Oсновные методы производства волоконных световодов

11 Oсновные методы производства волоконных световодов

Принципы и особенности построения ВОПС (волоконно-оптической системы передач).

Одномодовые световоды. Многомодовые световоды с и ступенчатым профилем. Волоконные световоды со специальными свойствами. Полимерные световоды. Модифицированный процесс EVD (MCVD)

11.1 Одномодовые световоды. Многомодовые световоды с и ступенчатым профилем. Волоконные световоды со специальными свойствами. Полимерные световоды.

По назначению волоконные световоды можно разделить на пять основных групп:

1. Одномодовые световоды для скоростных систем передачи и фазовых волоконно-оптических датчиков  (ВОД). Эти световоды отличаются предельно низ­кими потерями (0,2 ... 1 дБ/км) и широкой полосой пропускания (1 ...100 ГГц-км).Сюда же можно отнести волокна с сохранением поляризации, необходимые для цело­го ряда датчиков и перспективных систем передачи с когерентным приемом. Типич­ные размеры световодов первой группы: диаметр сердцевины 5...  10 мкм, оболочки 125 мкм, числовая апертура 0,15 ... 0,2.

2. Многомодовые световоды  с  градиентным  профилем  показа­теля   преломления,   предназначенные  для   использования   в  системах  передачи   нарасстояния в несколько километров с полосой пропускания 100 ... 1000 МГц-км. Поте­ри в таких волокнах лежат в пределах 0,5 ... 5 дБ/км, стандартные размеры: диаметр сердцевины 50 мкм, оболочки 125 мкм, типичное значение числовой апертуры около 0,2.

3. Многомодовые   световоды   со   ступенчатым   профилем   по­казателя преломления, предназначенные для использования в локальных сетях, объек­товых системах передачи и различных ВОД, с весьма умеренной полосой пропуска­ния (10... 100МГц-км) и потерями 3 ... 10 дБ/км. Такие световоды имеют повышенную числовую апертуру (0,3 ... 0,6) и диаметр сердцевины 80 ... 400 мк, допускающие эф­фективное сопряжение с дешевыми и надежными источниками излучения.

4. Волоконные световоды со специальными свойствами, к  ко­торым относятся волокна  целевого назначения для датчиков и других волоконно-оптических функциональных устройств: лазерные волокна (см. гл. 5), активированные редкоземельными ионами, волокна с пьезоэлектрической или магнитострикционной оболочкой и т. п.

Рекомендуемые материалы

5. Полимерные   световоды   со ступенчатым или градиентным профилем показателя  преломления,  отличающиеся  высокой  гибкостью, прочностью и  низкой стоимостью.   Область  их  применения  ограничивается   высокими   потерями   (100…500 дБ/км), поэтому используются они для передачи данных внутри ЭВМ, в роботах,в автомобильных датчиках и т. п.

6. Волокна   для   среднего   ИК   диапазона    (Х — 2  ...  50  мкм)   со сверхнизкими потерями.

Световоды первой, второй и отчасти третьей групп имеют одинаковую компози­цию и изготавливаются из кварцевого стекла, легированного различными добавками, изменяющими показатель преломления в нужную сторону. Кварцевое стекло имеет высокие однородность и чистоту, что обусловливает малые потери на рассеяние и пог­лощение (см. § 4.6), отличается высокой температурой плавления, химической и ра­диационной стойкостью. Технология производства высококачественных кварцевых во­локон, как будет видно ниже, достаточно сложна, но доведена до промышленного уров­ня, обеспечивающего массовый выпуск без снижения качества.

Требования к характеристикам световодов третьей и четвертой групп не являются предельно жесткими, поэтому они изготавливаются из более дешевых материалов (многокомпонентные стекла) и по более простой технологии. Производство полимер­ных волокон является самым простым и дешевым в рассматриваемом ряду. Произ­водство волокон шестой группы требует освоения новых материалов и технологий и находится в лабораторной стадии.

Наиболее распространенные в мировой практике способы изготовления высоко­качественных кварцевых волоконных световодов являются разновидности процесса химического осаждения основного стеклообразующего окисла SiO₂ и легирующих окислов из парогазовой смеси CVD процесса (Chemical Vapour Deposition). Галоиды кремния, германия, бора, фосфора и т. п., входящие в состав парогазовой смеси, при высокой температуре реагируют с кислородом:

SiCl₄ + O₂ => SiO₂ + 2Cl₂

GeCl₄ +  O₂ => GeO₂ +2Cl₂                                (11.1.1)

4BBr₃ + 3O₂ => 2B₂O₃ + 6Br₃

4POCl₃ + 3O2₂ => 2P₂O₅ + 6Cl₂

В результате реакции образуется мелкодисперсная масса, напоминающая белую сажу, которая после прославления превращается в прозрачное стекло, содержащее около 90 % SiO₂. Добавки легирующих окислов меняют коэффициент преломления в нужную сторону в соответствии с зависимостями, приведенными на рисунок 4.31. Содер­жание добавок в стекле регулируется в ходе процесса путем изменения состава парога­зовой смеси галоидов, концентрации ее компонентов. Из рисунка 11.1.1 видно, что добавки окислов германия и фосфора повышают показатель преломления стекла, а добавка окиси бора снижает его.

Рисунок 11.1.1.  Влияние легирующих окислов на коэффициент преломления

Минимальными потерями в области 1,3 и 1,5 мкм обладают кварцевые стекла, не содержащие бора, поэтому в последние годы в качестве присадки, снижающей показатель преломления, используется фтор, образующийся при окислении фреона CCl₂F₂ или фтористого углерода СF₄. Естественно, что исходные компоненты процесса CVD должны быть высокой химической чистоты.

Во всех разновидностях процесса CVD производство волоконных световодов разде­ляется на две основные стадии. В первой стадии — изготовлении заготовки для вы­тяжки волокна — проявляются различия перечисленных вариантов, тогда как вторая стадия — вытяжка волокна из заготовки — одинакова по технологии и оборудованию для всех вариантов. Параметры заготовки во многом определяют характеристики волоконного световода, вытянутого из нее. Тип световода — одномодовый, многомодовый градиентный или ступенчатый — полностью определяется профилем показа­теля преломления заготовки. Все варианты процесса CVD позволяют организовать гибкое производство с быстрой перестройкой с одного типа световода на другой. Рассмотрим подробнее наиболее распространенный в настоящее время технологи­ческий метод.

11.2 Модифицированный процесс EVD (MCVD)

В этом способе заготовка изготав­ливается осаждением стеклообразующих окислов на внутреннюю поверхность квар­цевой опорной трубы. Установка для производства заготовок методом MCVD схемати­чески изображена на рисунке  11.2.1. В ней можно выделить три основных функциональных блока: блок формирования парогазовой смеси, тепломеханический станок, систему управления и контроля параметров процесса. Первыми операциями при производстве являются контроль и отбор опорных кварцевых труб, которые при вытяжке трансфор­мируются в оболочку волоконного световода. Типовые размеры опорных труб: внеш­ний диаметр 20 ... 25 мм, внутренний диаметр 16 ... 20 мм, длина около 1 м.

Опорная труба помещается в тепломеханический станок, в котором она вращается вокруг продольной оси со скоростью порядка 60 об/мин. Вдоль вращающейся опорной трубы со скоростью 20 см/мин перемещается кислородно-водородная горелка. В начале процесса производится полировка трубы в пламени горелки при температуре около 1600 "С, при которой оплавляются имеющиеся микротрещины. Парогазовая смесь образуется при прокачке газа — носителя (кислорода или инертных газов) через сме­сители, заполненные жидкими галоидами кремния, германия и т. п. Состав смеси и за­кон применения состава во времени в ходе процесса MCVD зависят от типа изготавливаемого световода (одномодовый, градиентный, ступенчатый) и формируется под уп­равлением ЭВМ по заданной программе

Рисунок 11.2.1. Установка для производства заготовок методом MCVD:

1 - смеситель с жидким SiСl₂; 2 - один из смесителей с легирующим галоидом; 3—вентили; 4—опорная трубка; 5—вращающиеся патроны; б—кислородно-водородная горелка; 7—систе­ма откачки и очистки продуктов реакции

Парогазовая смесь поступает внутрь опорной трубки, и в горячей зоне с температурой 1500 ...1700 °С, перемещающейся вдоль трубки вместе с движением горелки, происходит осаждение окислов 5Юг, СеО₂ и других в виде ультрачистого мелкодисперсионного порошка. При последующем дви­жении горелки вдоль трубки порошок проплавляется, превращаясь в слой стекла толщиной 1 ... 10 мкм. Легированное кварцевое стекло, получающееся в результате осаждения, является исключительно чистым в силу высокой чистоты исходных компо­нентов. Кроме того, в процессе MCVD происходит химическая осушка реагирующих материалов и осаждаемых слоев путем реакции

2Н₂О + 2С1₂  => 4НС1 + О₂                                                                                         (4.131)

Хлор всегда присутствует в парогазовой смеси как продукт реакции окисления тетрахлоридов кремния и германия. В результате осажденное стекло содержит зна­чительно меньшее число гидроксильных ионов ОН, чем опорная труба. По этой причи­не потери на поглощение в используемых спектральных диапазонах (см. § 4.6) в осаж­денном стекле существенно меньше, чем в опорной трубе, и для снижения этих потерь в световоде в заготовке формируется внутренняя оболочка. Для этого первые несколько слоев (около 20) делаются с показателем преломления, равным показателю прелом­ления трубы или несколько меньшим. Парогазовая смесь, вводимая в трубы, во время осаждения этих слоев содержит пары SiCl₄ с добавкой ВВr₃, что предпочтительнее фреона. Последующие слои формируют сердцевину будущего световода. Для градиент­ных световодов показатель преломления увеличивается от слоя к слою по заданному за­кону, близкому к параболическому; заготовки для волокон со ступенчатым профилем имеют однородную сердцевину с показателем преломления большим, чем в оболочке. Общее число слоев в сердцевине обычно равно 50 ... 80.

Как   правило,   для   повышения   показателя   преломления   используется   только GeО₂, однако температура осаждения его велика и, чтобы исключить деформацию опорной трубы, температуру осаждения снижают добавкой в парогазовую смесь РОСl₃. Поскольку наличие в стекле окисла Р2О5 увеличивает поглощение в диапазоне длин волн 1,5 ... 1,7 мкм (поглощение на ионах Р—ОН), его концентрация не должна превы­шать 0,2%   молярных.   При  этом температура  осаждения  снижается  до   1650 °С.

После осаждения заданного программой количества слоев температура горячей зоны увеличивается до 1900 ... 2100 "С, труба размягчается и «схлопывается» под действием поверхностных сил, превращаясь в сплошной стеклянный цилиндр-заготов­ку. В сечении заготовка представляет собой увеличенную в 100 ... 300 раз структуру волоконного   световода   с   соответствующим   профилем   показателя   преломления.

Специфика процесса MCVD такова, что профиль показателя преломления заготов­ки всегда отличается от желаемого по двум причинам. Первая состоит в том, что показатель преломления каждого слоя постоянен, поэтому профиль его в заготовке есть ступенчатая аппроксимация заданной функции. Вторая вызвана тем, что при температуре схлопывания, достаточно высокой: 1900...2100 °С, последние слои частично испаряются, причем скорость испарения ОеСЬ выше, чем скорость испарения 5Ю2- В результате в профиле показателя преломления заготовки в центре ее образуется провал, который сохраняется и в волокне (рисунок 11.2.2).

Даже из приведенного здесь краткого описания процесса следует, что эффективное производство заготовок для высококачественных световодов с высокой воспроизво­димостью параметров возможно только при условии полной автоматизации процесса. На рисунке  11.2.3 схематически изображена обобщенная по публикациям система управ­ления процессом MCVD. Система предназначена для управления рядом установок, производящих одновременно заготовки для световодов различныхтипов. Центральный компьютер с общесистемными полномочиями связан с местными микропроцессорами на каждой установке. К местным микропроцессорам с локальными полномочиями подключены контроллеры, управляющие параметрами процесса: составом и скоростью потока парогазовой смеси, вращением опорной трубы, скоростью движения горелки вдоль трубы, температурой в горячей зоне трубы, откачкой и очисткой продуктов реак­ции. Задание на каждую установку вводится через центральный компьютер, через него же выводится информация о ходе процесса на каждой установке. Система является очень гибкой и быстро перестраиваемой.

Гибкость процесса MCVD позволяет использовать его для производства воло­конных световодов, сохраняющих поляризацию. Изготовление заготовки для такого волокна ведется по следующей программе: при осаждении первых 50 слоев, соответст­вующих внутренней оболочке, опорная труба с интервалом в 1 ... 2 с поворачивается на 180 ° вокруг продольной оси, затем в обычном режиме при равномерном вращении трубы вокруг оси осаждаются слои с повышенным показателем преломления, форми­рующие сердцевину.  При  схлопывании  анизотропные  напряжения  во  внутренней

Рисунок 11.2.2. Профиль показателя преломления волокна,   изготовленного   по   методу   MCVD

Рисунок 11.2.3. Схема управления процессом производства по методу МСУЭ:

1 — контроллер состава смеси; 2—контроллер скорости потока смеси; 3 — контроллер вращения опор­ной трубы; 4 — контроллер движения горелки; 5 — контроллер температуры горячей зоны; 6 — контроллер управления горелкой; 7 — контроллер откачки и очистки продуктов реакции

оболочке, которая получается эллиптической в сечении (рисунок 4.35), приводят к дву-лучепреломлению в сердцевине заготовки, а затем после вытяжки — ив сердцевине во­локна.

Заготовки, изготовленные по методу МСУБ, обладают чрезвычайно высокими показателями по геометрическим, механическим и оптическим параметрам. Гибкость этого метода очевидна: на одном технологическом оборудовании путем изменения программы он позволяет производить заготовки для волокон разных типов (одно-модовых, одномодовых с сохранением поляризации, многомодовых градиентных и сту­пенчатых). Именно поэтому этот процесс доведен до высокого промышленного уровня и используется для массового производства во всем мире. Однако ему присущи и недостатки, главные из которых низкая эффективность использования галоидов (по­рядка 40 ... 60%) и сравнительно малая скорость осаждения (0,25 ... 0,5 г/мин).

В лекции "Композиционное равновесие" также много полезной информации.

11.3 Принципы и особенности построения ВОПС (волоконно-оптической системы передач).

С точки зрения проектировщиков ВОСП выбор и получение оптимального типа волокна является критическим, но не завершающим этапом в сложном процессе изго­товления оптического кабеля. После вытяжки волокна технологам приходится ре­шать ряд сложных проблем, чтобы в процессе заделки волокна в кабель не были ухудшены характеристики волокна, а также чтобы эти характеристики не подверга­лись заметной деградации в процессе прокладки и эксплуатации ВОСП.

Волокно является исходным продуктом для скрутки кабеля искомой конструкции. Кабели разных типов в зависимости от областей применения могут иметь от 1 до 144 во­локон, которые либо укладываются в спиральные пазы или канавки, либо заливаются в сердечник кабеля вместе с упрочняющими и токоведущими элементами. Для изготов­ления кабелей традиционного типа, т. е. цилиндрических, используются крутильные машины, похожие на аналогичные устройства в традиционном кабельном производст­ве. При изготовлении ленточных кабелей технология иная и более напоминает процесс изготовления электрических проводников ленточной формы. Сечения некоторых типов кабелей показаны на рисунке  11.3.1.

Рисунок 11.3.1. Сечение кабелей:

а—повивная скрутка; б—многоповивная скрутка; в—пучковая скрутка;  1 —оптическое волокно;    2 — промежуточный    корд;    3 — оболочка    кабеля;    4 — упрочающий    элемент