Результат интеллектуальной деятельности: MCVD способ изготовления одномодовых световодов с сердцевиной из чистого кварцевого стекла

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к изготовлению одномодовых волоконных световодов (ВС) с малым содержанием ОН групп модифицированным методом химического парофазного осаждения (MCVD) с сердцевиной из чистого кварцевого стекла и фторсиликатной оболочкой.

Световоды, получаемые таким способом, как правило, содержат примесный водород в виде ОН групп, которые увеличивают оптические потери в спектральной области прозрачности кварцевого стекла от 1300 до 1600 нм (Iino A., Kuwabara М., Kokura К. Mechanism of hydrogen-induced loss in silica-based optical fibers // Journal of lightwave technology. 1990, v. 8, No 11, p. 1675-1679).

Источником примесного водорода являются опорные трубы из кварцевого стекла, содержащие ОН группы, а также водородсодержащие примеси в химических реактивах и технологических газах. Примесь водорода создает основные проблемы в технологии ВС, так как он обладает наиболее высокой диффузионной подвижностью по сравнению с другими примесями.

Сердцевину ВС, изготавливаемых MCVD методом, изолируют от водорода, диффундирующего из опорных кварцевых труб, осаждением на ее внутреннюю поверхность барьерного слоя из кварцевого стекла, легированного малыми добавками Р₂О₅, В₂O₃ и F, снижающими температуру спекания пористого слоя на 100-150°С (Белов А.В., Гурьянов А.Н., Девятых Г.Г., Дианов Е.М., Машинский В.М., Неуструев В.Б. и Хопин В.Ф. Получение волоконных световодов с малым содержанием групп ОН в сердцевине методом химического осаждения из газовой фазы // Физика и химия стекла, 1982, т. 8, №1, с. 97-99). Однако увеличением толщины барьерного слоя снизить затухание ВС менее 10 дБ/км на длине волны 1,38 мкм, обусловленное поглощением ОН группами, не удается.

Для повышения эффективности барьерного слоя температуру его спекания снижают увеличением содержания в нем легирующих добавок (Буреев С.В., Дукельский К.В., Ероньян М.А. и др. Минимизация примесных ОН групп в заготовках, изготавливаемых MCVD методом // Фотон-экспресс 2009, т. 78, №6, с. 200-202). Понижение температуры спекания пористого слоя в кислородной атмосфере приводит к повышению термодинамической активности кислорода и, как следствие, к увеличению количества поглощенного водорода, диффундирующего из опорной трубы. Этот процесс идет с образованием Е' центров (≡Si') по реакции:

≡Si-O-Si≡+H=≡Si-OH+≡Si'.

С увеличением активности кислорода в барьерном слое содержание в нем центров ≡Si' снижается. Поэтому эта реакцию смещается в правую сторону, и количество поглощенного водорода увеличивается.

Однако и этого технического решения недостаточно для полного удаления ОН групп. Дело в том, что в процессе высокотемпературного сжатия трубки в слой стекла сердцевины проникает влага, содержащаяся в кислороде, используемом для продувки внутреннего канала. Глубина проникновения ОН групп в стекло соразмерна с толщиной слоя сердцевины для одномодовых световодов. Для многомодовых световодов, отличающихся от одномодовых значительно большей толщиной осажденного слоя сердцевины, этот механизм внедрения ОН групп не имеет существенного значения. Поэтому повышением эффективности барьерного слоя полностью исключить поглощение примесными ОН группами для одномодовых ВС не удается.

Этот недостаток устраняется в известном техническом решении (Pitt N.J. Hydroxyl contamination of optical fibre performs during the collapse process. - ECOC- 9^th European Conf. On Optical Communic, 1983, p.17-20), принятом за прототип предлагаемого технического решения, включающем изготовление ВС методом MCVD, в котором при высокотемпературном сжатии трубчатой заготовки ее внутренний канал продувают снижающим содержание ОН групп в стекле газом, состоящим из сухого кислорода с добавкой хлора.

Добавление всего 1 об. % хлора снижает содержание примесной влаги в газе почти в тысячу раз при ее исходной концентрации 10^-4 об. %. Это обеспечивает падение оптических потерь ВС, обусловленных поглощением ОН группами, с 50 до 1,5-2 дБ/км на длине волны 1,38 мкм.

Однако из-за диффузии водорода через барьерный слой из опорной трубы в сердцевину полностью исключить ОН группы из ВС также не удается. Особо остро эта проблема проявляется для одномодовых ВС W типа с сердцевиной из чистого кварцевого стекла и фторсиликатной оболочкой. Эти световоды обладают наиболее низкими оптическими потерями и высокой радиационно-оптической устойчивостью на длине волны 1,55 мкм. Температура осаждения этой оболочки выше температуры осаждения обычного барьерного слоя, легированного малыми добавками, снижающими температуру его спекания. Поэтому активность кислорода во фторсиликатной оболочке будет ниже, а скорость диффузии примесного водорода в сердцевину будет выше, что приводит к повышенному содержанию ОН групп в ВС такого типа.

Задача настоящего изобретения заключается в снижении содержания примесных ОН групп в одномодовых ВС, изготавливаемых MCVD методом, с сердцевиной из чистого кварцевого стекла и фторсиликатной оболочкой.

Поставленная задача решается новым способом изготовления одномодовых волоконных световодов, включающим изготовление MCVD методом заготовки, с осаждением слоев фторсиликатного оболочки и сердцевины из чистого кварцевого стекла, при высокотемпературном сжатии которой ее внутренний канал продувают газом, снижающим содержание ОН групп в стекле, отличающимся от известного способа тем, что в качестве продувного газа используют сухой (с точкой росы менее -50°С) инертный газ, например аргон, или азот, с содержанием примесного кислорода не более 10^-4 об. %.

Инертный газ может содержать и пары SiCl₄ в количестве не более 1 об. %, что обеспечит более полное удаление из него влаги.

В результате этого при сжатии трубчатой заготовки происходят следующие процессы.

1. В высокотемпературной зоне примесная влага разлагается на водород и кислород по газофазной реакции:

Н₂O=Н₂+1/2 O₂,

которая смещается в правую сторону, если канал продувают инертным газом, а не кислородом. Этот процесс приводит к снижению в стекле количества ОН групп, равновесное содержание которых пропорционально корню квадратному из давления паров воды.

2. В инертной среде стекло сердцевины обедняется кислородом, его термодинамическая активность становится меньше, что снижает степень его взаимодействия с мигрирующим из опорной трубы водородом с образованием ОН групп по реакции:

≡Si-O-Si≡+Н=Si-OH+≡Si'

Высокая концентрации ≡Si' смещает эту реакцию в левую сторону, снижая содержание ОН групп.

3. Содержание паров SiCl₄ (≈1 об. %) существенно превышает концентрацию примесной влаги и кислорода, что приводит к их удалению по реакциям:

SiCl₄+2Н₂O=SiO₂+4НСl

SiCl₄+O₂=SiO₂+2Сl₂

Сl₂+Н₂O=0,5О₂+2НСl

Эти три фактора приводят к практически полному устранению содержания ОН групп в сердцевине ВС.

Совокупность изложенных признаков и анализ отличий от прототипа по существующему уровню техники позволяет сделать вывод о «новизне» и «изобретательском уровне» нового способа.

Предлагаемое новое техническое решение реализовано экспериментально в следующих примерах MCVD способа изготовления одномодовых волоконных световодов W-типа с сердцевиной из чистого кварцевого стекла и фторсиликатной оболочкой.

Изобретение иллюстрировано на чертежах, где на Фиг. 1 представлен спектр оптических потерь (α) в ВС (Пример №1); на Фиг. 2 представлен спектр оптических потерь (α) в ВС (Пример №2).

Пример №1. По известной MCVD технологии изготовлен одномодовый ВС при нагреве исходной вращающейся трубки кислородоводородной горелкой, совершающей возвратно-поступательные движения. На внутреннюю поверхность метровой трубы из кварцевого стекла марки F 300 с наружным диаметром 22 и толщиной стенки 2 мм наносили 20 слоев кварцевого стекла, легированного фтором, и три слоя сердцевины из чистого кварцевого стекла. Осаждение слоев оболочки осуществляли при подаче в трубку парогазовой смеси при соотношении компонентов: 0,16SiCl₄+0,23O₂+0,61SiF₄. В качестве газа носителя для паров SiCl₄ использовали газообразный тетрафторид кремния. Процесс сжатия трубки производили за четыре прохода горелки при нагреве трубки до 2100-2200°С. Во внутренний канал трубки в процессе этой операции вводили 300 мл/мин сухого аргона, содержащего примесь 10^-4 об. % кислорода и 10^-3 об. % влаги. По данным радиального профиля показателя преломления (ПП), измеренного на рефрактометре Р-101, ПП фторсиликатной оболочки на 0,0085 меньше ПП сердцевины из чистого кварцевого стекла. Соотношение диаметров сердцевины и фторсиликатной оболочки равно 8, при диаметре сердцевины, равном 0,96 мм.

Из полученной таким образом заготовки вытягивали одномодовый ВС №1 диаметром 125 мкм и длиной 1 км. В процессе вытягивания волокно покрывали отверждаемым УФ облучением слоем эпоксиакрилатного полимера толщиной 40 мкм. Световод наматывали на катушку диаметром 160 мм.

Спектр оптических потерь, измеренных методом обрыва (Фиг. 1), показал, что поглощение ОН группами в ВС на длине волны 1,38 мкм равно 1,9 дб/км, а затухание на длине волны 1,55 равно 0,3 дБ/км. Длина волны отсечки высшей моды ≈1,25 мкм.

Пример №2. Аналогичным образом изготовлен образец ВС №2, отличающийся от предыдущего способа тем, что в процессе высокотемпературного сжатия заготовки в ее внутренний канал дополнительно вводили пары SiCl₄ с расходом 3 мл/мин.

Из полученной таким образом заготовки аналогично примеру 1 вытягивали одномодовый ВС №2 длиной 1 км.

Спектр оптических потерь, измеренных методом обрыва (Фиг. 2), показал, что поглощение ОН группами в ВС на длине волны 1,38 мкм равно 0,25 дБ/км, а затухание на длине волны 1,55 равно 0,3 дБ/км. Длина волны отсечки высшей моды ≈1,2 мкм.

Пример №3. По аналогии с примером 1 изготовлен контрольный образец одномодового ВС №3, отличающийся тем, что в процессе высокотемпературного сжатия заготовки ее внутренний канал продували кислородом, содержащим 10^-5 об. % примесной влаги.

Из полученной таким образом заготовки по аналогии с примером 1 вытягивали 1 км одномодового ВС №3, с длиной волны отсечки, равной 1,2 мкм.

Оптические потери, измеренные методом обрыва, показали поглощение ОН группами в ВС на длине волны 1,38 мкм, равное 12 дБ/км, а затухание на длине волны 1,55 около 0,5 дБ/км.

Вышеизложенные сведения подтверждают очевидную промышленную применимость предлагаемого способа изготовления ВС для передачи сигналов в системах связи и волоконно-оптических датчиках.