Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления радиационно-стойких волоконных световодов

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности, к изготовлению радиационно-стойких волоконных световодов (ВС) для разного рода оптоэлектронных систем, работающих в условиях повышенного радиационного фона в атомной энергетике, космической и военной технике. Широко используемые для передачи информации волоконно-оптические системы используют сегодня кварцевые ВС, легированные диоксидом германия. Однако из-за наличия атомов германия под действием радиации в световодах возникает большое количество дефектов, приводящих к недопустимо высокому уровню оптических потерь как в видимой области спектра, так и в спектральном диапазоне особой прозрачности кварцевого стекла (1,3-1,6 мкм).

Из уровня техники известен фторсиликатный волоконный световод (ФВС) с повышенной радиационной стойкостью (РС), в котором сердцевина состоит из чистого кварцевого стекла, а оболочка легирована фтором с целью снижения величины показателя преломления [Аксенов В.А., Волошин В.В., Воробьев И.Л., Долгов И.И., Иванов Г.А., Исаев В.А., Колосовский А.О., Моршнев С.К., Чаморовский Ю.К., Яковлев М.Я. Одномодовые оптические волокна с кварцевой сердцевиной и фторсиликатной оболочкой, обладающие повышенной радиационной стойкостью. // Радиотехника. 2005. № 12. С. 51-56].

Наведенные радиацией оптические потери (НРОП) в ФВС существенно ниже, чем в германосиликатными аналогах. РС ВС с сердцевиной из чистого кварцевого стекла, зависит от содержания в ней примесного хлора и ОН-групп [Nagasawa K., Tanabe M., Yahagi K. Gamma-ray-induced absorption bands in pure-silica-core fibers // Jpn. J. Appl. Phys., 1984, vol. 23, pp. 1608–1613].

В методе модифицированного химического парофазного осаждения (MCVD) при изготовлении ФВС для повышения РС хлор можно нейтрализовать высокотемпературной обработкой стекла сердцевины в водородсодержащей среде [Okishev A.V., Boni R., Millechia M., Jaanimagi P.A., Donaldson W.R., Keck R.L., SekaW., Dukelsky K.V., Eronyan M.A., Shevandin V.S., Ermolaeva G.M., Nikolaev G.V., Shilov V.B. Unique High-Bandwidth, UV Fiber Delivery System for OMEGA Diagnostics Applications IEEE J. Select.Topics Quant. Electron., V. 7, p. 471, 2001]. Однако это техническое решение приводит к увеличению содержания ОН-групп, которые имеют полосы поглощения излучения с максимумами на длинах волн 0,95 и 1,38 мкм.

Уменьшить содержание примесного хлора в сердцевине ФВС без увеличения содержания ОН-групп можно посредством снижения давления паров тетрахлорида кремния (SiCl₄) в реакционной парогазовой смеси при осаждении слоев чистого кварцевого стекла сердцевины при изготовлении ВС MCVD методом [патент РФ №2537523].

Однако такой технологический прием не устраняет другие наведенные радиацией дефекты, такие как немостиковый кислород (НК), которые поглощают излучение на длине волны 0,65 мкм. Образование таких дефектов приводит локально к деструкции кварцевого стекла, появлению оптических неоднородностей. Поэтому НРОП обусловлены как поглощением, так и рассеянием излучения [J. Wen, G.-D. Peng, W. Luo, Z. Xiao, Z. Chen and T. Wang, Gamma irradiation effect on Rayleigh scattering in low water peak single-mode optical fibers, (2011) V. 19, No. 23, Optics Express 23278].

Дефицит кислорода в кварцевом стекле сердцевины исключает возможность образования дефектов типа НК, обеспечивая тем самым высокий уровень РС ФВС [Tomashuk A. L., Dianov E. M., Golant K. M., Khrapko R. R., and Spinov D. E. “Performance of special radiation-hardened optical fibers intended for use in the telecom spectral windows at a megagray level,” IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 45, no. 3, pp. 1566–1569, Jun. 1998].

Дефицит кислорода в ФВС реализован в способе [патент РФ №2639560], включающем изготовление ФВС методом MCVD, в котором уменьшение содержания кислорода в сердцевине обеспечивается высокотемпературной обработкой стеклообразного ее слоя в атмосфере сухого азота или аргона.

Недостаток этого способа, принятого за прототип предлагаемого технического решения, заключается в том, что в процессе этой обработки примесный хлор полностью не устраняется даже из тонкой сердцевины одномодовых ФВС и, тем более, из фторсиликатной оболочки (далее - оболочки), что существенно снижает эффективность такого способа повышения РС световодов. Особо остро эта проблема проявляется для многомодовых ВС, в которых только центральная зона сердцевины очищается от хлора и обедняется кислородом.

Решаемая техническая проблема настоящего изобретения заключается в снижении содержания хлора и кислорода как в сердцевине, так и в оболочке оптического волокна.

Достигаемый технический результат - повышение радиационной стойкости кварцевых фторсиликатных волоконных световодов.

Поставленная задача решается предлагаемым способом изготовления ФВС, включающим изготовление MCVD методом трубчатой заготовки, с осаждением слоев фторсиликатной оболочки и сердцевины из чистого кварцевого стекла, при высокотемпературном сжатии которой ее внутренний канал продувают сухим азотом или аргоном с содержанием примесного кислорода не более 10^-4 об. %, отличающимся от известного способа тем, что слои оболочки и сердцевины наносят двухстадийным методом, состоящим из осаждения пористого слоя при встречном направлении горелки и потока газовой смеси внутри трубки с последующим остекловыванием пористых слоев при попутном с движением горелки направлении потока газовой смеси, содержащей влагу и кислорода не более 10^-4 об. %.

Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемый двухстадийный метод осаждения слоев оболочки и сердцевины исключает внедрение хлора в стекло, а процесс высокотемпературного остекловывания пористых слоев в газовой смеси, содержащей влагу и кислорода не более 10^-4 об. %, обеспечивает необходимый дефицит кислорода в кварцевом стекле сердцевины и во фторсиликатной оболочке. Такой способ изготовления ФВС обеспечивает высокий уровень их РС за счет эффективного устранения приводящих к увеличению оптических потерь в световодах дефектов, возникающих в процессе радиационного воздействия.

Предлагаемое новое техническое решение реализовано экспериментально в следующих примерах MCVD способа изготовления световодов.

Пример № 1. MCVD методом изготовлена заготовка одномодового ФВС при нагреве исходной вращающейся трубки кислородно-водородной горелкой, совершающей возвратно-поступательные движения. На внутреннюю поверхность метровой трубы из кварцевого стекла марки F 300 с наружным диаметром 25 и толщиной стенки 3 мм наносили 40 слоев оболочки из кварцевого стекла, легированного фтором и 4 слоя сердцевины из чистого кварцевого стекла. Осаждение слоев осуществляли двухстадийным методом, состоящем из осаждения пористого слоя при встречном направлении горелки и потока газовой смеси внутри трубки с последующим остекловыванием пористых слоев при попутном с движением горелки направлении потока газовой смеси, не содержащей хлора и кислорода. Парогазовую смесь при осаждении слоев оболочки (0,2 SiCl₄ + 0,7 O₂ + 0,1 SiF₄) нагревали до 1500°С при встречном направлении движения горелки и охлаждении потоком воздуха трубки в зоне осаждения частиц. Остекловывание слоев оболочки проводили при температуре 2100°С и попутном направлении движения горелки и потока газовой смеси (0,5 N₂ + 0,5 SiF₄) внутри трубки. Парогазовую смесь при осаждении пористых слоев сердцевины (0,2 SiCl₄ + 0,7 O₂) нагревали до 1700°С при встречном направлении движения горелки и охлаждении потоком воздуха трубки в зоне осаждения частиц. Остекловывание слоев сердцевины проводили при температуре 2150°С и попутном направлении движения горелки и потока азота внутри трубки. Процесс сжатия трубки производили за четыре прохода горелки при нагреве трубки до 2300°С. Во внутренний канал трубки в процессе этой операции подавали 300 мл/мин азота. В работе использовали азот высокой чистоты с содержанием основных примесей кислорода и влаги не более 10^-4 об. % По данным радиального профиля показателя преломления (ПП), измеренного на рефрактометре Р-101, разность ПП оболочки и сердцевины из чистого кварцевого стекла равна 0,0085. Соотношение средних арифметических значений диаметров сердцевины и фторсиликатной оболочки равно 9, при диаметре сердцевины, равном 0,92 мм.

Из полученной таким образом заготовки вытягивали одномодовый ФВС № 1 диаметром 125 мкм и длиной 5 км. В процессе вытягивания волокно покрывали слоем эпоксиакрилатного полимера толщиной 60 мкм. Световод наматывали на катушку диаметром 160 мм.

Спектр исходных оптических потерь волокон (фиг. 1), измеренный методом обрыва с использованием анализатора оптического спектра марки «Yokogawa AQ6370C» показал, что поглощение ОН группами в ФВС на длине волны 1,38 мкм равно 1,9 дБ/км, а затухание на длинах волн 1,3 и 1,55 мкм, соответственно, 0,3 и 0,2 дБ/км. Длина волны отсечки высшей моды ≈ 1,2 мкм.

НРОП в световоде, измеренные прибором марки «FOD-1208 Optical Tester» на длине волны 1,3 и 1,55 мкм не превышали соответственно 0,7 и 0,4 дБ/км при облучении гамма-источником ⁶⁰Со дозой 1 кГр и мощностью 1 Гр/с. Мощность зондирующего излучения была на уровне 5 мкВт. НРОП такого ФВС на длине волны 1,3 мкм (0,7 дБ/км) в два раза меньшие по сравнению с аналогичными ФВС фирмы «Fujikura», являющейся мировым лидером по производству радиационно-стойких световодов [T. Wijnands, L.K. De Jonge, J. Kuhnhenn, S.K. Hoeffgen, U. Weinand, Optical absorption in commercial single mode optical fibers in a high energy physics radiation field // IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 55, no. 4, pp. 2216-2222, 2008].

ФВС обладает хорошей способностью восстанавливать оптические потери после облучения. Световоды после облучения дозой 1 кГр при мощности в 3 Гр/с почти полностью восстанавливаются через 10 минут релаксации при комнатной температуре (фиг. 2).

Пример № 2. Методом MCVD изготовлен ФВС по аналогии с примером № 1. Оптические потери световода длиной 200 м измеряли в спектральной области видимого света на длине волны 0,65 мкм, при которой режим распространения излучения является маломодовым. При этом использовали источник лазерного излучения F2H VLS-8 и приемника излучения PD-300R фирмы «Ophir Optronics». Исходные оптические потери ФВС, измеренные методом обрыва, были на уровне 13 дБ/км.

ФВС облучали гамма-источником ⁶⁰Со дозой 200 Гр при мощности 100 Гр/ч.

НРОП, измеренные по изменению мощности проходящего по ВС излучения в процессе облучения, не превышали 14 дБ/км., что в 2,5 раза меньше, чем у изготовленных по известной технологии ФВС [Sanada K, Shamoto T and Inada K. Radiation resistance characteristics of graded index fiber with a core of Ge-F-doped or B and F- codoped SiO₂ glass. J. Non-Cryst. Solids, 1995, v. 189, pp. 283-290].

НРОП в ФВС на длине волны 0,65 мкм исчезают полностью за сутки при выдержке волокна при комнатной температуре.

Низкий уровень РС известных ФВС аналогов обусловлен возникновением дефектов в виде НК с полосой поглощения на длине волны 0,65 мкм. Предлагаемое техническое решение устраняет условия образования таких дефектов.

В отличие от известных ФВС изготовленные по новому техническому решению ВС хорошо восстанавливают оптические свойства после прекращения облучения, обеспечивая возможность их многократного использования.

Пример № 3. По аналогии с примером №1 изготовлен контрольный образец одномодового ФВС, отличающийся тем, что осаждения слоев оболочки и сердцевины осуществляли одностадийным методом, в котором происходили одновременно процессы осаждения частиц и их спекания.

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

Свойства такого световода оказались хуже по сравнению с примером № 1. Исходные оптические потери, измеренные методом обрыва, показали поглощение ОН группами в ВС на длине волны 1,38 мкм, равное 15 дБ/км, а затухание на длине волны 1,3 и 1,55 мкм, соответственно, 0,9 и 0,5 дБ/км.

Радиационная стойкость такого ВС существенно уступала ФВС первого примера. При аналогичных условиях радиационного воздействия НРОП на длине волны 1,3 и 1,55 мкм были более, чем в 6 раз выше по сравнению с примером № 1 и равны 8 и 2,5 дБ/км. НРОП таких световодов соответствуют свойствам ФВС, полученных MCVD методом при одностадийном способе осаждения слоев стекла сердцевины и оболочки [A. L. Tomashuk, M. Yu. Salgansky, P. F. Kashaykin, V. F. Khopin, A. I. Sultangulova, K. N. Nishchev, S. E. Borisovsky, A. N. Guryanov, E. M. Dianov, “Enhanced radiation resistance of silica optical fibers fabricated in high O₂ excess conditions,” J. Lightw. Technol., vol. 32, no. 2, pp 213-219, Jan 2014].

Таким образом заявленный технический результат достигнут.