Волоконные световоды на основе высокочистого кварцевого стекла с высокой концентрацией легирующих элементов, полученные методом MCVD

Диэлектрический волоконный световод служит для канализации и передачи светового сигнала и состоит из световедущей сердцевины и светоотражающей оболочки, материал которой имеет показатель преломления (ПП) меньший, чем ПП материала сердцевины. Основными характеристиками световода являются: коэффициент затухания света (потери), который определяет максимальную длину используемого световодаразность ПП материалов сердцевины и оболочки, которая определяет числовую апертуру световодаширина полосы пропускания, которая определяется дисперсией сигнала и зависит от профиля ПП и типа световода. Волоконные световоды подразделяются на многомодовые, в которых может распространяться большое число различных типов волн — мод, и одномодовые, в которых распространяется только одна мода. Число мод, распространяющихся в многомодо-вом световоде с градиентным профилем ПП, определяется нормализованной частотой Vvl составляет [1]:

N = V2/4, (1) а условием распространения одной моды является V< 2,405, где r. 2m. Ina Г~2 Т~ 2 т п.—г—, ч поб * ~у^2побАп (2) и арадиус световедущей сердцевины, Л — длина волны света, псер, nag, и.

An — ПП и разность ПП материалов сердцевины и оболочки соответственно, NA — числовая апертура. В зависимости от назначения и рабочей длины волны в качестве материалов волоконных световодов используются: кварцевое и многокомпонентное силикатное стекла для видимого и ближнего ИКдиапазона (0.5−1.6 мкм), халькогенидное и фторидное стекла для среднего ИК-диапазона (2−8 мкм), кристаллы КРС для Л «10.6 мкм. Благодаря очень малым потерям (до 0.2 дБ/км), высокой механической прочности («6 ГПа) и химической устойчивости многомодовые и одномодовые волоконные световоды на основе высокочистого кварцевого стекла нашли наиболее широкое практическое применение, прежде всего, в волоконно-оптических системах передачи информации (ВОСПИ), которые обладают значительно большей информационной емкостью по сравнению с радиочастотными методами связи. Развитие волоконной оптики привело к созданию новых типов кварцевых волоконных световодов как для специальных ВОСПИ, обладающих еще большей скоростью передачи информации, так и для широкого круга волоконно-оптических датчиков (ВОД) и устройств. При этом используются лучшие свойства кварцевых световодов (малые потери и высокая прочность) и придание им новых свойств за счет модифицирования структуры и высокой концентрации легирующих элементов. К числу таких световодов с высокой концентрацией легирующих элементов (бора, германия, фосфора) относятся: анизотропные одномодовые волоконные световоды (АОВС), сохраняющие поляризацию введенного в них излученияодномодовые волоконные световоды с высокой концентрацией оксида фосфора в сердцевине (ФОВС) и высокоапертурные волоконные световоды (ВАВС).

АОВС предназначены для когерентных ВОСПИ и для ВОД интерференционного типа (например, датчики угловой скорости, тока и магнитного поля). На основе АОВС возможно конструирование" таких волоконно-оптических элементов, как модуляторы и демодуляторы невзаимных поляризационных характеристик излучения, фарадеевские изоляторы, поляризационные расщепители и т. д. АОВС способны сохранять поляризованное излучение за счет двулучепреломления (ДЛП), величина которого увеличивается с ростом концентрации легирующих элементов, входящих в состав «напрягающей» оболочки.

ФОВС являются перспективными для создания на основе нелинейных эффектов волоконно-оптических лазеров для рабочих длин волн 1,24 и 1,48 мкм при накачке этих световодов на Я =1,06 мкм [2,3]. Использование данного лазера на Я =1,24 мкм для возбуждения ОВС с германосиликатной сердцевиной позволяет создать ВКР усилитель для длины волны 1,3 мкм [2], являющейся «вторым окном прозрачности» кварцевых световодов. Интенсивность излучения лазеров и соответственно усиление растут с увеличением концентрации оксида фосфора в сердцевине и длины световода, которая определяется уровнем потерь.

ВАВС с числовой апертурой 0.3-н0.36 и с увеличенным отношением диаметра сердцевины к диаметру волокна (до «0.7) предназначены для передачи повышенной мощности излучения и для ВОД. Рост числовой апертуры световодов достигается, главным образом, за счет увеличения концентрации оксидов германия и фосфора в сердцевине.

Специфические свойства перечисленных световодов связаны с высокой концентрацией легирующих элементов, а одним из условий широкого применения этих световодов являются их малые потери. Однако высокая концентрация легирующих элементов приводит к изменению условий формирования и свойств стекла, к появлению дополнительных потерь, к значительному росту напряжений в заготовках световодов из-за различия термических коэффициентов линейного расширения (TKJ1P) областей легированного и чистого кварцевого стекла и т. д. Изготовление волоконных световодов обычно включает в себя два этапа: получение заготовок и вытяжку из них волокна. Поэтому исследование процесса получения и свойств высоколегированного кварцевого стекла является необходимым для разработки методики изготовления заготовок вышеуказанных световодов, а сама разработка — актуальной.

Для получения заготовок световодов был использован метод модифицированного химического парофазного осаждения (modified chemical vapor deposition — MCVD) [4], в котором чистое или легированное кварцевое стекло осаждается на внутреннюю поверхность опорной трубки при высокотемпературном окислении паров тетрахлорида кремния и галогенидов легирующих элементов (бора, германия, фосфора). Этот метод, в отличие от других парофазных методов (OVD — outside vapor deposition, VAD — vapor axial deposition) [5], обладает относительной простотой, универсальностью в получении подавляющего большинства основных типов кварцевых световодов и позволяет изготовлять образцы световодов с высокими характеристиками. К тому же метод MCVD является наиболее распространенным в РФ, что облегчает передачу разработанных в лаборатории технологий световодов на промышленные предприятия.

Данная диссертационная работа суммирует результаты исследований химико-технологических основ получения заготовок кварцевых световодов методом МСУО, в том числе АОВС, ФОВС и ВАВС с малыми потерями при высокой концентрации легирующих элементов. Эти исследования проводились автором на протяжении более 20 лет в лаборатории оптических волоконных световодов Института радиотехники и электроники РАН.

8. ВЫВОДЫ.

1. Проведены комплексные исследования, направленные на разработку метода МСУО для получения заготовок световодов на основе высокочистого кварцевого стекла, в том числе с высокой концентрацией легирующих элементов. Создано лабораторное оборудование, обеспечившее изготовление заготовок световодов методом МСУО и явившееся базой для разработки первого отечественного промышленного оборудования. Изучение химико-технологических аспектов процессов совместного окисления тет-рахлорида кремния с галогенидами легирующих элементов и осаждения образующихся оксидов, а также исследование зависимостей показателя преломления и термических коэффициентов линейного расширения кварцевого стекла от концентрации легирующих элементов (бора, фосфора, германия) явилось основой для разработки технологии получения заготовок световодов различных типов, включая анизотропные одномодовые волоконные световоды, одномодовые волоконные световоды с высокой концентрацией оксида фосфора в сердцевине и высокоапертурные волоконные световоды.

2. Изучены основные источники загрязнения кварцевого стекла, формируемого методом МСУО, и предложены меры по уменьшению его загрязнения. Показано, что качество опорных кварцевых трубок оказывает значительное влияние на величину потерь в волоконных световодах как за счет поглощения света «красящими» примесями переходных металлов и гидро-ксильными ионами, содержащимися в трубках, так и за счет рассеяния света на границе «сердцевина-оболочка», вызываемого газовыми включениями в трубке. Установлено, что термообработка трубки в парах хлористого водорода ведет к очистке ее внутренних слоев от «красящих» примесей, но недостаточна для получения малых потерь. Использование защитной оболочки из высокочистого стекла для экранирования световедущих слоев от опорной трубки оказалось более перспективным и получена зависимость толщины этой оболочки от типа световода, рабочей длины волны и требуемого уровня потерь в световоде. Проведенные исследования обеспечили получение многомодовых световодов типа «Градан» и изотропных одномодовых световодов с потерями менее 1 дБ/км на длинах волн 1.3 и 1.55 мкм.

3. Установлено, что высокая концентрация легирующих элементов может являться причиной дополнительных потерь в высоколегированных световодах, а именно: диффузия бора из «напрягающей» оболочки в сердцевину анизотропных одномодовых волоконных световодов приводит к росту потерь в длинноволновой области (>1.3 мкм), увеличение концентрации фосфора в сердцевине одномодовых световодов ведет к появлению полосы поглощения в области 0.7+1.2 мкм, высокая концентрация германия з высокоапертурных волоконных световодах способствует возникновению газовых пузырей при сжатии заготовок и т. д. Предложены и реализованы меры по уменьшению влияния высокой концентрации легирующих элементов на потери.

4. Экспериментально изучена взаимосвязь термоупругих напряжений, возникающих в заготовках световодов из-за различия термических коэффициентов линейного расширения областей легированного и чистого кварцевого стекла, с составом и структурой заготовок. Эти результаты впервые использованы для расчета термических коэффициентов линейного расширения германо-, борои фосфоросилнкатных стекол, полученных методом МСУЭ. Установлено, что при величине напряжений не выше 12−14 кГс/мм2 разрушение заготовок в процессе их изготовления не наблюдается и обеспечивается достаточно высокая прочность световодов.

5. Проведена экспериментальная проверка математических моделей вязкого течения кварцевого стекла (в том числе высоколегированного) при округлении шлифованных заготовок и при формировании «напрягающих» секторов в процессах получения заготовок анизотропных одномодовых волоконных световодов с эллиптический «напрягающей» оболочкой и типа «галстук-бабочка» соответственно. Установлено достаточно хорошее совпадение экспериментальной и расчетной формы «напрягакзщей» оболочки и «напрягающих» секторов, однако для сердцевины экспериментальная и расчетная формы часто различаются. Дано объяснение этому различию.

6. Исследовано травление чистого и легированного кварцевого стекла в атмосфере гексафторида серы и кислорода. Показано, что при температурах 1100−1800 °С травление определяется не термодинамикой, а кинетикой процесса. Предложен механизм травления, согласно которому в низкотемпературной области (1000−1250 °С) лимитирующей стадией является образование 802Р2, а в высокотемпературной области — диффузия фторагента к поверхности трубки. Установлена зависимость изменения показателя преломления кварцевого стекла, легированного фтором в методе МС’УО, от мольного отношения гексафторида серы и тетрахлорида кремния в исходной парогазовой смеси.

7. На основе результатов выполненных исследований:

— разработана методика получения заготовок анизотропных одномодовых волоконных световодов с эллиптической «напрягающей» оболочкой и с параметрами: потери менее 1 дБ/км на длинах волн 1.3 и 1.55 мкмдлина биения «3 мм на X = 0.85 мкм, величина й-параметра до 5×10~5 м» 1. Эти параметры аналогичны параметрам отечественных и зарубежных световодов. Разработанная технология передана в ГосНИИКС;

— создана технология изготовления заготовок анизотропных одномодовых волоконных световодов типа «галстук-бабочка» при использовании тепловых экранов для азимутально-неоднородного нагрева трубки. Лучшие образцы световодов, вытянутых из этих заготовок, имели потери менее 1 дБ/км на Я = 1.3 и 1.55 мкм и величину' /г-параметра до 5'х 10~6 м" 1. Указанные параметры близки параметрам аналогичных световодов. Данная технология внедрена на Гусь-Хрустальном заводе им. Дзержинского;

— впервые синтезированы заготовки и получены одномодовые волоконные световоды с высокой концентрацией оксида фосфора в сердцевине (12+18 мол. %) и потерями менее 2 дБ/км (при Ср д «12 мол.%), на основе которых в НЦВО при ИОФ РАН созданы макеты волоконно-оптических лазеров на Я =1.24 и 1.48 мкм и усилителя для Я=1.31 мкм- - разработана методика получения высокоапертурных волоконных световодов с числовой апертурой 0.3+0.36, потерями менее 1 дБ/км на Я=1.55 мкм и отношением диаметра сердцевины к диаметру волокна «0.7. В заключение хочу поблагодарить д.ф.-м.н., профессора В. В. Григорьянца, академика Е. М. Дианова и д.т.н. профессора М. Е. Жаботинского за поддержку данного научного направления и полезные дискуссии.

Я выражаю искреннюю признательность своим коллегам по лаборатории оптических волоконных световодов В. А. Аксенову, М. И. Ботвинкину, В. А. Исаеву, .Е. Д. Исайкиной, H.A. Кореневой, A.A. Маковецкому, К. М. Наметову и другим за творческое участие в проведении исследований и благодарен сотрудникам ИРЭ РАН: к.ф.-м.н. Ю. К. Чаморовскому — за проведение исследований физических свойств световодов, д.ф.-м.н. О. Е. Шушпанову — за исследование напряжений в заготовках световодов, к.ф.-м.н. А. Б. Ормонту и к.х.н. В. В. Шемету — за анализы содержания легирующих элементов и примесей в заготовках и волоконных световодах, сотрудникам НЦВО при ИОФ РАН: к. ф-.м.н. A.B. Белову и д.ф.-м.н В. Г. Плотниченко — за измерение физических параметров ОВС с фосфоросиликатной сердцевиной и к. ф-.м.н. М. М. Бубнову — за вытяжку этих световодов, а также за полезные дискуссии и консультации.