазера.
1
При более высоких пространственных частотах саморегулирование процесса прекращается и вариации диаметра определяются совокупным действием сил вязкого трения, поверхностного натяжения и усилия вытяжки. Поскольку вытяжка световодов на основе кварцевого стекла происходит в одном и том же температурном диапазоне (независимо от источника нагрева), величины сил, контролирующих процесс вытяжки, приблизительно одинаковые и спектральные зависимости сближаются. Величина и. положение пиков, которые наблюдаются в спектре световода, вытянутого посредством С02 - лазера, коррелируют с частотой вращения луча лазера.
» Таким образом, процесс вытяжки световодов можно отождествить со
случайным процессом, прошедшим фильтрацию; причем граница фильтрации определяется размерами луковицы. На Рис.2 указано влияние на' характеристики волоконных световодов различных спектральных диапазонов вариаций диаметра.
. Как уже было отмечено, в современных установках для вытяжки волоконных световодов стабилизация диаметра но всей многокилометровой длине осуществляется с помощью системы автоматического управления. Анализ факторов, которые непосредственно влияют на диаметр световода, показал, что динамический отклик на изменение скорости вытяжки происходит приблизительно в 100 раз быстрее, чем на изменение скорости подачи заготовки [33]. Поэтому сигнал, вырабатываемый системой управления на основе измерений текущего диаметра световода, обычно направляется на электропривод двигателя тянущего ролика. В современных установках для вытяжки световодов система управления представляет собой
27
аналоговый пропорционально - интегрально — дифференциальный (ПИД) регулятор [38]. Анализ синтеза такого регулятора был проведен в [39].
В общем случае связь между скоростью вытяжки и диаметром световода описывается нелинейным уравнением. Однако, поскольку управление процессом вытяжки обычно происходит при изменении диаметра световода в небольших пределах, может быть использована следующая линеаризованная модель:
где п(() - стохастический источник вариаций диаметра,
с1с и ус - номинальные значения диаметра и скорости вытяжки,
с1т(0 и Ут(0 - текущее значение диаметра и скорости вытяжки.
Сигнал, вырабатываемый измерителем диаметра [34] описывается соотношением:
где - временная задержка.
Временная задержка возникает вследствие того, что система измерения диаметра световода всегда находится на некотором расстоянии от зоны его формирования. Выходной сигнал с измерительной системы сравнивается с номинальным значением диаметра световода, и их разность используется для генерации напряжения и(г), управляющего двигателем тянущего ролика:
где e(t) = du(t) - d.
Соотношение между управляющим напряжением и текущей скоростью вытяжки также можно описать с помощью дифференциального уравнения второго порядка:
(2)
rf.=0.04rfr(/-f3)
(3)
Ayu\t) + u\t) = Ky[Bye{t)+e\t)]
(4)
АУЛО + ВУАО + V, (0 = к „{САП + «'(01
(5)
28
Для быстрого отклика системы обратной связи необходимо, чтобы коэффициенты Аву Вв, и Св в уравнении (5) были предельно малыми. Эти коэффициенты- определяются не только характеристиками двигателя, но и инерцией тянущего механизма.
Для того, чтобы определить коэффициенты Ас и Вс в уравнении (2)' было проведено измерение функции отклика диаметра световода в зависимости от частоты возмущения скорости вытяжки. Оказалось, что в случае, если параметры процесса вытяжки изменяются в ограниченных пределах (диаметр заготовки - 7-19 мм, диаметр световода 80-120’мкм, скорость вытяжки менее 1 м/сек), коэффициенты Ас и Вс можно считать постоянными. Однако при увеличении скорости вытяжки свыше 1 м/сек необходимо изменить величины этих коэффициентов. Оптимизация системьт обратной связи достигалась за счет соответствующего* выбора коэффициентов Ау, Ву и Ку (соотношение 4) с целью минимизации значения
Функционирование синтезированной системы обратной связи было экспериментально* проверено в процессе вытяжки световода с помощью печи. Без использования системы обратной связи вариации диаметра световода составляли ±2 мкм. При- включении системы обратной связи среднее значение диаметра световода удерживалось в диапазоне ±1 мкм. А среднеквадратичное отклонение снизилось с 0.8 мкм до 0.3 мкм. Таким образом, использование аналоговых регуляторов в системе обратной связи позволяет обеспечить вытяжку световодов с небольшим разбросом внешнего диаметра. В то же время, параметры описанной системы обратной связи были оптимизированы для скорости вытяжки менее 1м/сек. При больших скоростях вытяжки оптимизацию* этой системы* обратной связи было необходимо производить заново.
о
29
2.4. Прочность волоконных световодов.
Прочность волоконных световодов сначала не рассматривалась в числе основных характеристик световодов, таких как оптические потери или полоса пропускания. Поэтому работы по исследованию прочности волоконных световодов начали появляться только через пять лет после изготовления первых световодов с малыми потерями, когда стало ясно, что именно прочность световодов в конечном итоге определяет возможность их дальнейшего использования« в системах оптической связи и срок службы этих систем. Отличительной особенностью прочности как характеристики световода является то, что ее значение для . всей строительной длины определяется не средним, а минимальным значением.
Прочность кварцевого стекла на основании различных оценок величины межатомной связи атомов кремния и кислорода должна составлять 10-25 ГПа [40, 41]. Приблизительно такую прочность удалось достигнуть на« коротких отрезках специально изготовленных «неповрежденных» кварцевых волокон« (12-14 ГПа) в жидком азоте либо в вакууме [9]. При нормальных лабораторных условиях прочность этих волокон снижалась до 5-6 ГПа. В1 большинстве случаев прочность кварцевых волокон оказывалась еще вЛО-100 раз,ниже. Объяснение такому большому различию между теоретической' оценкой прочности кварцевых волокон и наблюдаемой экспериментально заключается в том, что в кварцевом стекле, особенно-на его поверхности, имеется большое количество микротрещин, инородных включений и других микродефектов. При приложении к стеклу, которое является классическим хрупким материалом, растягивающего усилия в вершинах микротрещин происходит концентрация напряжений. Поэтому стеклянный' образец начинает разрушаться задолго до того, как приложенная к нему нагрузка достигнет значения теоретической прочности стекла (гипотеза Гриффитса)
[9].
Концентрация напряжений в вершине трещины характеризуется коэффициентом интенсивности напряжений [42] :
зо