/
Tags: электротехника
Text
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЛЕСА»
В. Д. Бурков, Г. А. Иванов
ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
Рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом
университета в качестве учебного пособия для студентов специальностей
200106 Информационно-измерительная техника и технологии и
230100 Информатика и вычислительная техника
Лихому
Л
Москва
Издательство Московского государственного университета леса
2007
УДК 621.372.8; 681.7.018
Б90
Разработано в соответствии с Государственным образовательным стандартам
ВПО 2000 г. на основе примерной программы дисциплины "Конструкторско-
технологическое обеспечение информационно-измерительной техники" и "Волоконно-
оптическая техника в информационно-измерительных системах"
Рецензенты: член-корреспондент РАН, доктор химических наук,
профессор А. Н. Гурьянов;
академик РАН, доктор физико-математических наук,
профессор Е. М. Дианов;
кандидат технических наук, старший научный сотрудник
М. Я. Яковлев
Работа подготовлена на кафедре проектирования технологии
производства приборов
Бурков, В. Д.
Б90 Физико-технологические основы волоконно-оптической техники: учеб,
пособие / В. Д. Бурков, Г. А. Иванов.—М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2007.—222 с.
В пособии изложены теоретические основы распространения света в оптических
волокнах, технология получения заготовок и вытяжки кварцевых волокон, основные
свойства многомодовых и одномодовых телекоммуникационных и специальных воло-
кон, технологии получения и свойства волокон для видимого и среднего ИК-
диапазонов, методы измерения основных параметров оптических волокон, компоненты
и устройства для волоконно-оптических линий связи и датчиков физических величин.
УДК 621.372.8; 681.7.018
Учебное издание
Бурков Валерий Дмитриевич
Иванов Геннадий Анатольевич
ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
Редактор А. П. Головина
Компьютерный набор и верстка Д. Г. Сырейщикова
По тематическому плану внутривузовских изданий учебной литера-
туры на 2007 г., поз. 192.
Подписано в печать 30.10.2007. Формат 60*90 1/16. Бумага 80 г/м2.
Ризография. Усл. печ. л. 13,75. Тираж 200 экз. Заказ № 574.
Издательство Московского государственного университета леса. 141005, Мытищи-5,
Московская обл., 1-я Институтская, 1, МГУЛ.
E-mail: izdat@mgul.ac.ru
По вопросам приобретения литературы издательства ГОУ ВПО МГУЛ
обращаться в отдел реализации.
Телефон: (498) 687-37-14.
© В. Д. Бурков, Г. А. Иванов
© ГОУ ВПО МГУЛ, 2007
ВВЕДЕНИЕ
Использование света для передачи информации имеет давнюю историю.
Первые сведения об использовании костров в ночное время и знаковых костров
в дневное для передачи информации о нашествии врагов и других сообщений
относятся ко времени гибели Трои (1269 г. до н. э.).
В 1794 г. Клод Шапп построил от Парижа до Лилля систему оптического
телеграфа из цепи семафорных башен с подвешенными сигнальными рейками.
Информация передавалась в течение ~ 15 минут на расстояние 230 км.
В 1875 г. Кулибин разработал в России свой семафорный телеграф, ис-
пользовав более чем в 4 раза меньше число знаков. Телеграф Кулибина работал
и ночью. Однако все эти системы устарели с изобретением электрического те-
леграфа и радио Поповым.
Норман Френч получил патент на оптическую телефонную систему, в ко-
торой сигналы могут передаваться через сеть оптических кабелей, изготавли-
ваемых из стержней чистого стекла. Однако по-прежнему основная масса ин-
формации передавалась либо при использовании электрических сигналов (на-
пример, телефон), либо радиоволн.
Дальнейшее развитие система оптической связи получила после создания
полупроводниковых лазеров в 1964 г. Лазеры обладают высокой монохроматич-
ностью, когерентностью и имеют очень высокую интенсивность излучения. Од-
нако, эксперименты по передаче световых сигналов по воздуху, осуществлен-
ные, в частности, в Москве показали недостаточную надежность связи из-за
влияния метеорологических условий: дождь, снег и туман сильно снижали каче-
ство связи. Стало ясно, что надо канализировать оптические сигналы. С этой це-
лью был предложен полый световод со сложной системой линз, который на
практике оказался трудно реализуемым. Лучше всего для целей оптической свя-
зи подходили стеклянные волокна, однако они имели очень большое затухание.
В 1958 г. советские специалисты Варгин и Войнберг доказали, что свето-
поглощение стекол обуславливается примесями «красящих» металлов, вноси-
мых шихтой. Экспериментально было показано, что светопоглощение идеально
чистого стекла очень мало и лежит за пределами чувствительности измери-
тельных приборов.
Однако настоящий бум в области технологии стеклянных световодов на-
чался с 1966 г., когда появилась работа английских ученых Као и Хокхема, ко-
торые показали, что при удалении примесей «красящих» металлов можно по-
лучить стекла с потерями менее 20 дБ/км. Такие световоды можно было ис-
пользовать уже практически, и все страны занялись достижением предельно
» высокой чистоты материалов.
В 1973 г. сотрудники "Coming" предложили метод химического парофаз-
' ного осаждения (CVD) для получения заготовки кварцевых волоконных свето-
водов, который был модернизирован сотрудниками “Bell-Labs" и получил на-
* звание MCVD (modified chemical vapor deposition). Были получены оптические
волокна (ОВ) на основе чистого и легированного кварцевого стекла с потерями
первоначально 20 дБ/км, которые затем быстро снижались (до уровня
~ 0,2 дБ/км в настоящее время). Это послужило началом широко масштабных
работ во всем мире по разработке технологии изготовления и использованию
кварцевых ОВ для волоконно-оптических систем передачи информации
(ВОСПИ). В настоящее время уже проложены сотни миллионов километров
волоконно-оптических кабелей (ВОК), содержащих в себе ОВ; проложены око-
ло 600 тыс. км подводных линий через Атлантический и Тихий океаны. Прак-
тически весь земной шар окольцован ВОСПИ. Столь бурный рост систем пере-
дачи информации связан с развитием экономики, ибо по оценкам американских
экспертов увеличение объема производства в 2 раза требует увеличения объема
передаваемой информации в 4 раза. И здесь большая роль отводится ВОСПИ,
так как по словам академика В.А. Котельникова "ВОСПИ - это третья револю-
ция в системе связи после изобретения, соответственно, электронно-лучевых
ламп и полупроводников’'.
На рис. 1 показана динамика роста объема продаж ОВ для производства
ВОК в мире за последние годы. Видно, что в рекордном 2001 г. объем продаж
ОВ составил более 100 миллионов км, причем доля России и стран СНГ соста-
вила всего ~ 0,8 % от мирового производства. Спад производства ОВ в после-
дующие годы связан с тем, что пропускная способность уже проложенных ли-
ний значительно превысила потребности сегодняшнего дня, а именно: объем
передаваемой информации на сегодняшний день составляет лишь ~ 30 % от
возможностей имеющихся ВОСПИ. Однако поскольку объем передаваемой
информации ежегодно увеличивается, депрессия в производстве ОВ заканчива-
ется, и с 2006 г. наблюдался уже некоторый подъем. Помимо ВОСПИ, ОВ в на-
стоящее время находят широкое применение для создания волоконно-
оптических датчиков (ВОД) и волоконно-оптических устройств (ВОУ).
Рис. 1. Динамика роста объема продаж оптического волокна для производства волоконно-
оптического кабеля (ВОК) в мире за последние годы (объемы продаж приведены к
длине оптического волокна в кабеле).
В России и странах СНГ производство ВОК составило: в 2000 г. - 713,6 тыс. км;
в 2001 г. - 860 тыс. км; в 2002 г. - 711 тыс. км
В СССР работы по получению заготовок кварцевых ОВ методом MCVD и
вытяжке волокна были начаты практически одновременно в 1974 г. в Институте
общей физики (ИОФ) АН и Институте химии высокочистых веществ (ИХВВ)
АН, а также в Институте радиотехники и электроники (ИРЭ) АН. На основе
теоретических и экспериментальных исследований были разработаны основные
типы телекоммуникационных (многомодовых и одномодовых) ОВ с малыми
потерями и широкой полосой пропускания, а также специальные типы ОВ.
Значительная часть этих разработок была передана в промышленность: в науч-
ный институт электровакуумного стекла (НИЭС), Гусь-Хрустальные заводы
технического стекла и им. Дзержинского, Государственный оптический инсти-
тут (ГОИ) им. Вавилова и в другие организации, которые освоили их производ-
ство. Были созданы первые образцы отечественного оборудования.
В настоящее время основными научными центрами в РФ по разработке
новых перспективных типов ОВ являются, прежде всего, вышеперечисленные
организации РАН и Научный центр волоконной оптики (НЦВО).
1. ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЕТА В ОВ
1.1. Общие сведения о ВОСПИ
Переход на оптический диапазон длин волн связан с увеличением широ-
кополосное™ систем при увеличении частоты несущей электромагнитной вол-
ны. На рис. 1.1 приведен электромагнитный спектр, из которого видно, что час-
тота оптического диапазона (1012 ... 1014 Гц) на 6—7 порядков больше диапазона
радиоволн (105 ...109 Гц). Поскольку звуковой диапазон КР-.Ю4 Гц, а для пере-
дачи изображения (телевидение) необходимо ~ 108 Гц, то по радиоканалам
можно передавать 100... 10 000 телефонных каналов или несколько телевизион-
ных каналов, а по ОВ в ~ 105 раз больше. Термин "свет" имеет в виду не только
видимый свет в диапазоне длин волн 400...650 нм (1 нм = 10-9 м), но охватыва-
ет спектр излучения от ультрафиолетового (от 190 нм) до ближнего инфра-
красного (до 2000 нм) [1].
ю22-
1О20-
1018-
10‘6-
ю14-
5 1о'2-
|. ю10-
ОТ “
ю8 -
ю6 -
ю4 -
102 -
-—Космическое излучение Гамма-лучи Рентгеновские лучи —Ультрафиолетовый свет Ультрафиолетовый ^qq Фиолетовый ... g — -г-3 455 я Голубой —=—1 — /inn 3
—=г с Зеленый |-7и х =~Ввдимыисвст - 550 I
_ — Инфракрасный свет ' — Радары 2*-Телевидение и УКВ диапазон „ Короткие волны / Радиочас _ — Средние волны — Звук Длина во ~ — Инфразвук Оранжевый ^80 g Красный 620 s Инфракрасный 750 800 ТОТЫ лны = скорость света / частота
Рис. 1.1. Электромагнитный спектр [1] ,
На рис. 1.2 приведена в обобщенном виде структурная схема простейшей
ВОСПИ. Сообщение в аналоговой или цифровой форме поступает от источника
сообщений на преобразователь информации, где формируется первый электри-
ческий сигнал. Если передача оптических сигналов осуществляется в цифровом
виде, то используется кодер, в котором осуществляется избыточное кодирова-
ние для обеспечения требуемой помехоустойчивости, удобств синхронизации
приемных устройств и контроля исправности регенераторов. Далее электриче-
ским сигналом осуществляется модуляция оптического излучения, генерируе-
мого источником света (лазером или светодиодом). Это излучение вводится в
ОВ, расположенное в ВОК, который содержит в зависимости от конструкции
ряд волокон. Оптическое волокно - диэлектрический волновод оптического
диапазона с достаточно малым затуханием, который служит для передачи оп-
тического сигнала источника (передатчика) к удаленному приемнику.
Рис. 1.2. Схема простейшей ВОСПИ: I - преобразователь информации; 2 - кодер; 3 - опти-
ческий излучатель; 4 - оптическое волокно; 5 - фотоприемник; 6 - декодер; 7 - пре-
образователь
В оптическом приемнике выполняются «обратные» преобразования, а
именно оптический сигнал преобразуется в электрический. В декодере осуще-
ствляется восстановление первичного сигнала, который с помощью преобразо-
вателя приобретает необходимую для потребителя информации форму (печат-
ный текст, изображение, звук и т. д.).
Основные преимущества ВОСПИ заключаются в следующем [1]:
- широкополосность, т.е большая ширина полосы пропускания, которая
достигает для одномодовых ОВ ~ 10 ГГц на одной длине волны;
- высокая скорость передачи информации, которая составляла в середине
70-х годов 8 Мбит/с = 8х10б бит/с, а в 2002 г. уже 10,92 Тбит/с = 10,9х1012
бит/с;
- нечувствительность к электромагнитным воздействиям (грозы, радары);
- малый вес по сравнению с медными проводами, поскольку удельный вес
кварцевого стекла составляет ~ 2,2 г/см3, а меди ~ 8,96 г/см3;
- гибкость ОВ (радиус изгиба может достигать 3 см);
- экономия дефицитных металлов (Си, А1, РЬ);
- универсальность, т.е. передача любых видов информации в аналоговом
или цифровом виде.
Успех каждого нового поколения ВОСПИ в значительной степени опре-
деляется двумя параметрами: скоростью передачи информации (Гбит/с) и рас-
стоянием, на которое эта информация может быть передана (км). Произведение
этих параметров называется полной пропускной способностью (ППС) ВОСПИ
(Гбит-км/с). В табл. 1.1 показана динамика и классификация ВОСПИ по поко-
лениям с указанием основных качественных признаков.
Из таблицы видно, что за ~ 30 лет полная пропускная способность ВОСПИ
выросла почти на 5 порядков.
Для примера, на рис. 1.3 приведена структура мирового рынка ВОК по
целевому назначению в 1998 г. Эта структура показывает, что основными по-
требителями ВОК являются магистральные линии и телефонная связь (~ 76 %),
а на втором месте находятся локальные линии, включая линии между вычисли-
тельными комплексами (11 %).
Таблица 1.1
Динамика развития и классификация ВОСПИ по поколениям
Годы разработки Поколения Характерная ППС, Гбит-км/с Основные признаки
1970-1977 I 5 1 = 0,87 мкм, светодиоды, многомодовое ОВ
1978-1981 II 50 1 = 1,3 мкм, одномодовое ОВ
1982-1987 III 5х1О2 X = 1,55 мкм, лазерные диоды, когерентные системы (ФМ, ЧМ)
1988-1995 IV 104 Эрбиевые ОВ усилители (EDFA)
1996-2003 V 1О5...1О7 Многоканальные линии связи по одному ОВ (WDM, DWDM)
Рис. 1.3. Структура мирового рынка ВОК по целевому назначению в 1998 г.; 7 - магистраль-
ная телефонная связь; 2 - локальные сети; 3 - кабельное телевидение; 4 - прочее
1.2. Структура и принцип работы оптического волокна
В
Рис. 1.4. Ход лучей света на границе раздела двух сред: а - угол д <ус, б - угол =д, в - угол
с
Если луч света падает на границу раздела двух сред (рис. 1.4, а), то часть
света отражается под углом, равным углу падения, а часть света уходит во вто-
рую среду под углому0, величина которого определяется уравнением Снеллиуса
wc-sinjc=w0-sinj0, (1.1)
где пс и п0 - показатели преломления (ПП) материалов сердцевины и оболоч-
ки соответственно. Если ис > п0, то j0 > Jc и при увеличении угла падения может
наступить момент при jc = д, когда луч не выходит во вторую фазу, а распро-
страняется по границе фаз (рис. 1.4, б). При большем угле падения света будет
происходить только отражение (рис. 1.4, в). Таким образом, явление полного
внутреннего отражения имеет место, когда угол падения больше критического
угла равного
д=агс81п—. (1.2)
«с
ОВ работает на принципе полного внутреннего отражения, поскольку ПП мате-
риала сердцевины всегда больше ПП материала оболочки.
На рис.1.5 приведена структура ОВ, которая состоит из сердцевины 1, све-
тоотражающей оболочки 2 и защитно-упрочняющего покрытия 3. Ход лучей в
ОВ со ступенчатым профилем ПП от источника света, расположенного на оси
волокна, показан на рис. 1.6. Надо сказать, что профиль ПП (т.е. радиальное рас-
пределение ПП в сечении ОВ) имеет большое значение для распространения
света по ОВ. Ступенчатый профиль ПП является простейшим вариантом.
Рис. 1.5. Структура оптического волокна: 1 - сердцевина; 2 - светоотражающая оболочка; 3 -
Рис. 1.6. Модель ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления: и, - ПП сердцеви-
ны; п2 - ПП светоотражающей оболочки; п3 — ПП материала защитной оболочки
На рис. 1.6 видно, что луч 1, испытывающий полное внутреннее отраже-
ние, будет распространять по ОВ. Луч 2 выходит в светоотражающую оболочку
и, если оптические потери материала этой оболочки велики, то он будет зату-
хать, а если малы, то он может распространяться в этой оболочке (что имеет
место в одномодовых ОВ). Луч 3 выходит не только из сердцевины, но и из
светоотражающей оболочки и будет затухать либо в окружающей среде, либо в
защитной оболочке. Лучи, распространяющиеся по ОВ, называются направляе-
мыми модами, а те лучи, которые выходят наружу, - вытекающими модами или
модами излучения. Различают также меридиональные лучи, которые пересека-
ют ось ОВ, и косые лучи, которые не пересекают эту ось (рис. 1.7).
Рис. 1.7. Траектория прохождения косого луча в ОВ
Одной из важнейших характеристик ОВ является его числовая апертура,
которая обозначается как NA и вычисляется по уравнению
ЛИ = по5т0о -»о :72по'Дп>
(1.3)
где Аи - разность ПП материалов сердцевины и оболочки.
Таким образом, числовая апертура представляет собой телесный угол, в преде-
лах которого находятся лучи, которые могут распространяться по ОВ (рис. 1.8).
1.3. Механизмы потерь в оптических волокнах
Важнейшей характеристикой ОВ являются оптические потери или зату-
хание светового сигнала при его распространении по волокну. Этот параметр
определяет длину линии связи между ретрансляторами, которые усиливают ос-
лабленный сигнал. Затухание в ОВ - это мера ослабления оптической мощно-
сти, распространяющейся вдоль ОВ между двумя его поперечными сечениями
на данной длине волны. Затухание выражается в дБ. Коэффициент затухания -
это величина затухания на единицу длины волокна (1 км), выражается в дБ/км и
записывается как
сс = —xlg—5^-, (1.4)
J вых
где 7ВХ и 7Вых - интенсивности света на входе и на выходе ОВ длиной L. Так,
если a = 1 дБ/км, то оптический сигнал ослабевает на ~ 26 % после прохожде-
ния через километровый отрезок ОВ, а если a = 0,2 дБ/км (типичное значение
для одномодовых ОВ на X = 1,55 мкм), то сигнал ослабнет всего на ~ 5 %.
1.3.1. Собственные потери
Коэффициент затухания в ОВ обуславливается собственными потерями в
волокне, потерями на изгибах и микроизгибными потерями. Собственные поте-
ри вызваны рассеянием света на неоднородностях в ОВ и поглощением, а запи-
сываются обычно в виде
^пол — Орэл"'” Осер'’’ Оуф"1" Пприм^” Оон, (1.5)
где арэл — потери на рэлеевское рассеяние (когда размер неоднородностей
меньше длины волны света);
асер -"серые" потери на рассеяние (когда размер неоднородностей больше
длины волны света);
<Хуф - поглощение в УФ части спектра, обусловленное электронными по-
лосами поглощения;
аик - фононное поглощение в ИК области, связанное с колебаниями хи-
мических связей компонентов стекла;
априм - поглощение, вызываемое примесями переходных ("красящих") ме-
таллов (Fe, Си, Ni, Cr, V, Мо, Со)-,
аон - поглощение, обусловленное гидроксильными ионами, присутст-
вующими в стекле. Основные составляющие потерь для кварцевых ОВ приве-
дены на рис. 1.9 и ниже рассмотрены более обстоятельно.
Потери, дБ / км
Рис. 1.9. Основные составляющие
потерь для кварцевых ОВ:
1 - хвост УФ-поглощения;
2 - многофононное по-
глощение; 3 - рэлеевское
рассеяние; 4 - полные по-
тери
Рэлеевское рассеяние представляет собой рассеяние света на микронеод-
нородностях в среде, через которую распространяется электромагнитная волна,
в результате чего может измениться угол распространения и свет может выйти
из световода, как это показано на рис. 1.10.
Рис. 1.10. Схема рэлеевского рассеяния
Хорошо известно, что рэлеевское рассеяние является причиной голубого
цвета неба. В атмосфере рэлеевское рассеяние возникает из-за флуктуаций
плотности газа, вызываемых флуктуациями температуры. В стекле рэлеевское
рассеяние может возникнуть в результате двух независимых эффектов: флук-
туации плотности и флуктуации состава. Наличие плотных и менее плотных об-
ластей можно отнести к флуктуациям теплового происхождения, возникающим
из-за броуновского движения компонентов в жидком стекле перед тем, как оно
затвердеет. Поскольку различные компоненты стекла могут иметь различный
1111, то флуктуации состава могут приводить к флуктуациям ПП и, соответствен-
но, к рассеянию. Чем выше концентрация легирующих компонентов, тем больше
вероятность флуктуаций состава и больше рассеяние, как это видно из рис. 1.11.
Рэлеевское рассеяние принципиально неустранимо и определяет низший
уровень потерь в материале по выражению
>№ = 4,348-^4~1).р.А:.Г.1О3, (1.6)
ЗА
где ис - ПП материала сердцевины кварцевого ОВ, равный 1,48-1,5;
к - постоянная Больцмана, равная 1,38-10~23 Дж/К;
Т - температура затвердения кварцевого стекла при вытяжке, равная
~1500 К;
р - коэффициент сжимаемости, равный для кварца 8,1 1011 м2/Н;
X - длина волны света, мкм.
Чаще пользуются упрощенным выражением
с^рэл АхТ^ , (1.7)
где А - коэффициент рэлеевского рассеяния. Если построить спектральную за-
висимость потерь в координатах а от X"4, то по характеру зависимости можно
судить об основном механизме потерь. Если эта зависимость линейная, то по-
тери обусловлены рэлеевским рассеянием и наклон прямой позволяет опреде-
лить коэффициент рэлеевского рассеяния, а отрезок, отсекаемый на оси орди-
нат, составляет величину "серых" потерь. Если эта зависимость носит нелиней-
ный характер, то имеют место другие механизмы потерь.
Коэффициент рэлеевского рассеяния зависит от типа легирующих приме-
сей (рис. 1.11) и составляет для стекла SiOxPiOs ~ 0,95 дБ/км, а для стекла
SiOz-GeOi до 2 при CG~ - 4...5 мол. %. Величина А обычно растет с ростом
концентрации легирурующих примесей (как отмечалось выше и видно из рис.
1.11), с ростом температуры вытяжки, и т. д. При снижении температуры вы-
тяжки до 1 800 °C и скорости вытяжки до 1 м/с потери в ОВ, сердцевина кото-
рых легирована GeOz, удалось снизить до 0,16 дБ/км, на X = 1,55 мкм и до
0,28 дБ/км на X = 1,31 мкм.
"Серые" потери вызваны крупными неоднородностями в ОВ (например,
газовые пузыри, неровная граница между сердцевиной и оболочкой и другие
несовершенства) и не зависят от длины волны. Поэтому величину "серых" по-
терь можно оценить из спектральной зависимости потерь а от X4, о чем гово-
рилось выше. В современных одномодовых световодах потери, обусловленные
несовершенством ОВ, не превышают 0,01 дБ/км, а в лучших образцах состав-
ляли 0,004 дБ/км.
Концентрация легирующих оксидов
(мол. %)
Рис. 1.11. Зависимости потерь
на рассеяние от кон-
центрации легирую-
щих примесей: 1 -
Р2О3’, 2 — GeOi\ 3 —
В2О3 (для 1 = 0,83
мкм); 4 - GeOi (для
1 = 0,51 мкм)
УФ-поглощение обусловлено переходом электронов в зону проводимости
(энергия перехода составляет в чистом кварцевом стекле - 10 эВ). Край элек-
тронных полос поглощения для ряда аморфных, кристаллических и стеклооб-
разных материалов описывается моделью Урбаха, которая предполагает, что
коэффициент поглощения и оптические потери экспоненциально зависят от
энергии фотона
а=ао-ехр
-hv}/kT
(1.8)
5
где Eg - ширина запрещенной зоны, эВ;
v- частота фотона, с ,
к- постоянная Больцмана.
Основная причина поглощения согласно этой модели заключается в том,
что случайная молекулярная структура материала из-за термических флуктуа-
ций плотности, застывших при отвердении, создает макроскопические вариа-
ции электрического поля. Эти локальные электрические поля вызывают появ-
ление электронных уровней в запрещенной зоне, которые и допускают элек-
тронные переходы.
На рис. 1.12 приведены зависимости потерь на поглощение в УФ-
диапазоне от энергии фотонов (длины волны излучения) как для чистого квар-
цевого стекла, так и стекол, легированных примесями СеОг, Р2О5, В2О3. Видно,
что при легировании кварцевого стекла потери возрастают, особенно для гер-
маносиликатного стекла, где наблюдаются полосы поглощения с максимумами
на длинах волн 242 нм (5,12 эВ) и 330 нм (3,75 эВ), которые обусловлены гер-
маниевыми кислородно-дефицитными центрами (ГКДЦ). С ростом длины вол-
ны потери в чистом и легированном стеклах резко снижаются и на длинах волн
более 0,8 мкм они значительно меньше 1 дБ/км. Поэтому их вклад в общие по-
тери линий ВОСПИ обычно не учитывается.
Длина волны, мкм
Рис. 1.12. Зависимости потерь
на поглощение в
УФ-диапазоне от
энергии фотонов
для чистого (7) и
легированного
кварцевого стекла:
2 - В2О3; 3 - Р2О5;
4 — GeO2
В ИК-области при низких энергиях фотонов свет взаимодействует с коле-
бательными состояниями вещества. Любая связь между компонентами в стекле
осциллирует за счет тепловой энергии среды. Эта связь ведет себя как электри-
ческий диполь, поле которого модулируется, т. е. делает возможным взаимо-
действие между электромагнитной волной и этой связью. Подобное взаимодей-
ствие приводит к переносу энергии от световой волны к материалу, т. е. в ко-
нечном счете к преобразованию световой энергии в Джоулево тепло. Край ИК-
поглощения ограничивает пропускание материалов в длинноволновой области.
В табл. 1.2 даны длины волн, соответствующие частотам продольных колеба-
ний для связей между компонентами, наиболее широко применяемыми в воло-
конной оптике. Поскольку длины волн для связей В-О и Р-0 меньше чем для
Si-O, то и рост потерь из-за ИК-поглощения в ОВ, сердцевина легирована ВгО3
и P2OS. должен наблюдаться при более коротких длинах волн.
Таблица 1.2
Длины волн, соответствующие частотам колебаний связей компонентов
в стеклах для волоконной оптики
Связь Длина волны, мкм
Si-O 9,0
В-0 L3
Р-О 8,0
Ge-O 11,0
На рис. 1.13 приведены спектральные зависимости оптических потерь в
ОВ на основе кварцевого стекла, легированного различными добавками. Из
рис. 1.13 видно, что легирование бором можно использовать только для свето-
водов, работающих на длинах волн не более 1,3 мкм, а наиболее широкое окно
прозрачности имеют германосиликатные стекла.
Рис. 1.13. Спектральные зависимости
оптических потерь в квар-
цевых ОВ с различным со-
ставом стекла сердцевины:
1 - SiO2-GeO2', 2 - SiO2P2O5-,
3 — SiO2GeO2-B2O2
Большинство ионов переходных металлов ряда железа (Fe, Си, Ni, Cr, V,
Мп, Со) при введении в стекло дают более или менее широкие полосы погло-
щения, расположенные в различных областях спектра от ближней ИК-области
(около 1 мкм) до дальней ультрафиолетовой (около 0,35 мкм). Такое поглоще-
ние обусловлено электронными переходами между электронными состояниями
ионов. На рис. 1.14 приведены кривые поглощения наиболее важных примес-
ных ионов переходных металлов (часто называемых "красящими" примесями) в
кварцевом стекле. Видно, что для получения величины потерь ~ 4 дБ/км на
X = 0,8 мкм концентрация железа, хрома, ванадия должна быть на уровне ~ 1
ppbw, где ppbw (part pro billion weight) - это 1 часть на 109 весовых частей ос-
новного вещества, т.е. около 10-7 масс. %). Исследования спектральных зави-
симостей коэффициентов поглощения от концентрации примесей переходных
металлов в кварцевом стекле показали, что для получения ОВ с потерями на
уровне 0,2 дБ/км содержание наиболее распространенных примесей Си+г и Fe+i
не должно превышать ПГ8 масс. %.
Рис. 1.14. Кривые поглощения наиболее важных примесных ионов переходных металлов в
кварцевом стекле: 1 - Л/и; 2 - М; 3 - Cr; 4-V; 5- Со; 6 - Fe; 7 - Си при их кон-
центрации 1 ppb
Одной из важнейших примесей, существенно влияющих на оптические по-
тери в области длин волн 1,1...1,5 мкм, являются гидроксильные группы (ОН~).
Примесь ОН нежелательна, поскольку обертоны продольных колебаний (мак-
симум находится на длине волны 2,72 мкм) приводят к поглощению на длинах
волн 1,38, 1,24, 0,95, 0,75 мкм, и таким образом эти полосы налагаются на инте-
ресующую нас область пропускания света в стекле. В табл. 1.3 приведены обер-
тоны и комбинационные полосы в спектре поглощения гидроксильных групп
(ОН) в кварцевом стекле.
Присутствие в стекле гидроксильных групп на уровне ~ 1 ppm (1x1 О'4
масс. %) дает полосу поглощения на 1,38 мкм интенсивностью ~ 55 дБ/км. Это
означает, что для того, чтобы эта полоса не проявилась в стекле, необходимо
снизить концентрацию CW-групп до уровня ~ 10‘7 масс. %. Типичная спек-
тральная зависимость потерь в кварцевых ОВ приведена на рис. 1.15.
Таблица 1.3
Обертоны и комбинационные полосы в спектре поглощения
________гидроксильных групп в кварцевом стекле __
X, мкм Интенсивность поглощения, дБ/км Идентификация X, мкм Интенсивность поглощения, дБ/км Идентификация
1,38 2900 2vo 0,88 6,6 3vo+vi
1,24 150 2vo+vi 0,82 0,8 3vq+2vi
1,12 3,4 2vo+2v] 0,77 6,4 4v0
1,03 0,4 2vq+3vi 0,68 0,9 4vo-+vi
0,95 72 3v0 0,58 0,5 5v0
Примечания: vo - частота продольных колебаний ОН-групп; vj - частота колебаний связи Si-O.
1.15. Типичная спектральная зави-
симость полных потерь в
кварцевом ОВ
Для кварцевых ОВ характерны три окна прозрачности: первое в диапазо-
не длин волн 0,78...0,86 мкм, второе - 1,26...1,36 мкм и третье - в области
1,53...1,565 мкм.
Рекордные потери, сообщенные на Международной конференции FOC-
2002 и не превзойденные на сегодняшный день, составили для одномодового
ОВ с кварцевой сердцевиной и фторсиликатной светоотражающей оболочкой
величину 0,151 дБ/км, тем самым побив рекорд 1986 г., когда потери составля-
ли 0,154 дБ/км. В рекордном волокне потери складывались из следующих со-
ставляющих: рэлеевское рассеяние - 0,128 дБ/км, ИК-поглощение -
0,014 дБ/км, потери, обусловленные гидроксильными группами ОН -
0,004 дБ/км и несовершенствами ("серые" потери) - 0,004 дБ/км. Такие ОВ с
чисто кварцевой сердцевиной позволят увеличить расстояние между ретрансля-
торами на ~ 30 % по сравнению с одномодовыми ОВ, сердцевина которых ле-
гирована германием и которые имеют потери ~ 0,2 дБ/км.
1.3.2. Изгибные и микроизгибные потери
До сих пор мы рассматривали собственные потери, присущие ОВ, растя-
нутому в виде прямой линии. Однако при изгибе ОВ его потери начинают бы-
стро расти [3] при приближении радиуса петли к критическому радиусу, как это
видно из рис. 1.16 и нижеследующей формулы:
«изгиб =еХр(Я//?с), (1.9)
где Л - радиус изгиба;
Rc - критический радиус изгиба равный
Яс=—Ц- =—-—, (1.10)
(NA) 2пхЬп
где а - радиус сердцевины, мкм.
Диаметр петельки, мм
Рис. 1.16. Зависимость пропускания света от диаметра петельки (одиночной) в стандартном
одномодовом волокне (SM), измеренная на Х= 1,3 мкм [3]
Потери при изгибе волокна обусловлены двумя причинами. Во-первых,
потери возникают в месте соединения прямого и изогнутого волокна. Обуслов-
лены они тем, что в изогнутом волокне центр модового пятна смещен относи-
тельно оси волокна на некоторую величину d, зависящую от радиуса изгиба во-
локна. В результате модовые пятна прямого и изогнутого волокна в месте их
соединения оказываются смещенными друг относительно друга также на вели-
чину d (рис. 1.17). Поэтому только часть мощности моды "прямого" волокна
передается моде изогнутого волокна, а остальная мощность преобразуется в
оболочечные моды и, в конечном счете, теряется.
Рис. 1.17. Схема, поясняющая причину возникновения потерь при соединении прямого и
изогнутого волокна:
а - в изогнутом волокне центр модового пятна смещен относительно оси волокна
на некоторую величину d;
б —в месте соединения прямого и изогнутого волокон их модовые пятна w смеще-
ны относительно друг друга на величину d
w
б
Во-вторых, мощность теряется и непосредственно в изогнутом волокне.
Происходит это из-за того, что в изогнутом волокне периферийная часть моды
распространяется со скоростью больше скорости света, эта часть моды излуча-
ется в оболочку волокна и, в конечном счете, теряется (рис. 1.18). Величина
этих потерь тем выше, чем больше число витков изогнутого волокна и чем
меньше радиус его изгиба.
Излучение
Распределение
интенсивности
первой моды
Рис. 1.18. Схема, поясняющая возникновение
потерь в изогнутом волокне: 1 -
оболочка; 2 - сердцевина; 3 - плос-
кость фазового фронта; *- точка,
где скорость распространения фазо-
вого фронта превысила скорость
света в среде
Значительное увеличение потерь в ОВ может быть обусловлено наличием
микроизгибов, которые могут появиться, например, при многослойной намотке
волокна с мягкой защитной оболочкой на барабан с большим натяжением, ко-
гда волокно пересекает другие волокна, как это показано на рис. 1.19. При этом
возможен небольшой, но многократный изгиб оси волокно, что и вызывает до-
полнительные потери, о которых говорилось выше. Микроизгибы могут возни-
кать также и за счет усадки защитного покрытия после его полимеризации, т.к.
коэффициент линейного термического расширения (КЛТР) полимеров значи-
тельно больше КЛТР кварцевого стекла. Для устранения этого явления защит-
ное покрытие делают двухслойным: первичное — мягким, а вторичное - жест-
ким. Величина микроизгибных потерь пропорциональна отношению а4/&6, где
а - диаметр сердцевины, а b - диаметр волокна.
Рис. 1.19. Волоконный световод, соприкасающийся с шероховатой поверхностью (микроиз-
гибы)
Коэффициент затухания на рабочей длине волны, как важнейший пара-
метр, обязательно приводится в паспорте на каждый образец ОВ, при этом час-
то указывается и зависимость затухания от величины изгиба волокна и величи-
на усилия при многослойной намотке ОВ на транспортный барабан.
1.4. Дисперсия сигнала и способы ее уменьшения
Следующей важнейшей характеристикой ОВ, также определяющей длину
ретрансляционного участка, является дисперсия сигнала. Дисперсия - это рас-
сеяние во времени спектральных или модовых составляющих оптического сиг-
нала, которое приводит к увеличению длительности импульса оптического из-
лучения при распространении его по ОВ и определяется разностью квадратов
длительности импульсов (с) на выходе (т вых) и на входе (т вх) ОВ, т.е.
где твых и твх — определяются на уровне полувысоты амплитуды импульсов.
Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон ОВ, но и сущест-
венно снижает дальность передачи сигналов, т.к. чем длиннее линия, тем боль-
ше увеличение длительности импульсов. Дисперсия, в общем случае, определя-
ется тремя основными факторами:
- различие скоростей распространения направляющих мод;
- направляющими свойствами ОВ;
22
- параметры и свойства материала, из которого оно изготовлено.
В связи с этим основными причинами возникновения дисперсии:
- большое число мод в ОВ (межмодовая дисперсия);
- некогерентность источников излучении, реально работающих в системе
длин волн АХ (хроматическая дисперсия).
Межмодовая дисперсия преобладает в многомодовых ОВ и обусловлена
наличием большого числа мод, время распространения которых различно. Для
ОВ со ступенчатым профилем ПГТ скорость распространения электромагнит-
ных волн с длиной волны X одинакова и равна
F=-, (1.12)
пс
где с - скорость света в вакууме, равная 2,998* 108 м/с, а ис- ПП материала
сердцевины.
Лучи света, распространяющиеся по ОВ под разными углами, проходят
различный путь, как это видно из рис. 1.20, и приходят на выходной торец во-
локно за разное время.
Импульс
на выходе
Импульс
на входе
Рис. 1.20. Распространение излучения по многомодовым (а, 6} и одномодовому (в) ОВ: а - со
ступенчатым профилем ПП, б - с градиентным профилем ПП, в - по одномодово-
му ОВ; а: 1 - быстрый луч; 2 - медленный луч
Согласно законам геометрической оптики время распространения луча в
ОВ длиной L, со случайным профилем ПП и углом падения луча 0 определяет-
ся по формуле [1]
с
C-COS0
и тогда
/ - И / „ =-----£,
т1П С ШаХ С'СО80
и величина межмодовой дисперсии (тмм) будет
Z П~Пп n-L
т — t —t- =—п —5------- = ——
мм max mm с
С пс С
(1-14)
где Д - относительная разность ПП материалов сердцевины и оболочки равная
»с~«о
"с
(1.16)
и обычно выражается в процентах.
Согласно (1.15) величина межмодовой дисперсии должна линейно увели-
чиваться с ростом длины ОВ. Однако это справедливо только для идеального
ОВ, а в реальном ОВ из-за наличия различных несовершенств при достижении
определенной длины (Zi) происходит процесс преобразования мод, и тогда
имеем следующую зависимость, приведенную на рис. 1.21, где при Z > L\.
ММ
(1-17)
Длина установившейся связи мод (Zi) составляет 5-7 км для ОВ со ступенча-
тым профилем ПП, и 10-15 км для ОВ с градиентным профилем ПП.
Рис. 1.21. Длина взаимодействия мод в много-
модовом ОВ
В градиентном многомодовом ОВ (рис. 1.22) время распространения оп-
тических лучей определяется профилем ПП, который обычно записывается как
Z X И
«г =«с
где ис - ПП на оси сердцевины;
а - радиус сердцевины и г - текущее значение радиуса;
и - показатель степени, который близок к двум (рис. 1.23) и зависит от
материала сердцевины и рабочей длины волны.
Суть градиентного профиля ПП, используемого для уменьшения межмо-
довой дисперсии, заключается в том, что лучи, которые распространяются
вблизи оси ОВ, где более высокий ПП, проходят меньший путь, но и движутся
с меньшей скоростью (1.12). Напротив, лучи, распространяющиеся по более
протяженным траекториям, движутся в области с меньшим ПП, т. е. с большей
скоростью. Как видно из рис. 1.23 оптимальным является профиль ПП, близкий
к параболическому (т.е. и ~ 2). Применение градиентного профиля 1Ш позво-
лило на порядок и более уменьшить величину межмодовой дисперсии.
3
Рис. 1.23. Зависимость модовой дисперсии от
степенного показателя и в гради-
ентных ОВ
Волноводная дисперсия (внутримодовая), обусловлена процессами внут-
ри моды. Она характеризуется направляющими свойством сердцевины ОВ, а
именно: зависимостью групповой скорости моды от длины волны оптического
излучения, что приводит к различию скоростей распространения частотных со-
ставляющих излучаемого спектра. Поэтому волноводная дисперсия определя-
ется, в первую очередь, профилем ПП ОВ и прямопропорциональна ширине
спектра излучения источника (ДХ)
твм=ДХ-£.Б(Х), (1.19)
где 5(Х) - удельная волноводная (внутримодовая) дисперсия, с мкм-1м-1.
При отсутствии 2?(Х) оценка твов характеризуется выражением
где ДХ = 1-3 нм для лазера и 20-40 нм для светодиода на X = 0,85 мкм.
Материальная дисперсия обусловлена зависимостью ПП материала серд-
цевины от длины волны и поэтому различные длины волн распространяются с
разной скоростью (1.12). Например, для кварцевого стекла в области ~ 850 нм
более длинные волны двигаются быстрее коротких (И8бо>К85о),а в области
~ 1550 нм, наоборот, более длинные движутся медленнее, чем короткие, т. е.
(^шо^ибо)- Величина материальной дисперсии зависит также от диапазона
длин волн света, инжектируемого в волокно, и записывается как
л* с ак
(1.21)
где Л/(Х) - удельная материальная дисперсия, определяемая эксперименталь-
но. Совокупность волноводной и материальной дисперсии называют хромати-
ческой дисперсией, так как она зависит от длины волны.
Волноводная и материальная дисперсии могут иметь различные знаки,
как это видно из рис. 1.24, и, следовательно, частично компенсировать друг
друга. Длина волны, при которой дисперсия равна нулю, называется длиной
волны нулевой дисперсии (ДВНД). Для кварцевого стекла ДВНД лежит около
1,3 мкм, и может смещаться в длинноволновую область при увеличении разно-
сти ПП материалов сердцевины и оболочки (Ли) и длины волны отсечки одно-
модовых ОВ. Этот факт используется при создании одномодовых ОВ со сме-
щенной нулевой дисперсией в область X ~ 1,5 мкм, где кварцевые ОВ имеют
наименьшие потери. Дисперсионные характеристики различных ОВ приведены
в табл. 1.4.
Многие производители ОВ и ВОК не приводят в спецификации диспер-
сию в многомодовых ОВ. Вместо этого они указывают произведение ширины
полосы пропускания на длину, или просто полосу пропускания, выраженную в
мегагерцах на километр. Ширина полосы пропускания (широкополосность) -
это диапазон частот, которые могут пройти через ОВ без искажения. Полоса
пропускания в 400 МГц км означает возможность передачи сигнала в полосе
400 МГц на расстояние 1 км. Это также означает, что произведение максимальной
частоты сигнала на длину линии передачи может быть меньше или равно 400.
Рис. 1.24. Удельное значение дисперсии при различных длинах волн: 2?(Х) - волноводная и
Л/(Х) - материальная дисперсии
Таблица 1.4
Дисперсионные свойства различных ОВ
Дисперсия Причина дисперсии Многомодовое ОВ Одномодовое (AF=1...10 ГГц)
Ступенчатое (ЛГ=Ю...100МГц) Градиентное (ДГ= 100... 1000 МГц)
Межмодовая Разные моды приходят в раз- ное время (20...50) нс/км (1...4) нс/км Отсутствует
Волноводная Коэф, распро- странения зави- сит от частоты Малое значение дисперсии Малое значение дисперсии Взаимная компенсация
Материальная ПП зависит от частоты (2...5) нс/км (0,1...0,3) нс/км
Рис. 1.25. Зависимость длины передачи от ширины полосы пропускания для 400 МГцкм волокна
Другими словами, можно передавать сигнал более низкой частоты на
большее расстояние или более высокой частоты на меньшее расстояние, как
это видно из рис. 1.25 (например, сигнал 200 МГц - на расстояние 2 км, а
800 МГц всего на расстояние - 0,5 км). Рабочая полоса частот (полоса про-
пускания) ВОК определяет число передаваемых по нему каналов связи и ли-
митируется дисперсией ОВ.
2. СТЕКЛООБРАЗНОЕ СОСТОЯНИЕ И
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТЕКОЛ
2.1. Стеклообразное состояние и отличительные признаки стекол
Основные требования к материалам, используемым для изготовления ОВ,
следующие:
- эти материалы должны быть прозрачными в диапазоне рабочих длин
волн;
- они должны вытягиваться в виде тонких нитей;
- должны быть распространенными и относительно дешевыми.
Лучше всего этим требованиям отвечают стекла, и поэтому наибольшее
применение получили стеклянные ОВ на основе стекол: кварцевого, фторидно-
го, халькогенидного и т.д. На рис. 2.1 показаны спектральные диапазоны рабо-
ты ОВ, изготовленных из различных материалов.
i - 11 1 1 0,4 0,6 0,8 1 2 1 1 1 1 - - - 1 4 6 8 10 20 Длина волны, мкм
Рис. 2.1. Спектральные рабочие диапазоны ОВ, изготовленных из различных материалов:
1 - кварцевое стекло; 2 - фторидные стекла; 3 - халькогенидные стекла; 4 - поли-
мерные материалы; 5 - галогениды таллия, серебра и т. д.
Общепризнанно существование в природе трех агрегатных состояний
веществ: газообразное, жидкое и твердое. Иногда к четвертому состоянию от-
носят плазму. Вещества в твердом состоянии при обычной температуре и дав-
лении могут иметь кристаллическое или аморфное состояние. В природе наи-
более распространены кристаллические твердые вещества, для структуры кото-
рых характерен геометрически строгий порядок расположения частиц (атомов,
ионов) в трехмерном пространстве. Кристаллическое состояние является ста-
бильным при обычных условиях и характеризуется наиболее низкой внутрен-
ней энергией. Твердые кристаллические вещества имеют четкие геометриче-
ские формы, определенные температуры плавления, в большинстве случаев
проявляют анизотропию, т. е. их физические свойства (показатель преломле-
ния, теплопроводность, скорости роста и растворения и т. д.) неодинаковы в
различных направлениях.
Стеклообразное состояние вещества представляет собой аморфную раз-
новидность твердого состояния и является метастабильным [4], т. е. характери-
зуется избытком внутренней энергии. Пространственное расположение частиц
вещества, находящегося в стеклообразном состоянии, является неупорядочен-
ным, что подтверждается результатами рентгеноструктурных исследований.
Согласно законам химической термодинамики переход вещества из стек-
лообразного состояния в кристаллическое должен осуществляться самопроиз-
вольно, однако высокая вязкость твердых веществ делает невозможным поступа-
тельные движения частиц, направленное на перестройку структуры. В твердых
телах совершаются только колебательные движения относительно равновесия.
Согласно определению комиссии по терминологии АН СССР (1932 г.)
стеклом называются все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения
расплава независимо от их состава и температурной области затвердевания и
обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими
свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в
стеклообразное должен быть обратимым.
Все типы стекол независимо от их химического состава и температурной
области затвердевания обладают специфическими свойствами, которые отли-
чают их от кристаллов и жидкостей.
1. Стекла рентгеноаморфны вследствие неупорядоченного атомного
строения. В структуре стекла отсутствует дальний порядок, т. е. систематиче-
ская повторяемость элементарных объемов структуры, характерная для кри-
сталлических веществ.
Основной структурной единицей кварцевого стекла является кремнекис-
лородный тетраэдр (рис. 2.2), где атом кремния окружен четырьмя атомами ки-
слорода., расположенными симметрично в вершинах тетраэдра. Образование
группировки обусловлено координационными требованиями атомов кремния,
учитывающими соотношение геометрических размеров атомов. При соотноше-
нии ионных радиусов катиона и аниона (rijrj) в интервале 0,225-0,414 коорди-
национная группировка имеет тетраэдрическое расположение атомов. В SiOi -
r>Jra = 0,29. Геометрические размеры связей приведены на рис. 2.2.
29
\
О
• -Si °-О @ -Na
Рис. 2.2. Тетраэдрическая группировка (SiO*)-* (а) и схематическое изображение на плоско-
сти сочленения тетраэдров в структуре кристаллического (б) и стеклообразного
кварца (в), а также силикатного стекла (г)
Структура кварцевого стекла выполнена из тетраэдров [Л'О»]"4, соединен-
ных друг с другом вершинами через атомы кислорода. В результате образуется
непрерывный пространственный каркас, отличающийся от геометрически пра-
вильных решеток кристаллических модификаций кварца отсутствием дальнего
порядка. Тетраэдры [&О4]"4 не образуют в пространстве правильных сочленений
(рис. 2.2, в) в виде шестигранных колец, характерных для структуры высокотем-
пературного кристаболита, а структурная решетка стекла выглядит как искажен-
ная кристаллическая решетка. Искажение заключается в произвольном варьиро-
вании угла связи Si-O-Si между соседними тетраэдрами в структуре цикла с наи-
более вероятным значением »144°.
Группировка [S'/O*]"* имеет избыточный отрицательный заряд (-4), но
каркасная сетка из тетраэдров в целом электронейтральна, т. к. каждый атом О
связан с двумя атомами Si. В структуре кварцевого стекла все атомы О - мости-
новые. Структуры кристаллической и стеклообразной форм SiOi не являются
плотноупакованными, т. к. тетраэдры соединяются вершинами, а не ребрами и
гранями. Поэтому в кварцевом стекле имеются свободные полости, что обу-
славливает высокую газопроницаемость кварцевого стекла по сравнению с дру-
гими силикатными стеклами, в которых присутствуют оксиды щелочных и ще-
лочно-земельных металлов, располагающихся в области полостей (рис. 2.2, г).
Компоненты стекол, которые способны самостоятельно образовывать непре-
рывную структуру стекла, называются стеклообразователями. К ним относятся
SiOi, GeOz, PiO$, В2О3 и т. д. Компоненты стекла, не способные самостоятельно
образовывать непрерывную структурную сетку, называются модификаторами.
Это обычно оксиды элементов I и II групп периодической системы элементов
Д.И. Менделеева.
На рис. 2.3 показаны рентгенограммы кристаллического кварца (7), кри-
стобалита - высокотемпературной модификации кварца (2) и кварцевого стек-
ла 3. Из рисунка видно, что в отличие от кристаллических модификаций для
стеклообразного вещества наблюдается широкая диффузная полоса характер-
ная для аморфных структур (называемая «аморфное гало»). Периодическое
расположение частиц в структуре кристаллов на расстояниях d (нм), сопоста-
вимых с длиной волны рентгеновского излучения X (нм), обуславливает появ-
ление на ренгенограммах дифракционных максимумов под углами скольже-
ния 0, определяемыми из уравнения Вульфа-Брегга
«% = 2i/sm0, (2.1)
где п - порядок отражения. Отсутствие на рентгенограммах стекол интенсивно-
го рассеяния под малыми углами, характерного для газов или аморфных гелей с
размерами частиц 1-10 нм, свидетельствуют об однородном и непрерывном
строении стекол. Если ориентировочно определить межплоскостное расстояние,
соответствующее максимуму аморфного гало, то оно оказывается близким к ди-
фракционному максимуму кристобалита - 0,415 нм, что соответствует связи Si—О.
3
Рис. 23. Рентгенограммы: 1 - кристаллического кварца; 2 - кристобалита; 3 - кварцевого стекла
1
5
2. Стекла изотропны, если они однородны по составу, свободны от напряже-
ний и дефектов. Изотропия свойств стекол, как и других аморфных средств, обу-
словлена отсутствием направленной в пространстве ориентации частиц.
3. Стекла не имеют определенной температуры затвердевания или плав-
ления. Оба эти процесса происходят постепенно в некотором температурном
интервале. При охлаждении расплав переходит из жидкого в пластическое со-
стояние, и только затем в твердое (процесс стеклования). Наоборот, при нагре-
вании стекло переходит из твердого в пластическое состояние, а при более вы-
сокой температуре - в жидкое (размягчение стекла). Температурный интервал,
в котором происходит процесс стеклования или обратный ему процесс размяг-
чения, называется интервалом стеклования и ограничен двумя температурами:
со стороны высоких температур - 7} в немецкоязычной литературе (от слова
flussig - жидкий) или Ts в англоязычной литературе (от слова "soft" - мягкий),
со стороны низких температур -Tg (от слова "glass" - стекло). При Tg стекло об-
ладает свойствами твердого упругого тела с хрупким разрушением, а темпера-
тура Tf(Ts) - это граница пластического или жидкого состояния и при 7/удается
вытягивать из стекломассы тонкие нити.
Процессы размягчения стекла или затвердения стекломассы являются од-
нофазными, в отличие от плавления кристаллических веществ или кристалли-
зации расплавов. При размягчении стекла в интервале стеклования отсутствует
жидкая фаза.
Свойства стекол по характеру изменения в интервале стеклования делятся
на три группы (рис. 2.4):
- свойства (Р), характеризующие функцию состояния вещества (внутренняя
энергия Е, мольный объем V, энтальпия Н, энтропия S) и кинетические свойства
(вязкость т|, удельное сопротивление р), которые меняются постепенно с ростом Т;
t
£
Рис. 2.4. Зависимости свойств стекол
от температуры: 1 -
Р(£,РЛДч,р); 2 - dP/dT
(КЛТР,С); 3 - JPIdf (а,е)
- свойства, представляющие первую производную по температуре (dP/dT)
от свойств первой группы (КЛТР, теплоемкость С), имеют точку перегиба при Tw\
- свойства (теплопроводность а, диэлектрические потери е), которые яв-
ляются вторыми производными cfp/dl2 и имеют экстремальные значения при Tw.
Характер изменения свойств стекол при нагревании существенно отличается от
температурных зависимостей расплавов кристаллических веществ, которые
имеют резкое скачкообразное изменение при Тт, как это видно на рис. 2.5.
Рис. 2.5. Зависимость температуры образца
от времени повышения температуры
нагрева: 1 - для кристаллов; 2 - для
стекол
Температуры Ts и Tf принадлежат к числу характеристических точек на
температурной кривой вязкости. Tg соответствует вязкости стекломассы, рав-
ной Ю12,3 Па с (или 1013,3 П); a Tf- вязкости 108 Па с (или 107,6 П). Для кварцево-
го стекла Tg «1100 °C и Tf «1600 °C. При вязкости более 1012’3 4 5 * * (< Ts) стекло
представляет собой твердое хрупкое тело, а при Т> Tf стекломасса находится в
расплавленном состоянии.
4. Свойства стекол зависят от скорости переохлаждения (или нагревания).
При малой скорости охлаждения при достижении Гкр происходит кристаллиза-
ция расплава. При высокой скорости переохлаждения расплав может миновать
Tgp без кристаллизации и находиться в «метастабильном» состоянии «переох-
лажденной жидкости». При нагревании стекло стремится перейти в термодина-
мически устойчивое состояние, что может быть достигнуто в результате фазо-
вого разделения. Фазовое разделение может осуществляться путем кристалли-
зации или ликвации стекол. Вследствие высокой вязкости стекломассы процес-
сы фазового разделения не достигают полного завершения, и обычно сущест-
вуют две фазы:
- при кристаллизации - кристаллической и стекловидной;
- при ликвации - две стекловидные с различными соединениями компонентов.
5. Стекла расплавляются и отвердевают обратимо.
Механизм кристаллизации при переохлаждении расплава включает 2 ста-
дии: образование центров (ОЦ) кристаллизации (зародышей) и рост кристаллов
(РК) на них. Центры кристаллизации - это микрочастицы с упорядоченным по-
рядком и структурой, которые могут зарождаться гомогенно в результате ло-
кальных флуктуаций состава и структуры. Гетерогенная кристаллизация проис-
ходит на примесных центрах инородной фазы. Скорости ОЦ и РК зависят от
температуры (или переохлаждения), и максимумы этих зависимостей могут не
совпадать, как это видно из рис. 2.6.
Рис. 2.6. Скорость образования центров кристаллизации (СОЦ) и скорости роста кристаллов
(СРК) как функция степени переохлаждения вязкого расплава
Стеклообразное состояние более устойчивое для систем, у которых эти
максимумы раздвинуты широко и малы по величине. Выявлено для двойных,
тройных и более сложных расплавов, что чем больше количество стеклообразо-
вателя (высоковязкого компонента), тем сильнее выражена склонность системы
к стеклообразованию. Вязкость некоторых веществ, в том числе стеклообразова-
телей, приведена в табл. 2.1, из которой видно, что все стеклообразователи, на-
ходящиеся в правой части таблицы, имеют высокую вязкость, в то время как, на-
пример, переохлажденная вода остается маловязкой жидкостью.
Таблица 2.1
Вязкость некоторых веществ при температурах плавления
Вещество Температура плавления, С Вязкость, П Вещество Температура плавления, °C Вязкость, П
Na 98 0,01 SiO2 1 710 107'7
Fe 1 535 0,07 GeO2 1 115 105’4
Н2О 0 0,02 В2О3 450 ю5
AhO3 2 050 0,6 AS2O3 309 106
LiCl 613 0,02 BeF2 540 106
2.2. Основные физико-химические свойства стекол
2.2.1. Вязкость
Вязкость - это свойство жидкостей оказывать сопротивление перемеще-
нию одной части жидкости относительно другой. Согласно постулату Ньютона
сила F, необходимая для поддержания постоянной разницы скоростей между
двумя движущимися параллельно слоями жидкости, равна
„ dV
(2.2)
где г] - динамическая вязкость, Па с;
S - площадь поверхности раздела, м2;
dV
-----градиент скорости, т. е. изменение скорости на единицу расстоя-
dx
ния. Кроме динамической вязкости существует понятие кинематической вязко-
сти (стокс = 10"4 м2/с), которая записывается как
v = —, (2.3)
Р
где р - плотность, кг/м3.
Скорость течения жидкостей, подчиняющихся закону Ньютона (ньюто-
новские или нормальные жидкости), пропорциональна давлению, и при лами-
нарном потоке pt - const, т. е. вязкость ньютоновских жидкостей не зависит от
давления, оказываемого на жидкость. Для коллоидных растворов и суспензий р
уменьшается с ростом давления, что обусловлено связями между дисперсными
частицами.
Изменения вязкости нормальных жидкостей от температуры выражается
уравнением Френкеля — Андраде
ц = А х ехр
ч
(2.4)
где Un - энергия активации процесса течения, ккал моль"1;
R - универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж моль^ ТС1 = 1,987
ккал моль -К”1. Величина энергии активации отражает силу взаимодействия
между атомами и определяется работой, которую надо затратить атому, чтобы
перейти из одного положения в другое. В отличие от кристаллических тел в
стеклах энергия активации не является постоянной величиной, а изменяется с
изменением температуры стекла, как это видно из табл. 2.2.
Согласно теории Мюллера факт изменения энергии активации от темпе-
ратуры для стекол объясняется тем, что при течении вязких расплавов проис-
ходит не разрыв ковалентной связи (например, Si-О, В-О), а их переключение
(трансляция), т. е. они имеют как бы шарнирный характер.
Таблица 2.2
Изменение энергии активации кварцевого и боратного стекол
B2O3 SiO2
Температура, °C Энергия активации, ккал/моль Температура, °C Энергия активации, ккал/моль
260 83 1 300... 1 450 170+8
315 64 1 720...2 000 151±10
450 40 1 025...2 060 134±9
500 38 1 935...2 320 89±21
600 30
В узком интервале температур зависимость вязкости от температуры
обычно записывают как
, . В
lgn = ^+-,
(2.5)
где А и В - некие постоянные величины для каждого стекла. Отжиг заготовок
происходит вблизи Tg, (где Igr] = 13,3 П), а вытяжка волокна в области Tf (где
lgr| = 7,6 П). Вязкость стекла значительно зависит от его состава. Для примера,
на рис. 2.7 приведены зависимости температуры размягчения кварцевого стекла
при его легировании рядом компонентов, которые наиболее широко использу-
ются при изготовлении кварцевых ОВ.
Рис. 2.7. Зависимости температуры
размягчения легирован-
ного кварцевого стекла в
зависимости от его со-
става и концентрации
легирующих компонен-
тов: 1 - SiOyGeOi; 2 -
SiOyPiOs, 3-S102-B203
Из рис. 2.7 видно, что при увеличении концентрации примесей во всех случаях
наблюдается уменьшение температуры размягчения (т.е. вязкости стекла), при-
чем легирование P2Os или В2О3 влияет на вязкость стекла сильнее, чем GeO2.
Это объясняется тем, что при легировании GeO2 он встраивается в решетку
Л‘(?2, а при легировании Р2О$ и В2О3, связи нарушаются, ослабевают и вязкость
падает.
2.2.2. Поверхностное натяжение
Поверхностное натяжение расплавов и твердых тел определяет действие
межмолекулярных сил на частицы поверхности слоя среды. Мерой поверхност-
ного натяжения в (Дж/м2 или Н/м) является работа А, которую необходимо за-
тратить на образование единицы поверхности среды S', т.е.
ст = A/S.
(2.6)
Действие поверхностного натяжения направлено на уменьшение площади
поверхности. Для промышленных стекол ст = 0,159...0,470 Н/м, а для кварцевого
стекла составляет ~ 0,4 Н/м. Поверхностное натяжение мало зависит от темпе-
ратуры.
2.2.3. Показатель преломления
Способность стекла преломлять падающий на него свет принято характе-
ризовать посредством показателя преломления (ПП) для прямого луча, испус-
каемого либо парами натрия (1=5 893 А), либо светящимся в гейслеровой
трубке гелием (1 = 5 875Л). Как было показано выше (уравнение 1.12), ПП ха-
рактеризует также скорость распространения света в материале по отношению
к скорости света в вакууме. Для чистого кварцевого стекла принято считать ПП
в ближней ИК-области при комнатной температуре равным п = 1,458.
2.2.4. Термическое расширение
Термическое расширение оценивается коэффициентами линейного тер-
мического расширения (КЛТР, КГ1), которые рассчитываются по формуле
1 dl 1 AZ
аг=-----или алт =-----. (2.7)
т I dT &т ILT
КЛТР сильно зависят от состава стекла. Поэтому при выборе конструкции ОВ
необходимо учитывать КЛТР оболочки и сердцевины с тем, чтобы не допус-
тить сильных напряжений на границе между ними, ибо эти напряжения могут
привести к разрушению ОВ.
2.3. Кварцевое стекло, основные методы его получения
и свойства
ОВ на основе кварцевого стекла получили в настоящее время наибольшее
распространение. Это связано с тем, что:
- кварцевое стекло является моносоединением и обладает большой хими-
ческой устойчивостью и высокой механической прочностью;
- соединения, из которых может быть получено кварцевое стекло широко
распространены (это песок, горный хрусталь и т. д.);
- разработана технология получения высокочистых соединений кремния
(прежде всего тетрахлорида кремния и тетраэтоксисилана), на основе которых
может быть получено кварцевое стекло очень высокой степени чистоты.
Структуру кварцевого стекла подробно рассматривали в разделе 2.1.1,
поэтому здесь остановимся на исходных материалах и методах получения
кварцевого стекла, которые определяют содержание в нем примесей. Исходны-
ми материалами для получения кварцевого стекла являются: природные виды
кварца (горный хрусталь и его разновидности, жильный кварц и т. д.); искусст-
венные кристаллы кварца, выращенные гидротермальным способом в автокла-
вах; тетрахлорид кремния. При использовании природного кварца и искусст-
венных кристаллов их дробят, промывают в смеси кислот HCl+HNOj и в воде,
где с поверхности удаляются неорганические загрязнения, а сама двуокись
кремния не растворима в этих кислотах. Полученную крупку перебирают, уда-
ляя частицы, содержащие различные включения, после чего наплавляют в бло-
ки. Используют следующие методы наплава:
1. Электротермический наплав крупки в атмосфере Н2',
2. Газопламенный наплав в пламени О^-Нг горелки;
3. Электротермический наплав крупки в вакууме;
4. Парофазный гидролиз SiClt в пламени О2-Н2 горелки,
5. Окисление S1CI4 в кислородной ВЧ-плазме.
В табл. 2.3 приведено содержание примесей переходных металлов и гид-
роксильных групп в кварцевом стекле опорных труб, полученном вышеуказан-
ными методами [5].
Таблица 2.3
Содержание примесей переходных металлов и гидроксильных групп
в трубах из кварцевого стекла, полученного вышеуказанными методами [5]
Метод получения Содержание примесей масс. %
Fe Сг Ni Мп Си Со ОН
1 2 кг4 4-10"* 510'5 6-10“* 5-10’5 310“* 2-10“2
2 410"5 3-1 О'* 4-10“* 2-10“* 4-10“* <2-10’7 3,5-10“2
3 8-10"5 5-1 О'* 510“* 110“* 310“* <2-10"7 2-1 О'4
4 1-10-5 <34(Г* 3-10“* 110“* 5-10“* <2-10“* 1,2-10“'
5 2-Ю'5 3-10* <1-10'* 110“* 3-10“7 <2-10“7 210"*
б ЗЮ-5 3-ю-* <1-10“7 9-10“7 <1-10“7 <210'7 1,5-10“*
Примечание: в строке 6 приведены данные для труб "Suprasi! F-ЗОО" фирмы "Heraeus", полу-
ченных из заготовок, произведенных методом OVD.
Видно, что содержание примесей переходных металлов значительно вы-
ше в первых трех типах труб по сравнению со стеклом, полученным из SiCL^ а
концентрация ОН-грушт ниже в стеклах, полученных наплавом в вакууме или в
ВЧ-плазме.
На рис. 2.8 приведены типичные спектральные зависимости потерь в ОВ,
при изготовлении которых (в ИХВВ РАН) германосиликатная сердцевина фор-
мировалась методом MCVD, а отражающей оболочкой служил материал квар-
цевых труб, соответствующих нумерации табл. 2.3. Видно, что в образцах 1 и 3,
характеризующихся большой концентрацией Fe, Сг, Мп, потери больше в
ближнем ИК- диапазоне, а большие потери на К = 1,38 мкм характерны для сте-
кол, при изготовлении которых применялся Н2 (образцы 1, 2, 4). Особняком
стоит стекло "Suprasil F-ЗОО", имеющее наименьшую концентрацию примесей
переходных металлов и гидроксильных групп. Поэтому эти трубы широко ис-
пользуются во всем мире для получения ОВ с минимальными потерями.
а, Дб/км
Рис. 2.8. Спектральные зависимости оптических потерь в ОВ с германосиликатной сердце-
виной и светоотражающей оболочкой из кварцевого стекла, полученного различны-
ми технологиями: I - электротермический наплав в Hi', 2 - газопламенный наплав;
3 - электротермический наплав в вакууме; 4 - парофазный гидролиз
По светопропусканию кварцевые стекла делят на КУ, КВ, КИ, КУВИ, от-
личающиеся составом и концентрацией примесей. Стекла КУ предназначены
для работы в УФ-диапазоне спектра и содержат большое количества ОЯ-групп
(до ~ 0,1 масс. %). Стекла КВ предназначены для работы в видимой области
спектра, КИ - для инфракрасной области, и поэтому последние содержат малое
количество гидроксильных ионов. Для примера на рис. 2.9 приведены спек-
тральные зависимости коэффициента пропускания для стекол КУ и КИ.
Существуют два основных способа производства кварцевых труб:
- одностадийный, когда крупка или блок стекла поступает в молибдено-
вую печь, снизу которой установлены пуассон и дуза, которые определяют на-
ружный и внутренний диаметры трубки;
- двухстадийный, при котором сначала наплавляют блок стекла, затем его
обрабатывают механически, протыкая блок и затем шлифуя его внутреннюю и
наружную поверхности таким образом, чтобы получить необходимое соотно-
шение внутреннего и наружного диаметров в трубке. После механической об-
работки блок перетягивают в трубы в графитовой печи методом подобия.
39
Марка КУ-1
Длина волны X, нм
Рис. 2.9. Спектральные зависимости коэффициента пропускания кварцевых стекол марки
КУ-1иКИ
Первый метод более прост, обеспечивает непрерывный процесс вытяжки
труб и их относительно хорошую геометрию. Недостатком метода является за-
грязнение труб молибденом, в результате чего прочность ОВ резко снижается.
Сейчас трубки, полученные этим способом, для производства заготовок ОВ не
используются. Преимущество второго способа состоит в том, что блок стекла
не Контактирует с элементами печи и не подвергается загрязнению. Кроме того
этот способ позволяет получать трубы очень хорошей геометрии, Например,
трубы фирмы "Heraeus" 20x2 мм имеют среднестатистическое отклонение на-
ружного диаметра не более 0,08 мм, толщины стенки - не более 0,02 мм, разно-
толщинность и овальность - не более 0,01 мм и т. д. Основные свойства квар-
цевого стекла приведены в табл. 2.4.
Таблица 2.4
Основные свойства кварцевого стекла
Свойство Значение
Плотность, г/см3 2,20
Показатель преломления 1,458
Коэффициент линейного термического расширения, К" 5,7х10'7
Теплоемкость, кал/(г-°С) 0,177
Теплопроводность, кал/(с-см*°С) 0,0033
Микротвердость, кг/мм2 703
Прочность, кг/мм^: стержней волокон 7 1200
Свойства кварцевого стекла можно менять путем его легирования. Так, на
рис. 2.10 приведены зависимости ПП кварцевого стекла от концентрации раз-
личных легирующих компонентов, применяемых при получении заготовок ОВ.
Видно, что имеются только два компонента, которые уменьшают ПП кварцево-
го стекла (В2^з и F), и потому их часто используют для формирования светоот-
ражающей оболочки. Остальные примеси увеличивают ПП кварцевого стекла и
потому их обычно используют для формирования световедущей сердцевины
(особенно GeOi и РгО$).
Рис. 2.10. Зависимости показателя преломления кварцевого стекла от концентрации леги-
рующих компонентов
Рис. 2.11. Зависимости КЛТР кварцевого
стекла от концентрации леги-
рующих компонентов:
1 — GeOi', 2 — В2О3
Легирование кварцевого стекла изменяет также и вязкость стекла (рис. 2.7)
и КЛТР, как это видно из рис. 2.11. Введение В2О3 вызывает значительно боль-
шее изменение КЛТР, чем GeO2, что используется при получении заготовок ОВ,
сохраняющих поляризацию излучения. Таким образом, варьируя состав кварце-
вого стекла и концентрацию легирующих компонентов можно изменять свойства
кварцевого стекла и получать ОВ различного типа и назначения.
3. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК
КВАРЦЕВЫХ ОВ
Процесс изготовления кварцевых ОВ состоит из двух стадий: получение
заготовки-преформы (preform) и вытяжка из нее волокна. В настоящее время
для получения кварцевых заготовок как многомодовых, так и одномодовых ОВ
(МОВ и ООВ) с предельно малыми потерями (~ 0,2 дБ/км на X = 1,55 мкм) и
широкой полосой пропускания (> 1 ГГц км), во всех промышленно развитых
странах мира наибольшее распространение получили парофазные методы,
сущность которых заключается в окислении или гидролизе паров четыреххло-
ристого кремния и галогенидов легирующих компонентов (GeC/4, BBr3, POCI3).
Преимущество данных методов состоит в возможности получения чистой или
легированной двуокиси кремния, содержащей примеси «красящих» металлов
(Ге, Си, Мп, Со, Cr, Ni) на уровне < 10-7 масс. %, что практически исключает
потери, связанные с поглощением света в диапазоне 0,63... 1,55 мкм. Получение
столь чистых оксидов обусловлено в значительной степени как использованием
особо чистых исходных галогенидов (в которых концентрация примесей указан-
ных металлов находится на уровне 10-7... 10-8масс. %, а водородсодержащих со-
единений на уровне КГ4... 10-7масс. %), так и дополнительной очисткой, проис-
ходящей при их испарении, поскольку галогениды «красящих» металлов имеют
значительно более высокую температуру кипения, чем вышеуказанные галоге-
ниды, и, соответственно, более низкое давление насыщенных паров при рабочей
температуре барботеров. В табл. 3.1 приведены свойства исходных материалов,
наиболее часто используемых для получения заготовок кварцевых ОВ.
Таблица 3.1
Свойства исходных материалов, используемых для получения
заготовок кварцевых ОВ
Вещество Ткипл °C Плотность г/см3 Содержание примесей
Переход, металлы, масс. % Н-содер. примеси, масс % Взвешен, частицы, см~3
SiCh 57,0 1,48 < 1,10“8 < 1.10-6 <103
СеСЦ 83,1 1,87 < 2,10’8 3,10"* <103
POCh 75.2 1,56 < 3,10-7 3,10'7 <103
ВВгз 90.9 2,65 < 5,10-7 3,107 <103
c2f3ci3 47,6 1,51 < 4,10-* < 1,1с4 <103
SiF< -65,0 1,59 1,10"* 1Л0-4 <103
Парофазные методы получения заготовок ОВ по характеру образования и
осаждения образующихся оксидов кремния и легирующих компонентов под-
разделяются следующим образом:
- метод внутреннего парофазного осаждения (модифицированное хими-
ческое парофазное осаждение - MCVD - modified chemical vapor deposition);
- метод внешнего парофазного осаждения (OVD - outside vapor deposition);
- метод парофазного осевого осаждения (VAD - vapor axial deposition);
- плазмохимические методы (PMCVD, PCVD и т. д.).
На рис. 3.1 показано мировое производство ОВ в 2002 г. с применением
вышеуказанных методов. Видно, что наибольшее количество волокна было
произведено методом VAD, затем - MCVD и далее - ОКО-технологией. Осталь-
ными методами произведено 15 % ОВ.
Рис. 3.1 Мировое производство оптиче-
ского волокна в 2002 году с
применением различных техно-
логических процессов: 1 -
MCVD-, 2 - VAD- 3 - OVD; 4 -
другие методы
43
3.1. Метод модифицированного химического парофазного осаж-
дения (MCVD)
Суть метода видна из рис. 3.2. В опорную кварцевую трубку подают пары
четыреххлористого кремния (ВгСЦ) и галогенидов легирующих компонентов
(ОеСЦ, ВВг2, РОСЦ и т. д.), а также очищенный и осушенный кислород. В зоне
нагрева трубки кислородно-водородной горелкой, перемещающейся вдоль
трубки с заданной скоростью, происходит окисление галогенидов с образова-
нием оксидов кремния и легирующих компонентов.
sssssssx
SiCl,
GeCL
POCl,
J
г
Рис. 3.2. Схема процесса получения заготовки
методом MCVD: а - химическое об-
разование и осаждение оксидов; б—
сжатие трубки; в - «схлопывание»
трубчатой заготовки в стержень
Частицы этих оксидов осаждаются за счет термофореза на внутреннюю
поверхность опорной трубки перед горелкой и проплавляются ею с образова-
нием прозрачных стеклообразных слоев (рис. 3.2, а). Путем последовательного
изменения состава исходной парогазовой смеси (ПГС) можно осаждать слои
различного состава, причем во время каждого прохода горелки вдоль трубки
состав ПГС остается постоянным, а изменение его происходит во время воз-
вращения горелки к началу трубки. После осаждения слоев светоотражающей
оболочки и сердцевины температура нагрева трубки увеличивается (до
~ 2 000 °C) и силами поверхностного натяжения трубка сжимается до меньшего
диаметра (рис. 3.2, б). Когда внутренний диаметр становится малым (обычно
2...5 мм в зависимости от состава стекол оболочки и сердцевины), то трубка
"схлопывается" в сплошной стержень-заготовку при медленном движении го-
релки от конца к началу (рис. 3.2, в). В этой заготовке осажденные слои форми-
руют светоотражающую оболочку и сердцевину.
Схема установки MCVD приведена на рис. 3.3. Эта установка состоит из
следующих основных элементов:
- блок очистки и осушки несущего газа - кислорода. Этот блок включает
в себя платиновый катализатор для окисления водородсодержащих соединений
в кислороде и колонки с цеолитом для поглощения паров воды (до точки росы
менее - 70 °C):
- химический блок, в котором размещены регуляторы расхода несущего
газа (Ог) и ванна с термостатируемыми барботерами и в котором формируется
исходная парогазовая смесь (ПГС). В барботеры залиты легкокипящие SiClt, и
галогениды легирующих компонентов. Скорость поступления каждого вещест-
ва определяется температурой ванны и потоком О2 через соответствующий
барботер;
Рис. 3.3. Функциональная схема установки MCVD: а — система осушки, 6 — блок подготовки
ПГС, в - тепломеханический станок, г - колонна нейтрализации продуктов реакции,
1 — опорная кварцевая труба; 2 — кислородно-водородная горелка; 3 - концевые пе-
реключатели; 4 - регуляторы расхода газа; 5 - дозаторы барботажного типа
- тепломеханический станок, в патронах которого закреплена опорная
кварцевая трубка, вращающаяся с регулируемой скоростью. На суппорте станка
установлены кислородно-водородная горелка и ИК-пирометр, измеряющий
температуру нагрева трубки в зоне горелки. Скорость перемещения горелки в
"прямом" и "обратном" направлениях ("прямое" направление совпадает с на-
правлением движения ПГС в трубке) также регулируется, а изменение направ-
ления движения горелки происходит, когда суппорт достигает концевых пере-
ключателей;
- скруббера, который включает в себя бак для сбора порошкообразных
оксидов, не осевших внутри трубы, и колонну нейтрализации газообразных
продуктов (хлор и другие) с помощью слабощелочного раствора.
С физико-химической точки зрения процесс MCVD включает в себя
[6]: протекание химических реакций окисления исходных галогенидов, пе-
ренос и осаждение окисных продуктов на стенки опорной кварцевой трубки,
проплавление осевших порошкообразных слоев, сжатие трубки в штабик-
заготовку и устранение возможности загрязнения осаждаемых слоев гидро-
ксильными ионами, которые вызывают резкое увеличение потерь на длинах
волн 0,95 и 1,38 мкм. Ниже рассмотрены указанные процессы.
3.1.1. Окисление паров галогенидов
В зоне высокотемпературного нагрева кварцевой трубки происходят
реакции окисления галогенидов кремния и легирующих компонентов, кото-
рые суммарно могут быть записаны как
SiCli)r + (?2 ~ + 2C12t‘j
GeCh r + Qj= GeOiT^-ICli г;
(ЗЛ)
(3.2)
4РОСЦ г + 3O2 = 2Р2О5та,г + 6C/2 r; (3.3)
4ВВг3г + ЗО2=2ВДждв + 6>2г. (3.4)
Исследование скорости осаждения, состава и морфологии слоев Л’<?2,
SiOz-P2O5 и 51О2~Ё2Оз в зависимости от различных параметров (температуры
осаждения, концентрации и состава исходных галогенидов, потока кислорода
и т. д.) в условиях стационарной печи и перемещающейся горелки показало,
что:
- при относительно невысоких температурах (< 1250 °C), больших пото-
ках несущего газа ц малых концентрациях исходных веществ имеет место гете-
рогенное осаждение, приводящее к образованию прозрачных стеклообразных
слоев. Энергия активации процесса гетерогенного осаждения чистой SiOi со-
ставляет 31 ± 5 ккад/моль, a SiOyPiOs - 25 ± 2 ккал/моль;
- при более Высоких температурах (> 1250 °C) и больших концентрациях
исходных веществ происходит гомогенное образование частиц чистого или ле-
гированного кварцевого стекла, образующих на поверхности трубки или под-
ложках рыхлые порошкообразные слои. Энергия активации этого процесса для
SiO2 составляет 115 ± 20 ккал/моль.
В настоящее время процесс MCVD проводят в условиях гомогенного об-
разования S1O2, которое характеризуется большей эффективностью и большей
скоростью образования SiO2 (т. е. позволяет осаждать более толстые слои за то
же время).
Изучение кинетики процессов окисления SiCl4, РОСЦ, ВВг3,СеСЦ, пока-
зало, что при высоких температурах, характерных для процесса MCVD
(> 1 300 С = 1 573 К), первые три галогенида окисляются практически полно-
стью, в то время как СеСЦ только частично переходит в (7еО2. Это иллюстриру-
ет рис. 3.4, где приведены зависимости давления паров выходящих галогенидов
от температуры горячей зоны кварцевой трубки.
Эти результаты находятся в хорошем соответствии с данными термоди-
намических расчетов констант равновесия (Кр) реакций 3.1-3.4, которые пока-
зывают, что в области рабочих температур MCVD (1 400-1 900 °C) реакции 3.1,
3.3 и 3.4 практически сдвинуты вправо (например, Крзл при Т= 1 800 К состав-
ляет ~ 610 ). Однако для реакции 3.2 константа равновесия, которая определя-
ется как
9
р2
K«-2 = p—<3-5)
rGeClA А ГО2
составляет 0,36 при Т = 1 600 К и 0,24 при Т = 1 800 К (РС1г, , Р^ - парци-
альные давления соответствующих компонентов). Это означает, что только
часть СеСЦ превращается в GeO2 (см. рис. 3.4). Кроме того при увеличении
концентрации С/2 реакция (3.2) будет смещаться влево. Этим объясняется тот
факт, что при совместном окислении СеСЦ и SiCl4 концентрация GeO2 в SiO2
уменьшается по мере увеличения содержания SiCl4 в ПГС.
Рис. 3.4. Зависимость дав-
ления паров выхо-
дящих галогени-
дов в процессе
MCVD от темпера-
туры горячей зоны
трубки: 1 - SiCk-, 2
- GeCl4; 3 - POCh;
4 - SiiOCl(,- Скоро-
сти поступления ис-
ходных реагентов:
SiCk - 0,5 г/мин,
GeCl4 - 0,05 г/мин,
РОС1з- 0,016 г/мин,
Ог - 1 540 см3/мин,
кварцевая трубка с
наружным диамет-
ром 25 мм и толщи-
ной стенки 3 мм
Другим важный легирующим компонентом, широко используемым в на-
стоящее время при изготовлении светоотражающей оболочки ОВ, является
фтор. Это связано с тем, что при длинах волн более 1,3 мкм, как указывалось
выше, возрастают дополнительные потери в случае легирования кварцевого
стекла окисью бора из-за собственного поглощения, вызываемого связью В-О.
В качестве исходных реагентов обычно используется фреон-12 (CCl-iF^}, фре-
он-113 (C2CZ3F3), а также SF& и SiF4. Указанные фторные соединения в конеч-
ном счете приводят к образованию SiF4, который взаимодействует с SiOz по
реакции
SiF4 + 3SiOi тв = 45'z(?i>5Ftb (3.6)
т. е. зависимость концентрации фтора в стекле от концентрации SiF4 в ПГС
должна быть в степени %. Действительно, из рис. 3.5 видно, что зависимость
изменения ПП фторсиликатного стекла, который пропорционален содержанию
фтора в стекле, от [/дач]1/4 имеет линейный характер.
Недостатком первых трех фторагентов является тот факт, что на образо-
вание SiF4 (наиболее прочного газообразного химического соединения крем-
ния, которое выносится из опорной трубки) тратится часть исходного тетрахло-
рида кремния. Это приводит к уменьшению скорости образования и осаждения
Рис. 3.5. Зависимость относительного изменения показателя преломления кварцевого
стекла, легированного фтором, от парциального давления SiFt в ПГС:
- - теоретическая кривая; • - экспериментальные результаты
S1O2. Таким образом, увеличение концентрации фторагента в ПГС вызывает, с од-
ной стороны, рост концентрации фтора в стекле (соответственно уменьшение ПП
фторсиликатного стекла), с другой стороны, уменьшение скорости осаждения ди-
оксида кремния вплоть до прекращения осаждения. Поэтому при использовании
фреонов максимальное уменьшение ПП кварцевого стекла, которое можно полу-
чить, составляет == -3,510, а при использовании SF6 ~ -510-3. При использова-
нии в качестве фторагента S1F4 уменьшения концентрации в ПГС SiCk не проис-
ходит, и в этом случае удается получить величину = -(9-Н 0)х 10'3.
3.1.2. Осаждение оксидов
Частицы оксидов, образующиеся в зоне нагрева трубки в результате го-
могенных реакций окисления галогенидов, коагулируют во время прохождения
через горячую зону за счет броуновского соударения, при этом размер частиц
увеличивается от нескольких ангстрем до ~ 0,2 мкм. В дальнейшем эти частицы
осаждаются на стенки трубки в результате термофореза.
Сущность термофореза заключается в том, что в поле с температурным
градиентом движущаяся частица подвергается соударению молекул, средняя
скорость которых со стороны более высокой температуры выше, чем со сторо-
ны более низкой температуры. Под действием этих соударений частица дви-
» жегся в направлении уменьшения температуры. Температура стенок трубки в
зоне нагрева выше, чем в центре в связи с расположением горелки снаружи
трубки. Поэтому первоначально частицы движутся к центру трубки (рис. 3.6).
Однако в дальнейшем температура стенок уменьшается быстрее, чем темпера-
тура в центре трубки, и частицы начинают двигаться в сторону стенки трубки и
осаждаться на ней. Траектории частиц в температурном поле трубки приведены
на рис. 3.6.
48
Расстояние, см
Рис. 3.6. Траектория частиц окислов под действием температурного поля в опорной
трубке с радиусом R
Эффективность осаждения за счет термофореза описывается сле-
дующим уравнением:
Е ~ 0,8(1 - Те/Треак), (3.7)
где Те - температура приповерхностного потока, при которой внутренняя
стенка и газ находятся в термическом равновесии, и Треак - температура, при
которой происходит химическая реакция образования частиц окислов. Значе-
ние Те сильно зависит от длины зоны нагрева и скорости перемещения горел-
ки, окружающей температуры и толщины стенки трубки и слабо зависит от
скорости потока и радиуса трубки. Длина трубки, на которой происходит оса-
ждение частиц, называется зоной осаждения (см. рис. 3.6); длина зоны оса-
ждения пропорциональна отношению Q/a., где Q — общий поток газа по
трубке и а - коэффициент теплопроводности газа.
Повышению эффективности и уменьшению зоны осаждения способствуют:
- использование широкозонной горелки, обеспечивающей разогрев
ПГС до большей температуры (Треак);
- принудительное охлаждение зоны осаждения водой или воздухом,
что приводит к уменьшению Те;
- повышение теплопроводности ПГС, например, заменой части кисло-
рода на гелий, обладающий высоким а;
- уменьшение концентрации паров галогенидов в приосевой зоне, на-
пример, путем введения вдоль оси опорной трубки дополнительной труб-
ки, по которой в зону нагрева подается инертный газ.
3.1.3. Проплавление порошкообразных слоев
Осевшие порошкообразные слои оксидов проплавляются горелкой, движу-
щейся вдоль трубки с образованием прозрачных стеклообразных слоев, свобод-
ных от пузырей. Вязкое сплавление частиц (R) описывается формулой
где ст - поверхностное натяжение, Н/м;
ts - время сплавления, с;
Г] - вязкость стекла, Па-с;
/0 - размер первоначальных пустот, см-3;
Ео - доля исходных пустот.
Время сплавления определяется как
ts = LHIVh
где Lff - длина горячей зоны и К, - скорость перемещения горелки.
Образование и осаждение больших агломератов частиц вызывает боль-
шие поры, которые в случае их заплавления могут вести к росту пузырей. Часто
образование пузырей наблюдается в кварцевых стеклах, легированных GeO2.
Это связано с тем, что при высоких температурах (> 1 600 °C) имеет место дис-
социация GeO2
GeO2<n— GeOm + ¥2 О2 (3.9)
с образованием газообразного монооксида германия, парциальное давление ко-
торого записывается как
Рвео = аСе02 хехр (-AG/P7), (3.10)
где aGf!O - активность GeO2 в частицах SiO2 GeO2;
AG - энергия активации диссоциации GeO2;
R - универсальная газовая постоянная. Рост пузыря возможен в случае,
если давление внутри пузыря (Pv) больше величины поверхностного натяжения
(Р5), сжимающего пузырь, т.е.
Ру>Л = 2ст/гд, (3.11)
где гв — критический радиус пузыря, выше которого он растет, а ниже которо-
го - исчезает.
Решая (3.11) и (3.10) относительно г в получим
rs>(2a/ aGeOJxew/RT. (3.12)
Подставляя значения aSi02 = 300 дин/см, aGe„ =0,2, получим, что при увеличе-
нии температуры проплавления с 1 500 °C до 2 000 °C гв уменьшается с 5,4 мкм
до 0,016 мкм. Надо отметить, что рост пузыря может наблюдаться и в процессе
"сжатия трубки, когда температура нагрева трубки значительно возрастает по
сравнению с температурой проплавления слоев.
Рис. 3.7. Профили разности показателей преломления сердцевины и кварцевой оболочки в
заготовках, сердцевина которых легирована фосфором (а) и германием (б)
Второе неприятное явление, наблюдающееся во время проплавления сло-
ев, - это испарение легирующего компонента из частиц, расположенных на по-
верхности порошкообразных слоев. В результате ПП по сечению остеклованно-
го слоя будет различаться, а профиль ПП по сечению заготовки имеет часто вид
"частокола", как это видно из рис. 3.7. При этом для более летучих компонен-
тов (например, Р2О5) амплитуда изменения Ди больше.
3.1.4. Сжатие трубки в штабик-заготовку
Процесс сжатия трубки с осажденными слоями в сплошной штабик-
заготовку является важным этапом метода MCVD, определяющим геометрию
получаемой заготовки и ее профиль ПП и влияющим на общее время изготов-
ления заготовки световода. Сжатие осуществляется при нагреве трубки пере-
мещающейся горелкой до температуры 2 000...2 200 °C и описывается уравне-
нием Навье - Стокса первого порядка как вязкое течение материала трубки в
радиальном направлении с числом Рейнольдса « 1 под действием разности
давлений внутри и снаружи трубки и сил поверхностного натяжения. Скорость
сжатия однородных труб определяется уравнением
где Ро и Р, — давление снаружи и внутри трубки в зоне горелки, Па;
а - поверхностное натяжение стекла, Н/м;
RM и 7?нар - внутренний и наружный радиусы трубки, м;
т) - вязкость стекла (как функция температуры, состава и времени), Па с.
Как показали теоретические и экспериментальные результаты, эллип-
тичность сердцевины и оболочки в "сжатой" заготовке зависит от давления
внутри трубки. Так, для получения более круглой сердцевины в заготовке
разность давлений снаружи и внутри трубки должна уменьшаться и даже ста-
новиться отрицательной, как это видно из рис. 3.8. Это более критично для
заготовок многомодовых ОВ, где вязкость стекла ниже из-за более высокого
уровня легирования.
Разность давлений, дин/см
Рис. 3.8. Зависимость эллиптичности сердцевины заготовок от разности давлений во время
процесса сжатия трубки в методе MCVD: 1 - для многомодового ОВ; 2 - для одно-
модового ОВ [6]
Другой важный аспект процесса сжатия - это появление провала в центре
профиля ПП в заготовке за счет испарения легирующего компонента. Это про-
иллюстрировано на рис. 3.9, где показано изменение ПП вдоль заготовки одно-
модового ОВ с сердцевиной SiOi'GeOi. Существует два альтернативных подхо-
да для устранения этого эффекта. Первый заключается в контролируемой пода-
че паров галогенида легирующего компонента с кислородом в процессе "сжа-
тия" трубки, но он трудно реализуем экспериментально. Второй способ заклю-
чается в стравливании поверхностного слоя сердцевины с помощью фтораген-
та, который подается в трубку во время "сжатия" тогда, когда диаметр отвер-
стия в трубке становится маленьким. Второй способ ведет к появлению более
глубокого, но более узкого провала ПП и используется чаще.
Следующий момент, характерный для процесса "сжатия", - возможность
загрязнения сердцевины заготовки гидроксильными группами, которые могут
образовываться в результате взаимодействия паров воды, содержащихся в ки-
слороде в процессе "сжатия", с диоксидом кремния по реакции
Н2О + =Si-O-Si= = 2 [==Si-OH]. (3.14)
Вообще говоря, гидроксильные группы могут появиться в заготовке также:
- в результате диффузии паров воды из атмосферы в газовую систему в
случае ее негерметичности;
— за счет диффузии паров воды и молекулярного водорода из пламени
кислородно-водородной горелки в опорную кварцевую трубку;
— за счет диффузии гидроксильных групп, содержащихся в кварцевой
трубке, в светоотражающую оболочку и сердцевину;
- за счет водород-содержащих веществ, находящихся в исходных гало-
генидах и кислороде и поступающих в трубку.
Для предотвращения попадания гидроксильных групп из трубки в серд-
цевину используют "безводные" трубы типа "Suprasil F-ЗОО", либо формируют
Рис. 3.9. Изменение профиля показателя преломления вдоль оси одной из заготовок ОВ
более толстую светоотражающую оболочку, например, диаметр которой в
5...7 раз больше диаметра сердцевины в одномодовых ОВ. На рис. 3.10 при-
ведены экспериментальные данные о зависимости величины потерь, связан-
ных с поглощением ОЯ-группа.ми, от концентрации водород-содержащих ве-
ществ (Н2О и СНц) в исходных галогенидах во время осаждения слоев и в ки-
слороде во время "сжатия" трубки. Видно, что водород-содержащее примеси
сильнее сказываются в процессе "сжатия" трубки. Это связано с тем, что при
осаждении слоев по реакциям 3.1...3.4 выделяется хлор, который связывает
пары воды по реакции
С/2 + Н2О = 2НС1+ Уг О2. (3.15)
Поэтому с целью уменьшения потерь, обусловленных ОЯ-групп#ми> в про-
цессе «сжатия» к кислороду добавляют небольшое количество хлор- (С12 ~
5 ..10 об. %) или фторагентов. В настоящее время в лучших образцах одно-
модовых ОВ величина дополнительных потерь на X - 1,38 мкм не превышает
0.5... 1,5 дБ/км, а рекордное значение для метода MCVD - 0,31 дБ/кМ.
Несмотря на то, что метод MCVD является одним из первых, предложен-
ных для получения заготовок кварцевых ОВ, он до сих пор имеет широкое рас-
пространение (см. рис. 3.1), а в РФ метод MCVD является единственным мето-
дом, освоенным промышленностью. Преимуществами этого метод# являются:
универсальность (т. е. возможность получать заготовки практически flflx всех ви-
дов ОВ) и относительно невысокие требования к чистоте рабочих помещений,
поскольку процесс осуществляется внутри трубки. Недостатки мегода MCVD‘.
малая скорость образования и осаждения оксидов (0,5...2 г/мин), цикличность
процесса, необходимость использовать высококачественные дорогостоящие
кварцевые опорные трубки.
Рис. ЗЛО. Влияние примесей НгО
и СНа в исходных реак-
тивах и в несущем газе
во время процессов
осаждения и сжатая
при изготовлении заго-
товки на потери в ОВ
3.2. Метод внешнего парофазного осаждения (OVD)
Схема процесса OVD, который наиболее широко используется для по-
лучения заготовок фирмой "Coming glass" (США), приведена на рис. 3.11.
а
Рис. 3.11. Схема процесса OVD: а - образование и осаждение оксидов, б — остекловывание
пористой заготовки, в - вытяжка волокна: 1 - кислородно-водородная горелка; 2 -
затравочный штабик; 3 - пористая заготовка; 4 - печь остекловывания; 5 - остек-
лованная заготовка; 6- высокотмпературная печь; 7 - волокно
Процесс включает в себя:
- образование частиц оксидов кремния и легирующих компонентов за
счет гидролиза паров исходных галогенидов, поступающих в кислородно-
водородную горелку, по реакциям
SiС/4газ + 2 Я2Огаз = SiO2 тв + 4 НС!газ / (3.16)
GeClira3 + 2 H20m = GeO2n + 4 HClra3 (3.17)
И T. Д.
- осаждение частиц на затравку за счет термофореза и формирование
пористой заготовки;
- сушка и остекловывание пористой заготовки.
Пары исходных галогенидов подают в центральную часть многосопель-
ной горелки и отделяют от водорода и кислорода потоком аргона, который
препятствует преждевременному гидролизу галогенидов с осаждением окси-
дов на торце горелки. Поскольку скорость формирования заготовки методом
OVD значительно больше, чем методом MCVD, разрабатывали различные ме-
тоды подачи паров исходных галогенидов. Не вдаваясь в подробности, пере-
числим основные из этих методов: барботирование несущего газа через лег-
колетучие жидкие галогениды (аналогично подаче 51СЦ, GeCk и т.д. в методе
MCVD)’, использование дозировочных насосов для подачи жидких галогени-
дов в смеситель, откуда они поступают в горелку; высокотемпературная сис-
тема испарения и непосредственного контроля скорости поступления паров
галогенидов в горелку; подача труднолетучих жидкостей и порошкообразных
твердых тел с помощью форсунок и т. д. В пламени горелки происходит гид-
ролиз галогенидов, зарождение и конденсационный рост частиц, их коалес-
ценция (слияние) и коагуляция (слипание) до размеров 0,007..0.3 мкм в раз-
личных зонах факела горелки. Средний размер частиц аэрозоля, формирую-
щегося в условиях свободно-молекулярной коалесценции (когда число Кнуд-
сена Кн » 1 и частицы можно рассматривать как большие газовые молеку-
лы), определяется как
8 ~ (тхсохТ*’5)0,4, (3.18)
где Со - начальная концентрация конденсирующегося компонента;
т — время, через которое происходит истощение мономера;
Т — температура, при которой происходит процесс. Из соотношения
(3.18) следует, что основные факторы, определяющие размер частиц в пламе-
ни - это:
- концентрация оксида в пламени, которая определяется скоростями по-
ступления исходного сырья и технологических газов;
- время пребывания частиц в факеле в области температур, обеспечи-
вающих протекание процесса коалесценции;
- температура пламени, которая слабо влияет на дисперсный состав частиц.
Миграция частиц к поверхности затравочного штабика (или пористой
заготовки) происходит под действием сил термофореза в поле градиента тем-
ператур в пламени и на поверхности затравки. Одними из главных факторов,
определяющих скорость осаждения, являются размер затравки и расход го-
рючего газа. На рис. 3.12 приведена зависимость скорости осаждения SiO2 в
методе OVD от диаметра затравки и потока горючего газа. Видно, что увели-
чение вышеуказанных параметров ведет к увеличению скорости осаждения.
Эффективность осаждения в методе OVD составляет 50...70 %.
Рис. 3.12. Зависимость скорости
осаждения в методе
OVD от диаметра за-
травки и потока горю-
чего газа
Горелка перемещаясь вдоль затравочного штабика последовательно
осаждает пористые слои оксидов элементов, галогениды которых подают в
горелку. Меняя состав галогенидов, можно менять состав осаждаемых слоев
(т.е. их ПП) и формировать профиль ПП будущей заготовки и ОВ соответст-
венно, причем как и в методе MCVD состав остается постоянным при рабочем
движении горелки и меняется при ее возвращении к началу заготовки. После
окончания процесса осаждения слоев затравочный штабик вынимают из по-
ристой заготовки из-за разности КЛТР материалов затравки и пористой заго-
товки, КЛТР которой значительно меньше, чем у затравки
Пористая заготовка затем поступает на сушку, поскольку процесс гид-
ролиза в пламени кислородно-водородной горелки приводит к высокому со-
держанию в заготовке адсорбированных паров Н2О и ОЯ-групп (до 0,2
масс. %). Схема процесса приведена на рис. 3.13. Пористая заготовка поме-
щается в печь, через которую продувается смесь О2 и Не. Через внутренний
канал, оставшийся от вынутой затравки, в пористую заготовку подают СЛ
(или хлорагент), Не и О2. Хлор (или хлорагент) взаимодействует с ОН-
группами согласно уравнению 3.19 с образованием НС1, который удаляется из
зоны реакции
+ С12 = [s57-CZ] + НС1+О2. (3.19)
Содержание Н2О и (?Я-групп сильно зависит от температуры процесса. На
рис. 3.14 приведена зависимость концентрации ОЯ-групп от температуры.
При температуре выше 150 °C сначала удаляется физически адсорбированная
вода. Расчеты показывают, что если число адсорбированных молекул Н2О со-
ставляет 1...2 на 1 нм2 поверхности частиц диаметром 0,1 мкм, то концентра-
ция О Я-групп в стекле будет ~ 30 ppm. Из рисунка видно, что вплоть до
— 600 °C концентрация ОН-групп (~ 20 ppm) не изменяется. Затем начиная с
~ 600 °C содержание [ОН]" резко уменьшается до ~ 0,3 ppm при увеличении
температуры до ~ 800 °C, вероятно, по реакции
2 [=5z-O77] = [=5z-0-Sz=] + H20 (3.20)
и далее остается постоянным. Дальнейшее уменьшение концентрации ОН-
групп наблюдается при увеличении температуры выше 1 000 °C.
Рис. 3.13. Сушка в процессе OVD через центральное отверстие: 1 - вентиль; 2 - редуктор;
3 - регулятор расхода газа
И, наконец, последняя стадия в методе OVD - сплавление (остекловы-
вание) пористой заготовки. Сплавление проводят в узкозонной печи с враще-
нием заготовки и ее подачей в печь с постоянной скоростью. Температура в
печи составляет от 1 000 до 1 600 °C в зависимости от состава стекла сердце-
вины и светоотражающей оболочки. Условия сплавления стекла (температура
и скорость подачи заготовки) подбирают таким образом, чтобы получающее-
ся стекло не содержало пузырей и других дефектов. При сплавлении возмож-
ны 2 варианта: когда центральное отверстие остается и ликвидируется лишь
при вытяжке волокна или центральное отверстие "захлопывается" при сплав-
лении заготовки. В первом случае необходимо, чтобы КЛТР материалов
сердцевины и оболочки были сбалансированы, ибо наличие центрального от-
верстия может приводить к растрескиванию заготовки. Преимуществом ОВ
(рис. 3.15), полученных методом OVD, является то, что концентрация 077-
групп минимальная в центре сердцевины (где распространяется основная
мощность оптического сигнала), поскольку хлор поступает в центральный
канал, а внутренняя поверхность затравки формирует слои сердцевины.
я
Температура, °C
Рис. 3.14. Соотношение между температурой дегидратации и остаточным содержанием
ионов ОН в кварцевом стекле
Рис. 3.15. Распределение 077 по радиусу заготовок в процессах OVD (7) и VAD (2)
Следует отметить, что метод OVD используется не только для получе-
ния заготовок ОВ, но и для "наращивания" технологической кварцевой обо-
лочки на заготовках, полученных, например, методом MCVD, поскольку ско-
рость осаждения оксидов в методе OVD значительно выше. В настоящее вре-
мя метод OVD применяется также для получения блоков стекла, используе-
мых при изготовлении труб "Suprasil F-300".
Обобщая вышесказанное, можно отметить следующие преимущества ме-
тода OVD-. высокая скорость осаждения оксидов (до 6 г/мин), нет необходимо-
сти использовать дорогостоящие опорные кварцевые Трубки, возможность ис-
пользования в качестве исходных веществ более широкого круга соединений
(гидриды, галогениды, металлоорганические соединения, некоторые трудноле-
тучие жидкости и твердые вещества). К недостаткам ^того метода следует от-
нести: высокие требования, предъявляемые к чистоте рабочего помещения; не-
обходимость перемещения пористой заготовки из объема камеры осаждения в
печь сушки и остекловывания, что может привести к разрушению и загрязне-
нию заготовки; наличие центрального отверстия в пористой заготовке, что обу-
славливает провал в центре профиля ПП (аналогично Методу MCVD) и требует
согласования КЛТР материалов сердцевины и оболочки.
3.3. Метод парофазного осевого осаждения (K4D)
Схема процесса VAD, разработанного японскими фирмами (среди кото-
рых NTT, "Sumitomo" и др.), приведена на рис. 3.16. В Отличие от метода OVD в
методе VAD пары исходных галогенидов подают в неподвижную кислородно-
водородную горелку, а образующиеся в результате гидролиза частицы оксидов
осаждаются на торец затравочного штабика с образованием пористой заготов-
ки, которая по мере роста поднимается таким образом, чтобы фронт роста оста-
вался на одном и том же месте. Схема установки VAD показана на рис. 3.17.
Видно, насколько эта установка является сложной в аппаратурном оформлении
для автоматического контроля следующих основных параметров процесса:
- скорости поступления паров исходных галогенидов;
- местоположения торца пористой заготовки с точностью ± 50 мкм, ибо
изменение местоположения роста ведет к вариациям Диаметра пористой заго-
товки и профиля ПП;
- температуры пламени горелки, от которой зависит состав частиц;
- температуры нагрева торца пористой заготовки, что определяет степень
пористости заготовки;
- давления внутри реактора, которое влияет на форму пламени и, следо-
вательно, на вариации диаметра пористой заготовки и профиль ПП;
- скорости вращения заготовки, при этом отклонение оси растущей заго-
товки от вертикали должно быть не более ± 0,1 мм на 1 М;
- температуры печи сушки и остекловывания пористой заготовки и т.д.
Первоначально метод VAD использовался для формирования германосиликат-
ной сердцевины заготовок многомодовых градиентных ОВ. Профиль ПП фор-
мировался путем пространственной диффузии оксидные частиц различного со-
става, образующихся при использовании либо двух горелок, либо одной много-
сопельной горелки, при этом в каждую горелку или сопло подают ПГС посто-
янного состава. Диаметр осаждающихся частиц составлял 0,05...0,2 мкм и за-
висел от концентрации легирующих компонентов, температуры пламени и тор-
ца пористой заготовки. Полученную заготовку из герМаносиликатного стекла
затем вставляли в "сухую", чистую кварцевую трубку, Которая служила в каче-
стве светоотражающей оболочки.
Л/и/4, Сгви/4
02>H2fAr
а б в
Рис. 3.16. Схема процесса VAD'. 1 - затравочный штабик; 2 - графитовая печь; 3 - мелкие
частицы SiOyGeO^ 4 - горелки; 5 - пористая заготовка; 6 - остеклованная заго-
товка
Рис. 3.17. Схема установки VAD
метода: 1 - реактор
напыления; 2 - горел-
ка; 3 - печь остекло-
вывания; 4 - механиз-
мы подъема и враще-
ния; 5 - камера газо-
вой защиты нагрева-
теля печи; 6 “ порис-
тая заготовка; 7- про-
зрачная заготовка; 8 -
блок лазерного скани-
рования; 9 — блок
приема лазерного из-
лучения; 10 - блок ре-
гулирования диамет-
ра; 11 - датчик давле-
ния; 12- блок управ-
ления; 13 - регулятор
расхода газа; 14 - на-
копительная емкость;
75 - сканер; 16 - пи-
роприемник
Исследование свойств частиц, осаждающихся из пламени горелки на
поверхность кварцевой трубки, в системах SiO2GeO2 и SiO2B2Oy показало,
что в зависимости от температуры подложки (трубки) наблюдается образова-
ние кристаллической или стеклообразной фазы. Например, для системы
SiO2 GeO2 при температуре ниже 400 °C образуется кристаллический GeO2, а
при более высокой - стеклообразный диоксид германия. Японские исследова-
тели предложили следующие модели для объяснения данного факта. При
температуре подложки ниже 400 °C вначале образуются твердые частицы ди-
оксида кремния, между которыми находятся включения кристаллической фа-
зы GeO2 (рис. 3.18, а). При температуре подложки выше 500 °C вначале обра-
зуются частицы диоксида кремния, которые затем покрываются стеклом
SiO2 GeO2 (рис. 3.18, б).
SiO2 (стекло)
а
Рис. 3.18. Модель структуры частиц SiOyGeOz, полученных при разных температурах: а -
температура ниже 400 °C; б - температура выше 500 °C
На процесс получения пористой заготовки оказывает влияние множество
факторов, таких как расстояние от горелки до поверхности роста, угол наклона
горелки к оси вращения заготовки, характер течения газа из горелки и т.д., ве-
личины которых определяли экспериментально. Для иллюстрации в табл. 3.2
приведены данные о зависимости между углом наклона горелки и флуктуация-
ми наружного диаметра пористой заготовки и скоростью ее роста в осевом на-
правлении. Из табл. 3.2 видно, что оптимальным является угол наклона горелки
к оси заготовки 40°.
Характер роста пористой заготовки зависит также от динамики газового
потока, а именно от критерия Рейнольдса (Re)
Re = ^xrfxp
где W - скорость потока газа, м/с;
d- диаметр трубопровода, м;
р - плотность газа, кгс-с2/м4;
т| — вязкость газа, кгс-с/м2.
Таблица 3.2
Влияние угла наклона горелки на флуктуации диаметра
и скорость роста пористой заготовки
Угол наклона горелки 0 10 20 30 40 50 >60
Флуктуации диа- метра, мм 5-10 2-5 1-2 0,5-1 <0,5 0,5-1 Рост не возможен
Скорость роста, мм/час 5-20 20-30 40-45 70-75 100 60-65 <5
На рис. 3.19 приведены фотографии газового потока в процессе осажде-
ния частиц при различных величинах критерия Re. Видно, что при Re = 10
поток имеет ламинарный характер, при Re - 30 появляются элементы турбу-
лентности, а при Re = 100 поток носит турбулентный характер и невозможно
ожидать равномерного осаждения частиц и, соответственно, получения за-
данного профиля ПП.
Re=10
Re =30
Re=100
Рис. 3.19. Фотографии газового потока в процессе осаждения оксидов на торец пористой
заготовки
При переходе к получению заготовок одномодовых ОВ стали использо-
вать одновременно 3 горелки, как это видно на рис. 3.20. Первая горелка
формирует пористую заготовку для сердцевины, вторая - светоотражающую
оболочку, а третья - технологическую кварцевую оболочку, которая обеспе-
чивает диаметр волокна 125 мкм не зависимо от диаметра его сердцевины.
Применение более высокопроизводительной технологии позволило увеличить
скорость осаждения от 0,5...1 г/мин (1980 г.) до 4,5 г/мин (1982 г.) и диаметр
остеклованной заготовки с 20...30 мм до ~ 53 мм. Эффективность осаждения
оксидов составляет 50...60 %.
б
Рис. 3.20. Схема получения (а) и фотография (б) заготовки одномодового ОВ: 1,2- слой
пористой оболочки; 3 - слой пористой сердцевины; 4 - горелки для нанесения
соответствующих структур
Процесс сушки пористой заготовки в методе VAD аналогичен процессу
сушки в методе OVD, описанному ранее. Различие состоит только в том, что в
методе OVD хлор (или хлорагент) подается в центральное отверстие заготовки,
и она начинает как бы "сохнуть" изнутри, а в методе VAD дегидротация воды
происходит с боковой поверхности заготовки, что и приводит к распределению
концентрации гидроксильных групп так, как это показано на рис. 3.15. Содер-
жание гидроксильных групп в заготовке, обработанной во влажной атмосфере с
и без хлорагента SOCh.. в зависимости от парциального давления паров воды
приведено на рис. 3.21, а, а на рис. 3.21, б показана зависимость содержания ос-
таточных групп ОН от времени обработки в атмосфере хлорагента. Видно, что
минимальное количество О/7-групп (~ 0,4 ppm) достигается за 2 часа и далее
практически не уменьшается.
На рис. 3.22 приведена схема процесса остекловывания пористой заго-
товки. Видно, что при этом за счет сжатия пор происходит уменьшение ее раз-
меров как в радиальном, так и в осевом направлениях. Кроме того, при высокой
температуре остекловывания (соответственно малой вязкости) имеет место вы-
тягивание заготовки под действием собственного веса. В таком случае скорость
подъема заготовки (затравочного штабика) выражается как
К = а(1 + 6)К0, (3.22)
где Ко - скорость роста пористой заготовки, м/с;
а - степень сжатия заготовки в осевом направлении;
b - степень вытягивания заготовки под действием ее веса, при этом вели-
чина (а)равна ____
а = 7р/ро, (3.23)
где р0 - объемная плотность пористой заготовки и р - плотность остекло-
ванной заготовки, а величина Ъ равна
(3.24)
где w - вес пористой заготовки, кг;
-2
г| - вязкость стекла при температуре остекловывания, кгс-с-м ;
А - площадь поперечного сечения остеклованной заготовки, м ,
t- время прохождения заготовки через горячую зону печи остекловывания, с.
PffjO, мм рт.ст.
б
Рис. 3.21. Содержания ОН- ио но в: а - в заготовке, обработанной во влажной атмосфере с (/)
и без (2) SOCl2 в зависимости от парциального давления паров воды;
б - в зависимости от времени дегидратации при температуре 770 °C и парциаль-
ном давлении SOCh ~ 10 мм рт. ст.
а
Рис. 3.22. Схема процесса остекловывания
пористой заготовки в методе
VAD: 1 - остеклованная заготов-
ка; 2 - нагреватель; 3 - зона раз-
мягченного стекла; 4 - пористая
заготовка
Во время остекловывания заготовки в печь подают гелий (аналогично
методу OVD) для того, чтобы избежать образования пузырей в пористой заго-
товке. Критический диаметр пузыря (больше которого он растет, а меньше
которого сжимается) зависит от природы газа, находящегося в пузыре (а точ-
нее от его газопроницаемости). На рис. 3.23 приведена зависимость критиче-
ского диаметра пузыря от газопроницаемости различных газов . Сопоставле-
ние газопроницаемости гелия и аргона (Кце = 8,32-10-7 см3 см^’-с '-атм” -К" и
КАг (2,27-10 11 см3 см '-с ’-атм ’-К-1 соответственно) показывает, что первая
более чем на 4 порядка больше. Это приводит к значительно большему кри-
тическому диаметру пузыря (dc це= 500 мкм) для гелия по сравнению с арго-
ном (dcAr ~ 0,6 мкм) (рис. 3.23), что означает растворение "гелиевого" пузыря
при его диаметре < 500 мкм, в то время как "аргоновый" пузырь будет расти,
если его диаметр всего лишь > 0,6 мкм.
Рис. 3.23. Зависимость критического диаметра закрытой сферической поры от газопрони-
цаемости различных газов
На рис. 3.24 приведены спектральные зависимости полных потерь в об-
разцах ОВ, которые вытянуты из заготовок, полученных методами VAD и
MCVD. Видно, что потери на X = 1,38 мкм в первом образце значительно мень-
ше, чем во втором из-за обработки пористой заготовки хлором (или хлораген-
том), хотя справедливости ради надо отметить, что в настоящее время из-за ис-
пользования хлора (или хлорагента) в процессе "сжатия" заготовок в методе
MCVD потери в ОВ значительно уменьшены до 0,5...1,5 дБ/км ( см. гл. 3.1).
В заключение отметим преимущества и недостатки метода VAD. Пре-
имуществами являются: относительно высокая скорость осаждения (до 4,5
г/мин), принципиальная возможность получения заготовок любой длины, от-
сутствие центрального провала в профиле ПП заготовок и ОВ. Недостатки
обусловлены, главным образом, сложностью установки и необходимостью
Рис. 3.24. Спектральные зависимости потерь в ОВ, полученных методами VAD (—-) и
MCVD (-—). ОВ, полученное VAD, имело наружный диаметр - 125 мкм, диаметр
сердцевины - 8 мкм, А - 0,3 %, = 1,2 мкм
точного контроля большого числа технологических параметров, а также фор-
мированием профиля ПП многомодовых ОВ за счет пространственной диффу-
ъ зии оксидных частиц различного состава, а не путем послойного осаждения
слоев разного состава.
3.4. Плазмохимические варианты методов получения заготовок
кварцевых ОВ
Отличительной особенность этих вариантов является замена горелки,
используемой в методах MCVD и OVD для нагрева исходных галогенидов и
инициирования реакций их окисления или гидролиза, на плазмотрон или маг-
нетрон. Различают два типа вариантов: с использованием ВЧ-плазмы (т. е.
изотермической плазмы атмосферного давления) и СВЧ-плазмы (т. е. неизо-
термической плазмы низкого давления). В первом случае - это методы
PMCVD {plasma modified chemical vapor deposition) и POD (plasma outside
deposition), а во втором — PCVD (plasma chemical vapor deposition) и его раз-
новидности.
3.4.1. PMCVD и POD методы
В этих методах источником энергии является ВЧ-генератор с индуктив-
ной связью. Мощность ВЧ-генератора обычно составляет ~ 20 кВт, а мощ-
ность в разряде до ~ 12 кВт. Частота генератора лежит в диапазоне
13...27 МГц (оптимальная частота ~ 20 МГц). В методе PMCVD внутри ин-
дуктора располагается опорная кварцевая трубка диаметром до 40...50 мм,
которая совершает возвратно-поступательные движения аналогично движе-
нию горелки в классическом методе MCVD. В методе POD кварцевый штабик
вращается и перемещается вдоль оси перед плазменной горелкой и на штабик
осаждается слой фторсиликатного стекла, формирующий светоотражающую
оболочку [7]. На рис. 3.25 приведены схемы процессов PMCVD и POD.
Рис. 3.25. Схема процессов получения заготовок кварцевых ОВ методами PMCVD (а) и POD
(б): 1 - подача ВЧ-мощности; 2 - индуктор; 3 - плазма; 4 - опорная кварцевая
трубка; 5 - подача реагентов (SiCl* + О2 + фреоны); б - кварцевый штабик;
7 - фторсиликатная оболочка
Пары SiCh вместе с кислородом и парами галогенидов легирующих
компонентов (СеСЦ или CiF6, C3F3) поступают в опорную трубку {PMCVD)
или в плазменную горелку (POD). При средней температуре плазмы
4 000...5 000 °C почти все молекулы диссоциируют на отдельные атомы, ко-
торые на выходе из плазмы соединяются в частицы оксидов, осаждающиеся
на стенках трубки или на поверхности кварцевого штабика. Из-за высокой
разности температур на оси плазмы (~ 10 ООО °C) и на стенке трубки или шта-
бика (1210-1 700 °C) имеет место очень сильный термофорез. Высокая тем-
пература плазмы в сочетании с сильным термофорезом повышает эффектив-
ность образования и осаждения оксидов до 90 % для S1O2 и до 85 % для GeO2
(вместо 25...40 % в методе MCVD). Отсутствие химического равновесия по-
зволяет достигнуть высокого уровня легирования фтором (до 4...5 масс. %
вместо 1,5...2 масс. % в методе MCVD), что обеспечивает числовую апертуру
ОВ типа SiO^ISiOyF до величин 0,22...0,25. В методе PMCVD после осажде-
ния слоев опорная трубка "сжимается" в штабик-заготовку кислородно-
водородной горелкой аналогично классическому методу MCVD.
Недостатком методов PMVD и POD является то, что параметры разряда
(соответственно плазмы) значительно зависят от состава ПГС. Это делает за-
труднительным получение заготовок ОВ со сложным профилем ПП и указан-
ные методы используются, в основном, для получения заготовок ОВ со сту-
пенчатым профилем ПП, которые имеют в настоящее время ограниченное
применение.
3.4.2. PSVD метод и его разновидности
В PCVD методе, впервые предложенном и наиболее интенсивно разви-
ваемым фирмой '‘Philips’’, для активации процесса образования и осаждения
используется неизотермическая плазма низкого давления ~ 10...20 мбар
(1 бар =1,01 атм.), которая по существу является плазмой "тлеющего" СВЧ-
разряда. Плазма образуется с помощью СВЧ-резонатора, который соединен с
магнетроном мощностью 0,2...6 кВт, излучающего СВЧ на частоте ~ 2,5 ГГц.
Смесь (?2 и паров SiCl^ вместе с парами галогенидов легирующих компонен-
тов (GeCk, CiFs и т.д.), прокачивается через опорную трубку. Схема установ-
ки приведена на рис. 3.26. Образование и осаждение слоев чистой и легиро-
ванной двуокиси кремния осуществляется в опорной кварцевой трубке с на-
ружным диаметром 18...26 мм, вдоль которой перемещается резонатор, а са-
ма трубка вместе с резонатором помещена в печь, нагреваемую до
1 150...1 200°С.
SiCl4 + GeCl4 + C2F6 + О2
Рис. 3.26. Парофазное осаждение, активированное СВЧ плазмой: 7 - ввод ПГС; 2 - опор-
ная трубка; 3 - печка; 4 - плазма; 5 - магнетрон; 6 - откачка ПГС
В неизотермической плазме температура электронов (~ 10 000 °C) зна-
чительно превышает температуру ионов (~ 1 200 °C), которая близка темпера-
туре опорной трубки в печи. При этом следует помнить, что температура
электронов имеет условный смысл, поскольку обусловлена кинетической
энергией электронов в ускоряющем электрическом поле. Под действием элек-
тронов и ионов происходит преобразование SiCU в моноокись кремния, час-
тицы которой вместе с атомарным кислородом и примесями легирующих
компонентов диффундируют к стенке опорной трубки и осаждаются на ее по-
верхности сразу с образованием стеклообразного слоя чистой или легирован-
ной двуокиси кремния (т. е. имеет место гетерогенный процесс). Для проте-
кания реакции окисления галогенидов достаточно энергии плазмы, а нагрев
трубки в печи необходим для дегазации слоев от хлора, растворенного в стек-
ле, поскольку в противном случае осажденные слои растрескиваются. Из-за
высокой скорости осаждения скорость резонатора можно увеличить до
10...30 м/мин (напомним, что в методе MCVD скорость горелки при осажде-
нии слоев составляет обычно 10...20 см/мин), за счет этого можно увеличить
число осаждаемых слоев до 2 000 и более с толщиной слоя 0,1...0,5 мкм, что
позволяет с большой точностью формировать практически любой профиль
ПП. Усовершенствование технологии позволило увеличить скорость осажде-
ния слоев с 0,25 г/мин (1981 г.) до 3,0 г/мин (1985 г.). Характерной особенно-
стью метода PCVD является высокая эффективность осаждения, которая со-
ставляет ~ 100 % для S1O2, 70...90 % для GeC>2 и 50...100 % для F в зависимо-
сти от используемых фторагентов. На рис. 3. 27 показаны зависимости отно-
сительного изменения ПП кварцевого стекла от концентрации легирующих
компонентов (Се(?2 и F), при этом для сравнения отмечены концентрации
фтора, которые удалось ввести в кварцевое стекло различными методами.
Рис. 3.27. Зависимость относительной разности ПП легированного и чистого кварцевого
стекла от концентрации легирующего компонента: 1 — германосиликатное стек-
ло; 2 - фторсиликатное стекло
Помимо основного метода PCVD были предложены и реализованы дру-
гие разновидности СВЧ-методов. В частности, импульсный метод PICVD
(plasma impulse chemical vapor deposition), в котором трубка сначала заполня-
ется парами галогенидов с кислородом, затем дается импульс СВЧ-излучения,
приводящий к возникновению плазменного столба в трубке, к прохождению
реакций и осаждению слоев стекла на стенках трубки. Далее продукты реак-
ции удаляются из трубки потоком газа, трубка вновь заполняется исходной
ПГС, подается новый импульс и т. д. Число слоев, осаждаемых в этом методе,
составляет 105... 106 при толщине слоя ~ 16 А .
Следующей модификацией СВЧ-плазменных методов является метод
SPCVD (surface plasma chemical vapor deposition) [7]. Схема установки для по-
лучения заготовок этим методом приведена на рис. 3.28. В данном случае длин-
ный плазменный столб "тлеющего" разряда возбуждается в опорной трубке при
локальном подводе к ней высокочастотной электромагнитной энергий- Осаж-
дение оксидов происходит на внутренней поверхности опорной трубки в ре-
зультате реакций в потоке химических реагентов, прокачиваемых через трубку
при давлении в несколько мбар. Поддержание плазмы вдали от места приложе-
ния высокочастотного поля осуществляется за счет переноса электромагнитной
энергии вдоль разряда поверхностными плазменными волнами. По сути плазма,
ограниченная опорной кварцевой трубкой, играет роль самоподдерживаемого
СВЧ-волновода. По мере удаления от точки приложения СВЧ-поля из-За нали-
чия затухания амплитуда поля поверхностной волны уменьшается, соответст-
венно убывает и концентрация электронов в плазме. Это приводит к тРЧУ, что
плазменный волновод отрывается в некоторой точке, в которой критическая
концентрация свободных электронов в плазме составляет
п = 1,25- 10"8у2(1+е) (см“3), (3.25)
где f— частота возбуждающего поля;
е - относительная диэлектрическая постоянная материала трубки. Для f~
2,45 ГГц и е = 4,8 (кварцевое стекло) величина ис равна 4,31 -1011 см’3.
Условие распространения плазменных волн следующее:
п^пс, (3.26)
т. е. концентрация электронов должна быть больше критической. ОтсюдД следу-
ет, что длина плазменной колонны, определенная как расстояние от ме£та воз-
буждения до обрыва разряда, зависит от того, насколько быстро наступает усло-
вие отсечки (3.25). Это в свою очередь определяется величиной коэффициента
затухания поверхностной волны и уровнем подводимой к плазме мощности-
При прокачке газовой смеси S1CI4 + О2 через плазменную колонну, изна-
чально нейтральная смесь попадает в разряд со стороны области отсечки плаз-
менного волновода. Именно в окрестности этой области происходят осцовные
плазменно-химические процессы, которые, как говорилось выше, приводят к
наработке в газовой фазе молекул SiO, диффундирующих к стенкам трубки,
осаждающихся на ней и доокисляющихся до S1O2 , формируя таким образом
зону осаждения кварцевого стекла. Изменяя местоположение отсечки п;1азмен-
ного волновода, можно за счет изменения СВЧ-мощности перемещать ЗОНУ
осаждения вдоль труб без перемещения самой трубки. Это обеспечивает воз-
можность послойного осаждения стекла периодическим изменением СВЧ-
мощности, подводимой к плазме от внешнего источника.
Рис. 3.28. Структура технологической схемы осаждения по методу SPCVD (Surface Plasma
Chemical Vapor Deposition) [7]: 1 - зона осаждения; 2 - опорная трубка; 3 - печь; 4
- возбудитель разряда; 5 - плазменный столб; 6 - выход к насосу; 7 - азотная ло-
вушка; 8 - магнетрон; 9 - фотодатчик; 10 — подвижка; 11 - интерфейс
В данном методе при получении фторсиликатной оболочки применяли
смесь SiCU+SiFi+Oz и на поверхности трубки имеет место адсорбция молекул
SiO и SiFt, которые формируют фторсиликатное стекло. При увеличении тем-
пературы в печи от 1 070 °C до 1 210 °C величина разности ПП кварцевого и
фторсиликатного стекол уменьшается от 1910-3 до 12-10-3, а с ростом концен-
трации SiFt в ПГС Ди увеличивается, как это видно из рис. 3.29. Большее вхож-
дение фтора в стекло в методе SPCVD по сравнению с методом MCVD объясня-
ется, в частности, более низкой температурой осаждения слоев в первом методе
(~ 1 200 °C), чем во втором (~ 1 500 °C).
Представляет интерес еще одна особенность плазменный методов в отли-
чие от MCVD - возможность легирования кварцевого стекла азотом. На рис.
3.30 приведены профили ПП в заготовках ОВ, сердцевина которых легирована
азотом. Видно, что с ростом отношения N-JOi увеличивается разность ПП стек-
ла, легированного азотом, и чистого кварцевого стекла. Так при NzlOz = 4 вели-
чина Ди увеличивается до 0,03, но при этом растут и потери, обусловленные
поглощением //-//-группами и ростом коэффициента рэлеевского рассеяния.
Длина волны обертона, обусловленного (///-группами на л = 1,38 мкм, смеща-
ется на 1 = 1,505 мкм для ////-групп. Минимальные потери в ОВ, сердцевина
которых легирована азотом, составляли 0,575 дБ/км в диапазоне длин волн
1,55... 1,7 мкм, что значительно больше, чем в ОВ с германосиликатной или
кварцевой сердцевиной.
Рис. 3.29. Зависимости изменения разности ПП кварцевого и фторсиликатного стекол от рас-
хода SiF^: 1 — теоретическая кривая, соответствующая равновесию в системе
SiF4 {n3)-SiO2-F(n.y, 2 - экспериментальные данные
t
<4
Рис. 3.30. Профили ПП в заготовках световодов, сформированных методом SPCVD на основе
кварцевого стекла, легированного азотом при: 1 - N2IO2 = 4,0; 2 - N2IO2 = 2,5; 3-
N2/O2 « 2,0
После осаждения слоев чистого и легированного кварцевого стекла труб-
ка сжимается в штабик-заготовку с помощью О2-Н2 горелки.
В заключении приведем табл. 3.3, суммирующую основные характери-
стики изложенных выше парофазных методов получения заготовок ОВ на ос-
нове высокочистого кварцевого стекла.
Таблица 3.3
Основные парофазные методы получения заготовок кварцевых ОВ
и их характеристики
Наименова- ние метода MCVD PMCVD PCVD OVD VAD
Тип ХИМИЧ, реакции окисление окисление окисление гидролиз гидролиз
Вид подачи энергии О2-Н2- горелка ВЧ-плазма, СВЧ-плазма О2-Н2- горелка О2-Н2- горелка
Скорость осаждения г/мин 0,5-2 3-6 0,5-2,5 до 6 ДО 4,5
Эффектив. осаждения SiCl4 50-60 % 70-90 % 100 % 50-70 % 50-70 %
Кол-во ОВ из заготовки, км 5-10 20-50 5-10 > 50 > 50-100
Контроль профиля ПП очень легко осуществим не легко осуществим очень легко осуществим легко осу- ществим осуществим
3.5. Жакетирование заготовок
В телекоммуникационных ОВ, особенно одномодовых, сердцевина и
окружающая ее светоотражающая оболочка занимают всего лишь 5...20 % от
общего объема волокна в зависимости от его типа. Основную же часть волок-
на составляет технологическая кварцевая оболочка, которая определяет толь-
ко геометрические и механические свойства волокна. Поэтому в настоящее
время с целью повышения производительности процессов получения загото-
вок и их габаритов предпочитают использовать парофазные методы только
для формирования сердцевины и светоотражающей оболочки (где предъяв-
ляются наиболее высокие требования к чистоте материалов), а кварцевую
технологическую оболочку формировать другими, более дешевыми и произ-
водительными способами. К числу таких способов относится в первую оче-
редь "жакетирование", т. е. процесс "нахлопывания" дополнительной кварце-
вой трубки на первоначальную заготовку, как это видно из рис. 3.31. При
этом абсолютные размеры сердцевины и светоотражающей оболочки в ис-
ходной и "жакетированной" заготовках остаются одинаковыми, а изменяется
только отношение диаметров заготовки и сердцевины (d3ar/dz). Иногда из-за
наличия только определенного размера кварцевых трубок добиться требуемо-
го отношения б/заг/^с можно только за счет "масштабирования", т. е. когда ис-
ходная заготовка предварительно перетягивается до определенного размера,
таким образом, чтобы после "жакетирования" имеющейся трубкой обеспечить
необходимую величину d3aJdz. Следует отметить, что хотя часто осуществля-
ется горизонтальное "жакетирование" на установках MCVD, вертикальное
"жакетирование" более предпочтительно, т. к. способствует лучшей концен-
тричности трубки и заготовки.
Рис. 3.31. «Жакетирование» заготовки: 1 - исходная заготовка; 2 - заготовка в дополнитель-
ной кварцевой трубке
г Другой способ наращивания технологической оболочки - это сочетание
методов MCVD и OVD, где сердцевина и светоотражающая оболочка форми-
руется методом MCVD, а основная масса технологической оболочки - мето-
дом OVD при подаче в горелку только 81СЦ и О2-
Фирма "Alcatel" разработала сочетание методов MCVD (для осаждения ма-
териалов светоотражающей оболочки и сердцевины внутри опорной кварцевой
трубки) и внешнего плазменного наращивания массы кварцевого стекла снаружи
заготовки, назвав его APVD (advancedplasma and vapor deposition) [3]. В этом слу-
чае в качестве исходного сырья используется кварцевый порошок, подаваемый в
пламя плазменной горелки. Схема процесса наращивания кварцевого стекла с по-
мощью плазменной горелки приведена на рис. 3.32 (а), на рис. 3.32 (б) показан
профиль ПП в заготовке, полученной методом APVD. Видно, что большая часть
заготовки (~ 90 %) получена плазменным наращиванием технологической обо-
лочки, но все равно основное время тратится на изготовление исходной заготовки.
1
В
профиль показателя преломления SM волокна, изготовленного методом APVD (б):
1 - исходная заготовка; 2 - емкость с кварцевым порошком; 3 - плазменная горел-
ка; 4 - сформированная заготовка; 5 - радиус сердцевины; 6 - диаметр исходной
заготовки; 7 - толщина нарощенной технологической оболочки
4. ВЫТЯЖКА ОВ И ИХ ПРОЧНОСТНЫЕ
СВОЙСТВА
4.1. Вытяжка оптических волокон
Принцип вытяжки волокна достаточно прост — конец заготовки нагрева-
ют в печи до температуры размягчения кварцевого стекла, при которой из него
вытягивается тонкая нить. Охлаждаясь на воздухе, такая кварцевая нить быстро
стеклуется и перестает удлиняться, что обеспечивает возможность получения
волокон с постоянным по длине диаметром. Соотношение между диаметром
волокна и скоростью его вытяжки из заготовки определяется из следующего
уравнения, которое представляет собой уравнение баланса масс кварцевого
стекла в заготовке и в виде волокна
= (4.1)
где Пит и dB0B - диаметры заготовки и волокна соответственно;
Изаг и Увоя - скорости подачи заготовки в печь и вытяжки волокна соответ-
ственно. Схема вытяжной установки приведена на рис. 4.1. Эта установка
включает в себя:
- механизм подачи заготовки в печь с заданной скоростью;
- высокотемпературную графитовую или циркониевую печь;
- измеритель диаметра кварцевого волокна;
- фильеру для материала первичного покрытия;
- измеритель концентричности покрытия;
- источник УФ-излучения или термопечь;
- измеритель толщины первичного покрытия;
— фильеру для материала вторичного покрытия;
- измеритель концентричности покрытия;
- источник УФ-излучения или термопечь;
- измеритель диаметра волокна с суммарным защитно-упрочняющим по-
крытием;
- тянущие ролики или барабан, определяющие скорость вытяжки волокна;
- приемную катушку.
Часто перед тянущими роликами располагается измеритель натяжения
волокна, поскольку требуемая температура нагрева заготовки (т. е. ее вязкость)
определяется по натяжению волокна.
При вытяжке волокна сохраняется подобие, т.е
где Пзаг и Dc - наружный диаметр заготовки и диаметр сердцевины в заготовке;
t/вол и dc - наружный диаметр волокна и диаметр сердцевины в волокне.
Температуру в печи подбирают таким образом, чтобы обеспечить принудитель-
ную вытяжку при заданном натяжении волокна. Обычно натяжение при вытяжке
телекоммуникационного волокна составляет 5... 10 г, а при вытяжке волокна с вы-
сокой концентрацией GeOz или PiO$ в сердцевине - 70. ..100 г., т. к. при высокой
температуре (характерной для малой вязкости и соответственно малого натяже-
ния) в этих световодах наблюдается значительное увеличение потерь.
Рис. 4.1. Схема установки для вытяжки ОВ: 1 - заго-
товка; 2 - высокотемпературная печь; 3 -
измеритель диаметра волокна; 4 - апплика-
тор (фильера) с материалом защитного по-
крытия; 5 - измеритель концентричности по-
крытия; 6 - УФ-облучатель; 7 - измеритель
толщины покрытия; 8 - приемная катушка
В качестве высокотемпературной печи используют либо печь с графито-
вым нагревателем, работающим в атмосфере инертного газа (аргона), либо печь
с нагревателем из керамической двуокиси циркония, работающим на воздухе,
т.е. в окислительной среде. На рис. 4.2 показана схема графитовой печи, в кото-
рой очень важно правильно создать потоки аргона с тем, чтобы избежать осаж-
дения на заготовку и на волокно налетов оксидов и карбидов кремния, которые
образуются при испарении кварца и его взаимодействия с испаряющимся угле-
родом графитового нагревателя и значительно снижают прочность ОВ.
Преимуществом графитовой печи является относительная легкость в
управлении и обслуживании, а недостатками - необходимость в инертной ат-
мосфере, испарение графита и относительно высокая стоимость графитового
нагревателя. Для работы циркониевой печи требуется предварительный нагрев
Рис. 4.2. Схема высокотемпературной печи с графитовым нагревателем
(до ~ 1 200 °C) керамического нагревателя из двуокиси циркония, т. к. при ком-
натной температуре эта керамика является диэлектриком. Только после появ-
ления проводимости нагреватель можно разогревать дальше, например, с по-
мощью ВЧ-генератора. Преимущество циркониевой печи - возможность рабо-
тать в окислительной атмосфере, а основной недостаток - нагреватель не выно-
сит частых циклов (нагрев — охлаждение) и разрушается. Поэтому циркониевые
печи используются в условиях круглосуточной вытяжки волокна в промыш-
ленных условиях.
В измерителях диаметра волокна обычно используется "теневой" метод,
когда тень волокна, освещаемого гелий-неоновым лазером (X = 0,63 мкм), фо-
кусируется на полупроводниковую матрицу ПЗС. Измеритель диаметра волок-
на связан с системой регулировки скорости его вытяжки, а именно: если диа-
метр волокна увеличивается от заданного, то увеличивается скорость вытяжки
и наоборот.
Вытягиваемое "голое" кварцевое волокно из-за абразивного воздействия
пыли и элементов вытяжной установки, а также под действием влаги окру-
жающей среды очень быстро разрушается. Поэтому в процессе вытяжки на во-
локно одновременно наносят защитно-упрочняющее покрытие (ЗУП). Эти по-
крытия бывают полимерными, металлическими и углеродными. Основные тре-
бования к полимерным ЗУП:
- вязкость материалов вблизи комнатной температуры, при которой
обычно они наносятся, — не более 5 Па-с;
- хорошая адгезия к стеклу волокна;
- полимерное покрытие должно хорошо сниматься с волокна (например,
согласно требованиям Bellcore усилие снятия не должно превышать 0,5...3 кгс/м,
что необходимо при сварке волокон и изготовлении ответвителей).
Различают два основных типа полимерных покрытий: термоотверждае-
мые и УФ-отверждаемые. Первые, среди которых наиболее применяемыми яв-
ляются СИЭЛ и полиамидные или полиимидные лаки, полимеризуются под
действием тепла (температура 250...350 °C). УФ-отверждаемые покрытия по-
лимеризуются под действием УФ-излучения. К этим покрытиям относятся
эпоксиакрилаты и уретанакрилаты, которые имеют ПП > 1,48. В настоящее
время наиболее широко применяют последние из-за большей стабильности их
свойств. Исходные полимерные композиционные материалы заливают в аппли-
каторы (чаще их просто называют фильерами). Аппликаторы бывают двух ти-
пов: в виде «открытой чаши», в донной части которой располагается кониче-
ская фильера с калиброванным внутренним диаметром, и в виде сосуда, рабо-
тающего под избыточным давлением (рис. 4.3) [8].
Рис. 4.3. Схема аппликатора под давлени-
ем: 1 - волокно; 2 - верхняя филь-
ера; 3 - корпус; 4 - полимерная
композиция; 5 - нижняя фильера;
Р - давление
vwwv
В первом случае толщина полимерного покрытия (/) определяется соот-
ношением диаметров фильеры и ОВ согласно уравнению
t = {а2 + \l\a(b/a) [(b2 - а2)/! - а21п(6/д)]}1/2 - а, (4.3)
где 2а-d- диаметр волокна;
2b - D - диаметр фильеры, и не зависит от вязкости полимерного покры-
тия и скорости вытяжки. Уравнение (4.3) апроксимируется в простое соотно-
шение
t = (D - d)/2. (4.4)
При входе волокна в аппликатор типа «открытая чаша» образуется воронкооб-
разный мениск, размеры которого находятся в прямой зависимости от вязкости
материала и скорости движения волокна. Пограничный газовый (воздушный)
слой служит источником воздушных пузырей в аппликаторе, которые вовлека-
ются в полимерную композицию движущимся волокном. Войдя в покрытие эти
пузыри после отверждения (полимеризации) ЗУП приводят к снижению меха-
нической прочности и повышению оптических потерь из-за появления микро-
изгибов.
Для предотвращения этого используют аппликаторы, работающие под
избыточным давлением (например, рис. 4.3). В этом случае радиус кривизны
мениска сокращается на несколько порядков, а поперечные размеры мениска
становятся меньше диаметра верхней фильеры. Мениск с малой кривизной по-
верхности активно отсекает пограничный слой в месте входа волокна в аппли-
катор, а под действием избыточного давления пузыри выводятся наружу. При
приложении избыточного давления в отличие от аппликатора типа «открытая
чаша» толщина покрытия существенно зависит от вязкости полимерной компо-
зиции (ее температуры), а также от скорости вытяжки волокна, а именно: уве-
личение вязкости полимера и скорости вытяжки сопровождается уменьшением
толщины покрытия при фиксированном давлении. Кроме того, с ростом скоро-
сти вытяжки уменьшается диапазон толщины покрытия, управляемый давлени-
ем. Скорость вытяжки волокна зависит, главным образом, от скорости полиме-
ризации ЗУП и длины УФ-облучателей, которые в свою очередь определяются
высотой вытяжной установки. Обычно на промышленных установках скорость
вытяжки составляла 2,5...5 м/с., хотя применение аппликаторов под давлением
и уретанакрилатных покрытий позволило в настоящее время увеличить ско-
рость вытяжки волокна до десятков метров в секунду.
С тем, чтобы уменьшить величину изгибных и микроизгибных потерь, о
которых говорилось в гл. 1.2, наносят двухслойное покрытие: первичное - мяг-
кое (модуль Юнга Е = 1...20 МПа) и вторичное - более жесткое (Е = 0,1...4
ГПа). В табл. 4.1 приведены дополнительные микроизгибные потери в одномо-
довых ОВ с кварцевой сердцевиной и боросиликатной оболочкой в зависимо-
сти от материала ЗУП, при этом натяжение на барабане диаметром 25,3 см со-
ставляло ~ 132 г. Видно, что мягкое первичное покрытие почти на полтора по-
рядка уменьшает величину микроизгибных потерь. Однако это покрытие легко
удаляется с волокна, и, чтобы этого избежать, поверх первичного наносят более
жесткое вторичное покрытие.
Таблица 4.1
Дополнительные микроизгибные потери в одномодовых ОВ (SiO^-SiOi В20з)
I Тип покрытия i Модуль Юнга, (дин/см2) Допол. микроизгибные потери (дБ/км)
Вторичное уретанакрилатное 1,2хЮ9 18,8
Модифицированное эпоксиакрилатное 4,5х108 11,6
Первичное уретанакрилатное 7,0x107 0,3
Двойное силикон/нейлон 6,6x10б 0,5
Из вышеприведенных данных видно, что модуль Юнга для полимерных
покрытий значительно меньше модуля Юнга для кварцевого стекла (Е =
7,06-10 1 дин/см2 « 73,5 ГПа). Поэтому само по себе покрытие не может упроч-
нить ОВ, а упрочняющую роль полимерного покрытия многие сводят к защите
от абразивного воздействия внешних факторов и «залечиванию» дефектов
(микротрещин) материалом первичного покрытия, прочно скрепляющим про-
тивоположные берега микротрещин.
Следует отметить, что рыхлая структура полимерных покрытий не защи-
щает поверхность стекловолокна от поникновения влаги окружающей среды.
Для примера на рис. 4.4. приведены зависимости влагосодержания эпоксиакри-
латных покрытий ЭАС-503 от парциального давления паров воды и температу-
ры. Видно, что с ростом парциального давления паров воды содержание паров
воды в покрытии увеличивается, а с ростом температуры — уменьшается. Одна-
ко последний эффект (сушки волокна) довольно быстро (от 0,5 до 2 час) ниве-
лируется. Проницаемость полимерных покрытий для паров воды приводит со
временем к деградации прочности волокна (статическая усталость) и росту по-
терь за счет диффузии водорода и увеличения концентрации гидроксильных
ионов. Диапазон работы акрилатных ЗУП - это - 60 °C.. .+85 °C, а полиамидных
и полиимидных до 200...250 °C
Рис. 4.4. Зависимости влагосодержания в
эпоксиакрилатном покрытии ЭАС-
503 от парциального давления во-
ды в окружающей атмосфере и
температуры: 1 - 15 °C; 2 - 22 °C;
3-33 °C; 4-51 °C
Парциальное давление паров воды, Па
Поэтому поиски были направлены на разработку герметичных покрытий,
к которым относятся металлические и углеродные покрытия. Среди многочис-
ленных методов нанесения металлических покрытий (вакуумное напыление,
пиролиз металлоорганических соединений, плазменное распыление и т.д.) наи-
большее распространение получил метод "намораживания", когда металл «на-
мораживается» на холодное волокно на входе в металлизатор. На рис. 4.5 при-
ведена схема металлизатора [8]. Толщина намораживаемой металлической обо-
лочки зависит от температуры расплава, скорости вытяжки волокна и расстоя-
ния между фильерами металлизатора. Так, толщина покрытия возрастает по
мере приближения температуры расплава к температуре кристаллизации метал-
ла, а увеличение скорости вытяжки увеличивает вероятность пропусков покры-
тия. Оптимизация технологии нанесения покрытия позволила добиться того, что
колебания диаметра волокна с металлической оболочкой не превышали ± 2 мкм,
включая в себя колебания диаметра самого кварцевого волокна (± 1 мкм).
Рис. 4.5. Схема металлизатора: 7 - волокно; 2 - дополнительный резервуар с расплавом ме-
талла; 3 - поршень; 4 - нагревательный элемент; 5 - термопара; 6 - расплав металла
в рабочей зоне; 7 - корпус металлизатора
Использование металлического покрытия позволило увеличить макси-
мальную прочность ОВ на изгиб до 11... 14 ГПа вместо ~ 6 ГПа для полимерно-
го покрытия. Однако повышения долговечности ОВ первоначально получить не
удалось. По мнению ряда авторов это вызвано адсорбцией паров воды на по-
верхности волокна до его покрытия металлом. Использование дополнительного
резервуара с сухой атмосферой, располагавшегося между выходом волокна из
высокотемпературной печи и металлизатором, повысило прочность волокна,
как это видно из рис. 4.6. Установлено также, что при увеличении срока хране-
ния ОВ с металлической оболочкой наблюдается увеличение его прочности.
Одни авторы (например, сотрудники ГОИ) объясняют это уменьшением кон-
центрации воды на поверхности волокна за счет диффузии ее в объем волокна,
другие (сотрудники НЦВО и ИРЭ РАН) - изменением со временем структуры
металла.
i
Рис. 4.6. Зависимость изгибной прочно-
сти металлизированного (оло-
вом) волокна от состава атмо-
сферы между высокотемпера-
турной печью и металлизато-
ром: 7 - насыщенный водяной
пар; 2 - воздух; 3 - сухой аргон
t
Вероятность разрушения, %
1п1л(1/(1-Л))
Напряжение, ГПа
Преимуществом металлизированного покрытия является и повышение
рабочей температуры ОВ. В табл. 4.2. приведены температуры плавления ме-
таллов, наиболее часто используемых для формирования металлической обо-
лочки. Однако реально рабочие температуры ОВ ниже, чем температуры плав-
ления металлов, например, для алюминиевых и медных оболочек они состав-
ляют 300...350 °C из-за того, что алюминий реагирует с кварцевым стеклом, а
медь -> окисляется с разрушением металлической оболочки. Волокна с золотым
покрытием могут эксплуатироваться в диапазоне температур -190 °C...+750°C,
однако имеются существенные затруднения в технологии такого покрытия.
Таблица 4.2
Температуры плавления металлов
Наименование металла Температура плавления, °C
Индий 156,4
Олово 231,9
Алюминий 660
Медь 1 083
Золото 1 063
Недостатком металлического покрытия является увеличение затухания
вследствие микроизгибов, возникающих при намораживании относительно тол-
стой металлической оболочки из-за большой разности КЛТР металлов и кварцево-
го стекла. Уменьшение толщины металлического покрытия до 10... 15 мкм и на-
несение поверх металла полимерного буферного покрытия позволило умень-
шить прирост потерь в телекоммуникационных многомодовых и одномодовых
ОВ с числовой апертурой ~ 0,2 менее 0,1 дБ/км и не более 0,3 дБ/км для одно-
модовых волокон с числовой апертурой ~ 0,1 [8]. Такой прирост потерь делает
невозможным применение ОВ с металлическим покрытием в протяженных
ВОСПИ, и данные ОВ используют обычно при работе в особых условиях (на-
пример, в условиях повышенной температуры).
Углеродные покрытия наносят путем пиролиза органических соединений
при температуре ~ 1 000 °C в реакторе, через который проходит волокно. По-
скольку толщина углеродного покрытия значительно меньше металлического и
составляет обычно 400...800 А, его нанесение на ОВ не приводит к увеличе-
нию оптических потерь. В то же время, из-за малой толщины такое покрытие не
может защитить волокно от механических повреждений, поэтому поверх угле-
родного всегда наносят защитное полимерное покрытие. В отличие от металли-
ческого углеродное покрытие не ведет к увеличению прочности волокна по
сравнению с полимерным покрытием, т. к. разрушение углеродного покрытия
происходит уже при удлинении ~ 6 % (~ 4,5 ГПа). При эксплуатации ОВ под-
вергаются удлинению не более 0,3...0,5 %, поэтому углеродное покрытие обес-
печивает герметичность поверхности волокна и, следовательно, увеличивает
срок его службы. В настоящее время именно ОВ с углеродным покрытием,
единственные из всех типов ОВ с герметичными покрытиями, производят в
промышленных масштабах.
КЛТР материалов ЗУП на два и более порядка выше КЛТР кварцевого
стекла. Это приводит к тому, что при не концентричности покрытия волокно
становится "саблевидным", т.е. искривляется, и имеет меньшую механическую
прочность. Концентричность наносимых на волокно покрытий контролируется
по картине дифракции излучения He-Ne-лазера.
4.2. Прочность ОВ
Прочностные свойства ОВ являются одной из важнейших характеристик,
определяющих возможность их практического использования и эксплуатации.
Прочность характеризует свойство материалов сопротивляться разрушению под
воздействием внешних нагрузок. Мерой прочности является предел прочности,
т.е. максимальное напряжение, вызывающее разрушение материала под действи-
ем статической нагрузки. В зависимости от вида действующей нагрузки разли-
чают пределы прочности при растяжении, сжатии, изгибе, кручении и т. д. Для
ОВ наибольшую опасность представляет растяжение, которое наблюдается при
перемотке волокна, при его кабелировании, при прокладке и эксплуатации ОК.
Различают теоретическую и техническую прочность. Теоретическая проч-
ность является расчетной величиной для идеального бездефектного гомогенного
материала, нагружаемого квазистатично при достаточно низких температурах.
Теоретическая прочность является физически определенной величиной и во
многом зависит от природы и прочности химических связей в веществе. Кварце-
вое стекло подчиняется закону Гука в широком интервале напряжений
о = £-е, (4.5)
где о - dFy„p/dS - напряжение, Н/мм ,
Fy„p - упругая сила, Н;
S - площадь сечения, мм2;
Е - модуль Юнга при растяжении, равный для кварцевого стекла 72 000 Н/мм2
(~ 73,5 ГПа);
е = А/// - относительное удлинение образца длиной /. Модуль Юнга оп-
ределяет и величину теоретической прочности кварцевого стекла от, получен-
ную на основании расчетов прочности разрывов четырех атомных связей Si-O
(см. гл. 2):
от = (1/4)-5 = 18000 Н/мм2, (4.6)
откуда следует, что предельное теоретическое удлинение кварцевого образца -
25 %. Сила, которая должна вызывать 25 % удлинение волокна диаметром
dB0Si =125 мкм, равна
Ро = (тс/4) Чол2-<ут « 200 Н « 20 кгс. (4.7)
Техническая прочность характеризует прочность реальных изделий. Так,
несмотря на то, что кварцевое волокно диаметром 125 мкм должно выдержи-
вать растягивающие усилия до 20 кгс и удлинение до 25 %, на практике корот-
кие отрезки волокон (~ 1 м) разрушаются при нагрузках 5...6 кгс и е ~ 7 %.
Расхождение значений теоретической и технической прочности твердых
тел Гриффитс объясняет наличием на их поверхности большого числа микро-
дефектов, названных "микротрещинами Гриффитса". Они могут быть обуслов-
лены разрывом химических связей Si-O-Si в результате:
- абразивного действия твердых частиц (даже пыли) или контакта в по-
верхностями твердых тел;
- химического взаимодействия с влагой и газами окружающего воздуха.
На рис. 4.7 приведено поперечное сечение трещины, находящейся под
растягивающим напряжением. Схематически микротрещина изображается в
виде щели с эллиптическим закруглением в вершине. Исходя из закона сохра-
нения энергии, Гриффитс установил зависимость длины трещины I от прило-
женного напряжения а в виде соотношения
о-(/)1/2 = С (4.8)
где С - постоянная величина для хрупкого разрушения и может быть рассчи-
тана, исходя из физико-механических свойств материала:
С= (2£<1п/7г-ц)1/2, (4.9)
где оп - поверхностное натяжение;
п - коэффициент Пуассона, который показывает отношение поперечного
сужения (расширения) Ad/d к относительному продольному удлинению (сжа-
тию) А/// образца.
Трещина начнет удлиняться, когда напряжение достигнет некоторого
критического значения Из рис. 4.7, б видно, что с увеличением длины тре-
щины величина критического напряжения уменьшается. Согласно Гриффитсу
трещина является сильным концентратором напряжений, причем напряжение в
вершине (ол0к) выше и определяется из уравнения
ол0к = 2о-(//р)ш, (4.10)
Напряжение, С
б
a
Рис. 4.7. Модель микротрещины по Гриффитсу (а) и зависимость длины трещины от дейст-
вующих напряжений (б): I - длина трещины, р - радиус кривизны в вершине трещины
где о - приложенное напряжение;
р - радиус кривизны в вершине трещины.
Коэффициент К, равный К = Ухстх(/)ш получил название коэффициента
интенсивности напряжений, где Y- геометрический фактор, близкий к единице,
дает учет различной формы трещины. Например, для полуэллиптичной трещи-
ны У =1,24.
На рис. 4.8 приведена типичная зависимость скорости роста трещины от
коэффициента интенсивности напряжений (K-V- диаграмма). На диаграмме
видны три характерные области. Рост трещины на участке I при малых скоро-
стях определяется совместным действием в вершине трещины напряжений и
молекул разных веществ (в первую очередь воды) из окружающей среды, акти-
вирующих разрыв химических связей в стекле. Для описания этого участка
обычно используют эмпирическое соотношение
^ul = dl/dt = AxKn, (4.11)
где А и п - эмпирические константы, характеризующие динамику развития
трещин, причем для кварцевых волокон п « 20. На первой стадии рост наиболее
опасной (крупной) трещины, расположенной перпендикулярно направлению
приложенной нагрузки, начинается при значении <тлок> <7кр, при этом прочность
образца определяется отношением действующей силы к площади сечения об-
разца за вычетом площади, на которую распространилась трещина. Скорость
роста микротрещины в области I зависит от совместных действий растягиваю-
щих напряжений и химических реакций гидролиза перенапряженных силокса-
новых связей в вершине трещины.
В области II слабая зависимость приращения скорости роста трещины от
коэффициента интенсивности напряжений обусловлена запаздыванием транс-
портировки молекул воды к вершине растущей трещины.
В области III скорость роста трещины катастрофически нарастает с уве-
личением К. В этом случае возникает большое число трещин, которые растут с
высокой скоростью (порядка 5 000 м/с). Встречаясь с крупной первой трещиной
и друг с другом, они образуют многочисленные линии сколов, которые создают
Коэффициент интенсивности напряжения К, МПа (м)|/2
Рис. 4.8. Зависимость скорости роста микротрещины от коэффициента интенсивности на-
пряжений
шероховато-раковистую поверхность. В изломе волокна (рис. 4.9) можно на-
блюдать две зоны, соответствующие стадиям разрушения: зона зеркальной по-
верхности, обусловленная ростом одной трещины, и зона шероховато-
раковистой поверхности (перьевая зона), обусловленная ростом большого чис-
ла трещин. Местоположение зеркальной зоны показывает, где находится де-
фект: на поверхности волокна или в глубине. Определение мест начала роста
трещины по местоположению зеркальной зоны называется фрактографическим
анализом. Однако, если волокно не имеет явно выраженного дефекта и рвется
при больших усилиях (5.. .6 кгс), обнаружить зеркальную зону невозможно.
Рис. 4.9. Торец волокна после разрыва: 1 -
зеркальная поверхность; 2 - зона
«тумана»; 3 - перьевая зона; 4 -
кварцевая оболочка; 5 - сердцевина
На многокилометровых длинах волокон возможно появление отдельных
дефектов, имеющих низкую прочность (до 500 Н/мм2 и ниже). Для их обнару-
жения осуществляется перемотка волокна под нагрузкой. При этом волокно
проходит через специальное приспособление (рис. 4.10), где в течение ~ 1 сек.
создается требуемая нагрузка (например, ~ 5 Н, которая необходима, чтобы во-
локно прошло процесс кабелирования). Разорвавшиеся волокна можно сращи-
вать путем сварки, при этом в местах сварки, как показала практика, волокна
способны выдерживать нагрузки до 3 кгс, что более чем достаточно для про-
цесса кабелирования. При большой скорости перемотки время нахождения во-
локна под нагрузкой уменьшается и величина прочности как бы возрастает.
3
Рис. 4.10. Схема установки для контроля прочности волокна методом перемотки (prooftesty.
1 - раздаточная катушка; 2 - приемная катушка; 3 - кабестан
Согласно теории Гриффитса образец стекла может находиться под на-
грузкой бесконечно долго, если величина приложенного напряжения меньше
критического и образец не разрушится в момент нагружения. Однако много-
численные экспериментальные данные показывают, что даже при приложении
к образцу нагрузки меньше критической он через некоторое время может раз-
рушиться. Время до разрушения зависит от величины приложенной нагрузки,
размера дефекта и окружающих условий. Это явление, называемое статистиче-
ской усталостью стекла, объясняется совместным действием напряжения и мо-
лекул веществ, попадающих в трещину из окружающей среды (в первую оче-
редь молекул воды) и активирующих разрыв химических связей в вершине
трещины.
Схема модели гидролиза напряженного кварцевого стекла приведена на
рис. 4.11. На первом этапе реакции между атомом водорода, принадлежащим
подошедшей к поверхности стекла молекуле воды, и мостиковым атомом ки-
слорода растянутой механическим напряжением цепочки ==Si-O-Si= образуется
водородная связь. Одновременно не поделенная пара электронов атома кисло-
рода молекулы воды образует ковалентную связь со свободными 3d-
орбиталями атома кислорода. Далее происходит переход протона от водорода
молекулы воды к кислороду стекла и переход электрона от кислорода воды к
атому кремния. Между атомами водорода и кислорода молекулы воды образу-
ется водородная связь, которая легко разрывается тепловыми флуктуационны-
ми движения атомов. В итоге образуются несвязанные между собой две группы
Si-OH. Энергия активации этого процесса, равная ~ 29 ккал/моль, оказывается
значительно меньше энергии необходимой для разрыва связи Si-O, равной
«106 ккал/моль. На рис. 4.12 приведены зависимости скорости роста трещин от
коэффициента интенсивности напряжений (К) в 100 % и 2 % влажных средах.
Видно, что увеличение влажности среды на порядки увеличивает скорость рос-
та трещин. Помимо воды активировать разрыв напряженных связей в вершине
трещины могут и другие вещества (например, аммиак и метанол), размеры мо-
лекул которых сопоставимы с длиной силаксанового мостика.
Рис. 4.11. Модель гидролитического разрыва напряженной силаксановой связи: 1,2 - обра-
зование водородных связей; 3 - образование группы ОН
Применение герметичной металлической или углеродной оболочки с
нанесенной поверх полимерной оболочки показало увеличение долговечности
ОВ. Так, после выдерживания ОВ с металлической и полимерной оболочками
в воде в течение полугода не установлено каких-либо изменений его прочно-
сти или оптического затухания, в отличие от ОВ, покрытого лишь полимерной
оболочкой.
Коэффициент интенсивности
напряжений, МПа • (м)1/2
Рис. 4.12. Зависимости скорости роста тре-
щин от коэффициента интенсивно-
сти напряжений в средах с влажно-
стью: 7 - 100 %; 2 - 2 %
Принят номинальный срок службы волокна - 25 лет, однако дать досто-
верный прогноз на такой большой срок достаточно сложно. Дефектов в много-
километровых волокнах много, и они изменяются вдоль волокна случайным
образом. Поэтому их влияние может быть учтено только статистически, и о
сроке службы волокна можно говорить только с определенной долей вероятно-
сти. Для практических расчетов срока службы волокна (т) обычно используют
выражения:
т(е) = тп Р- (еп/е)”; (4.12)
Р = [1 - (1/Z ЛГЯ) 1п(1 F)^m- 1, (4.13)
где тп - время нагружения при перемотке, с;
F- вероятность разрушения волокна в процессе эксплуатации;
L - длина волокна, км;
N„ — число обрывов волокна на единицу длины при его перемотке, км,
е - относительное удлинение волокна в процессе эксплуатации;
еп - относительное удлинение волокна в процессе перемотки;
п - параметр, характеризующий скорость роста трещины в уравнении 4.11;
тп - статистический параметр Вейбулла.
Зависимость срока службы от относительного удлинения волокна е в
процессе эксплуатации приведена на рис. 4.13. Видно, что при небольших
изменения е срок службы волокна меняется очень сильно, и чтобы обеспе-
чить срок службы 25 лет, относительное удлинение должно быть менее
0,36 %, что определяет допустимую величину локальной механической рас-
тягивающей нагрузки в пределах 3 Н.
40
н *tU
CQ on
О 3 JU
ю £ Q 70
О 10
Сц О
0
0,35 0,37 0,39 0,41 0,43 0,45
Относительное удлинение волокна, %
Рис. 4.13. Зависимость срока службы ОВ от его удлинения
На практике при расчетах интегральной вероятности разрушения волокна
под действием нагрузки обычно используют эмпирическую формулу Вейбулла
т
(4.И)
или
Ф = 1п1п
— +mln(/)-mln(/0),
где L - длина нагружаемых отрезков волокна;
£о - отрезок волокна, при котором F = 0,632;
f и Jo - разрывная нагрузка исследуемого и бездефектного волокна соот-
ветственно (при da/dt = 270 МПа/с и влажности 50 % величина fo равна 93,5 Н);
т - параметр Вейбулла.
Для построения распределения Вейбулла берут ряд случайных образцов
исследуемого волокна (обычно не менее 30) и проводят измерение их прочно-
сти на разрывной машине, схема которой приведена на рис. 4.14.
Рис. 4.14. Схема разрывной машины для измерения прочности волокна: 1 - волокно; 2 - на-
грузка; 3 - самописец
Длина исследуемых образцов составляет обычно 0,5...1 м, хотя иногда
для увеличения суммарной длины исследуемого волокна используют отрезки
длиной 3...10 м каждый. Фиксируют усилие, при котором каждое волокно по-
рвалось. При этом надо иметь в виду, что величина разрывной прочности зави-
сит от скорости нагружения волокна, а именно: чем меньше скорость нагруже-
ния, тем меньше величина прочности волокна, так как оно находится под на-
грузкой большее время и больше времени для роста трещин. Указанное явление
называют динамической усталостью. Зависимость разрывной прочности Рд от
скорости нагружения (v) определяется уравнением
In Рд = [ 1 /(п + 1)] In v + const (4.16)
и приведена на рис. 4.15. Видно, что на графике In Рд от In v зависимость дейст-
вительно линейная с наклоном 1/(п + 1).
Рис. 4.15. Результаты динамических испытаний прочности одномодового ОВ компании
Hitachi
Графически распределение Вейбулла строят в координатах lnln(l/( 1 - F))
от 1п/ (или In о) и зависимость должна быть линейной согласно уравнению
(4.15), где т определяется как угол наклона прямой. Примеры распределения
Вейбулла приведены на рис. 4.6 и 4.18.
Для определения прочностных свойств волокна помимо метода растяже-
ния широкое распространение получил и метод изгиба (изгибная прочность).
Суть метода видна из рис. 4.16, Между двумя пластинками зажат отрезок во-
локна, по которому пропускают свет. При сближении пластинок уменьшается
радиус изгиба волокна, и как только он достигнет некоторого критического
значения волокно разрушается, свет не попадает на фотоприемник, и измеряют
расстояние между пластинами. Величину разрушающего напряжения обычно
рассчитывают по упрощенной формуле
о = £(1+4,2 d'/Д) 1,21 дУД, (4.17)
где d- диаметр кварцевого волокна, мм;
г Д - расстояние между нейтральными осями петли волокна.
Поскольку длина испытываемого волокна в методе изгиба составляет несколь-
ко мм (длина волокна в петле), то и вероятность обнаружения дефекта меньше,
чем в методе растяжения более длинных волокон. Полученные результаты об-
рабатываются по вышеописанной методике с целью построения распределения
Вейбулла, характеризующего изгибную прочность.
Рис. 4.16. Схема измерения прочности волокна из-
гибным методом: 1 - источник света; 2 -
сжимающие пластины; 3 - волокно; 4 -
фотоприемник
V
Установлено, что прочность ОВ зависит от скорости его вытяжки, а именно
с увеличением скорости вытяжки прочность увеличивается. На рис. 4.17 приведе-
ны дисперсионные зависимости вероятности разрушения ОВ, вытянутых из одной
заготовки, но при разных скоростях. Измерения проводились методом изгиба.
Видно, что скорости вытяжки 150 м/с возможно появление ОВ с полимерным
(эпоксиакрилатным) покрытием, выдерживающего напряжение до 9 ГПа. Суще-
ствуют различные объяснения факта повышения прочности ОВ при увеличении
скорости вытяжки. Например, уменьшение времени пребывания заготовки в печи
при большей скорости вытяжки способствует уменьшению скорости роста и чис-
ла микротрещин, или увеличением скорости вытяжки можно подавить процесс
Рис. 4.17. Зависимости вероятности разрушения кварцевого ОВ от скорости вытяжки: 1 -
35 м/мин; 2-60 м/мин; 3-150 м/мин
На рис. 4.18 приведено распределение Вейбулла для образцов ОВ диа-
метром 125 мкм, вытянутых из трех заготовок: заготовка 1 перед вытяжкой не
подвергалась какой-либо обработке, заготовка 2 подвергалась огневой поли-
ровке (т. е. дополниетльному нагреву заготовки в пламени О2-Н2 горелки), а за-
готовка 3 - травлению в плавиковой кислоте и затем огневой полировке. Видно,
что наибольшей прочностью обладают ОВ, вытянутые из заготовки 3 (7 слабая
точка в районе 0,5 ГПа, а большинство значений лежит в интервале 5...5,5
ГПа), а наименьшей - ОВ, вытянутые из заготовки 7. Это иллюстрирует необ-
ходимость тщательной обработки заготовки перед вытяжкой для получения
прочных ОВ. Стравливание поверхностного слоя кварцевого стекла толщиной
до » 50 мкм позволяет значительно уменьшить его загрязнение примесями ме-
таллов, содержащихся в окружающей атмосфере и способных быть инициато-
рами появления микротрещин в волокне (например, за счет разности КЛТР).
Аналогичным образом к снижению прочности ОВ могут приводить и
инородные частицы, уже содержащиеся в опорных кварцевых трубках. В каче-
стве таких инородных частиц могут выступать и кристаллики кварца (криста-
болита), имеющие меньший объем (на ~ 0,5 %), чем кварцевое стекло. Огневая
полировка способствует разгонке примеси по объему стекла (т. е. уменьшению
ее локальной концентрации), расплавлению кристалликов кварца, заплавлению
микротрещин, уже имеющихся на заготовке, и также испарению поверхностно-
го слоя. Исходя из вышесказанного, получение прочных ОВ требует высокой
чистоты рабочих помещений и использования высококачественных опорных
кварцевых труб.
Напряжение, ГПа
Рис. 4.18. Распределение Вейбулла для образцов ОВ, вытянутых из трех заготовок: 7 - заго-
товка перед вытяжкой не подвергалась какой-либо обработке; 2 - заготовка под-
вергалась огневой полировке; 3 - заготовка подвергалась травлению и огневой по-
лировке
5. ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ ОВ
ОВ, применяемые в телекоммуникации, делятся на два основных типа:
многомодовые и одномодовые, причем последних производится в настоящее
время значительно больше, как это видно из рис. 5.1. Основную долю ОВ, про-
изведенных в рекордном 2002 г. составляют стандартные одномодовые ОВ
(90 %), доля одномодовых ОВ с ненулевой смещенной дисперсией составляет
~ 4,8 %, а для многомодовых ОВ лишь ~ 4 %, хотя развитие волоконной оптики
берет начало именно с многомодовых ОВ. Для всех типов волокон, применяе-
мых в линиях связи, внешний диаметр кварцевой технологической оболочки
имеет стандартный размер 125±1 мкм. Номинальный диаметр сердцевины у
многомодовых волокон составляет 50 или 62,5 мкм, а у одномодовых он может
меняться в пределах 7... 10 мкм в зависимости от типа волокна. Диаметр двух-
слойного защитного покрытия у обоих типов волокон по существующим стан-
дартам должен быть 245±10 мкм.
Рис. 5.1. Мировое производство в 2002 г. ОВ
по типу волокна, %: 1 - стандарт-
ное одномодовое волокно; 2 — од-
номодовое волокно с ненулевой
смещенной дисперсией; 3 - мно-
гомодовое волокно; 4 - специаль-
ное волокно
5.1. Многомодовые ОВ
Многомодовые ОВ можно подразделить на два типа: "кварц-кварц" и
"кварц-полимер". В первом случае ОВ имеют сердцевину и светоотражающую
оболочку из чистого или легированного кварцевого стекла, во втором случае -
светоотражающая оболочка формируется полимерным материалом (обычно си-
лаксановым эластомером - СИЭЛ). Заготовки ОВ типа "кварц-кварц" изготав-
ливают парофазными методами, изложенными в гл. 3, и, когда говорят о квар-
цевых ОВ, то по умолчанию понимают, что речь идет об ОВ типа "кварц-
кварц", которые используются практически во всех ВОСПИ.
5.1.1. ОВ типа "кварц-кварц"
В настоящее время многомодовые ОВ применяются в основном в локаль-
ных вычислительных сетях и в линиях с низкой скоростью передачи данных.
Стандартные многомодовые волокна были рассчитаны на применение со свето-
диодами - наиболее надежными и дешевыми полупроводниковыми источника-
ми излучения. Многомодовые кварцевые световоды со ступенчатым профилем
ПП были исторически первым типом волокна (1974-1975 гг.), которые нашли
практическое применение в волоконно-оптических линиях связи. Специально
для работы в стандарте Gigabit Ethernet были разработаны волокна с более вы-
соким коэффициентом широкополосности. Они используются совместно с ла-
зерами, так как светодиоды не обладают быстродействием, необходимым для
работы в стандарте Gigabit Ethernet.
Согласно лучевой теории свет, распространяющийся в волокне, можно
представить в виде суммы плоских волн, изображаемых в виде лучей, обра-
зующих конус. Причем чем выше номер моды, тем больше угол раствора лу-
чей, образующих этот конус (рис. 5.2). Хотя моду можно представить только
полным набором таких лучей, ее часто изображают одним лучом. Число мод,
распространяющихся в многомодовом ОВ со ступенчатым профилем ПП опре-
деляется уравнением
#= ^/2, (5.1)
где V - так называемая нормализованная частота, равная
V = ^--NA2 , (5.2)
А А
где dc — диаметр сердцевины в волокне, мкм;
X - длина волны, мкм;
NA — числовая апертура волокна;
п - ПП кварцевого стекла;
Ди - разность ПП материалов сердцевины и светоотражающей оболочки.
Рис. 5.2. Лучи, формирующие первую и вторую моды волокна. Угол наклона лучей во вто-
рой моде больше, чем в первой, и они глубже проникают в оболочку
В цифровых линиях ВОСПИ свет распространяется в волокне в виде
последовательности импульсов, скорость распространения которых опреде-
ляется групповой скоростью. Эта последовательность импульсов переносит-
ся одновременно всеми модами и, соответственно, образующими их лучами.
Так как угол наклона лучей, образующих более высокую моду, больше, чем у
лучей, образующих более низкую моду, то высшие моды запаздывают силь-
нее (проходят как бы больший путь, что видно на рис. 5.2). Поэтому в мно-
гомодовом ОВ импульсы, передаваемые разными модами, испытывают уши-
рение и могут накладываться друг на друга. Этот механизм уширения им-
пульсов называется межмодовой дисперсией (см. гл. 1). Для уменьшения
межмодовой дисперсии используют градиентный профиль ПП в сердцевине,
который записывается как (1.18). Траектория меридиональных лучей в гра-
диентном волокне показана на рис. 5.3.
Рис. 5.3. Траектории меридиональных лучей в градиентном волокне: 1 - светоотражающая
оболочка; 2 - лучи, соответствующие высшей моде; 3 - лучи, соответствующие
низшей моде. Числовая апертура NA = «osin а
Лучи, соответствующие основной (первой) моде волокна, проходят крат-
чайший путь, но с наименьшей скоростью, т.к. распространяются вблизи оси
волокна, где ПП сердцевины максимален. Лучи, соответствующие высшим мо-
дам, проходят по более длинным траекториям, но с большей скорость., так как
проходят по областям с меньшим ПП. В результате, несмотря на разную длину
траекторий, лучи проходят их за одинаковое время. Число мод, распростра-
няющихся в градиентном многомодовом ОВ, определяется как
N= Г2/4, (5.3)
т.е. в два раза меньше, чем в ОВ со ступенчатым профилем ПП при одинаковых
значениях максимальной разности ПП сердцевины и оболочки.
Провал в центре профиля ПП сердцевины характерен для ОВ, заготовки
которых получены методами MCVD, OVD, PMCVD, PCVD, и обусловлен испа-
рением легирующих компонентов во время сжатия трубки с осажденными
слоями в штабик-заготовку. Наличие этого провала приводит к тому, что в во-
локне возбуждаются одновременно моды и наиболее низкого, и наиболее высо-
кого порядка при использовании лазерного диода в качестве источника излуче-
ния. Так как эти моды распространяются с разными скоростями, то возникает
так называемый эффект дифференциальной модовой задержки, приводящий к
расщеплению импульсов. Устранить это расщепление импульсов можно, сме-
стив на 10-20 мкм место ввода излучения от оси волокна. Это смещение осу-
ществляется с помощью специальных шнуров МСР {Mode Conduction
Patchcord). Волокна без провала в центре профиля ПП, полученные, например,
методом VAD, соединяются с лазером в системе Gigabit Ethernet непосредст-
венно без использования шнуров МСР. В качестве источников излучения в этой
системе регламентируется использовать плоскостные полупроводниковые ла-
зеры с вертикальным резонатором {VCSEL), работающие в диапазоне 0,85 мкм.
Максимальная широкополосность многомодовых градиентных ОВ, стро-
го говоря, достигается только на одной длине волны, так как степенной пара-
метр и в уравнении (1.18) зависит как от материала сердцевины, так и от рабо-
чей длины волны. При производстве новых типов волокон координату макси-
мума сдвигают в сторону коротких волн (рис. 5.4), что приводит не только к
увеличению коэффициентов широкополосное™ ОВ в первом окне прозрачно-
сти (X ~ 0,85 мкм), но и делает тракт более универсальным, выравнивая значе-
ния этих коэффициентов в первом и втором (X ~ 1,3 мкм) окнах прозрачности.
600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Длина волны, нм
Рис. 5.4. Спектральные характеристики коэффициента широкополосное™ градиентных во-
локон: 1 - стандартное волокно; 2 - широкополосное волокно
В табл. 5.1 даны стандартные спецификации градиентного многомодо-
вого ОВ [3].
Таблица 5.1
Стандартные спецификации градиентного многомодового ОВ
Диаметр сердцевины, МКМ Потери, дБ/км Коэффициент широполосности, МГц-км
X = 0,85 мкм X = 1,3 мкм X = 0,85 мкм X = 1,3 мкм
62,5 Не более 3,5 Не более 1,5 Не менее 200 Не менее 500
50 Не более 3,5 Не более 1,5 Не менее 500 Не менее 500
Из табл. 5.1 видно, что и величина потерь и пропускная способность мно-
гомодовых ОВ уступает одномодовым ОВ, которые к тому же значительно де-
шевле. Однако из-за меньшей стоимости оконечной аппаратуры и монтажа ли-
нии с многомодовыми ОВ ценовое преимущество одномодового ОВ начинает
сказываться только при длинах линии больше 1,5 км (рис. 5.5).
Длина тракта, м
Рис. 5.5. Зависимость стоимости ВОСПИ от длины тракта с многомодовыми (J) и одномодо-
выми (2) волокнами
5.1.2. ОВ типа "кварц-полимер"
В этих Ов сердцевина сформирование чистым кварцевым стеклом типа
КУ, КВ, КИ ющ КУВИ (см. гл. 2) в зависимости от спектрального диапазона
работы волокна, а светоотражающая оболочка - полимером, имеющим ПП
меньше ПП кварцевого стекла. Обычно в качестве такого полимера используют
СИЭЛ - 305, имеющий п ~ 1,40 и плотность ~ 1,1 г/см3. Получают такие ОВ пу-
тем вытяжки кварцевого штабика с одновременным нанесением покрытия на
вышеописанной вытяжной установке (см. рис. 4.1). ОВ типа "кварц-полимер"
используются, главным образом, для передачи большой мощности световой
энергии или в локальных вычислительных сетях небольшой протяженности.
Эти ОВ находят также широкое применение в медицине, поскольку являются
значительно бодее дешевыми, чем ОВ типа "кварц-кварц".
Диаметр кварцевой сердцевины обычно составляет 200... 1000 мкм и за-
висит от энергии, которую надо передавать по ОВ (например, при диаметре
сердцевины 600 мкм по ОВ передают мощность до 100 Вт). При этом следует
иметь в виду, что с увеличением диаметра сердцевины растет допустимый ра-
диус изгиба волокна и его "жесткость". СИЭЛ является термоотверждаемым
покрытием. Температура в печи обычно составляет 350...390 °C и определяется
длиной печи и скоростью вытяжки волокна с тем, чтобы за время пребывания в
печи это покрытие успело бы полимеризоваться. СИЭЛ является мягким по-
крытием и его Можно использовать в качестве первичного (тем более, что име-
ются модификации с ПП, равным 1,52, т.е. большим, чем ПП кварцевого стек-
ла), однако скорость его полимеризации значительно уступает уретанакрилат-
ным композициям (см. гл. 4). В качестве вторичного покрытия применяют по-
лиамид (например, нейлон) или фторопласт (например,"Тефзель"). Значитель-
ная разность ПГ[ кварцевого стекла и СИЭЛ позволяет получать ОВ с числовой
апертурой до ~ 0,4 для коротких образцов (< 10 м) и до 0,25 для более длинных
образцов (< 100 м).
Недостатком ОВ типа "кварц-полимер" являются значительно большие
потери по сравнению с ОВ типа "кварц-кварц". На рис. 5.6 приведены спек-
тральные зависимости потерь в кварцевом стекле, в полимере СИЭЛ и в ОВ ти-
па "кварц-полимер". Эти зависимости показывают, что высокие потери в дан-
ных ОВ обусловлены потерями светоотражающего покрытия СИЭЛ, куда свет
частично проникает. Но поскольку рабочая длина образцов редко превышает
сотни метров, tq этот недостаток не является критическим. Минимальные по-
тери составляют обычно ~ 10 дБ/км в районе 0,8 мкм
Второй недостаток ОВ типа «кварц-полимер» связан с температурной за-
висимостью оптических параметров ОВ. На рис 5.7, а приведена зависимость
ЦП СИЭЛ от температуры. Видно, что до - 60 °C ПП линейно возрастает с тем-
пературой. При температуре ниже - 60 °C происходит резкое увеличение ПП,
которое связано с кристаллизацией полимера. При обратном нагреве ход зави-
симости ПП от температуры будет несколько отличаться, что связано с гистере-
зисом. ПП резко уменьшается при нагреве выше - 40 °C, а при температуре
в&ипе - 35 С ход прямой повторяется. На рис. 5.7, б показано изменение потерь
в ОВ типа "кварц-полимер" в зависимости от температуры при использовании
СИЭЛ в качестве светоотражающей оболочки. С понижением температуры оп-
тические потери плавно возрастают, так как Ди уменьшается, а при температуре
-60 °C они начинают резко возрастать из-за значительного уменьшения разно-
сти ПП кварцевой сердцевины и полимерной оболочки.
Рис. 5.6. Спектральная зависимость потерь в ОВ типа «кварц-полимер»: 1 - потери в кварце-
вом стекле; 2 - потери в волокне; 3 - потери в полимерном материале СИЭЛ
Да, дБ/км
nD л
20 0 -20 -40 -60 -80 Т, °C 20 0 -20 -40 -60 -80 Т, °C
а б
Рис. 5.7. Температурные зависимости показателя преломления СИЭЛ (а) и оптических по-
терь (б) в ОВ типа «кварц-полимер»
5.2. Одномодовые ОВ
Одномодовые ОВ применяются в межконтинентальных ВОСПИ и других
магистральных линиях, где требуется чрезвычайно высокое качество и большой
объем передаваемой информации. Условием распространения одной, основной
моды (LPqi — Linear Polarized) в ОВ является
V <2,405, (5.4)
где V - нормализованная частота, определяемая формулой (5.2). Если
2,405 < К<3,83 добавляется "первая" высшая мода а если - V> 3,83, то
появляется следующая мода и т. д. Длина волны, при которой отсекается
первая высшая мода и распространяется только основная мода, называется
длиной волны отсечки (Хс).
Практически важно знать радиальное распределение амплитуды или ин-
тенсивности поля моды одномодового ОВ, так как именно оно определяет та-
кие параметры, как эффективность согласования ОВ между собой и с источни-
ком излучения, затухание света в оболочке и т. д. Естественно, что данное рас-
пределение изменяется с изменением длины волны излучения или, что то же
самое, с изменением И. Форма поля £Ро|-моды в сечении волокна ("ближнее"
поле) вблизи отсечки (т. е. при V = 2,405) достаточно точно описывается гаус-
совым распределением
7(г) = /охехр (-4r2/w2), (5.5)
где /0 - интенсивность поля на оси волокна;
w - диаметр модового пятна, т.е. значение диаметра, при котором интен-
сивность излучения составляет (1/е2)х70 = 0,135 10. На рис. 5.8 приведено рас-
пределение интенсивности ближнего поля 1(г) в одномодовых ОВ при различ-
ных значениях нормализованной частоты V, а точки соответствуют гауссовому
распределению. Видно, что по мере уменьшения величины V все большая часть
излучения выходит в светоотражающую оболочку и интенсивность излучения
отклоняется от гауссовского. Диаметр модового пятна однозначно определяет-
ся величиной V и его можно вычислить с точностью - 1 % при 1,2< V < 2,4 для
ОВ со ступенчатым профилем ПП по формуле
w/2a = 0,65 +1,619 Г3/2 + 2,879 Г6, (5.6)
или по приближенной формуле
w = 0,83 X /NA , (5.7)
где а - радиус сердцевины;
NA - числовая апертура волокна.
Из (5.7) видно, что в первом приближении радиус модового пятна не зави-
сит от радиуса сердцевины и определяется отношением длины волны излучения к
числовой апертуре волокна. Расчет по формулам (5.7) и (5.8) показывает, что при
V= 2,4 - w/2a = 1,085, при V= 1,8 - w/2a = 1,32, а при Р= 1,2 - w!2a = 1,882, т. е. в
первом случае поле заходит в светоотражающую оболочку на ~ 4,5 %, во втором
на ~ 16 %, а в третьем на ~ 44 %. Типичный профиль ПП в заготовке стандартного
одномодового ОВ показан на рис. 5.9.
Провал в центре профиля ПП является характерным для заготовок, получен-
ных методом MCVD, и объясняется испарением легирующего компонента (Ge<?2)-
Для примера, геометрические параметры стандартных одномодовых ОВ (типа SMF-
28 - single mode fiber), производимых фирмой "Coming", приведены в табл. 5.2.
Таблица 5.2
Геометрические параметры ОВ SMF - 28
Диаметр модового пятна: наХ ” 1,31 мкм на X - 1,55 мкм 9,2 ±0,4 мкм 10,4 ±0,8 мкм
Эксцентриситет сердцевины и оболочки <0,6 мкм
Диаметр кварцевого волокна 125 ± 1,0 мкм
Эллиптичность оболочки < 1,0%
Собственный изгиб волокна >1,0 м
Неконцентричность покрытия ± 10 мкм
Рис. 5.8. Распределение интенсивности ближнего поля 7(г) в одномодовых ОВ при различных
значениях нормализованной частоты. Точки соответствуют гауссову приближению
поля [6]
Рис. 5.9. Типичный профиль ПП в заготовке одномодового ОВ, полученного MCVD-
•технологией: 1 - сердцевина {SiO?GeCh)\ 2 - светоотражающая оболочка
3 - технологическая оболочка (S1O2)
Очень часто при расчетах реальный профиль ПП заменяют модельным
(так называемым, эквивалентным) ступенчатым ПП, который достаточно хо-
рошо изучен теоретически. На рис. 5.10 приведены профили ПП трех типов ОВ
и соответствующие им эквивалентные ступенчатые профили ПП и распределе-
ние полей, соответствующих реальным (кружки) и эквивалентным (треуголь-
ники) профилям ПП. Следует отметить, что во всех случаях
Рис. 5.10. Профили ПП трех типов одномодовых ОВ (кривые 7) и соответствующие им экви-
валентные ступенчатые профили ПП (кривые 2, верхние рисунки) и распределение
полей Е(г) [6]
Одними из основных параметров одномодовых ОВ, определяющих длину
ретрансляции участка, являются потери и дисперсия (т.е. ширина полосы пропус-
кания). В табл. 5.3 приведены типичные потери в одномодовых ОВ SMF-28 [3].
Таблица 5.3
Типичные потери в одномодовых ОВ SMF-2S
Спектр потерь Потери на X = 1,31 мкм на X - 1,55 мкм наХ = 1,38 мкм Прирост потерь в диапазонах: 1,285...1,33 мкм и 1,525...1,575 мкм 0,34 дБ/км 0,20 дБ/км < 2,1 дБ/км 0,05 дБ/км
Потери на изгиб Приращение потерь при намотке 100 витков на оправку диам. 75 мм наХ= 1,31 мкм на X = 1,55 мкм при намотке 1 витка на оправку диаметром 32 мм на X = 1,55 мкм < 0,05 дБ < 0,05 дБ <0,5 дБ
Длина волны отсечки В волокне В кабеле 1,15...1,35 мкм < 1,26 мкм
Из табл. 5.3 видно, что потери в одномодовых ОВ близки к теоретическо-
му пределу для кварцевого стекла (~ 0,15 дБ/км). Однако опыт эксплуатации
ОВ показал возможность увеличения потерь со временем из-за так называемого
«водородного старения», т. е. взаимодействия молекулярного водорода (неиз-
бежно присутствующего внутри или снаружи оптического кабеля) с атомарны-
ми дефектами или примесями, имеющимися в ОВ. К таким дефектам кварцево-
го стекла, вызывающим рост потерь на длинах волн 1,38 мкм ((777-группа) и
1,53 мкм (пик SiH), относятся немостиковые дырочные центры (Si-О ) и перок-
сирадикал (Si-O-O* *Si). Механизм реакции водорода с этими дефектами опи-
сывается следующим образом:
Si-O' *O-Si + Н2-+ Si-O-H + H-O-Si', (5.9)
Si-O-O* 'Si + H2-+ Si-O-O-H + H-Si — Si-O-O-Si + H2. (5.10)
Для примера на рис. 5.11 показано увеличение потерь в результате водородного
старения на X = 1,38 мкм из-за первого дефекта. Максимальные потери в области
этого пика составили 2,0 дБ/км, что не гарантирует сохранение рабочих характе-
ристик ОВ в течение его службы (25 лет). Вышеуказанные дефекты кварцевого
стекла могут быть сведены к минимуму за счет оптимизации окислительно-
восстановительных условий при получении заготовок и вытяжке волокна.
1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600
Длина волны, нм
Рис. 5.11. Спектральные зависимости потерь в одномодовом ОВ: 7 - исходное волокно; 2 -
волокно через 37 дней после выдержки при 20 °C в газовой смеси с 1 % Н2
Третий тип потерь в результате «водородного старения» обусловлен наличием
примесей (Na, Li, К и др.) в германосиликатной сердцевине ОВ. Наличие при-
месей щелочных металлов в количестве десятых ppm может оказаться критиче-
ским из-за активного взаимодействия водорода с германиевыми дефектами
(Ge+3) согласно реакции
М? Na+ -> Na Na
Si-O* 'O-Ge + H2-+ Si-O-H + H-O-Ge. (5.11)
Таким образом, щелочное загрязнение приводит к росту потерь из-за «водород-
ного старения» в области гидроксильного пика и в длинноволновом спектре (на
длинах волн > 1,36 мкм).
Зная динамический диапазон ВОСПИ (например, 40 дБ) можно рассчи-
тать длину ретрансляционного участка
L = 40/0,2 « 200 км.
Однако длина ретрансляционного участка зависит не только от величины по-
терь, но и от дисперсии сигнала, т. е. от его расширения. При расширении им-
пульсов имеет место уменьшение их амплитуды так, что
Л / Р2 = Д/2 / Д/1, (5.12)
где Pi и Р2 - пиковые мощности импульсов на входе и на выходе линии;
Д/1 и Д/2 - ширина импульсов (на уровне полувысоты) на входе и на вы-
ходе соответственно.
Расширение сигналов может приводить к их перекрытию, и тогда трудно
различить: есть сигнал или его нет. Для иллюстрации, на рис. 5.12 показано
прохождение импульсов (2,5 Гбит/с), полученных при прямой модуляции DFB
лазера (А. = 1,55 мкм), по линии с одномодовым ОВ. Видно, что после прохож-
дения волокна импульсы должны быть усилены (с помощью эрбиевого усили-
теля — EDFA — Erbium-Doped Fiber Amplifier), а форма их восстановлена с по-
мощью специальных волокон, компенсирующих дисперсию - КД (DC - Disper-
sion Compensating Fiber).
Передатчик
EDFA
Приемник
ЕПТП
500 пс/дел
500 пс/дел
500 пс/дел
Сигнал на входе
После 50 км
После компенсации
дисперсии
Рис. 5.12. Прохождение импульсов (2,5 Гбит/с), полученных при прямой модуляции лазера в
линии со стандартным одномодовым ОВ [3]
Вопросы дисперсии импульсов, в том числе и в одномодовых ОВ, рас-
смотрены в гл. 1. Отметим только, что для одномодовых ОВ наибольшее значе-
ние имеет хроматическая дисперсия, которая характеризует зависимость груп-
повой задержки моды от длины волны излучения. Составляющими хроматиче-
ской дисперсии являются материальная и волноводная дисперсии, которые мо-
гут иметь разные знаки и частично компенсировать друг друга. Длина волны
нулевой дисперсии (ДВНД) для кварцевых ОВ располагается вблизи 1,3 мкм
(рис. 1.24). Однако с целью увеличения длины ретрансляционного участка её
желательно сдвинуть в район 1,55 мкм, где имеют место минимальные потери
кварцевых ОВ. Добиться этого можно за счет уменьшения либо материальной,
либо волноводной дисперсии. Изменение состава компонентов, вводимых в
стекло, не приводит к желаемому результату, так как материальная дисперсия
слабо зависит от состава легирующих компонентов. В больших пределах меня-
ется волноводная дисперсия (за счет изменения формы профиля ПП). На рис.
5.13 приведены профили ПП ОВ со смещенной (DS - Dispersion Shifted) и нену-
левой смещенной дисперсией (NZDS - Non Zero Dispersion Shifted), а на рис.
5.14 показана хроматическая дисперсия (Jf) как сумма материальной (Вм) и
волноводной (£>в) дисперсий в стандартном одномодовом волокне (SM - Single
Mode).
Рис. 5.13. Профили ПП одномодовых ОВ со смещенной дисперсией (D5) и с ненулевой сме-
щенной дисперсией (NZDSy. а - треугольник на пьедестале; б - трезубец
Длина волны, нм
Рис. 5. 14. Хроматическая дисперсия (7) как сумма материальной (2) и волноводной (3) дис-
персии
4
С внедрением оптических усилителей в линиях ВОСПИ стало экономиче-
ски целесообразным осуществлять передачу сигналов по одному волокну одно-
временно на многих длинах волн, так как они могут быть усилены одним уси-
лителем. Соответственно стало возможным увеличивать пропускную способ-
ность системы, просто умножая число длин волн, передаваемых по одному во-
локну, на скорость передачи на одной длине волны. Подобные системы уплот-
нения каналов по длинам волн обозначаются как WDM (Wavelength Division
Multiplexing) со скоростью передачи по каждому волокну 2,5 Гбит/с или как
DWDM (Dense WDM) со скоростью передачи 10...40 Гбит/с. Последний рекорд
- передача по одному волокну 10,92 Тбит/с (IT = 1012). Общее число длин волн,
переданных по одному волокну, равно 273, при скорости передачи на каждой
длине волны в 40 Гбит/с. Предельная же пропускная способность ОВ, при ис-
пользовании технологии уплотнения по длинам волн (DWDM), составляет
~ 100 Тбит/с и ограничивается нелинейными эффектами.
Нелинейные эффекты появляются в £>17£>Л/-системах из-за того, что с
увеличением числа длин волн, передаваемых по волокну, увеличивается и пе-
редаваемая по нему суммарная оптическая мощность. При этом начинают про-
являться нелинейные эффекты, наиболее вредным из которых является эффект
четырехволнового смешения, вызывающий перекрестные помехи. Если в ОВ
вводится N длин волн, то за счет четырехволновых смешений появляются
N2(N- 1)/2 новых длин волн. Если же в области вводимых длин волн диспер-
сия волокна близка к нулю, то выполняется условие фазового синхронизма и
процесс идет очень эффективно. На рис. 5.15 показана роль дисперсии в этом
процессе. В ОВ с дисперсией D = 0 и D = 2,5 пс/нм-км вводится излучение че-
тырех спектральных каналов мощностью 2 мВт в каждом. На выходе ОВ дли-
ной 50 км (чем длиннее волокно, тем выше эффективность нелинейных процес-
сов) с ненулевой дисперсией дополнительные длины волн не наблюдаются. В
световоде же с нулевой дисперсией длиной 25 км эффективно идет четырех-
волновое смешение, и ясно видны более 20 дополнительных длин волн.
дении световодов излучением четырех спектральных каналов вблизи длины волны
1546 нм: 0-0 = 0 пс/нм*км, б - О = 2,5 пс/нмхкм
Отсюда вытекает требование к ОВ для систем со спектральным уплотне-
нием каналов - отличная от нуля (но не очень большая) дисперсия на длинах
волн несущего излучения, при этом изменение величины дисперсии в зависи-
мости от длины волны должно быть минимальным. Такие ОВ называют волок-
нами с ненулевой смещенной дисперсией (NZDS). В этих волокнах ДВНД ле-
жит вне полосы оптического усилителя, а в полосе оптического усилителя
NZDS волокна обладают небольшой дисперсией, необходимой для подавления
перекрестных помех.
Ниже перечислены основные типы одномодовых оптических волокон,
которые применяются в линиях связи и которые нормируются международны-
ми стандартами ITU-T Rec. G.652...G.655 [3]:
G.652 - волокна с несмещенной дисперсией (SM волокна - стандартные
ОВ) имеют ДВНД и длину волны отсечки в районе 1,31 мкм;
G.653 - волокна со смещенной дисперсией (DS волокна) имеют ДВНД в
районе 1,55 мкм и длину волны отсечки в районе 1,31 мкм;
G.654 - волокна с несмещенной дисперсией (SMволокна) имеют ДВНД в
районе 1,31 мкм и длину волны отсечки в районе 1,55 мкм;
G.655 - волокна с ненулевой смещенной дисперсией (N7JDS волокна) обла-
дают малой дисперсией (0,1...6 пс/(нм-км)) в диапазоне длин волн 1,53...1,55 мкм.
Взаимосвязь между дисперсией в волокне (£>), длиной ретрансляционного
участка (L) и скоростью передачи данных (В), измеряемую в Гбит/с, определя-
ется соотношением
PZ=105/R2. (5.10)
Отсюда следует, что при постоянно увеличивающейся скорости передачи
данных длина ретрансляционного участка может увеличиваться только за счет
практически полной компенсации дисперсии. Модули компенсаторов диспер-
сии (КД) использовали специальные КД-волокна (КД - DCF - Dispersion
Compensating Fiber) с отрицательной дисперсией, которые позволяли компен-
сировать положительную дисперсию одномодовых ОВ. Волокна, используемые
в качестве КД, имеют специфический профиль ПП (рис. 5.16) выполненный в
виде узкого пика, окруженного кольцом с меньшим ПП. Для сравнения на рис.
5.16, а приведен ступенчатый профиль ПП в стандартных одномодовых ОВ.
Волокна с более сложными профилями (например, рис. 5.17, б) обеспечивают
большую отрицаетльную дисперсию. На коротких длинах волн в КД-волокнах
мода ведется в основном острым пиком. С увеличением длины волны диаметр
моды увеличивается, а модовый ПП, соответственно, уменьшается. При этом
изменяется коэффициент дисперсии волокна, величина которого пропорцио-
нальна (со знаком минус) второй производной по длине волны от эффективного
ПП волокна. Это производная проходит через максимум, когда поле моды дос-
тигает кольца, окружающего центральный пик. Таким образом, удается созда-
вать волокна, обладающие большим (по модулю) отрицательным коэффициен-
том дисперсии и у КД-волокон не только знак дисперсии отрицательный
(D<0), но и знак наклона дисперсионной характеристики отрицательный
(S < 0). Промышленные КД-волокна (типичные значении D = -100 пс/(нм км),
S = -0,15 пс/(нм2-км) на X = 1,55 мкм) позволяют компенсировать дисперсию во
всей полосе эрбиевого усилителя. Однако, чем больше величина коэффициента
дисперсии, тем уже полоса, в которой можно скомпенсировать полную диспер-
сию в 5Л/-волокнах. Строго говоря, компенсировать полную дисперсию в лини-
ях до нужного уровня удается только на одной длине волны (обычно в середине
полосы EDFA - рис. 5.17) из-за того, что наклон дисперсной характеристики
КД-волокон не согласован с наклоном дисперсной характеристики 5Л/-волокон
(рис. 5.18). При этом в длинноволновой части спектра линия ВОСПИ будет об-
ладать избыточной отрицательной дисперсией, а в коротковолновой его части
избыточной положительной дисперсией. Расчеты показывают, что если степень
некомпенсации не превышает 25 %, то при скорости передачи 10 Гбит/с длина
ретрансляционного участка может достигать 240 км.
Рис. 5.16. Профили ПП волокон: а: 1 - стандартное одномодовое ОВ; 2 - волокно, компен-
. сирующее дисперсию (КД) с коэффициентом дисперсии - 100 пс/(нм км), б: КД-
волокно с коэффициентом дисперсии 1800 пс/(нм-км) и шириной рабочего диа-
пазона 24 нм [3]
б
Длина волны, нм
Рис. 5. 17. Зависимость степени компенсации от длины волны в линии со стандартным одно-
модовым ОВ (SM) длиной 80 км и модулем КД-80
Рис. 5.18. Спектральные зависимости дисперсии в стандартном одномодовом ОВ (2) и КД-
волокне (2); 3 - типичный диапазон работы эрбиевого усилителя
Величина дисперсии в КД-волокнах всего лишь в 5-8 раз больше диспер-
сии в стандартных одномодовых ОВ, поэтому для компенсации дисперсии в
линиях с SM необходимо использовать длинные отрезки КД-волокон и вносить
тем самым дополнительные потери в линию, поскольку дополнительные потери
в КД-волокнах больше, чем в SM. Потери в КД-волокнах складываются из трех
основных компонент:
- собственные потери в КД-волокне составляют ~ 0,5 дБ/км на X = 1,55 мкм,
что почти в ~ 2,5 раза больше, чем в стандартных SM волокнах;
- потери на изгибы волокна. Из-за сложной структуры профиля ПП в КД-
волокнах допустимый радиус изгиба последних значительно больше, чем у SM-
волокна (~ 15... 20 см вместо ~ 5 см);
- потери в месте соединения КД-волокон с 5'М-волокнами, возникающие
из-за рассогласования диаметров модовых пятен. Так, у КД-волокон площадь
модового пятна 15 мкм2, а у стандартных одномодовых ОВ ~ 85 мкм2 из-за
меньшей величины Ди.
Для компенсации потерь, вызванных применением компенсаторов дис-
персии в «старых» линиях ВОСПИ с б’М-волокнами, используют дополнитель-
ные оптические усилители. В новых линиях ВОСПИ с ^ZDS'-волокнами при
той же длине ретрансляционного участка требуется меньшее количество опти-
ческих усилителей.
6. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ОВ
Как уже отмечалось во введении, ОВ находят в настоящее время широкое
применение не только в ВОСПИ, но и в различных волоконно-оптических дат-
чиках (ВОД) физических величин и в волоконно-оптических устройствах
(ВОУ). Специфика этого применения требует создания ОВ с особыми свойст-
вами. К числу таких специальных ОВ, формируемых, в основном, (как и теле-
коммуникационные ОВ) на основе высоко чистого кварцевого стекла, относят-
ся в первую очередь: ОВ, сохраняющие поляризацию излучения; активные ОВ;
радиационно-стойкие ОВ и микроструктурированные ОВ. Ниже рассмотрим
основные характеристики данных ОВ и технологию получения заготовок этих
ОВ, так как сами волокна вытягиваются из заготовок на обычной вытяжной ус-
тановке, описанной в гл. 4.
6.1. ОВ, сохраняющие поляризацию излучения
Свет, распространяющийся в одномодовых волокнах, можно представить
в виде суммы двух поляризационных мод. Каждая поляризационная мода рас-
пространяется параллельно оси волокна со своим значением фазовой и группо-
вой скорости. Фазовый фронт у мод плоский, а нормаль к плоскости фазового
фронта параллельна оси волокна. Пространственное распределение полей у по-
ляризационных мод волокна одинаковое (гауссово), а отличаются они тем, что
поляризованы ортогонально, как это видно из рис. 6.1. В идеальном ОВ эти мо-
ды должны распространяться с одинаковыми скоростями, т.е. должны быть
г
Рис. 6.1. Распределение интенсивности (I(r) ~ expf-ZrVfw/Z)2]) и направление электрического
л поля Е в поляризационных модах волокна: 1 - сердцевина; 2 - оболочка; w - диа-
метр модового пятна; 2а - диаметр сердцевины
Однако в реальном световоде возможны некоторые дефекты: эллиптич-
4 ность сердцевины, несоосность ее с осью волокна, микроизгибы, различные
неизотропные напряжения, лежащие в плоскости, перпендикулярной оси ВС,
неоднородности по длине волокна и т. д. Все эти дефекты приводят к разным
скоростям распространения ортогональных по поляризации мод, причем фазо-
вые скорости этих мод обратно пропорциональны их ПП. Вследствие этого
между поляризационными модами возникает фазовая задержка R (разность фа-
зовых набегов мод). Длина ОВ, на которой фазовая задержка равна 2 л, называ-
ется длиной биения. У современных ОВ высокого качества длина биения ко-
леблется от 10 см до нескольких метров. Поэтому можно говорить о присущем
ОВ двулучепреломлении (ДЛП), которое записывается как
В = А./Дб= 1,55-10'4/(10...500)= 1,5 10*5 ...3-10'7, (6.1)
где В - ДЛП, представляющее собой разность ПП двух поляризационных
мод (Ал = лмсдл - лбыет), L6 - длина биения на длине волны X. Таким образом, в
телекоммуникационных ОВ Ал мало по сравнению с разностью ПП материалов
сердцевины и оболочки, поэтому о поляризационной дисперсии в ОВ говорят
* только при больших скоростях передачи (> 10 Гбит/с). Однако передавать на
значительные расстояния поляризованное, в частности, линейно-поляризован-
ное излучение по телекоммуникационным ОВ нельзя.
но
Существует два различных подхода к созданию ОВ, сохраняющих поля-
ризацию излучения: это волокна с малым ДЛП (соответственно большой дли-
ной биения) и волокна с большим ДЛП, которое значительно больше ДЛП,
свойственного обычному ОВ.
6.1.1. ОВ с малым ДЛП
Для получения ОВ с малым ДЛП (так называемые LB - “low-bie" - low
birefrence) возможны два пути:
- усовершенствование технологии и повышение качества ОВ, однако, это
очень сложный путь. Рекорд англичан, установленный около 20 лет назад и не
побитый на сегодняшний день, составляет - L5 ~ 120 м;
- вращение заготовки при вытяжке волокна. При этом, во-первых, происхо-
дит значительное усреднение по углу поворота ПП сердцевины и оболочки, на-
пряжений из-за разных КЛТР материалов сердцевины и оболочки и т. д. Кроме
того, возникает циркулярная составляющая, которая приводит к компенсации
влияния неоднородности. Так, если на первой четверти периода одна из поляри-
зационных мод опережает другую, то на второй четверти периода вторая поляри-
зационная мода опережает первую и т. д. В результате фазовая задержка нараста-
ет с длиной ОВ не линейно, а примерно как корень квадратный из длины ОВ.
Установки и методы вытяжки волокна из вращающейся заготовки были
разработаны как за рубежом, так и в ФИРЭ РАН. Скорость вращения составля-
ла ~1500 об/мин, и при скорости вытяжки 7,5... 15 м/мин один оборот прихо-
дился на длину волокна 0,5... 1 см.
Фазовая задержка вызывает на исследуемом отрезке ОВ преобразование
линейно-поляризованного света в эллиптический (когда конец вектора напря-
женности электрического или магнитного поля в фиксированной точке про-
странства описывает эллипс). Измеряя интенсивности компонент излучения,
поляризованных вдоль главных осей эллипса, можно определить величину фа-
зовой задержки и оценить качество ОВ с малым ДЛП. Для измерения требуется
узкополосный источник света, два линейных поляроида и приемник с высокой
чувствительностью и большим динамическим диапазоном принимаемого сиг-
нала. Свет от источника проходит через поляризатор на входе ОВ, через иссле-
дуемое волокно и линейный анализатор на выходе. Для каждого значения угла
<р поворота поляризатора можно, вращая анализатор, измерить максимальную
(-/max) и минимальную (/mjn) интенсивности света и построить функцию видно-
сти - К(ф), которая определяется формулой
И(ф) = ^ах.Т./тш. (6.2)
I 4" I •
max mm
Функция видности связана с фазовой задержкой R простым соотношением
К2 (ф) = 1 - sin2 R • sin2 2ф. (6.3)
Экспериментальные значения функции видности, перенесенные на по-
лярную диаграмму, имеют вид, показанный на рис. 6.2. Ввиду того, что для хо-
роших ОВ с малым ДЛП функция видности мало отличается от единицы, мас-
штаб полярной диаграммы от ее середины значительно изменен. Видно, что
для приведенных образцов R = 3...8, т. е. =120...45 м. Типичные параметры
ОВ с малым ДЛП и длиной ~ 4 м составляли /?тах « 4°, амплитуда колебаний
фазовой задержки по периоду скрутки ~ 3°, потери на длине волны 1,3 мкм не
более 2 дБ/км. Это очень хорошие результаты.
Рис. 6.2. Зависимость функции видности от
угла <р при различных фазовых за-
держках /?: 1 - 8°; 2 - 6°; 3-3°
Внешние воздействия - механические, электрические, магнитные - соз-
дают в ОВ с малым ДЛП наведенное ДЛП, что используется для создания чув-
ствительных датчиков различных физических воздействий.
6.1.2. АОВ с большим ДЛП
Существуют два типа подобных ОВ (анизотропных оптических воло-
кон - АОВ), которые в литературе часто обозначаются как НВ-волокна (high-
bie) и в которых:
- ДЛП обусловлено эллиптической формой сердцевины;
- ДЛП обусловлено анизотропией напряжений в круглой сердцевине.
К последним волокнам относятся АОВ с эллиптической "напрягающей" обо-
лочкой, АОВ типа "галстук-бабочка" и АОВ типа "PANDA", схематическое
изображение которых приведено на рис. 6.3.
Рис. 6.3. Структура АОВ с круглой сердцевиной: а - с «напрягающей» эллиптичной оболоч-
кой, б - типа «галстук-бабочка», в - типа «PANDA»: 1 - германосиликатная сердце-
вина; 2 -буферная оболочка; 3 - напрягающие элементы; 4 - технологическая квар-
цевая оболочка
6.1.2.1. АОВ с эллиптической сердцевиной
В этих ОВ имеет место разность геометрического пути распространения
двух ортогонально поляризационных мод, а именно - путь, проходимый поля-
ризационной модой вдоль малой оси эллипса (соответственно время распро-
странения этой моды) меньше чем вдоль большой оси. Поэтому малая ось час-
то называется «быстрой», а большая ось — «медленной». Разность постоянных
распространения поляризационных мод (Др) приближенно выражается сле-
дующими уравнениями:
Др ~ 0,2-М^ - 1)(Аи2) при(а/й-1)«1; (6.4)
Др ~ 0,25-МДи2) при (а/6 - 1) < 6, (6.5)
где ко = 2я/Х - волновое число, м" ;
Ди - разность ПП материалов сердцевины и оболочки;
а и b - величины полуосей эллиптической сердцевины.
На рис. 6.4,а показано поперечное сечение такого ОВ, в на рис. 6.4,6 при-
ведена зависимость величины ДЛП от отношения главных осей эллипса. Видно,
что при a/b> 3...4 ДЛП меняется мало. Установлено, что в реальном АОВ дан-
ного типа помимо ДЛП, связанного с геометрической анизотропией сердцеви-
ны (Вс), существует ДЛП (Bs), обусловленное термоупругими напряжениями,
которые возникают из-за разности составов материалов оболочки и сердцеви-
ны, в частности от концентрации GeO-z в сердцевине. При увеличении относи-
тельной разности ПП (Д) до 4,3 % длину поляризационных биений удалось
уменьшить до 0,75 мм.
Рис. 6.4. Форма ОВ с эллиптичной сердцевиной (а) и зависимость ДЛП от отношения осей в
эллиптичной сердцевине (б): 1 - сердцевина; 2 - светоотражающая оболочка; 3 -
технологическая оболочка
Наиболее распространенными методами получения заготовок АОВ с эл-
липтической сердцевиной являются метод сжатия трубки в штабик-заготовку
при пониженном давлении (рис. 6.5) и метод шлифовки исходной круглой за-
готовки с двух противоположных сторон. При последующем зонном нагреве
шлифованная заготовка, имеющая снятые «лыски» или прорезанные канавки,
приобретает снаружи опять круглую форму, но при этом происходит внутрен-
няя деформация сердцевины в виде эллипса.
Рис. 6.5. Схема установки для сжатия трубки при пониженном давлении («под разряжени-
ем»): 1 - опорная трубка; 2 - слой осажденного стекла; 3 - вентиль, регулирующий
вакуум; 4 - вакуумная камера; 5 - U-образный манометр; 6 - горелка
В первом случае внутри трубки с осажденным слоем SiO2-GeO2> форми-
рующим сердцевину, создается пониженное давление за счет присоединения
выходного конца трубки к вакуумному насосу. Величина давления регулирует-
ся с помощью вакуумного вентиля. На рис. 6.6 приведена зависимость эллип-
тичности сердцевины, которая определяется как
е~-—-х100%, (6.6)
а + Ь
где а и b - большая и малая полуоси эллипса, от величины разряжения при "сжа-
* тии" труб с различной геометрией. Видно, что эллиптичность растет с увеличе-
нием разряжения (т. е. с уменьшением давления) и с уменьшением толщины
стенки трубки. Концентрация GeOt составляла ~ 15 % масс (Ди ~ 19 • 10"3) и вы-
звана сильной зависимостью ДЛП от Ди (разности ПП сердцевины и оболочки),
которая, в свою очередь, определяется концентрацией легирующего компонента.
Метод шлифовки более прост, легче управляем и эллиптичность сердце-
вины растет с увеличением глубины шлифовки, тем не менее довольно сложно
обеспечить стабильную форму сердцевины. Параметры АОВ диаметром 125
и/или 80 мкм, вытянутых из заготовок, полученных данным методом, и покры-
тых защитной эпоксиакрилатной оболочкой толщиной ~ 40 мкм, составляли:
потери 4,5...5,0 дБ/км на X = 0,85 и 2,5.. .4 дБ/км на 1 = 1,55 мкм, степень поля-
л ризации 95-96 %, длина биения 3-7 мм, Ди « (1О...2О)х1О~3.
Несмотря на перечисленные свойства и простоту технологии, данные
световоды имеют существенные недостатки: потери в этих волокнах сущест-
венно выше, чем в АОВ с круглой сердцевиной; некруглая сердцевина услож-
няет стыковку данных АОВ с обычными телекоммуникационными ОВ и АОВ с
эллиптической сердцевиной имеют неоднородные напряжения с большими
Рис. 6.6. Зависимость эллиптичности германосиликатной сердцевины (Свеог ~ 15 мол. %) от
величины разряжения для труб с различной геометрией: 1- JHap = 13,5 мм и /гстеНки =
2,6 MMJ 2 б/дар“ 12,8 ММ И ^стенки ”2,8 MMj 3 — ^нзр “ 11,0 ММ И /^стенки 3,9 ММ
тангенциальными компонентами, поэтому собственное состояние поляризации
в них эллиптическое и, следовательно, они бесперспективны для передачи ли-
нейно-поляризованного света.
6.1.2.2. АОВ с эллиптичной "напрягающей" оболочкой
В этих АОВ ДЛП создается за счет анизотропии напряжений, вызывае-
мой формой так называемой «напрягающей» оболочки (рис. 6.3, а). ДЛП в
АОВ этого типа описывается следующим уравнением
СЕ
В =------ДаДТе, (6.7)
1-v
где С - фотоупругая постоянная, с2-м/кг;
Е- модуль Юнга, Па;
v - коэффициент Пуассона для кварцевого стекла. К-1;
Да = ан 0 - - разность КЛТР материалов "напрягающей" оболочки и
кварцевого стекла, К-1;
Д Т= 7f н.о-Тком - разность температуры размягчения материала оболочки
и комнатной температуры, К;
е - эллиптичность оболочки (6.6).
Таким образом, величина ДЛП зависит как от свойств материала оболоч-
ки, так и от ее геометрии. Поскольку с ростом концентрации легирующего
компонента Да увеличивается, а Д Т уменьшается, то имеет значение их про-
изведение, которое входит в уравнение (6.7). На рис. 6.7 приведены зависимо-
сти произведения Да х д Т от относительного изменения ПП кварцевого стекла
при его легировании оксидом бора 1 и диоксидом германия 2. Видно, что леги-
рование бором дает значительно большее увеличение указанного произведе-
ния, поэтому для формирования "напрягающей" оболочки или "напрягающих"
элементов используется боросиликатное стекло, причем увеличение концен-
трации легирующего компонента ведет к росту ДЛП. Если необходимо создать
"компенсированную", "напрягающую" оболочку, ПП которой близок к ПП чис-
того кварцевого стекла, то проводят одновременно легирование стекла оксидом
бора и диоксидом германия.
Рис. 6.7. Зависимость произведе-
ния (Да ДТ)-104 от от-
носительного измене-
ния разности ПП леги-
рованного и чистого
кварцевого стекла: 1 -
боросиликатное стекло;
2 - германосиликатное
стекло
Эллиптичность оболочки зависит от характера шлифовки, глубины шли-
фовки и соотношения 7?заг/7?н,0. Возможны и реализованы следующие методы
шлифовки: плоская шлифовка, выборка полукруглого паза, прорезание канавок с
двух противоположных сторон и их последующее растравливание в плавиковой
кислоте. Глубина шлифовки увеличивает эллиптичность, эллиптичность увели-
чивается также с увеличением отношения 7?заг/7?н 0. Прорезание канавок снижает
потери стекломассы и повышает производительность изготовления АОВ.
Описанный способ изготовления АОВ с эллиптической оболочкой харак-
теризуется относительной простотой, высокой воспроизводимостью поляриза-
ционных свойств за счет возможности прецизионной шлифовки и хорошими
свойствами АОВ: потери 2,5...3,5 дБ/км на X = 0,85 и < 1 дБ/км на X = 1,3 мкм,
длина биения < 3 мм на X = 0,85 мкм и < 5 мм на X = 1,3 мкм.
6.1.2.3. АОВ типа” галстук-бабочка”
Структура АОВ данного типа приведена на рис. 6.3, б. Проведенный ана-
лиз распределения напряжений в сердцевине показал, что структура АОВ, оп-
тимальная с точки зрения создания наибольшего ДЛП, должна:
- иметь два сектора из легированного кварцевого стекла, симметрично
расположенных с обеих сторон сердцевины, при этом угол сектора должен со-
ставлять 90°, а наружный радиус «напрягающего» сектора (0) - 0,75 от наруж-
ного радиуса АОВ (рис. 6.8,в), т. е. 7?н.о /Язаг= 0,75;
- внутренний радиус сектора должен быть как можно меньше, но это ог-
раничивается требованием окружить сердцевину буферной оболочкой, которая
должна исключить поглощение света оксидом бора в «напрягающей» оболочке
и обеспечить малые потери.
Технология изготовления заготовок АОВ типа «галстук-бабочка» мето-
дом MCVD включает в себя следующие операции:
- осаждение на внутреннюю поверхность опорной трубки слоев защитной
оболочки (SiOr-PiOs-F)
- осаждение слоев боросиликатного или германоборосиликатного стекла
на (SiOi-BiOy-GeOi), формирующих «напрягающую» оболочку;
- травление «напрягающей» оболочки при подаче в трубку фторагента
(например, SF$) и азимутально-неоднородном нагреве трубки;
- осаждение слоя буферной оболочки (SiO2 или SiO2-P2O$-F),
- осаждение слоя германосиликатного стекла, формирующего сердцевину;
- сжатие трубки в штабик-заготовку, при этом остатки «напрягающей»
оболочки формируют «напрягающие» сектора (рис. 6.8).
Рис. 6.8. Схема процессов азимутально-неоднородного газового травления с использованием
двухсопельной горелки (а) и тепловых экранов (б), структура АОВ типа «галстук-
бабочка» (в): 1 - горелка; 2 - кварцевая трубка; 3 - защитная оболочка; 4 - «напря-
гающая» оболочка; 5 - тепловые экраны; 6 - сердцевина
Возможны два способа азимутально-неоднородного нагрева, показанных
на рис. 6.8:
- нагрев с помощью двух горелок, перемещающихся вдоль не вращаю-
щейся трубки;
- нагрев вращающейся трубки горелкой при использовании тепловых эк-
ранов, в частности из кварцевого стекла, которые устанавливаются на этапе
травления напрягающей оболочки. Первый способ предложен англичанами, а
второй в ФИРЭ РАН. По нашему мнению, второй способ более оптимальный,
так как позволяет легче регулировать зону нагрева за счет угла экранов и их
толщины и обеспечивает равномерность зоны нагрева по длине трубки. При
азимутально-неоднородном нагреве травление оболочки происходит более
энергично в области более высокой температуры и на внутренней поверхности
трубки остаются лишь участки "напрягающей" оболочки, которые после "схло-
пывания" трубки и формируют "напрягающие" сектора в заготовке.
На рис. 6.9. приведены профили ПП вдоль направлений «х» и «у» одной
из подобных заготовок. Видно, что вдоль одной оси (х) имеется "депрессиро-
ванная" "напрягающая" оболочка, а вдоль другой оси (у) она отсутствует.
Рис. 6.9. Профили ПП в направлениях «г» (сплошная линия) и «у» (пунктирная линия) в за-
готовке АОВ типа «галстук-бабочка»: I - сердцевина; 2 - буферная оболочка; 5 -
«напрягающая» оболочка; 4 - защитная кварцевая оболочка; 5 - технологическая
кварцевая оболочка
Параметры таких АОВ составляли: потери - менее 1 дБ/км на длинах
волн 1,3 и 1,55 мкм, величина L& < 3 мм, а величина h - параметра (параметра
сохранения поляризации) - 5х10"5...5х10'6 м-1 (для сравнения величина h -
параметра для АОВ с эллиптической «напрягающей» оболочкой составляет
КГ*...10“5 м-1). Заметим, что параметр сохранения поляризации (А) является од-
ним из важнейших параметров АОВ, так как он показывает какая часть мощно-
сти света может перекачиваться из одной поляризационной моды в другую при
распространении света по ОВ, т.е. при h-L « 1
PylPx-h-L, (6.8)
где L - длина волокна. Хотя h - параметр непосредственно не связан с вели-
чиной модового ДЛП, тем не менее с ростом ДЛП величина h - уменьшается.
6.1.2.4. АОВ типа "PANDA"
АОВ типа "PANDA", схематически изображенное на рис. 6.3, в, отличает-
ся от АОВ типа "галстук-бабочка" только формой "напрягающих" элементов и
способом изготовления, а идеология является одинаковой. Получение заготовок
АОВ типа "PANDA" включает в себя следующие этапы:
- получение материнской заготовки, содержащей сердцевину будущего АОВ;
- «жакетирование» материнской заготовки с целью увеличения кварцевой
технологической оболочки;
- изготовление заготовок, центральная часть которых сформирована бо-
росиликатным стеклом. Эти заготовки и являются исходным материалом для
"напрягающих" элементов;
- формирование отверстий в материнской заготовке для боросиликатных
штабиков (например, сверлением).
Материнская заготовка с вставленными в нее боросиликатными штаби-
ками, у которых сошлифована или стравлена основная масса кварцевой техно-
логической оболочки, перетягивается в волокно на вытяжной установке.
Иногда для формирования исходной заготовки используют метод сборки,
когда в центр опорной кварцевой трубки вставляют перетянутую материнскую
заготовку, а вокруг нее с диаметрально-противоположных сторон располагают
два боросиликатных штабика, а свободное пространство в трубке заполняют
кварцевыми штабиками.
В табл. 6.1. приведены геометрические параметры и оптические характе-
ристики АОВ типа "PANDA", полученные японскими учеными.
Таблица 6.1
Геометрические параметры и оптические характеристики АОВ "PANDA"
Характеристика PANDA-1 PANDA-2
Относительное изменение ПП сердцевины и оболоч- ки, Д % Диаметр сердцевины - 2а, мкм Диаметр волокна - 2Ь, мкм Отношение размеров - г!а, где г - расстояние от цен- тра волокна до «напрягающих элементов» Отношение размеров - t/b, где t - диаметр «напря- гающих» элементов и Ъ -диаметр волокна Нормализованная частота - V Модовае двулучепреломление - В Коэффициент экстинции, дБ Параметр сохранения поляризации - h, м- 0,34 9,5 200 2,1 0,61 2,25 3,2x1 О'4 -27 4x10’7 0,30 10,5 200 2,0 0,62 2,33 З.ЗхЮ'4 -22 6,2х10’7
Приведенные параметры свидетельствуют об очень высоком качестве
данных АОВ. Отметим также, что величина й-параметра уменьшается с умень-
шением диаметра волокна, так для АОВ диаметром 125 мкм й-параметр будет
составлять ~ КУ6 м"!, а для dBOn. - 80 мкм - й-параметр ~ 10~5 м’1 и т. д.
6.1.3. Поляризующие волокна
t
Волокна с большим ДЛП (в первую очередь, «PANDA» и "галстук-
бабочка") обладают возможностью распространения только одной поляризаци-
онной моды. Условием распространения в световоде моды с эффективным
ПП - Иэфф является
Ио<«эфф<Ис, (6.9)
где п0 и ис - ПП материалов оболочки и сердцевины соответственно. Величина
иЭфф определяется величиной нормализованной частоты Г, и при больших зна-
чениях V поле моды практически заключено в сердцевине волокна, а при малых
значения V мода, в основном распространяется в оболочке. В промежуточных
случаях, в зависимости от величины V, поле моды в большей или в меньшей
степени «вытекает» в оболочку. Как уже отмечалось ранее, АОВ характеризу-
ется анизотропией ПП в направлении главных осей ДЛП. Поэтому условия рас-
пространения ортогонально поляризационных мод в направлениях «г» и «у»
будут различными и возможны случаи, когда одна мода будет вытекать в обо-
лочку, а вторая мода будет распространяться в волокне. Это видно из рис. 6.10,
где приведены зависимости эффективного ПП от нормализованной частоты для
поляризационных мод в направлениях "х" и "у" АОВ, имеющего ДЛП за счет
анизотропии напряжений. При V< 1,2 и.* и «у-мода» вытекает, а для «х-
л
Нормализованная частота, V
Рис. 6.10. Зависимости эффективных ПП от нормализованной частоты для поляризационных
мод в направлениях «х» и <<у» АОВ, имеющих ДЛП за счет анизотропии напряже-
ний: а - теоретически предсказанное вытекание; Ъ - экспериментально наблюдае-
мое вытекание
Были предложены различные пути реализации однополяризационного
режима работы АОВ, например:
- за счет создания в оболочке в направлении «х» областей (ям) с меньшим
ПП, чем в направлении «у»,т.е.
«•о<и-о<ис и пс~ пхо>пс- пу0, (6.10)
- за счет выбора материала "напрягающих” элементов в АОВ типа
«PANDA», ПП которых (инэ) лежит между эффективным ПП двух поляризаци-
онных мод, т. е. п^фф < «нэ < «эфф
- за счет работы при значениях V меньших Ккр, которое обуславливает со-
отношение < «.^ф и т.д.
Для иллюстрации работы «поляризующих» световодов, на рис. 6.11 при-
ведены спектральные зависимости потерь для двух поляризационных мод с
вектором поляризации в направлении «х» и «у». Видно, что при коротких дли-
нах волн потери в этих модах совпадают, но при X >0,75 мкм потери различа-
ются и при X = 0,83 мкм составляют ~ 55 дБ/км для моды <<у» и ~ 3 дБ/км для
моды «х». Отрезки поляризующих световодов могут использоваться как воло-
конно-оптические поляризаторы.
Рис. 6,11. Спектральные зависимости полных потерь для «х» и «у» поляризационных мод в
АОВ типа «галстук-бабочка»
6.2. Активные ОВ и волоконно-оптические устройства на их основе
6.2.1. Активные оптические волокна
Рассмотренные ранее ОВ (телекоммуникационные, сохраняющие поляри-
зацию излучения и т.д.), являются пассивными элементами ВОСПИ, а именно
они служат для передачи излучения света, введенного в волокно. Однако, как и
в любой развивающейся области науки, в процессе решения первоначальной
задачи, появились другие возможности волоконной оптики - разработка актив-
ных ОВ (АкОВ) и создание волоконно-оптических лазеров и усилителей на их
основе. АкОВ получили свое название по аналогии с активной средой лазеров,
которая вбирает в себя энергию накачки и переизлучает ее в виде когерентной
генерации. АкОВ представляют собой ОВ (преимущественно на основе кварце-
вого стекла) сердцевина которых дополнительно легирована ионами лантанои-
дов (редкоземельных элементов - РЗЭ). Специфические оптические свойства
РЗЭ определяются тем, что для них характерна достройка внутренней f-
оболочки при заполненной внешней оболочки. Это приводит к появлению яр-
ко выраженной дискретной структуры электронных переходов. Применимость
активного иона для легирования кварцевых ОВ определяется следующими
факторами [9]:
- активный ион должен иметь излучательный переход в ближней ИК-
области, где малые потери кварцевых ОВ;
- энергия фононов в кварцевом стекле составляет 400...1 100 см-1, поэтому
наличие энергетических уровней с малым энергетическим зазором приводит к
безизлучательной релаксации, препятствуя появлению люминесценции.
Для примера на рис. 6.12 приведены энергетические уровни, а в табл. 6.2 -
длина волны накачки, области люминесценции и время жизни на метастабиль-
ном уровне ряда ионов РЗЭ в кварцевых ОВ [9].
Таблица 6.2
Свойства ионов РЗЭ в кварцевых ОВ
Активный ион Длина волны накачки, мкм Область люминес- ценции, мкм Время жизни, мс
Nd*3 1 0,92...0,94
0,8 1,05...1,1 ~0,5
1,34
Но+3 0,9 1,9...2,1 ~0,5
Ег*3 0,98... 1,48 1,53...1,6 10...12
Тт+3 0,79 1,7...1,9 0,2
УЬ+3 0,915...0,976 0,98...1,16 0,8
Поскольку растворимость РЗЭ в кварцевом стекле мала (обычно < 0,1
масс.%), то для повышения их концентрации без фазового разделения приме-
няют одновременное введение с РЗЭ и модификаторов (Л/2О3 или Р2О3), кон-
центрация которых составляет несколько процентов. По способу введения РЗЭ
методы получения заготовок АкОВ можно разделить на две группы [9]:
- введение РЗЭ через паровую фазу (парофазная технология),
- введение РЗЭ из раствора солей (жидкофазная технология).
Рис. 6.12. Схема энергетических уровней ионов ряда редкоземельных элементов
В отличие от исходных материалов для получения заготовок кварцевых
ОВ хлориды (и другие галогениды) РЗЭ имеют высокую температуру кипения
(> 1 500 °C), поэтому при использовании метода MCVD хлориды РЗЭ помеща-
ют в специальную нагретую камеру и до начала процесса прогревают в атмо-
сфере хлорагента для дегидратирования хлорида РЗЭ и его приплавления к
стенкам кварцевой камеры (рис. 6.13).
Рис. 6.13. Схема процесса получения заготовки, легированной РЗЭ, с использованием нагре-
той камеры: 1 - камера для хлорида РЗЭ; 2 - хлорид РЗЭ; 3 - опорная кварцевая
трубка; 4 - светоотражающая оболочка; 5 - слой сердцевины; 6 - горелка для оса-
ждения слоев; 7 - горелка для нагрева РЗЭ
Нагрев камеры осуществляют специальной горелкой, которую включают
после осаждения слоев светоотражающей оболочки. Иногда для повышения
воспроизводимости скорости испарения хлорида РЗЭ вместо приплавления
хлорида РЗЭ к стенкам камеры используют пористый патрон, предварительно
пропитанный хлоридом РЗЭ и который помещают в камеру. Недостатками
данного метода являются:
- трудность точного регулирования скорости поступления хлорида РЗЭ в
зону реакции из-за трудности точного поддержания температуры и площади
испарения хлорида в камере;
- возможность легирования сердцевины ОВ только одним РЗЭ, так как
практически невозможно в этом методе контролировать температуру и скоро-
сти поступления двух РЗЭ;
- невозможность получения длинных заготовок из-за конденсации хло-
рида РЗЭ на стенке опорной трубки, когда горелка далеко уходит от камеры.
Использование летучих комплексов РЗЭ с органическими лигандами
значительно облегчает проведение парофазного процесса, поскольку эти со-
единения обладают значительно большим давлением насыщенных паров. Так,
например, дипивалоилметанаты диспрозия, эрбия и иттербия имеют давление
пара 12... 14 мм рт.ст. при 227 °C, температуру начала разложения ~ 250 °C, не
окисляются и слабо гидролизуются на воздухе. Эти материалы могут исполь-
зоваться также при получении кварцевых заготовок АкОВ методами OVD и
VAD. Недостатком данных материалов является то, что:
- все трубопроводы, по которым подают данные материалы, должны
быть нагреты до температуры не ниже температуры их испарения (т.е. 230 °C),
чтобы избежать конденсации;
- используемые материалы являются редкими и серийно не выпускаются
промышленностью;
- поскольку при разложении и окислении органических лигандов РЗЭ
образуются пары воды, то осаждают сначала пористый слой сердцевины, кото-
рый затем остекловывают в потоке хлорагента.
Жидкофазная технология основана на легировании пористого слоя, фор-
мирующего сердцевину ОВ, растворами солей РЗЭ и модификаторов. Для этих
целей широко используется метод MCVD. На рис. 6.14 приведена схема полу-
чения заготовки АкОВ методом MCVD с использованием растворов солей РЗЭ.
Видно, что процесс включает в себя 4 этапа:
- осаждение пористого слоя чистого или легированного (GeO2 или P2Gs)
кварцевого стекла, формирующего сердцевину;
- пропитка пористого слоя раствором солей РЗЭ и модификатора;
- сушка пористого слоя и его остекловывание;
- "сжатие" заготовки.
Рассмотрим эти этапы более подробно. Степень пористости слоя зависит
от температуры нагрева трубки, толщины стенки трубки, состава ПГС и т.д.
Поскольку легирование кварцевого стекла GeO2 и, особенно, Р2О$ уменьшает
вязкость кварцевого стекла, то для получения пористого слоя осаждение слоев
г------- " 1 - - ~—|
W/Z/Z/Z/7Z////ZZ/Z/Z//Z/Z/J
в
Рис. 6.14. Схема процесса получения заготовки MCKD-методом с использованием растворов
солей РЗЭ: а - нанесение материала сердцевины; б - пропитка заготовки раство-
ром РЗЭ; в - сушка заготовки; г - «схлопывание»: 1 - горелка; 2 - опорная трубка;
3 - светоотражающая оболочка; 4 - пористая сердцевина; 5 — раствор РЗЭ; 6 - ос-
теклованная сердцевина, легированная РЗЭ [5]
надо проводить при пониженной температуре. Однако с понижением темпера-
туры уменьшаются скорости окисления галогенидов кремния и других леги-
рующих компонентов (см. рис. 3.3). Поэтому процесс формирования легиро-
ванного пористого слоя проводят в две стадии:
- образование оксидов при высокой температуре, но при движении го-
релки в направлении, противоположном движению ПГС в трубке (при т. н.
"обратном" ходе). В этом случае оксиды осаждаются за горелкой (ближе к вы-
ходу из трубки);
- "припекание" слоя в потоке О2 при движении горелки при "прямом"
ходе и при заданной температуре, которая и определяет пористость слоя. Для
иллюстрации на рис. 6.15 приведена зависимость пористости слоя германоси-
ликатного стекла от температуры его припекания. Видно, что с уменьшением
температуры пористость слоя увеличивается. Соответственно возрастает и ко-
личество раствора, вошедшего в пористый слой, и концентрация РЗЭ в осу-
шенном и остеклованном слое.
Осаждение пористого слоя чистого кварцевого стекла осуществляется за
первую стадию при движении горелки в "прямом" направлении, так как темпе-
ратура размягчения кварцевого стекла выше, чем легированного стекла, и тем-
пература формирования пористого слоя достаточна для протекания реакции
окисления паров 51СЦ.
Трубка с пористым слоем помещается в раствор солей РЗЭ. Для пропит-
ки пористого слоя используется раствор нитратов РЗЭ и алюминия при форми-
ровании алюмосиликатной матрицы сердцевины и раствор фосфатов РЗЭ при
формировании фосфоросиликатной матрицы. Количество РЗЭ, вошедших в по-
Рис. 6.15. Зависимость степени пористости
от температуры припекания по-
ристого слоя
ристый слой, определяется степенью пористости слоя и концентрацией РЗЭ в
растворе согласно уравнению
/Крзэ ~ 2лА-//-А'-СрЗЭ'Л7рЗЭ-10-3, (6.11)
где R -- внутренний радиус опорной трубки, мм;
Н~ толщина пористого слоя, мм;
К - коэффициент пористости слоя, %;
Срзэ - концентрация РЗЭ в растворе, г/см3;
А/рзэ - атомный вес РЗЭ.
Видно, что концентрация РЗЭ в стекле должна линейно зависить от кон-
центрации РЗЭ в растворе, что и подтверждается экспериментально. Время
пропитки зависит от пористости слоя и обычно составляет несколько часов.
Затем трубка вынимается из раствора, помещается на тепло-
механический станок установки MCVD и сушится в потоке кислорода и хлора-
гента, подаваемых внутрь трубки, при последовательном увеличении темпера-
туры нагрева трубки. Хлорагент используется для дегидротирования пористого
слоя. После сушки пористый слой остекловывается (иногда при подаче СтеСЦ).
а затем заготовка "сжимается", как обычно в методе MCVD. Концентрация УЬ+3
для иттербиевых волоконно-оптических лазеров обычно составляет
0,2...0,6 масс. %.
Иногда для волоконно-оптических эрбиевых усилителей используют
АкОВ, сердцевина которых одновременно легирована ионами эрбия и иттер-
бия, так как ионы иттербия обладают более широкой полосой поглощения (рис.
6.16) в области накачки (следовательно, большей эффективностью накачки),
чем ионы эрбия. В дальнейшем происходит перекачка энергии от ионов иттер-
бия к ионам эрбия, при этом уменьшается порог генерации. Отношение кон-
центраций ионов иттербия и эрбия составляет обычно 30:1. Однако передача
энергии предъявляет жесткие требования к конструкции АкОВ, а та в свою
очередь к технологии получения данных волокон. Это приводит к малому вы-
ходу хороших АкОВ.
Длина волны, нм
Рис. 6.16. Спектральные зависимости потерь в АкОВ, сердцевина которого легирована ио-
нами эрбия (7) и иттербия (2)
Важным является вопрос о составе стекла матрицы, так как он влияет на
растворимость РЗЭ, время жизни люминесценции и форму ее полосы. Напри-
мер, было показано, что в кварцевое стекло, легированное германием, можно
ввести до 1 масс. % эрбия (10 000 ppm), а в кварцевое стекло, легированное
алюминием, - до 7 масс. % (70 000 ppm). Спектры люминесценции стекол с
различным составом матрицы приведены на рис. 6.17. Наиболее широкий
спектр люминесценции имеет кварцевое стекло, легированное оксидом галлия,
но спектр люминесценции кварцевого стекла, легированного алюминием, сла-
бо отличается от него. Наиболее узкий спектр люминесценции имеет кварцевое
стекло, легированное оксидом германия.
Рис. 6.17. Спектры люми-
несценции ио-
нов эрбия в
стеклах различ-
ного состава: 1 —
SiOyGa2Oy, 2 -
SiOyGeOy, 2 —
SiOrAhOyGeO?,
4-SiO2 AhO3 [5]
Длина волны, нм
6.2.2. Волоконные брэгговские решетки ПП
Волоконная брэгговская решетка (ВБР) ПП представляет собой участок
ОВ (как правило, одномодового), в сердцевине которого наведена периодиче-
ская структура ПП с периодом Л, имеющая определенное пространственное
распределение [11]. На рис. 6.18 приведена схема такой решетки. Возможность
создания данной решетки обусловлена фоточувствительностью легированного
кварцевого стекла, т.е. его способностью изменять ПП (на 10Л..10-2) под дей-
ствием УФ-излучения. Важнейшим свойством ВБР является узкополосное от-
ражение оптического излучения. Поэтому данные решетки используются в во-
локонно-оптических лазерах в качестве селективных зеркал.
Рис. 6.18. Схематическое изображение волоконной брэгговской решетки ПП в сердцевине
волокна: 7 - сердцевина; 2 - оболочка
ВБР связывают основную моду ОВ с той же модой, распространяющейся
в противоположном направлении. Эта связь возникает на определенной (резо-
нансной) длине волны Х.бр, задаваемой соотношением
2 Иэфф'Л. ^бр, (6.12)
где «эфф -эффективный ПП моды, Л - период решетки (обычно менее 1 мкм).
В результате на длине волны Xgp возникает полное или частичное отражение
излучения. Свойства этого отражения зависят от параметров решетки. Коэф-
фициент отражения R выражается как
R = th2 (k-L), (6.13)
где L — длина решетки; к — коэффициент связи решетки, равный
к (6.14)
Димод - амплитуда синусоидальной модуляции ПП, h - часть мощности основ-
ной моды, которая распространяется по сердцевине световода. Спектральная
ширина резонанса однородной решетки на полувысоте может быть выражена
следующим приближенным уравнением:
А/бр = 276р-а-[(мер-Длмац /2 иэфф)2 + (Л/L )2]1/2, (6.15)
где а - параметр порядка единицы для глубоких решеток (с коэффициентом
отражения 7?~1) и порядка 0,5 для решеток небольшой глубины. На рис. 6.19
представлен типичный спектр пропускания ВБР, из которого видно, что имеет-
ся резонансная длина волны (~ 1135,7 нм) на которой решетка не пропускает
свет. Резонансная длина волны ВБР зависит также от температуры световода и
от приложенных к нему механических напряжений.
Длина волны, нм
Рис. 6.19. Спектр пропускания брэгговской решетки с параметрами: L = 5 мм; Ди = 8-1 О'4 [11]
Фотоиндуцированные длиннопериодные волоконные решетки (ДПВР)
имеют относительно больший период (А - 100...500 мкм) и связывают основ-
ную моду с модами оболочки, которые распространяются в том же направле-
нии. Энергия, перешедшая в оболочную моду, затем поглощается в защитном
покрытии на неочищенном участке ОВ, что приводит к появлению полосы по-
глощения в спектре пропускания волокна с записанной в нем решеткой. Интен-
сивность оболочной моды на однородной решетке выражается как
S = sin2 (k-L), (6.16)
где обозначения аналогичные (6.12) и (6.13). Для иллюстрации на рис. 6.20
представлен спектр пропускания ДПВР длиной 25 мм с периодом 230 мкм,
рассчитанный для ОВ со ступенчатым профилем ПП в сердцевине (разность
ПП между сердцевиной и оболочкой Ал = 0,01) и длиной волны отсечки первой
высшей моды Хс - 1,0 мкм. Характерной особенностью является монотонное
возрастание интенсивности межмодового взаимодействия с ростом радиально-
го модового числа т оболочных НЕ\т мод.
В силу малого периода ВБР (менее 1 мкм) их, как правило, формируют
при УФ-облучении (X = 242 нм) ОВ с использованием интерференционных ме-
тодов. Для иллюстрации на рис. 6.21 приведены схемы записи ВБР в интерфе-
рометрах с амплитудным {а) и пространственным (б) разделением пучка УФ-
излучения. Указанные методы обладают гибкостью в выборе параметров (пе-
риод, длина) записываемых решеток, однако требуют высокую пространствен-
ную и временную когерентность записывающего излучения.
Длина волны, нм
Рис. 6.20. Спектр пропускания однородной длиннопериодной решетки длиной 25 мм и с пе-
риодом 230 мкм (Дл - 0,01; Хе = 1,0 мкм) [11]
Рис. 6.21. Схемы записи брэгговских решеток в интерферометрах с амплитудным (а) и про-
странственным (б) разделением пучка УФ-излучения: 1 - цилиндрическая линза;
2 - делительная пластина; 3 - зеркала; 4 - волокно [11]
Запись через фазовую маску (рис. 6.22) значительно снижает требования
к когерентности УФ-излучения, поэтому часто применяется с использованием
недорогих эксимерных лазеров. В этом методе реализуется интерференция ме-
жду первым и минус первым дифракционными порядками излучения, про-
шедшего через фазовую маску. Маска, как правило, изготовляется из прозрач-
ного в УФ-части спектра кварцевого стекла и имеет определенный рельеф по-
верхности, обращенной к световоду. Рельеф выполнен таким образом, чтобы
подавить нулевой и другие порядки дифракции, кроме первого и минус перво-
го. Недостатком записи через фазовую маску является высокая стоимость мас-
ки и возможность записи ВБР с конкретными параметрами.
а б
Рис. 6.22. Схема записи брэгговских решеток с помощью фазовой маски: а - прямая запись;
б - запись в интерферометре Тальбота: 1 - фазовая маска; 2 - оптическое волокно [11]
Поскольку значения периода ДПВР на 2...3 порядка больше в сравнении с
ВБР, то методы их записи отличаются от методов записи ВБР. Среди наиболее
распространенных способов записи фотоиндуцированных ДПВР следует отме-
тить метод с использованием амплитудной маски и пошаговый метод, приведен-
ные на рис. 6.23. В первом случае вся структура решетки формируется одновре-
менно, а во втором случае последовательно при помощи механической трансля-
ции ОВ относительно сфокусированного на сердцевину лазерного излучения.
Механизм фотоиндуцированного изменения ПП в кварцевом стекле до
сих пор недостаточно прояснен, хотя известно, что для германосиликатного
стекла фотовозбуждение германиевых кислородо-дефицитных центров (ГКДЦ)
играет инициирующую роль для последующей трансформации сетки стекла,
которая сопровождается изменением его ПП. К сожалению, фоточувствитель-
ность стандартных телекоммуникационных ОВ с концентрацией GeO2
З...5мол. % недостаточна для эффективной записи решеток. Было показано,
что фоточувствительность германосиликатных ОВ увеличивается с ростом
концентрации оксида германия в сердцевине (соответственно с ростом ГКДЦ),
а также при насыщении сетки стекла молекулярным водородом при относи-
тельно низкой температуре (~ 100 °C) и высоком давлении водорода (до
~ 100 атм) в течение ~ 12 часов. Концентрация молекулярного водорода при
такой обработке достигает 2...3 мол. %. Однако температурная стойкость ре-
шеток, записанных в ОВ с водородом невысокая, в связи с чем требуется отжиг
решеток перед их использованием. Кроме того, насыщение водородом увели-
чивает потери, обусловленные ОН-группами.
а
Рис. 6.23. Схема записи длиннопериодной решетки УФ-излучением: а - с помощью ампли-
тудной маски; б - пошаговым методом: 1 - цилиндрическая линза; 2 - амплитуд-
ная маска; 3 - сферическая линза; 4 - волокно [11]
6.2.3. Волоконно-оптические лазеры
Схема волоконно-оптического лазера приведена на рис. 6.24 [10]. Как
обычно, лазер включает в себя источник накачки и резонатор, который состоит
из активной среды (АкОВ) и зеркал (брэгговских решеток). В качестве источ-
ника накачки используется полупроводниковый диодный лазер, излучающий на
соответствующей длине волны. Наиболее простым является случай с торцевой
накачкой, когда излучение вводится в торец волокна, как на рис. 6.24. Достоин-
ством данного способа является возможность его применения для всех типов
АкОВ, а недостатком - использовать лишь один источник накачки. Применение
накачки с использованием К-образной канавки позволяет распределять вводи-
мое излучение по длине АкОВ и добавлять новые источники по длине волокна,
формируя Г-образные канавки по мере истощения мощности от предыдущего
источника.
Рис. 6.24. Простейшая конфигурация волоконно-оптического лазера: 1 - полупроводнико-
вый излучатель; 2 — точка сварки; 3 — активное волокно; 4 — брэгговские решетки;
5 - выход излучения
Мощные полупроводниковые источники для накачки требуют примене-
ния АкОВ с двойной оболочкой. В этих ОВ помимо одномодовой сердцевины,
легированной ионами РЗЭ, и внутренней светоотражающей кварцевой оболоч-
ки имеется внешняя оболочка с ПП меньшим, чем ПП кварцевого стекла. На
рис. 6.25 приведен модельный профиль и принцип преобразования многомодо-
вого излучения накачки в одномодовое излучение волоконного лазера, выхо-
дящего из сердцевины диаметром 5... 10 мкм. При распространении излучения
накачки по многомодовому световоду, в котором внутренняя оболочка выпол-
няет также роль сердцевины по отношению к внешней оболочке, энергия на-
качки захватывается ионами РЗЭ, вызывая люминесценцию. При наличии об-
ратной связи эта люминесценция развивается в лазерную генерацию.
Рис. 6.25. Модельный профиль ПП (а) и принцип преобразования многомодового излучения
накачки в одномодовое излучение волоконного лазера в АкОВ с двойной оболоч-
кой (б): 1 — внутренняя оболочка; 2 — активная сердцевина; 3 - внешняя оболочка;
4 - многомодовая накачка; 5 - одномодовая генерация [10]
v\\\\AV^A\\\\\\W№
б
В качестве материалов внешней оболочки используются СИЭЛ, о котором
говорилось в гл. 4, или тефлон AF, причем первый обеспечивает числовую апер-
туру до ~ 0,4, а второй - до — 0,6. К недостаткам силиконового покрытия следует
отнести относительно высокие потери для излучения накачки (~ 50 дБ/км), а к
недостаткам тефлона, обеспечивающего потери ~10 дБ/км, - малую толщину
покрытия (10.. .20 мкм), которая увеличивает риск повреждения АкОВ.
Для эффективной связи мод внутренней оболочки с активной сердцеви-
ной форму внутренней оболочки делают некруглой за счет шлифовки исходной
заготовки перед ее вытяжкой. В табл. 6.3 приведены данные, показывающие
влияние геометрии внутренней оболочки на эффективность поглощения излу-
чения накачки в АкОВ, сердцевина которого легирована ионами иттербия [10].
Таблица 6.3
Влияние геометрии внутренней оболочки на эффективность поглощения
излучения накачки в АкОВ, легированном ионами Yb
Геометрия оболочки Поглощение на X = 978 нм, дБ/км
Круглая 0,3±0,05
D-образная 2,2±0,05
Прямоугольная 3,5±О,О5
Квадратная 3,3±О,О5
Из табл.6.3 видно, что некруглая форма внутренней оболочки приводит к
значительному увеличению эффективности накачки, однако с учетом потерь на
сварке АкОВ с круглым волокном, используемым для записи ВБР, оптимальной
является квадратная форма.
Другим вариантом повышения эффективности накачки является исполь-
зование АкОВ с мйкроструктурированной оболочкой, содержащей воздушные
капилляры. Схема такого АкОВ приведена на рис. 6.26. Характерное значение
числовой апертуры таких ОВ составляет ~ 0,5 и ограничивается вытеканием
мод высшего порядка через перемычки, поддерживающие внутреннюю обо-
лочку. Большое значение NA и меньшая площадь внутренней оболочки в мик-
роструктурированных ОВ позволяют увеличить в несколько раз плотность н
эффективность накачки по сравнению с ранее указанными ОВ.
Рис. 6.26. Схема АкОВ с микроструктуриро-
ванной оболочкой; черные кружки
- капилляры, заполненные возду-
хом: 1 ~ активированная сердце-
вина; 2 - внутренняя оболочка; 3 -
микроструктурированная оболоч-
ка; 4 - технологическая кварцевая
оболочка
Для иллюстрации на рис. 6.27 приведены типичные характеристики ит-
тербиевого волоконного лазера: спектр люминесценции ОВ, с также спектр ге-
нерации лазера, возникающий при стыковке АкОВ с парой согласованных ВБР,,
имеющих резонансную длину волны 1 103 нм. В данном случае ВБР с высо-
ким коэффициентом отражения (R > 99 %) имела спектральную ширину 0,7 нм„
а выходная ВБР (R ~ 10%) - 0,3 нм. Благодаря широкой полосе люминесценции
иттербиевые ОВ позволяют получать лазерную генерацию в широком диапазо-
не длин волн 1 050... 1 150 нм с дифференциальной эффективностью 50.. .80 %.
Зависимости выходной мощности лазера от мощности накачки на А, —
0,978 мкм для разных длин волн генерации представлены на рис. 6.27, б. Вид-
но, в частности, что при удалении от максимума Спектра люминесценции
(1,08...1,09 мкм) эффективность генерации уменьшается, однако остается на
уровне 50 % даже на длине волны 1,148 мкм.
Путем объединения отдельных модулей в НПО «ИРЭ-Полюс» удалось
создать иттербиевый волоконно-оптический лазер непрерывного излучения с
мощностью на выходе маломодового волокна около 10 кВт.
a
Рис. 6.27 Характеристики иттербиевого волоконного лазера с накачкой в оболочку: а~
спектр люминесценции (...) и генерации (-); б - зависимости выходной мощности
от мощности накачки = 980 нм) для различных длин волн генерации [9]
б
6.2.4. Волоконно-оптические усилители
Одним из основных узлов современных ВОСПИ со спектральным уплот-
нением каналов (WDM или DWDM системы) является оптический усилитель. В
настоящее время созданы три типа оптических усилителей: полупроводнико-
вые, волоконные эрбиевые и рамановские (ВКР) усилители. Полупроводнико-
вые усилители не нашли применения в ВОСПИ, поскольку физические особен-
ности их функционирования приводят к неприемлемой величине перекрестных
помех между каналами. Наиболее широкое применение получили эрбиевые во-
локонные усилители (EDFA - Erbium-Doped Fiber Amplifier), созданные на ос-
нове АкОВ, сердцевина которых легирована ионами эрбия. Главное их досто-
инство заключается в спектре люминесценции ионов эрбия, лежащем в области
X ~ 1,54 мкм - области минимальных потерь кварцевых ОВ. Эрбиевые усили-
тели обеспечивают усиление оптических сигналов без их преобразования в
электрические сигналы и обратно, при этом они обладают низким уровнем
шумов. В табл. 6.4 указаны основные характеристики эрбиевых усилителей и
обычные значения этих характеристик [11].
Таблица 6.4
Характеристики эрбиевых усилителей
Наименование характеристики Типичное значение
Коэффициент линейного усиления, дБ Мощность насыщения, Вт Спектральная полоса усиления, нм Рабочая длина волны, мкм Эффективность оптического преобразования, % 30...40 0,5 30...40 1,53...1,57 50...60
Указанные характеристики определяются параметрами АкОВ и оптиче-
ской схемой (топологией) усилителя. Оптическая накачка осуществляется, как
правило, полупроводниковыми лазерами в эффективные полосы поглощения
ионов эрбия - 0,98 и 1,48 мкм. Современные эрбиевые усилители обеспечива-
ют усиление модулированных оптических сигналов в полосе до 40 ГГц.
На рис. 6.28 приведена схема простейшего эрбиевого усилителя. Усили-
тель состоит из отрезка АкОВ, легированного эрбием. В таком волокне сигналы
определенных длин волн усиливаются за счет энергии внешнего излучения на-
качки. Отличительной особенностью волоконно-оптического усилителя от ла-
зера является отсутствие обратной связи (резонатора). Излучение вводится в
ОВ с помощью направленного соединителя, конструкция которого будет рас-
сматриваться в гл. 9. Усилитель содержит также оптические изоляторы, пре-
дотвращающие распространение света в обратном направлении.
Рис. 6.28. Схема оптического усилителя: 1 - ввод излучения; 2 - оптический изолятор; 3 -
АкОВ, легированное эрбием; 4 - сварное соединение; 5 - соединитель; 6 - лазер
накачки; 7 - выход излучения
Для многоканальных волоконно-оптических систем со спектральным
мультиплексированием очень важным является спектральная полоса усиления
и ее равномерность (плоскостность), что позволяет одинаково усиливать все
каналы, лежащие в спектральной полосе. На рис. 6.29 приведена зависимость
коэффициента усиления эрбиевого усилителя от длины волны. Видно, что в
диапазоне 1530... 1560 нм спектральная плотность почти постоянна. В полосу
30.. .40 нм умещается несколько десятков каналов DWDM.
Рис. 6.29. Зависимость коэффициента усиления EDFA от длины волны
Эрбиевые усилители полностью "прозрачны" - не зависят от используе-
мых протоколов, форматов, скорости передачи и длины волны оптического сиг-
нала. Поэтому их можно подключать непосредственно к различному оборудова-
нию - коммутаторам ATM или компонентам протокола IP - не опасаясь, что они
помешают друг другу. Сети с эрбиевыми усилителями имеют многочисленные
преимущества. Пропускную способность таких сетей можно наращивать эконо-
мично и постепенно, добавляя новые каналы по мере роста потребности. Приме-
нение данных усилителей позволяет создавать полностью оптические сети, в ко-
торых обработка сигнала электронными компонентами происходит только в на-
чальной (где информация впервые попадает в сеть) и конечной (где информация
достигает конечного получателя) точках сети. Оптические усилители успешно
используются в сетях кабельного телевидения CATV, когда один общий сигнал
передается большому числу абонентов ("широковещание").
6.2.5. ВКР волоконно-оптические лазеры
Волоконно-оптические лазеры, созданные на основе АкОВ, сердцевина
которых легирована ионами РЗЭ, излучают лишь в определенных спектраль-
ных областях, не заполняющих весь ближний ИК-диапазон. Использование яв-
ления вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) в ОВ позволяет созда-
вать эффективные преобразователи длины волны (конвертеры) излучения ла-
зерных источников и получать лазерную генерацию практически на любой
длине волны ближнего ИК-диапазона [12]. Явление ВКР (иногда называемого
рамановским рассеянием) обусловлено неупругим взаимодействием фотонов с
молекулами (или ионами), в ходе которых они обмениваются энергиями и воз-
можны переходы на новые энергетические уровни. Схема энергетических
уровней, иллюстрирующая основные принципы ВКР, приведены на рис. 6.30.
----------------------------------------------------------------------Возбужденное
___________________________________> электронное
' J состояние
Погло- Стоксово Рэлеевское Антистоксово
Основное
электронное
состояние
щение рассеяние рассеяние рассеяние
Рис. 6.30. Схема энергетических уровней, иллюстрирующая основные принципы ВКР. Энер-
гия возбуждающего света Avo, линии КР имеют частоты vq±v,-
Молекула или ион, находящиеся в невозбужденном состоянии с энергией
Eq под действием кванта с энергией hvQ (vo - частота падающего света) возбуж-
дается в промежуточное (виртуальное) состояние с энергией Евир., откуда они
могут вернуться в исходное состояние , испустив квант hvo (рэлеевское рассея-
ние), либо перейти в состояние Еь испустив квант Л(уо~ч), что приводит к по-
явлению в спектре рассеянного излучения с частотами vo~v, (стоксовы часто-
ты). Если до поглощения фотона молекула или ион находились в возбужден-
ном состоянии с энергией то после рассеяния света они могут перейти как в
исходное состояние, так и в основное состояние Eq. В последнем случае энер-
гия рассеянного света возрастет, составляя A(vo+v,), что приводит к появлению
в спектре частот vo+v,- (антистоксовые линии).
Следует отметить, что наибольшее значение имеет не абсолютная часто-
та излучения, а величина частотного смещения света (v;). В случае непрерыв-
ной накачки объемного материала начальный рост интенсивности стоксовой
волны (излучения) описывается соотношением
dlc/ dz = gR Io-Ic, (6.17)
где Zc и Zo - интенсивности стоксовой волны и волны накачки соответственно;
gR - коэффициент ВКР-усиления. Специфика ОВ, как ВКР-среды, заклю-
чается в относительно малом коэффициенте усиления (для плавленого кварца -
1013 Вт/м) и большой длине взаимодействия. Последнее обстоятельство позво-
ляет снизить пороги получения ВКР.
На величину рамановского усиления ОВ влияет распределение интен-
сивности света по сечению ОВ. Поэтому коэффициент рамановского усиления
в ОВ (go) записывается как
go = (IgR-h-Icds) / (f/c'^s)], (6.18)
где интегралы берутся по поперечному сечению ОВ.
На рис. 6.31 приведены относительные ВКР-спектры (рамановские) для
объемных стекол S1O2, GeO2, В20з, Р2О5, а в табл. 6.5 — некоторые их характе-
ристики, в том числе частотное смещение (волновое число).
Рис. 6.31. Относительные рамановские спектры для стекол SiO2, GeO2, В2О3, Р2О5 [12’
Таблица 6.5
Характеристики ВКР-спектров для стекол S1.O2, GeO2> Р2О5
Тип стекла Показатель преломления Относительная интенсивность Величина вол- нового числа см'1 Относительное сечение
SKh 1,46 1 440 1
GeO2 1,60 7,4 420 9,2
B2O3 1,48 4,6 808 4,7
Р1О5 1,55 4,9 640 5,7
Р2О5 1,55 3,0 1390 3,5 I
Если активную среду конвертора поместить в резонатор, образованный
узкополосными отражателями ВБР, то получим ВКР-лазер. Комбинируя длину
волны накачки и материал'активного световода можно получить генерацию
практически во всем спектре ближнего ИК-диапазона. Для иллюстрации рас-
смотрим следующий пример (рис. 6.32). Излучение из полупроводникового ла-
зера на длине волны 0,806 мкм вводится в активное оптическое волокно, серд-
цевина которого легирована неодимом и к которому приварены брэгговские
решетки, формируя волоконно-оптический лазер с генерацией на Хм/=1,06
мкм = 1,06 1 О'4 см (табл. 6.2), при этом частота излучения составит
v0 = 1 Аад = 1/1,06 lO^ 9434 см-1. (6.19)
1
А. = 0,806 мкм
А = 1,234 мкм
4
Рис. 6.32. Схема ВКР-лазера с брэгговскими решетками (ВБР), записанными непосредствен-
но в ОВ с фосфоросиликатной сердцевиной (точками отмечены места сварки): 1 -
лазерная матрица с излучением на 1=0,806 мкм; 2 - АкОВ, сердцевина которого
легирована неодимом; 3 — ОВ с фосфоросиликатной сердцевиной; 4 - выход излу-
чения на X = 1,234 мкм; 5 - резонатор ВКР-лазера, ВБР - волоконная брэгговская
решетка с коэффициентом отражения R (например, 99 %) на X = 1,06 мкм [12]
Если излучение неодимого лазера ввести в волокно с фосфорсиликатной
сердцевиной, для которого Av = 1330 см при концентрации Р2О$ 10...15 мол. %,
то новая частота излучения будет Vq-Av = 9434 - 1330 = 8104 см'1, а длина вол-
ны соответственно - Ан0В = l/(vo-Av) = 1/8104 « 1,24 мкм. Таким образом, введя
в фосфорсиликатное волокно излучение на А. =1,06 мкм, на выходе получаем
излучение с длиной волны X = 1,24 мкм.
Для получения излучения в спектральной области Х> 1,35 мкм необхо-
димо использовать многокаскадные ВКР-лазеры, когда излучение с выхода од-
ного каскада ВКР-лазера подается на вход следующего каскада ВКР-лазера и
т. д. Например, если использовать излучение 1 = 1,24 мкм с выхода фосфоро-
силикатного волокна для накачки следующего каскада с фосфоросиликатным
ОВ, можно получить излучение на 1,48 мкм, как это видно из рис. 6.33.
Длина волны, нм
Рис. 6.33. Спектр излучения двухкаскадного ВКР-лазера на основе фосфоросиликатного оп-
тического волокна [12]
В заключение отметим, что интенсивность стоксовых частот возрастает с
ростом концентрации легирующих компонентов (германия, фосфора и др.).
Поэтому для создания ВКР-лазеров обычно используют высоколегированные
ОВ, однако увеличение концентрации часто приводит к росту потерь и, в ко-
нечном счете, к уменьшению интенсивности излучения. В связи с этим прихо-
дится принимать некоторую оптимальную концентрацию легирующих приме-
сей. Установлено, что величина потерь в высоколегированных ОВ уменьшает-
ся с уменьшением температуры вытяжки волокна и при добавке в сердцевину
небольшой концентрации фтора.
6.3. Радиационно-стойкие оптические волокна
Для ряда космических, военных и других применений требуются ОВ, ус-
тойчивые к воздействию высоких уровней радиации. Под её воздействием раз-
рушаются химические связи, образующие матрицу стекла, и возникают так на-
зываемые центры окраски (ЦО), которые имеют новые уровни энергии элек-
тронов (донорные или акцепторные) и между ними возможны новые электрон-
ные переходы. Эти ЦО приводят к дополнительным потерям, которые называ-
ют наведенным поглощением (НП). Природа и количество ЦО в значительной
степени зависит от состава стекол сердцевины и оболочки, а также способа из-
готовления ОВ.
Под действием ионизирующего излучения (у-излучения) в кварцевом
стекле могут образовывать следующие основные ЦО:
- так называемые Е -центры возникающие при разрыве цепочки
С/
-Si-O-Si~ , содержащие валентный электрон и имеющие полосы поглощения
на длинах волн 0,212 мкм;
Л
- пероксильные радикалы О-Si-O-O, появляющиеся в присутствии из-
07
бытка кислорода в стекле и имеющие полосы поглощения на X - 0,191,
0,230 и 0,63 мкм, причем последняя полоса является наиболее важной
для ОВ, работающих в ИК-диапазоне;
°\ /°
- кислородная вакансия O-S—Si—О, возникающая при отрыве кислорода
О7
в цепочке Si-O—Si (X - 0,163 и 0,248 мкм);
- радиационный дефект немостикового кислорода 0^6’/—<9, образующийся
вместе с Е -центром при разрушении цепочки Si-O-Si (X = 0,26; 0,61 мкм);
Л /О
- связи между атомами хлора О—Si— CL.Cl-Si-0, возникающие в
кварцевом стекле при получении его из SiCk (X = 0,257; 0,31 и 0,390 мкм);
- молекулы хлора (С1-СГ), растворенного в кварцевом стекле (X = 0,33 мкм).
Из приведенных данных следует, что наибольшее поглощение должно
наблюдаться в УФ-области, меньшее - в видимой области спектра (0,45...0,63
мкм) и с ростом длины волны НП должно уменьшаться вплоть до X =1,3 и 1,55
мкм, которые являются "окнами прозрачности" кварцевых ОВ. Подтверждени-
ем этому являются данные, приведенные на рис. 6.34, о зависимости НП от до-
зы облучения на различных длинах волн для ОВ, сердцевина которых легиро-
вана GeCh (концентрация СеОг - 11 мол. %).
Поведение кварцевых стекол при у-облучении в значительной степени
зависит от содержания в стекле гидроксильных групп, хлора, фтора и т. д. При-
сутствие ОН-групп уменьшает чувствительность стекла к радиации при малых
дозах, а при мегагрейных дозах - увеличивает. Это обусловлено тем, что нали-
чие (ЭЯ-групп приводит к росту полосы поглощения немостикового кислорода,
в частности, на X = 0,61 мкм. Присутствие хлора увеличивает потери в ОВ при
их облучении.
Рис. 6.34. Дозные зависимости наведенного
поглощения в образцах оптиче-
ских волокон с концентрацией
GeOi ~ 11 мол. % на различных
длинах волн при у-облучении
(мощность дозы - 2,7 Гр/с) [13]
Ig Да, дБ/км
На рис. 6.35 приведены зависимости НП от дозы у-облучения (максималь-
ная доза ~ 5,5-104 Р) для образцов ОВ, изготовленных при использовании труб
разных производителей и имеющих чисто кварцевую сердцевину и светоотра-
жающую оболочку из кварцевого стекла, легированного фтором (Дп ~ 0,01).
§ Время, мин.
Й Облучение Релаксация
§ Время, мин.
К Облучение Релаксация
Рис. 6.35. Зависимости наведенного поглощения на X = 1,55 мкм от дозы у-облучения (мак-
симальная доза 5,54О4 Р) для образцов ОВ, при изготовлении которых использо-
вались трубки из стекол: “Suprasil F-300” (7), КС-4В (2) и Гусь-Хрустальное газо-
пламенное (3). Мощность света на выходе ОВ: 3 мкВт (сплошные линии),
440...550 мкВт (пунктирные) [14]
Видно, что в начале облучения наблюдается резкое увеличение НП, ха-
рактерное для кварцевого стекла, а в дальнейшем приведенные зависимости
отличаются не только величиной, но и характером поведения. Так, для образ-
цов, полученных при использовании "сухих" труб ("Suprasil F-300") и КС-4В
происходит рост НП от дозы облучения, а для образца с использованием труб-
ки Гусь-Хрустального завода, имеющей высокую концентрацию гидроксиль-
ных групп, характерно уменьшение НП. Из рис. 6.35 также видно, что увеличе-
ние мощности света, пропускаемого по ОВ, ведет к значительному снижению
НП. Максимальное НП в ОВ, при изготовлении которых использовались опор-
ные трубки "Suprasil F-ЗОО", составило ~ 2,35 дБ/км на X = 1,55 мкм при по-
глощающей дозе 438 Гр и мощности ~ 0,4 Гр/с, а через 1 мин после окончания
НП уменьшилось до 1,2 дБ/км и через 2 мин до ~ 0,5 дБ/км.
Зависимости спада НП после окончания облучения свидетельствуют о
существовании короткоживущих и долгоживущих ЦО. Короткоживущие ЦО
обычно связывают с возникновением экситонов (электронов и дырок) на гра-
ницах доменов в стекле при его облучении, а долгоживущие ЦО - с разрывом
связи Si-O. При этом число короткоживущих ЦО пропорционально мощности
дозы облучения и обратно пропорционально вводимой оптической мощности в
ОВ, а концентрация долгоживущих ЦО пропорциональна поглощенной дозе.
На рис. 6.36 приведены спектральные зависимости НП для различных
типов ОВ. Видно, что наименьшее НП имеет ОВ с чисто кварцевой сердцеви-
ной, к нему приближается ОВ, сердцевина которого легирована азотом, а ОВ с
германосиликатной сердцевиной имеет значительно большее НП, хотя харак-
тер спада НП для всех образцов ОВ близок.
Длина волны, нм
Рис. 6.36. Спектры НП в образцах одномодовых ОВ после у-облучения (доза - 10 кГр, мощ-
ность - 10 Гр/с): 1 - с германосиликатной сердцевиной и фторсиликатной оболоч-
кой; 2 - с кварцевой сердцевиной и фторсиликатной оболочкой; 3 - с сердцеви-
ной, легированной азотом [7]
Принято считать [12], что ЦО в ОВ с германосиликатной сердцевиной
обусловлены дефицитом кислорода в первой координационной сфере атома
германия (т. н. "германиевый кислородно-дефицитный центр" - ГКДЦ). В НП
последних ОВ более 80 % интеграла поглощения, вызванного ГКДЦ, находится
в УФ-области спектра, а именно полоса максимального поглощения - на
A. = 0,242 мкм (5,12 эВ) и сопутствующая слабая полоса на А. = 0,33 мкм
(3,75 эВ). Предложено несколько гипотетических моделей ГКДЦ (например,
-O-Ge-O-, ^Ge-Ge^, =Si—GeSi= и т.д.), однако однозначного выбора нет.
Исследование поведения многомодовых и одномодовых ОВ при их у-
облучении показало, что добавка фосфора как в сердцевину, так и в оболочку
увеличивает НП, причем величина НП почти линейно изменяется с дозой об-
лучения. За время более суток после окончания облучения для подавляющего
большинства образцов не наблюдается снижение НП (рис. 6.37), а часто его
возрастание. Это объясняют тем, что быстро разрушающиеся кислородно-
дефицитные центры переходят в другие более стабильные дефекты, аналогич-
ные Е -центру. Оптически этот дефект приводит к росту полосы поглощения
вблизи 1,5 мкм. Однако введение фосфора в очень маленьких количествах
(0,2...0,5 ат. %) в германосиликатную сердцевину способствует более быстро-
му спаду НП в начальный период по сравнению с кварцевой сердцевиной.
Рис. 6.37. Спад НП на X =0,8 мкм после у-облучения в образцах ОВ с германосиликатной
сердцевиной, дополнительно легированной фосфором от 0 ат. % (7) до 0,9 ат. % (7)
Снижение температуры ОВ значительно увеличивает величину НП, в то
время, как более быстрому восстановлению потерь после окончания облучения
способствует нагрев ОВ или их интенсивное освещение.
Приведенные данные показывают, что радиационные характеристики
улучшаются на более длинных волнах и универсального радиационно-стойкого
ОВ не существует. В зависимости от требований, предъявляемых к ОВ, следует
выбирать тот или иной тип ОВ. Так, при высоких дозах облучения и для про-
тяженных линий связи, в которых важна абсолютная величина НП, но не тре-
буется очень быстрого их восстановления, наиболее приемлемым является ОВ
с чисто кварцевой сердцевиной. Для коротких, внутри объектовых линий (де-
сятки метров) допустимы гораздо большие коэффициенты затухания. Если в
таких пиниях необходимы малые времена восстановления, то в качестве таких
ОВ наиболее оптимальными являются ОВ с небольшой концентрацией оксидов
германия и фосфора. В промежуточных случаях допустимо использование ОВ
с фторсиликатной оболочкой и германосиликатной сердцевиной, в которой
концентрация оксида германия составляет ~ 1 ...3 мол. %.
6.4. Микроструктурированные ОВ
Последние примерно десять лет в оптике бурно развивается новое науч-
ное направление - фотонные кристаллы. Фотонные кристаллы в подавляющем
большинстве представляют собой искусственно создаваемые структуры с пе-
риодически изменяющейся в пространстве диэлектрической проницаемостью.
Диэлектрическая проницаемость среды (е) показывает во сколько раз в данной
среде сила взаимодействия между зарядами уменьшается по сравнению с ва-
куумом и связана с ПП следующим уравнением:
и = = (6.20)
где с и v - скорость света в вакууме и среде соответственно.
Основным свойством фотонных кристаллов является то, что будучи про-
зрачными, вообще говоря, для широкого спектра электромагнитного излуче-
ния, они оказываются непрозрачными для некоторых частотных диапазонов
этого спектра [15]. Иными словами, излучение с длиной волны, сравнимой с
периодом структуры фотонного кристалла, не может распространяться поперек
. такой структуры. Эти спектральные диапазоны стали называть фотонными за-
прещенными зонами, аналогично запрещенным зонам в полупроводниках и ди-
электриках, где эти зоны возникают при соединении отдельных атомов или ио-
нов в кристалл. При этом дискретный набор разрешенных энергетических со-
стояний электронов переходит к распределению по энергетическим зонам под
действием периодического потенциала решетки кристалла. В ОВ также можно
создать периодическую структуру, состоящую из капилляров, заполненных
воздухом. Такие ОВ называются микроструктурированными (МкОВ), Возмож-
ны 2 варианта: центр такого ОВ заполнен стержнем (чистым кварцевым стек-
лом, либо сердцевиной АкОВ) или в нем размещается отверстие (капилляр).
Первые ОВ называют иногда "дырчатыми" волокнами (HF - holey fibers), а
вторые - волокнами с запрещенной зоной (PBGF—photonic band gap fibers). На
рис. 6.38 приведены схема и фотография торца "дырчатого" ОВ. В этих волок-
нах дырчатая структура выполняет роль светоотражающей оболочки, посколь-
ку капилляры, заполненные воздухом, имеют эффективный ПП меньше ПП
сердцевины, расположенной в центре структуры. Такие ОВ могут быть изготов-
лены из однородного материала, обычно из чистого, не легированного кварце-
вого стекла.
Волноводные характеристики данных структур могут быть рассмотрены
в рамках модели полного внутреннего отражения, применимого к обычным
ОВ. Однако волноводные характеристики этих микроструктурированных ОВ
существенно отличаются от характеристик традиционных волокон [16].
Рис. 6.38. Схема (а) и фотография (6) микроструктурированного оптического волокна
Во-первых, разность ПП между сердцевиной и оболочкой в HF может
почти на два порядка быть больше, чем в стандартных ОВ. Во-вторых, эффек-
тивный ПП оболочки HF существенно сильнее зависит от длины волны излу-
чения, чем в стандартных ОВ, что приводит к появлению ряда уникальных ха-
рактеристик. Так, при отношении диаметра отверстий (d) к их периоду (Л)
меньшем 0,2 ОВ являются одномодовыми во всем спектральном диапазоне
прозрачности кварцевого стекла. Длина волны нулевой дисперсии (ДВНД) мо-
жет быть значительно смещена в сторону коротких длин волн, в то время как
для кварцевого стекла она расположена в области ~ 1,3 мкм. Для примера, на
рис. 6.39 приведены рассчитанные зависимости дисперсии подобных ОВ от
длины волны. Видно, что эти зависимости определяются во многом отношени-
ем t//A, а в экспериментальных образцах подобных МкОВ ДВНД удалось сме-
стить вплоть до А. = 0,55 мкм. Такие микроструктурированные ("дырчатые") ОВ
обладают значительным отрицательным коэффициентом дисперсии (до
- 2 000 пс/(нм-км)) и могут использоваться в качестве компенсаторов диспер-
сии в ВОСПИ, причем их использование позволяет компенсировать полную
дисперсию в линии с SM-волокнами в 100 раз большей длины.
В ФИРЭ РАН построена математическая модель распространения света в
"дырчатом" МкОВ, разработаны программы численных расчетов структуры
волокна для обеспечения требуемых параметров и проведена эксперименталь-
ная проверка модели. Заложенное в расчетах значение ДВНД хорошо совпало с
экспериментальной величиной (1,1 мкм и 1,08 мкм соответственно), измерен-
ной в образце со структурой, предлагаемой этой моделью (4 слоя воздушных
капилляров диаметром 1,7 мкм, расстояние между центрами отверстий Л »
4 мкм при диаметре ОВ ~ 125 мкм). Величина потерь в подобных МкОВ зави-
сит от качества используемого кварцевого стекла, степени очистки от механи-
ческих примесей внешней поверхности капилляров и от степени осушки газа,
используемого при перетяжке заготовок (сборок). В лучших зарубежных об-
разцах величина потерь составляла ~ 0,5 дБ/км на А. =1,55 мкм при длине об-
разцов несколько км, а в отечественных образцах 4... 10 дБ/км. Уже предприня-
ты успешные попытки по сварке данных ОВ с телекоммуникационными ОВ
при получении малых потерь в местах сварки.
Рис. 6.39. Теоретические зави-
симости дисперсии
«дырчатого» МкОВ
от длины волны, рас-
считанные для <7/Л:
2-0,1;2-0,2;3-
0,3; 4 - 0,45 и Л =
2,3 мкм [15]
Хотя в "дырчатых" ОВ вовсе не обязательна строгая периодичность рас-
положения отверстий в оболочке (поскольку определяющей является величина
ее среднего, эффективного ПП), тем не менее на практике отверстия обычно
располагаются в виде гексагональной решетки. Варьируя конфигурацию рас-
положения отверстий'и их размеры (тем самым картину профиля ПП), можно
изменять диаметр (площадь) модового пятна в пределах трех порядков. При
этом надо иметь в виду, что уменьшение площади моды приводит к значитель-
ному увеличению нелинейных эффектов (по расчету до 60 Вт” км). В свою
очередь, это ведет к расширению возможности использования таких ОВ для
различных устройств, в частности, для генерации очень широкого континуума
излучения («когерентного белого света») в диапазоне X = 0,55... 1.95 мкм. На
рис. 6.40 приведены спектрограммы входного импульса и излучения, выходя-
щего из микроструктурированного, "дырчатого" ОВ длиной 75 см.
Рис. 6.40. Спектрограммы входного импульса (Z) и излучения (2), выходящего из "дырчато-
го” МкОВ длиной 75 см [8]
Проведенные исследования процесса генерации спектрального суперкон-
тинуума показали, что многомодовое МкОВ осуществляет спектрально-
пространственную селекцию излучения суперконтинуума. Например, при воз-
буждении МкОВ титан-сапфировым лазером (X = 800 нм) высшие моды пред-
ставляют синюю часть спектра, а основная мода - красную часть. В условиях
оптимизации дисперсионных характеристик, достигаемой при диаметре серд-
цевины многомодового МкОВ, равном 4,5 мкм и соотношении <7/Л в пределах
0,8...0,9, выполняются фазовые соотношения для процесса четырехволнового
смешения с генерацией антистоксовой компоненты в высшей пространствен-
ной моде в спектральной области Х= 570...600 нм, стоксовой компоненты в об-
ласти ~ 1250 нм., а самомодуляции фазы излучения накачки в основной моде
происходит на длинах волокна, значительно меньших дисперсионной длины,
что и обуславливает перекрытие спектрального диапазона суперконтинуума в
пределах от 400 до 1300 нм. При увеличении мощности накачки ширина кон-
тинуума увеличивается, как это видно из рис. 6.41. Подобный континуум мож-
но использовать в качестве источника света в системах WDM и DWDM для зна-
чительного увеличения числа передаваемых каналов.
С целью демонстрации использования "дырчатых" ОВ в телекоммуника-
ции был сконструирован также рамановский ВКР-лазер, работающий при дли-
не волокна всего 3,3 м, с эффективной нелинейностью у = 31 Вт-1-км на длине
волны 1,55 мкм. Напротив, одинаково увеличивая все геометрические размеры
"дырчатой" структуры, можно значительно увеличить эффективную площадь
поперечного сечения моды и передавать по волокну значительно большую
мощность без появления нелинейных эффектов.
Рис. 6.41. Спектры вторичного излучения, генерируемые в микроструктурированном ОВ с
одним циклом отверстий при накачке титан-сапфировым лазером при мощности:
У-2 нДж; 2-3 нДж [8]
Следующее применение «дырчатой» структуры, которое привело к соз-
данию ОВ, устойчивых к изгибам, было предложено корейскими учеными на
конференции OFC/NFOEC 06. В этом случае 6 капиллярных отверстий, распо-
ложенных на периферии светоотражающей оболочки, позволили уменьшить
высветку в оболочку и получить малые потери при радиусе изгиба до 2,5 мм.
Микроструктурирование АкОВ позволяет решить две проблемы: сфор-
мировать внешнюю оболочку, состоящую из воздушных капилляров, и увели-
чить площадь сердцевины, легированной РЗЭ. Наличие "дырчатой" внешней
оболочки (рис. 6.30) позволило значительно повысить эффективность накачки
как за счет высокой числовой апертурой этой оболочки, так и за счет ограниче-
ния площади накачки (до -20...35 мкм). Так был создан иттербиевый лазер с
выходной мощностью 3,5 Вт в одномодовом режиме при накачке на 0,98
мкм (расширение диапазона перестройки с 1,06 до 2,68 мкм) при пороге 400
мВт и эффективности 42 %.
Второй подход связан с созданием внутренней оболочки, которая обес-
печивает одномодовый режим работы волокна при большой площади модового
пятна сердцевины. Эта внутренняя оболочка имела форму гексагональной ре-
шетки с отверстиями ~ 2 мкм и расстоянием между ними ~ 11,5 мкм, т. е. d/Л. ~
0,18. Сердцевина диаметром ~ 9 мкм была сформирована кварцевым стержнем,
легированном иттербием (Суъ ~ 0,6 %), алюминием и фтором для получения
Ди ~ 2-104. При такой малой разности ПП сердцевины и внутренней оболочки
удалось создать лазер, работающий в одномодовом режиме при W ~ 21 мкм
(площадь модового пятна ~ 350 мкм2) с NA = 0,05 и выходной мощностью
~ 80 Вт при эффективности 78 %.
Отличие МкОВ типа PBGF от МкОВ типа HF состоит в том, что сердце-
вина периодической структуры представляет собой не стеклянный стержень, а
воздушную полость (капилляр). Такая структура может направлять излучение
видимого и ближнего ИК-диапазонов, когда отношение д?/Л превышает некото-
рое, для каждой симметрии конкретное, значение (как правило, J/A > 0,3). Вол-
новодный режим обеспечивается при этом исключительно за счет возникнове-
ния фотонных запрещенных зон. На рис. 6.42 приведены спектры пропускания
микроструктурированных волокон с полой сердцевиной и различным шагом
структуры, а также фотография торца подобного световода. С точки зрения бу-
дущего интерес к этим волокнам обусловлен следующими факторами:
- свет в таких волокнах распространяется в воздухе или, что еще лучше,
в вакууме и существует перспектива достижения невероятно низких потерь;
- возможность использования чистого кварцевого стекла, что исключает
проведение химических реакций, направленных, в частности, на его легирова-
ние для изменения ПП кварца;
- используя различные формы и размеры отверстий, а также расстоя-
ние между ними, можно управлять дисперсией и нелинейными эффектами в
волокне.
400 500 600 700 800 900 1000
Длина волны, нм
Рис. 6.42. Спектры пропускания МкОВ с полой сердцевиной в зависимости от шага структу-
ры: 7-16 мкм; 2-12 мкм; 3-8 мкм [8]
Длительное время потери в этих световодах были значительно выше, чем
в «дырчатых» МкОВ (~ 15 дБ/км вместо 0,5 дБ/км). Однако в последние годы
наметился существенный прогресс. На конференции ЕСОС-2005 представи-
тель фирмы «Fujikura» сообщил о создании МкОВ с пространственной тре-
угольной решеткой и капиллярной сердцевиной, которая имела спектр пропус-
кания от 1520 до 2100 нм. В обзорном докладе представителя фирмы NTT
(Япония) на конференции OFC/NFOEC-06 указывалось, что удалось создать
волокна, которые имели потери ~ 0,28 дБ/км, причем последние обусловлены,
главным образом, негладкостыю поверхности отверстий. Для устранения этого
группа ученых из Саусхемптона (Англия) предложила конструкцию отверстий
в виде шестиугольника вместо круга, при этом поверхностные моды подавля-
ются и границы оказывают меньшее влияние на распространяющуюся моду.
Для получения МкОВ наибольшее распространение получили два метода
получения заготовок, из которых затем вытягивали волокно. Это - метод сбор-
ки из капилляров и метод сверления. В первом случае заготовка представляет
собой плотно упакованные пакеты, состоящие из центрального кварцевого
штабика (HF-волокна) или центрального капилляра (РВ GF-вол окна), вокруг
которых располагаются тонкостенные капилляры. Эти пакеты вставляются в
трубку, предварительно перетянутую до требуемого диаметра. Структура бу-
дущего МкОВ определяется наружным диаметром и толщиной стенки капилля-
ров, предварительно вытянутых из кварцевых трубок (в том числе из высоко-
качественных трубок "Suprasil F-300"), числом слоев этих капилляров вокруг
штабика и размерами внешней трубки. Полученная заготовка перетягивается в
волокно (за один или несколько раз) при избыточном давлении внутри калил-
ляров для предотвращения их "сжатия" во время вытяжки. Во втором случае в
штабике из чистого кварцевого стекла с помощью трубочки или сверла, на то-
рец которых нанесена алмазная крошка, просверливают отверстия, распола-
гающиеся в определенном порядке. Далее полученная заготовка, как и в преды-
дущем случае, перетягивается в волокно. Каждый из указанных методов имеет
свои преимущества и недостатки: в частности, метод сверления более приемлем
для получения сложной структуры МОВ, а метод капиллярной сборки - для по-
лучения гексагональной решетки.
В заключение остановимся на прочности МкОВ, так как наличие «ды-
рок», в принципе, могло привести к снижению прочности волокна. Однако вы-
тянутое и покрытое уретанакрилатным покрытием МкОВ имело распределение
Вейбулла, близкое к распределению для обычных волокон, как это видно из
рис. 6.43. Разрывное усилие находится вблизи ~ 5,5 кгс, а наличие низкомодо-
вого участка с пониженной прочностью у МкОВ объясняется тем, что заготов-
ка перед вытяжкой, предварительно не обрабатывалась (не травилась, не про-
водилась огневая полировка и т. п.).
Рис. 6.43. Распределение Вей-
булла для оптических
волокон: 1 — микро-
структурированное во-
локно; 2 - стандартное
одномодовое волокно
7. ОВ ДЛЯ ВИДИМОГО И СРЕДНЕГО
ИК-ДИАПАЗОНОВ
Как отмечалось ранее и видно из рис. 2.1, кварцевые ОВ используются, в
основном, в УФ-диапазоне и в ближнем ИК-диапазоне (до ~ 2 мкм). Это обу-
словлено следующими причинами:
- нет материала более прозрачного в УФ-диапазоне, чем кварцевое стекло;
- с ростом рабочей длины волны потери, связанные с рэлеевским рассея-
нием, уменьшаются как V* и соответственно снижаются общие потери кварце-
вых ОВ до уровня ~ 0,2 дБ/км на X = 1,55 мкм;
- на длинах волн более 1,6 мкм наблюдается рост потерь, вызванный фун-
даментальной причиной, а именно - фононным поглощением за счет колебаний
атомов в решетке стекла;
- в видимой области спектра потери в кварцевых ОВ составляют
~ 225 дБ/км и ~ 45 дБ/км на длинах волн 0,4 и 0,6 мкм соответственно, что зна-
чительно превышает допустимый уровень потери для ВОСПИ.
В связи с этим представляет интерес использование новых материалов для
световодов в видимой области, которые в отличие от кварцевых ОВ были бы бо-
лее дешевыми и технологичными. В качестве таких материалов используются
натриево-кальциево-силикатные {NaiO-CaO-SiOi) или натриево-боро-
силикатные (Na^O-B^Oy-SiOi) стекла.
Для смещения границы пропускания в область больших длин волн с це-
лью уменьшения рэлеевского рассеяния необходимы материалы с меньшей
частотой колебательных переходов за счет тяжелых атомов, входящих в их со-
став, и более слабой связи между ними. К таким материалам относятся фторид-
ные (Храб = 2,5...4 мкм) и халькогенидные (Храб = 3,5...6 мкм) стекла, а также
кристаллические материалы на основе галогенидов таллия и серебра (Храб =
5,5... 10,6 мкм). Для кристаллических материалов характерно рассеяние Ман-
делыптам-Бриллюэна, которое имеет зависимость от длина волны проходящего
света X-4 (как и рэлеевское рассеяние). На рис. 7.1 приведены выполненные к
настоящему времени оценки области минимальных собственных оптических
потерь для этих материалов [17]. Эти оценки предсказывают возможность дос-
тижения потерь на 1...3 порядка ниже, чем потери в кварцевом стекле в среднем
ИК-диапазоне (2,5...20 мкм). Поэтому ОВ, изготовленные из перечисленных
материалов, называют ИК-световодами. Помимо потерь большое значение для
ВОСПИ имеют и дисперсионные характеристики материалов.
Длина волны X, мкм
материалов [17] Волновое число v-10'3, см'1
На рис. 7.2 приведены спектральные зависимости материальной диспер-
сии и ее наклона для некоторых ИК-материалов. Сравнение с кварцевым стек-
лом говорит о том, что у высокопрозрачных ИК-материалов зависимость МЛ)
имеет вблизи ДВНД более пологий вид. Поэтому и по ширине полосы пропус-
кания ИК-световоды могут, в принципе, превосходить кварцевые ОВ.
Рис. 7.2. Спектральные зависимости: а - материальной дисперсии М(Х); б - ее наклона Я\)
для высокопрозрачных ИК-материалов [17]
Важным обстоятельством, также способствующим, разработке ИК-
световодов является наличие мощных газовых и твердотельных лазеров, таких
как: HF (2,5. ..2,'9 мкм); YAG.Er3 (2,94 мкм); OF (3,2... 3,8 мкм); СО (5,3... 6,6 мкм);
СО2 (10,6 мкм), излучающих в среднем ИК-диапазоне. Световоды позволят
значительно упростить использование этих лазеров в науке, технике и медици-
не, поскольку часто необходимые длины волокон составляют 0,5... 10 м, а до-
пустимые при этом оптические потери <300 дБ/км.
Уровень потерь в указанных материалах определяется в значительной
степени содержанием примесей, поглощающих свет, что требует глубокой очи-
стки всех компонентов того или другого материала. Схема процессов получе-
ния ОВ из многокомпонентных стекол (включая фторидные и халькогенидные
стекла) является общей и состоит из следующих этапов:
- очистка компонентов стекол;
- смешение компонентов и синтез (варка) стекол для светоотражающей
оболочки и световедущей сердцевины;
— вытяжка ОВ из полученных стекол методом "двойного тигля" или мето-
дом "штабик в трубке".
Ниже более подробно рассмотрены методы получения и свойства ОВ на
основе многокомпонентных силикатных стекол, фторидных и халькогенидных
стекол, поликристаллических материалов.
7.1. ОВ из многокомпонентных силикатных стекол
До начала 70-х годов прошлого столетия многокомпонентные силикатные
стекла с использованием щелочных и щелочно-земельных металлов были пер-
выми кандидатами для создания на их основе ОВ. Это было связано с тем, что
они имеют широкую область стабильного стеклообразования, технология по-
лучения и свойства таких стекол хорошо изучены. Кроме того, эти стекла (на-
пример, натриево-калыщево-силикатные):
- отличаются от кварцевого стекла значительно меньшими температура-
ми стеклования и размягчения, что упрощает печи и установки для получения
заготовок и вытяжки волокна;
- имеют более высокие ПП, что позволяет получать ОВ с более высокой
числовой апертурой, чем кварцевые ОВ;
- отличаются меньшим коэффициентом рэлеевского рассеяния;
- являются значительно более дешевыми, чем кварцевое стекло.
Главным недостатком многокомпонентных стекол является необходи-
мость глубокой очистки всех компонентов, входящих в состав стекла. К числу
наиболее широко применяемых компонентов относятся: SiCh, GeO2, Na2O, СаО,
Li2O, MgO и т. д. В качестве исходных материалов для получения вышеуказан-
ных оксидов обычно используют гидрид или тетраэтоксисилан кремния (SiH4
или Si(C2HiOW GeiOC^H^, NaNO2, LiNO2, Ca(NO2)2i MgSO^ и т. д. На рис. 7.3
приведены зависимости потерь в ОВ из многокомпонентного силикатного
стекла, обусловленных как фундаментальными механизмами (УФ-поглощение,
рэлеевское рассеяние), так различными примесями. Видно, что суммарные по-
тери (как и в кварцевых ОВ) определяются, главным образом, примесями пере-
ходных металлов и гидроксильными группами. Вышеперечисленные материа-
лы очищают от примесей металлов преимущественно методом ионного обмена
или методом экстракции.
Рис. 7.3. Спектральные зависимости потерь в
волокне из многокомпонентного
стекла, обусловленных различными
примесями: 1 - УФ-поглощение; 2 -
потери на рассеяние; 3 - суммарные
потери
154
7.1.1. Ионный обмен
Ионный обмен - это обратимый процесс стехиометрического обмена меж-
ду двумя контактирующими фазами, одной из которых является раствор элек-
тролита, а второй - ионит (ионнообменный сорбент). Диссоциация ионогенной
группы ионита дает ионную пару, "фиксированный ион" которой ковалентно
связан с каркасом (матрицей) ионита, а "противоион" подвижен и может обме-
ниваться на ионы одноименного заряда, поступающие из "внешнего" раствора.
Благодаря эквивалентности обмена обе фазы сохраняют электронейтральность в
течение всего процесса. Ионный обмен принято рассматривать как гетерогенную
химическую реакцию, которая характеризуется константой равновесия и вклю-
чает 5 последовательных стадий: перемещение сорбируемого иона к поверхно-
сти зерна сорбента (7) и затем перемещение внутри зерна (2), собственно ионный
обмен (3), перемещение вытесняемого иона внутри зерна сорбента (4) и с его по-
верхности в раствор (5). Сорбируемость ионов возрастает с увеличением заряда
ионов, а у ионов с равным зарядом - с уменьшением степени их гидратации.
Большинство ионных процессов проводят в динамических условиях путем
пропускания раствора очищаемой соли через неподвижный слой сорбента в пе-
риодических процессах (рис. 7.4, а) или организацией противоточного движения
раствора и сорбента в непрерывных процессах (рис. 7.4, б). Для примера рассмот-
рим схемы ионного обмена двухвалентных ионов (М = Са, Mg) на ионы Na+ в
процессе умягчение воды на неподвижном сорбенте (рис. 7.4, а). Первоначально
через колонку, заполненную сорбентом (например, этилен-углерод-тетраацетат-
ной кислотой), пропускают раствор нитрата натрия, который в сорбенте (катиони-
те - H„Z) замещает ион водорода, а затем через сорбент пропускают раствор нит-
рата магния. Ионные реакции в этом случае будет выглядеть как
H„Z + Na = NaZ[~n + Я*; (7.1)
Mg^ + NaZ{~n = MgZ2~" + Na+, (7.2)
▼
Мягкая вода
Na
a
раствор
Рис. 7.4. Схемы ионообменного умягчения воды (М- Са, Mg) на неподвижном сорбенте (а)
и в противотоке (б) с движущимися слоями сорбента и раствора
а константа равновесия реакции (7.2)
72 fMg+2 lx pVaZbn~
(7.3)
Ионный обмен (очистка) возможен, если Кт г > 1, однако эффективность очист-
ки возрастает с ростом К. На рис. 7.5 показаны значения констант равновесия
реакций ионного обмена ряда щелочных и щелочно-земельных металлов. Когда
1g К > 8, нитраты и сульфаты соответствующих металлов могут очищаться до
уровня менее 0,1 ppm (< 10”5 масс. %). Из рис. 7.5 также видно, что очистка со-
лей таких щелочно-земельных ионов как Ва+2, Mg+2, Са+2 методом ионного об-
мена будет затруднена от ряда примесей, а от таких примесей как La3 и РК2
практически невозможна. В этом случае для очистки лучше воспользоваться
другими методами - например, методом экстракции.
Рис. 7.5. Константы равновесия реакций обмена в хилатах между ионами переходных метал-
лов и легирующими ионами
156
7.1.2. Экстракция
Экстракция - способ разделения и извлечения компонентов смеси путем
их перевода из одной жидкой фазы (например, водного раствора) в другую, не-
смешивающуюся с ней (обычно органическую). При этом действует закон рас-
пределения, согласно которому вещество, способное растворяться в двух не-
смешивающихся растворителях, распределяется между ними так, что отноше-
ние его концентраций в этих растворителях при постоянной температуре оста-
ется постоянным, независимо от общего количества растворенного вещества.
Схема процесса экстракции приведена на рис. 7.6.
НС1
Буферный раствор
NH.OH
или НС1
АПДК
МИБК
Водный раствор
Вытяжка
Рис. 7.6. Схема процесса экстракции растворителя для получения высокочистого многоком-
понентного стекла (АПДК - аммоний-пиролидин-дитиокарбамид, МИБК - метил-
изобутил-кетон)
7.1.3. Синтез стекла
После очистки и высушивания исходных веществ их размельчают (обыч-
но в шаровых мельницах), тщательно перемешивают и полученную шихту за-
гружают в тигли для синтеза (варки) стекла. Процесс варки стекла заключается
в переводе нитратов или сульфатов компонентов в оксиды, расплавлении ком-
понентов, гомогенизации расплава и удалении газовых пузырьков. В качестве
материала тигля для варки многокомпонентных стекол используют платину
или кварцевое стекло. При использовании платиновых тиглей возможно час-
тичное растворение платины в стекле, и при определенных условиях платина
может находиться в виде мелкодисперсных взвесей в стекле, что приводит к силь-
ному возрастанию потерь. Кварцевое стекло выгодно отличается с точки зрения
меньшего загрязнения материала стекла, однако кварцевые тигли одноразовые,
так как из-за значительной разности КЛТР кварцевого и остатков многокомпо-
нентного стекол на стенках тиглей они растрескиваются после охлаждения.
На рис. 7.7 приведены схемы плавления шихты в электропечах без за-
щитной атмосферы и с защитной атмосферой. Использование защитной атмо-
сферы (обычно это "сухой" кислород или азот) позволяет значительно (в разы)
снизить потери, обусловленные гидроксильными группами, как это видно из
рис. 7.8. Часто в качестве источников энергии применяют ВЧ-генераторы, если
тигли изготовлены из электропроводящих материалов. Если же тигли изготов-
лены не из проводящих материалов, то требуется предварительный нагрев тиг-
ля с шихтой с помощью дополнительного нагревателя, и только когда нагретая
шихта будет проводящей, можно включать ВЧ-генератор. Последним способом
получены наиболее чистые стекла, так как из-за более низкой температуры тиг-
Рис. 7.7. Схема плавления шихты в электропечах: а - без защитной атмосферы; б - с защитной
атмосферой: 1 - тигель; 2 - шихта; 3 - электропечь; 4 - подача защитной атмосферы [5]
Рис. 7.8. Влияние чистоты защитной атмо-
сферы на потери в ОВ: 1 - влажная
атмосфера; 2 - сухая атмосфера; 3 -
спектр поглощения ОН-группами [5]
7.1.4, Вытяжка оптических волокон
Для вытяжки ОВ из многокомпонентных силикатных стекол обычно ис-
пользуются метод "штабик в трубке" или метод "двойного тигля". Идея первого
метода заключается в том, что стержень, изготовленный из стекла сердцевины,
вставляется в трубку, изготовленную из стекла оболочки. В процессе вытяжки
волокна стекло стержня сплавляется со стеклом трубки (как это видно из рис.
7.9), образуя волокно, содержащее сердцевину и оболочку. При этом, если вяз-
кости стекол близки, то отношение диаметра сердцевины dc к диаметру волокна
(й?Вол), включающего оболочку и сердцевину, определяется уравнением
dc / d^ = А / (Аар2 - Ан2 + А2) , (7.4)
где Dc - диаметр стержня;
Z)Hap и Ан - наружный и внутренний диаметры трубки.
Рис. 7.9. Схема процесса вытягивания волок-
на методом «штабик-трубка» (а) и
поперечное сечение волокна (б):
1 - трубка из стекла материала обо-
лочки; 2 - штабик из стекла серд-
цевины; 3 - печь; 4 - волокно
Стержни из расплава стекла вытягиваются двумя способами, показанны-
ми на рис. 7.10. В первом случае в расплав стекла погружается затравочный
стержень из того же материала и затем он медленно с постоянной скоростью
поднимается вверх через охлаждаемое кольцо. Вязкое стекло тянется вверх за
затравкой и застывает в виде стержня диаметром 5... 10 мм, который затем ре-
жется на куски требуемой длины. Второй способ заключается в вытягивании
стекломассы через отверстие в дне тигля (рис. 7.10, б).
Трубка вытягивается аналогично второму способу, только отверстие в
дне тигля делается в виде кольца, определяющего наружный и внутренний
диаметры трубки. Кроме того, формирование трубки осуществляют и спосо-
бом, схематически изображенным на рис. 7.10, в. В этом случае в цилиндриче-
ский контейнер, находящий при температуре выше температуры размягчения
стекла, загружают заданный объем стекла светоотражающей оболочки. Затем
контейнер помещается в станок и вращается в горизонтальном положении со
скоростью ~ 1500...3000 об/мин. За счет центробежных сил расплав равномерно
распределяется по стенке контейнера. Затем контейнер охлаждается и внутри
образуется трубка, наружный диаметр которой равен внутреннему диаметру
контейнера. Внутренний диаметр трубки определяется объёмом загруженного
стекла и длиной контейнера.
Рис. 7. 10. Схема вытягивания стержней из расплава стекла: а - вытягивание стержня из рас-
плава; б — вытягивание стержня через фильеру; в — формирование трубки: 1 —
электропечь; 2 - расплав стекла; 3 - контейнер; 4 - охлаждаемое кольцо
о о о о о о о о о о о
О ОЛ) о о
о о о о о о
\WA\wx\vq
ISSSSSSSSSi
Внешне простой метод "штабик в трубке" на деле сопряжен с большими
трудностями, связанными с получением чистых и гладких поверхностей, которые
затем становятся границей раздела сердцевины и светоотражающей оболочки.
Широкое распространение при переработке многокомпонентных стекол,
которые имеют сравнительно невысокую температуру размягчения (не выше
1 200 °C), получил метод "двойного тигля". Схема установки для вытяжки ОВ
методом "двойного тигля" приведена на рис. 7.11.
Установка состоит из двух концентрично вставленных друг в друга тиг-
лей, в которые загружены стекла, формирующие сердцевину (внутренний ти-
гель) и оболочку (наружный тигель). Тигли помещены в печь, температура в
которой контролируется термопарой. Ниже установлен измеритель диаметра
волокна, фильера с материалом защитно-упрочняющего покрытия, термопечь
или УФ-облучатель для полимеризации термо- или УФ-отверждаемого покры-
тия, тянущие ролики и приемный барабан для волокна. Отношение радиусов
сердцевины (гс) и волокна (гвол) , включающего в себя сердцевину и оболочку,
находится из соотношения
Гс / г,ол = [ Qc !{Qc + 2об)]1/2, (7.5)
где Qc и £?об - скорости потоков стекол сердцевины и оболочки соответственно
(см/с), которые в свою очередь зависят от плотности и вязкости стекол при
температуре вытяжки, от радиусов фильер в тиглях и уровня стекол в них и т.д.
Диаметр волокна определяется из баланса масс вытекающего стекла и количе-
ства вытянутого волокна, т.е.
^Ч(2с + О(яЛыт)]ш (7.6)
где Ивыт - скорость вытяжки волокна, м/с.
Рис. 7.11. Вытяжка волокна из многоком-
понентного силикатного стекла методом
«двойного тигля»: 7 - экран из кварцевого
стекла; 2 - печь, 3 - термопары; 4 - изме-
ритель диаметра волокна; 5 - фильера с
материалом покрытия; 6 - печь для поли-
меризации покрытия; 7 - приемный бара-
бан; 8 - тянущие ролики; 9 - стекло обо-
лочки; 10 - стекло сердцевины [5]
Метод "двойного тигля" позволяет получать ОВ не только со ступенча-
тым, но и с градиентным профилем ПП за счет взаимной диффузии ионов сте-
кол оболочки и сердцевины. Мерой ионного обмена в сердцевине является па-
раметр К, равный
#=/>Г/(д2-Гвыт) , (7.7)
где D - коэффициент диффузии иона, м2/с;
Y- длина контакта стекол сердцевины и оболочки, т.е. длина диффузион-
ного пути, м;
а - радиус сердцевины, м;
Рвыт - скорость вытяжки, м/с.
В качестве подходящей легирующей добавки для стекол сердцевины является
таллий, ион которого заметно увеличивает ПП стекла, а оболочка содержит ио-
ны натрия. При диффузии таллия из сердцевины в оболочку (и соответственно
натрия из оболочки в сердцевину) ПП стекла сердцевины уменьшается, при
этом профиль ПП можно получить близкий к параболическому.
На практике получение ОВ с малыми потерями методом "двойного тигля"
(как в прочем и любым другим методом) требует очень внимательного отноше-
ния к деталям на каждой его стадии.
В настоящее время ОВ на основе многокомпонентных силикатных стекол,
имеющие потери ~ 3,4 дБ/км на X = 0,84 мкм и ~ 50 дБ/км в видимом диапазоне
света, широко применяются в составе оптических жгутов для передачи изображе-
ния в ряде медицинских приборов (эндоскопы, гастроскопы и т.д.), а также в со-
ставе оптических кабелей для коротких локальных линий связи, обладающих не
высокой скорость передачи информации (например, в вычислительных системах).
’Х
7.2. Фторидные стекла и ОВ на их основе
Во многих лабораториях мира ведутся исследования по созданию ОВ из
фторидных стекол. Эти исследования включают поиск наиболее устойчивых к
кристаллизации составов стекол, разработку методов глубокой очистки исход-
ных компонентов и методов синтеза высокочистых стекол, а также создание
технологических процессов изготовления световодов большой длины.
Для фторидных ОВ основной проблемой сейчас можно считать кристал-
лизацию стекол, поскольку образование кристаллов на любом из этапов полу-
чения волокна в конечном счете приводит к большим потерям на рассеяние и
снижению его механической прочности.
Среди систем наиболее перспективных для волоконной оптики считаются [17]:
- стекла на основе фторидов металлов IV группы Периодической систе-
мы элементов (Zr, Hf, Th) - фторцирконатные, фторгафниевые и фторториевые
стекла;
- стекла на основе AIF3 - фторалюминиевые стекла;
- стекла на основе фторидов переходных и редкоземельных элементов
(таких, как Zn, Cd, Pb, Ln, Y).
Наиболее изучены фторцирконатные стекла. Для них основополагающей
является двойная система ZrF4-BaF2, в которой область стеклообразования ох-
ватывает составы стекол с концентрацией ZrF4 от 50 до 80 мол. %. Поскольку
двухкомпонентные фторидные стекла легко кристаллизуются, для их стабили-
зации, а также для регулирования вязкости и ПП фториды циркония и бария
частично замещаются фторидами РЗЭ, щелочных металлов, алюминия, тория
и т.д. Наиболее устойчивые стекла получены в сложных фторцирконатных сис-
темах (в скобках приведены принятые сокращенные обозначения в соответст-
вующих системах), таких, как:
ZrF^-BaFr-LaFy-AlFy-NaF (ZBLAN);
ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-LiF-PbF2(ZBLALP);
ZrF4-BaF2-GdF3-AlF3 (ZBGA) и другие,
где буквы обозначают фториды следующих элементов: Z - циркония; В - ба-
рия; L -лантана; А - алюминия; N - натрия; Р - свинца и т. д.
По имеющимся данным тетрафториду циркония по стеклообразующей
способности не уступает тетрафторид гафния, однако он значительно дороже.
Очистка компонентов исключительно важна для получения ОВ с малыми
потерями. Наиболее часто применяемым методом является метод сублимации,
так как давление насыщенных паров фторидов основных компонентов и
примеси отличаются на порядки (рис. 7.12). Схема процесса сублимации
приведена на рис. 7.13.
Исходные неочищенные ZrF4, AIF3, NH^FHF помещают в платиновые
лодочки, а затем их возгоняют при температуре ~ 900 °C в атмосфере осушенного
Аг при давлении 1...3 мм рт. ст. После трехкратной сублимации был получен ZrF4,
в котором содержание красящих примесей составляло 2*10-6...5х10~$ масс. %
вместо их исходной концентрации масс. %. Фториды BaF2 и GdF3
очищают сублимацией при температуре 1 180 °C и таком же давлении.
Рис. 7.12. Температурные зависимости давления насыщенных паров различных фторидов [17]
Рис. 7.13. Схема процесса очистки фторидов методом сублимации: 1 - платиновая лодочка с
исходными компонентами; 2 - печь; 3 - цилиндрические платиновые экраны; 4 -
место конденсации сублимированного материала; 5 - ловушка, погруженная в
жидкий азот; 6 - вакуумный насос [17]
Одной из важнейших характеристик для технологии изготовления ОВ из
фторидных стекол является температурная зависимось вязкости. В отличие от
кварцевого стекла для фторидных стекол характерны нелинейная зависимость
вязкости в координатах lg т| от 1/Т и существенное увеличение энергии актива-
ции вязкости вблизи интервала температур вытяжки волокна (1g г] = 5...6), что
приводит к уменьшению вязкости стекла (например, для ZBLA почти на два по-
рядка при изменении температуры на 20 К). Резкая зависимость вязкости от тем-
пературы является одной из причин образования центров кристаллизации в во-
локнах из фторидных стекол, так как сильное снижение вязкости ведет к увели-
чению вероятности образования центров кристаллизации и повышению скорости
их роста. Для снижения энергии активации вязкости в стекло вводят добавки
фторидов щелочных металлов (обычно лития и натрия), а также фторида свинца.
Синтез стекол проводят в тиглях, причем в качестве тигельных материа-
лов используют такие инертные материалы, как стеклоуглерод, платину или зо-
лото. Для предотвращения образования оксидов и гидроокисей необходим
строгий контроль атмосферы, при этом используют как инертные газы (N?, Аг,
Не), так и реактивные - (СС/4, SF6, HF, CF4 и т.д.). Фторидные стекла получали
также прессованием под большим давлением, используя 20-тонный гидравли-
ческий пресс. Матрица из карбида вольфрама вместе с образцом стекла поме-
щалась в пресс, её температура поднималась до 312 °C, при которой стекло вы-
держивали до тех пор, пока повышенное давление приводило к усадке стекла.
Затем температура снижалась до 300 °C и ниже и снималось давление.
ПП фторидных стекол лежит в интервале 1,4... 1,6, составляя примерно
1,4 для стекол на основе AIF3, 1,5 - для циркониевых и гафниевых стекол и
около 1,6- для ториевых стекол. С ростом длины волны ПП фторидных стекол
уменьшается аналогично кварцевому стеклу (рис. 7.14). Для примера в табл.
7.1. приведены свойства фторцирконатного стекла [16].
Рис. 7.14. Спектральные зависимости показа-
теля преломления для фторидных
стекол: 1 - ZrF4(62)-BaF2(33)-
LaF3(5); 2 - Z#F4(62)-BaF2(33)-
LaF3(5) и 3 - кварцевого стекла. В
скобках указано процентное со-
держание фторидов в стекле
Длина волны, мкм
Таблица 7.1
Свойства фторцирконатного стекла
Свойство Значение
Плотность, г/см3 4,54
Температура размягчения, °C 320
Коэффициент термического расширения, К-1 168-Ю'7
Твердость, кг/мм2 250
Показатель преломления, п 1,519
Методы изготовления ОВ из фторидных стекол можно разделить на два
направления: первое — это вытяжка волокна из предварительно сформирован-
ной методом центробежного литья (рис. 7.15) цилиндрической заготовки, и
второе - тигельный метод, в том числе с использованием "двойного тигля", о
котором подробно говорилось в гл. 7.1. В первом случае трубку из стекла обо-
лочки формируют методом, описанным для многокомпонентных силикатных
стекол (рис. 7.10, в). Потом внутрь трубки вливают расплав стекла сердцевины
(рис. 7.15). Вытяжка волокна из заготовок осуществляется в печи с узким зон-
ным нагревателем со скоростью от 5 до 40 м/мин. В качестве защитных покры-
тий применяют либо полиакрилатные УФ-отверждаемые композиции, либо
термопластичные фторопласты, причем последние могут служить и светоотра-
жающей оболочкой. В этом случае на заготовку надевают полимерную фторо-
пластовую трубку, которая при вытяжке растягивается вместе с заготовкой.
При вытяжке ОВ со стеклянной светоотражающей оболочкой используют ме-
тод "двойного тигля" (рис. 7.11).
Рис. 7.15. Последовательность операций, необходимых для получения двухслойных загото-
вок из фторидных стекол методом центробежного литья: 1 - расплав стекла обо-
лочки; 2 - печь плавления; 3 - трубка из стекла оболочки; 4 - расплав стекла серд-
цевины; 5 - заготовка [17]
На рис. 7.16 приведен типичный спектр оптических потерь в ОВ из фто-
ридных стекол. Потери на всех длинах волн существенно превосходят собст-
венные, которые по оценкам должны составлять 1О 2...1О-3 дБ/км в диапазоне
2,5...3,5 мкм, и являются суперпозицией поглощения и рассеяния на примес-
ных и структурных дефектах волокна. Основными примесями поглощающими
в диапазоне от 1 до 5 мкм во фторидных стеклах, являются гидроксильные
группы (максимум потерь в области от 2,6 до 3,6 мкм), катионы переходных и
редкоземельных элементов, а также некоторые кислород-, водород- и углерод-
содержащие вещества, частоты собственных, колебаний которых лежат в этом
диапазоне.
Потери на рассеяние в диапазоне длин волн от 0,4 до 4 мкм могут быть
описаны выражением
арас(Х) = ЛГ* + ЯГ2+С , (7.8)
где первое слагаемое обусловлено рэлеевским рассеянием, второе - рассеянием
Ми, а третье, независимое от длины волны, - "серые потери". В лучших синте-
зированных объемных стеклах системы ZBLAL потери на рассеяние близки к
теоретически предсказываемым, а именно 0,015.. .0,018 дБ/км на 1 = 2,5 мкм.
Коэффициент А составляет 0,4.. .0,6 дБ/кмхмкмЛ что в ~ 1,5 раза меньше,
чем для кварцевых ОВ. Рассеяние Ми для этих стекол не наблюдали, а уровень
неселективных потерь составил 0,0013...0,0018 дБ/км, что существенно меньше
рэлеевского рассеяния. Однако в заготовках и ОВ такой уровень еще не достиг-
нут, величина селективных потерь значительно выше, чем в стеклах, и состав-
ляет 0,5... 1,5 дБ/км. Она обусловлена дефектами, образующимися во время по-
лучения заготовок и вытяжки волокна, к которым в первую очередь относятся
крупные кристаллические включения, пузыри и вариации диаметра. Лучший
результат, который удалось достигнуть к настоящему времени, - это величина
полных потерь ~ 0,7 дБ/км на X = 2,6 мкм.
Рис. 7.16. Спектр полных потерь и его
разложение на составляющие
во фторцирконатном волокне
(а) и оценки собственных по-
терь в кварцевом, германатном
и фторцирконатном стеклах (б):
1 - примесные потери; 2 - по-
тери на рассеяние; 3 - суммар-
ные потери. Потери на погло-
щение примесями переходных
металлов соответствуют их
концентрации ~ 1 ppm [17]
Используя измеренные спектральные зависимости ПП фторидных стекол,
были рассчитаны ДВНД. Так, для стекол ZBGA ДВНД попадает в область от 1,6
до 1,7 мкм, в то время как минимум оптических потерь для этих стекол лежит в
области от 2,6 до 3,6 мкм. Однако общая дисперсия, обусловленная суммой мте-
риальной и волноводной дисперсий, то величина материальной дисперсии остает-
ся достаточно малой в спектральном диапазоне, где малые потери, как видно на
примере рис. 7.17.
ОВ из фторидных стекол имеют меньшую, чем кварцевые ОВ прочность
при растяжении и изгибе. По данным различных авторов средняя прочность
лучших фторидных ОВ при растяжении лежит в пределах 0,4...0,6 ГПа (для
кварцевого стекла 5...6 ГПа), а при изгибе достигает 1,2... 1,6 ГПа. Фторопла-
стовое покрытие увеличивает прочность фторидных ОВ на несколько десятков
процентов. С увеличением температуры вытяжки прочность ОВ падает, что
связывают с образованием и ростом микрокристаллов на поверхности волокна.
Рис. 7.17. Спектральные дисперсионные характеристики для световодов из стекла HBL\ 1 -
материальная дисперсия; 2 - волноводная дисперсия; 3 - их сумма [17]
7.3. Халькогенидные стекла и ОВ на их основе
Халькогенидные стекла состоят из сульфидов, селенидов и теллуридов
элементов главных подгрупп IV и V групп периодической системы, их комби-
наций друг с другом и комбинаций с галогенами [17]. Они отличаются высоким
показателем преломления (от 2,1 до 3,0) и низкой температурой стеклования (от
380 до 600 К). Вследствие относительно больших атомных масс компонентов и
низких силовых постоянных связей между атомами халькогенидные стекла
имеют значительно более длинноволновую границу пропускания (достигаю-
щую 12... 16 мкм) по сравнению с фторидными стеклами (5...9 мкм).
Наиболее характерными представителями этого класса стекол являются
трисульфид (Аз23з) и триселенид (Лз^з) мышьяка. В табл. 7.2 приведены неко-
торые физико-химические свойства вышеуказанных и других наиболее распро-
страненных халькогенидных стекол. Последовательность операций, приводя-
щих к получению ОВ (например, на основе Аз^Зз) следующая:
- синтез исходного халькогенида из соответствующих элементов (в дан-
ном случае As2S3 из особо чистых мышьяка и серы);
— глубокая очистка халькогенида вакуумной дистилляцией;
- анализ очищенного халькогенида на макросостав и расчет составов
стекол сердцевины и оболочки для получения заданной числовой апертуры ОВ;
- добавка к очищенному халькогениду расчетного количества серы для
получения материалов сердцевины и оболочки, синтез (варка) стекол
сердцевины и оболочки (часто состав сердцевины а оболочки -As^S^);
- исследование оптического качества стекол сердцевины и оболочки ме-
тодом ИК-спектроскопии и лазерной ультрамикроскопии;
- загрузка стекол сердцевины и оболочки в «двойной тигель» и вытяжка
двухслойного волокна с одновременным нанесением первичного покрытия из
фторопласта Ф-42;
- нанесение вторичного защитного полимерного покрытия из поливинил-
хлорида ПВХ-С15 с последующим термическим отверждением в печи;
- исследование оптических и механических свойств ОВ.
Таблица 7.2
Свойства некоторых халькогенидных стекол
Стекло Плотность, г/см3 Температура стеклования, °C КЛТР, К"’ Микротвердость, кг/мм2 ПП(«)
А$2$3 3,201 182 24-10^ 134 2,39
А$2$ез 4,551 172 155 2.77
GeS2 2,782 485 12,5-Ю-6 220 2,04
GeSe2 4,420 307 190 2,45
6^33^512^55 4,4 362 12-Ю-6 170 2,51
Состав лимитируемых примесей в халькогенидных стеклах существенно
отличается от перечня лимитируемых примесей в кварцевом и силикатном
стеклах. Это обусловлено различием рабочих спектральных диапазонов и более
высокой температурой практически на всех стадиях получения кварцевого
стекла и переработки его в волокно. Неоднократно отмечалось, что все примеси
в стекле условно можно разделить на поглощающие и рассеивающие. Примеси,
встроенные в сетку стекла или растворенные в нем, приводят к поглощению. К
таким примесям относятся соединения кислорода, водорода, углерода друг с
другом и элементами макрокомпонентов стекла. На рис. 7.18 приведены теоре-
тические оценки минимальных собственных потерь и результаты расчета влия-
ния потерь за счет примесей на оптические потери в стеклообразном А^з*
Рис. 7.18. Теоретические оценки
минимальных собствен-
ных оптических потерь и
результаты расчета влия-
ния потерь за счет приме-
сей на оптические потери в
стеклообразном 7-
коротковолновый край по-
глощения; 2 - край реше-
точного ИК-поглощения;
3 - рэлеевское рассеяние;
4 - экспериментально по-
лученный спектр полных
оптических потерь свето-
вода; 5 - рассеяние на
микровключениях ЯОг; б -
поглощение на включени-
ях SiOz\ 7 - рассеяние на
включениях углерода; <8-
поглощение на включениях
углерода; 9- поглощение,
обусловленное примесью
водорода в стекле [18]
I г
0,8 1
! р, г»
2 5 10
Длина волны, мкм
В качестве метода очистки, как отдельных компонентов, так и промыш-
ленных соединений (сульфидов или селенидов мышьяка) наиболее часто исполь-
зуется метод вакуумной дистилляции, причем получение вакуума не хуже
КГ6... 10"’ мм рт. ст. способствует более эффективной очистке. Использование
двукратной дистилляции исходных материалов позволило в Институте химии
высокочистых веществ (ИХВВ) РАН уменьшить величину потерь на 1,5...2 по-
рядка по сравнению с синтезом стекол из особо чистых промышленных веществ.
Примесью, также вызывающей значительные потери, является водород.
Для иллюстрации на рис. 7.19 приведены спектральные зависимости полных
потерь в стеклообразном Л^з от концентрации примесного водорода, содер-
жащегося в форме 8Н~. Видно, что снижение концентрации водорода, который
обычно поступает из стенок кварцевой ампулы, от 6x10-3 до 10-8 ат. % умень-
шает величину потерь от 30000 до ~ 0,5 дБ/км на X = 4,2 мкм. Для уменьшения
концентрации водородсодержащих соединений в исходных материалах и в
кварцевых контейнерах их часто подвергают нагреву в печи при пропускании
хлорсодержащих агентов (например,
Рис. 7.19. Зависимость оптических по-
терь в стеклообразном суль-
фиде мышьяка от длины вол-
ны проходящего излучения
для стекол с различной кон-
центрацией примесного водо-
рода, содержащегося в форме
SH~ соответственно: 1- ЦТ8;
2- 10-7; 3 - КГ6; 4- 1(Г5; 5- 1
10-4; 6- 10’3 ат. % [18]
Синтез халькогенидных стекол, формирующих как сердцевину, так и
оболочку за счет меньшей концентрации мышьяка в стекле оболочки, осущест-
вляется в вакуумированных кварцевых стеклянных ампулах, предварительно
обработанных и помещенных в качающуюся печь (рис. 7.20). Температура на-
грева в печи составляет 700...950 °C в зависимости от состава стекла, а время
синтеза - десятки часов для получения гомогенного расплава стекла. Стекло
сердцевины из сульфида мышьяка для многомодовых световодов имело состав
от As4oS6O до Л$з8,$62. Выражение для расчета числовой апертуры световодов из
сульфидно-мышьяковых стекол имеет вид
NA = {0,00018(?с -Л) + 0,05131(хс + хо) + 7,32986}1/2, (7.9)
где хс и х0 - содержание мышьяка, ат. % в стеклах сердцевины и оболочки со-
ответственно.
В результате разработки физико-химических основ и методов получения
высокочистых халькогенидных стекол системы As-S, As-Se, Ge-As-Se в ИХВВ
РАН получены образцы стекол с содержанием примесей металлов, не превы-
шающим 5x1 О'6 масс. %, кремния - 10~5 масс. %, водорода - КГ5 масс. %, угле-
рода и кислорода - (1...2)-10^ масс. %, гетерофазных микровключений суб-
микронного размера, которые обуславливают потери на рассеяние - 2104 см-3.
Рис. 7.20. Синтез халькогенидных стекол в
вакуумированных кварцевых ам-
пулах, помещенных в качающуюся
печь: 1 - расплав стекла; 2 - квар-
цевая ампула; 3 - качающаяся печь
[17]
2
ОВ из высокочистых сульфидно- и селенидно-мышьяковых стекол изго-
тавливали как вытяжкой из цилиндрической заготовки методом "штабик в
трубке", так и вытяжкой из расплава методом "двойного тигля". Оба эти метода
рассмотрены в разделах. 7.1 и 7.2. Общее количество стекла, загружаемого в
двойные тигли, составляло от 400 до 800 г, что позволяло получать от 500 до
1000 м ОВ при его диаметре от 500 до 300 мкм. Отметим также, что во время
вытяжки волокна на вытяжной установке сразу наносили первичное покрытие
из фторопласта Ф-42, пропуская волокно через фильеру с раствором Ф-42 в ме-
тилэтилкетоне и далее через трубчатую печь, где растворитель испарялся. Вто-
ричное защитное покрытие наносили путем протягивания волокна с первичным
покрытием через фильеру с пластизолем поливинилхлорида ПВХ-С15 с после-
дующим его отверждением в печи. Этот процесс проводили как дополнитель-
ную, независимую стадию после вытяжки волокна.
На рис. 7.21 приведены спектральные зависимости потерь в оптических во-
локнах типа AsiS-i, полученные в ИХВВ РАН. Повышенный уровень потерь, наблю-
даемый на сегодняшный день в одномодовых волокнах по сравнению с многомодо-
выми, объясняется большим влиянием несовершенства границы «сердцевина-
оболочка» из-за более тонкой сердцевины в этих ОВ. В табл. 7.3 даны основные ха-
рактеристики отечественных световодов в сопоставлении с зарубежными аналогами.
Уровень потерь, достигнутый к настоящему времени в лучших образцах
стекла на основе As2Se3, составляет ~ 60 дБ/км на длине волны 5,56 мкм (об-
ласть генерации СО-лазера) и ~ 650 дБ/км в области генерации СО2-лазера
(9,2... 10,9 мкм). Халькогенидные ОВ находят применение для передачи лазер-
ного излучения в диапазоне 2,94...5,5 мкм и используются в медицине (напри-
мер, в микрохирургии хрусталика глаза, в стоматологии и т.д.) и в технике (ИК-
пирометрия, сварка и резка изделий и т. д.).
Рис. 7.21. Спектральные зависимости пол-
ных оптических потерь в воло-
конных световодах из высокочис-
того сульфидно-мышьякового
стекла с сердцевиной из As^S^:
1 - одномодовое волокно; 2 -
многомодовое волокно
Таблица 7.3
Основные характеристики ОВ из халькогенидных стекол систем As-S, As-Se,
Ge-As-Se, полученные в ИХВВ РАН, и их зарубежные аналоги [18]
Характеристика ОВ ОВ из ИХВВ РАН Зарубежные аналоги
1. Минимальные оптические потери, дБ/км на X мкм 23 (Х=2,4 мкм) 79 (Х=4,4 мкм) 35 (Х=2,5 мкм) ПО (Х=6,4 мкм)
2. Оптические потери на ла- зерных длинах волн, дБ/км YAG: ЕЕ3 (X = 2,94 мкм) СО - (X = 5,5...6,3 мкм) СО2-(Х = 9,2...11,3 мкм) 160 100...200 1600 320 150...250 1900
3. Интенсивность примесных полос поглощения, дБ/км ОН SH 60 1500 1000 5000
4. Механическая прочность при изгибе, Ша 0,8... 1,2 0,6
5. Рабочая длина единичного волокна, м до 100 до 50
7.4. ОВ на основе кристаллических материалов
Систематические исследования по разработке кристаллических светово-
дов для среднего ИК-диапазона начались в мире с 1978 г., когда Пинноу с со-
трудниками изготовили методом экструзии поликристаллические световоды из
кристаллов галогенидов таллия (TlBr-TU), обычно называемых KRS-5. Целью
этих исследований сначала были попытки реализовать фундаментальные ульт-
рамалые потери (10-2... 10-3 дБ/км) в кристаллических материалах, у которых
многофононное поглощение сдвинуто в более дальнюю ИК-область (рис. 7.1).
Однако до сегодняшнего дня реализовать столь малые потери не удалось. В
1981 г. Сакураги с соавторами удалось передать по подобным световодам излу-
чение СО2-лазера мощностью 68 Вт, а затем последовало сообщение о передаче
излучения мощностью до 130 Вт. Поэтому в настоящее время кристаллические
ОВ (из галогенидов таллия, серебра, щелочных металлов и т.д.) разрабатывают-
ся для передачи излучения лазеров большой мощности (СОг-лазеров) для меди-
цинских и технологических целей.
Для получения ОВ из кристаллических материалов сейчас в основном ис-
пользуется два метода: пластическое деформирование через фильеру (экстру-
зионный метод) и выращивание из расплава. При первом методе получения во-
локна имеют поликристаллическое, а при втором - монокристаллическое
строение. Хотя монокристаллические волокна должны обладать меньшими об-
щими потерями, чем поликристаллические (из-за отсутствия в них зерен и гра-
ниц раздела, приводящих к дополнительному рассеянию проходящего излуче-
ния), тем не менее наибольшее распространение получил экструзионный метод,
как более технологичный. Исходя из этого, требования к кристаллическим ма-
териалам следующие [19]:
- кристаллы должны пластически деформироваться в приемлемом темпе-
ратурном диапазоне (100...600 °C) со скоростями выше 1 см/мин;
- кристаллы должны быть оптически изотропными ввиду разориентации
зерен и блоков в волокнах;
- статическая рекристаллизация в таких световодах должна быть блоки-
рована при обычных температурах, чтобы воспрепятствовать деградации меха-
нических и оптических свойств ОВ в процессе эксплуатации.
Этим требованиям отвечают прежде всего галогениды таллия и серебра,
причем первые в настоящее время применяются значительно реже из-за своей
высокой токсичности. Для синтеза исходных порошков твердых растворов га-
логенидов серебра (72...78 масс. % AgBr и 28...22 масс. % AgCT) использовали
кристаллизацию соли в растворе смеси соответствующих галогеноводородных
кислот. Полученные соли очищались многократной перекристаллизацией в
этих растворах при создании специального температурного градиента. Для уда-
ления кислородсодержащих примесей (SO4~2, СОз), вызывающих значитель-
ное поглощение в ИК-области, применяют фильтрование раствора. Сами кри-
сталлы обычно выращивали в запаянных кварцевых ампулах методом Бриджмена-
Стогбаргера.
На рис. 7.22 приведена схема установки для получения поликристалличе-
ских световодов методом экструзии. Полученные кристаллические слитки ме-
ханически обтачивают, придавая им форму цилиндра, заготовки помещают в
контейнер и экструдируют через алмазную фильеру под высоким давлением.
Температуру процесса поддерживают в диапазоне 200...350 °C, скорость - не-
сколько сантиметров в минуту. Поверхность получаемых поликристаллических
волокон из галогенидов серебра достаточно гладкая, размер зерен обычно со-
ставляет 10...30 мкм, хотя имеются сообщения и о среднем размере зерен
5... 10мкм. Размеры зерен сильно зависят от температуры и скорости экстру-
зии. Световоды чаще всего защищают свободной полимерной пленкой, как по-
казано на рис. 7.23. Однако в настоящее время разработана технология получе-
ния так называемых оболочечных ОВ, в которых в качестве оболочки исполь-
зуют поликристаллический материал несколько отличного состава от состава
сердцевины и имеющий соответственно ПП меньше ПП материала сердцевины.
При изготовлении оболочечных ОВ используют технологии как прямой, так и
обратной экструзии, а также коэкструзионные технологии. В НЦВО при ИОФ
РАН получены оболочечные ОВ с числовой апертурой от 0,2 до 0,6 и с диамет-
ром сердцевины от 50 мкм до 1 мм.
Рис. 7.22. Схема установки для получе-
ния поликристаллических све-
товодов методом экструзии:
1 - давление; 2 - плунжер; 3 -
фильера; 4 - нагреватель; 5 -
заготовка; б- волокно [17]
Рис. 7.23. Свободная полимерная обо-
лочка для поликристалличе-
ских световодов: 1 - поли-
мерная оболочка; 2 - поли-
кристаллическое волокно
Как отмечалось выше, ультрамалые потери, предсказываемые для кри-
сталлических ИК-световодов, на сегодняшний день не достигнуты. Это связано
с тем, что помимо предполагаемого рассеяния и фононного поглощения за счет
колебаний атомов решетки, потери в реальных ОВ определяются следующими
физическими механизмами:
- рассеянием на вакансионных микропорах, возникающих в результате
сильной пластической деформации монокристалла и формировании поликри-
сталлического ОВ. Зависимость потерь на рассеяние имеет вид X где 0 < 1] < 4.
Это находится в соответствии с теорией Ми, в которой рассматриваются рассеи-
вающие центры, соизмеримые с длиной волны излучения;
- поглощением, вызванным разнообразными анионными комплексами с
участием гидроксила, оксидов, сульфидов, нитратов и нитридов металлов в
кристалле и гетерофазных включений в нем, в том числе коллоидов серебра.
Термообработка поликристаллических волокон ведет к уменьшению оптиче-
ских потерь, что, вероятно, связано с уменьшением числа дефектов кристалли-
ческой решетки (рис. 7.24).
Рис. 7.24. Спектры оптических потерь свето-
водов из Т1Вг-Т11 после термооб-
работки при температуре 150 °C.
Длительность обработки: I - без
термообработки; 2 - 15 часов; 3 -
30 часов; 4-120 часов [17]
Лучшим достижением является получение методом экструзии в НЦВО
при ИОФ РАН поликристаллических световодов из галогенидов серебра с по-
терями 40 дБ/км и менее на длинах волн 10... 16 мкм, как это видно из рис. 7.25.
Это достигнуто благодаря улучшению уровня очистки кристаллов от анионных
примесей до 10 ppb и снижению рассеяния в ОВ в 10 раз. Уровень потерь
меньше 1 дБ/м простирается от 2,5 до 22 мкм. Применение тройных компози-
ций (хлорида, бромида и иодида серебра) позволило довести упругую деформа-
цию кристаллических световодов до 1 % и прочность до 170...200 МПа вместо
40... 60 МПа.
Поскольку описанные ОВ применяются для передачи мощного лазерного
излучения, то на торцы волокон часто наносят просветляющие покрытия, кото-
рые эффективно уменьшают отражение на них лазерного излучения. Потери из-
за отражения на торцах в световодах из KRS-5 достигают 28 % вследствие высо-
кого коэффициента преломления (п — 2,38). Трехслойное просветляющее по-
крытие, показанное на рис. 7.26 и нанесенное напылением в вакууме, позволило
снизить потери на отражение до 2 % и менее, причем это покрытие оказалось
очень стабильным даже при фокусировке на него излучения СОз-лазера мощ-
ностью 150 Вт.
Рис. 7.26. Структура просветляющего покрытия на торце световода из KRS-5:1 - лазерное из-
лучение; 2 - фокусирующая линза; 3 - просветляющее покрытие; 4 - световод [17]
8. ИЗМЕРЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОВ
После получения заготовок и вытяжки ОВ измеряют их основные оптиче-
ские параметры, которые вносят в паспорт на ОВ. Здесь рассмотрим лишь те
методы измерения этих параметров, которые используют для контроля за каче-
ством ОВ на этапе их изготовления. К таким параметрам относятся:
- профиль ПП в заготовках ОВ;
- геометрические размеры в ОВ;
- коэффициент затухания;
- числовая апертура ОВ;
- диаметр модового пятна в одномодовых ОВ;
- длина волны отсечки в одномодовых ОВ;
- хроматическая дисперсия в одномодовых ОВ или ширина пллосы про-
пускания в многомодовых ОВ.
8.1. Профиль ПП в заготовках ОВ
Для измерения профиля Ш1 в заготовке ОВ используется метод отклоне-
ния луча при поперечном сканировании заготовки. На рис. 8.1 приведена схема
установки, называемой обычно преформ-анализатором (анализатором заготов-
ки) [5]. Заготовка помещается в кювету с иммерсионной жидкостью, ПП кото-
рой близок ПП материала заготовки. Луч света, проходя через заготовку, пре-
ломляется в ней. С помощью сканирующего фотоприемника измеряется угол
преломленного луча для многих положений луча. Данные вводятся в персо-
нальный компьютер, который на основании проведенных измерений рассчиты-
вает зависимость п(г). В данном сечении измерения проводят в двух взаимно
перпендикулярных направлениях, что позволяет контролировать эллиптичность
сердцевины и оболочки. Для примера на рис. 8.2 приведены профили ПП в за-
готовках радиационно-стойкого одномодового ОВ с кварцевой сердцевиной и
фторсиликатной "депрессированной" светоотражающей оболочкой, полученной
при использовании в качестве фторагента SiF4 (1) либо при использовании в
качестве фторагента сначала SF6, а затем SiF4. Считается, что профиль ПП в ОВ
тождественен измеренному профилю ПП в заготовке, хотя он может иногда и
заметно отличаться.
Рис. 8.1. Структурная схема анализатора заготовок: 1 - He-Ne лазер; 2 - заготовка ОВ; 3 -
ячейка с иммерсионной жидкостью; 4 - линза; 5 - модулятор; 6 - сканирующий фо-
топриемник; 7 - устройство обработки; 8 - персональный компьютер; 9 - графопо-
строитель [5]
Рис. 8.2. Профили ПП в заготовках радиационно-стойких ОВ с кварцевой сердцевиной и де-
прессированной фторсиликатной оболочкой: 1 — фторагент - SiF4, 2 - фторагенты -
первоначально SF& а затем SiF4
8.2. Геометрические размеры ОВ
Геометрические размеры в ОВ измеряются с помощью микроскопа
(обычно специализированного - 'Fiber-check'), обеспечивающего точность из-
мерения десятые доли мкм. К измеряемым геометрическим параметрам отно-
сятся: диаметр кварцевого волокна, диаметр волокна с защитным покрытием,
неконцентричность сердцевины и волокна, некруглость волокна, диаметр мо-
дового пятна и т. д. В табл. 5.2 приведены типичные значения этих параметров
для стандартных одномодовых ОВ (типа SM-28).
8.3. Измерение потерь
Существуют три метода измерения потерь (коэффициента затухания) в
ОВ: метод "облома", метод обратного рассеяния и измерение потерь с помощью
оптических тестеров (мультиметров).
1. Метод "облома" наиболее широко используется для измерения спек-
тральной зависимости полных потерь в ОВ. Схема метода показана на рис. 8.3 [3].
Рис. 8.3. Схема измерения потерь в волокне методом «облома»: 1 - источник света с моно-
хроматором; 2 - место облома; 3 - тестируемое волокно; 4 - фотоприемник [3]
Свет через монохроматор на определенной длине волны 1 вводится в ОВ 3
и затем попадает на фотоприемник 4. Сначала (рис. 8.3, а) снимают спектральное
пропускание света большим отрезком волокна Ь№, затем, не трогая систему вво-
да света в волокно, обламывают его, оставляя отрезок длиной 2-5 м и изме-
ряют спектральное пропускание короткого отрезка ОВ (рис. 8.3, б). Величину
потерь для каждой длины волны определяют по формуле:
где Лсор и Рд, - интенсивности света на выходе из короткого и длинного кусков
волокна соответственно. Спектральную зависимость потерь часто строят в
масштабе а =У(л ), что дает возможность определить коэффициент рэлеевско-
го рассеяния А и величину "серых" потерь В. Ддя примера на рис. 8.4 приведена
подобная спектральная зависимость полных потерь в одном из образцов одно-
модового ОВ с германосиликатной сердцевиной. В данном случае А —
1,39 дБ/кммкм4 и В = 0,23 дБ/км. Пик в области 1... 1,15 мкм обусловлен отсеч-
кой высшей моды, а пики на X = 1,25 и 1,38 мкм - гидроксильными группами.
Рис. 8.4. Спектральная зависимость пол-
ных потерь в образце ОВ с гер-
маносиликатной сердцевиной,
построенная в координатах
а=/(АГ*)[6]
2. Метод обратного рассеяния применяется для измерения потерь на оп-
ределенной длине волны (обычно 1,3 или 1,55 мкм) с помощью рефлектометра.
Принцип работы рефлектометра (OTDR — Optical Time Domain Reflectometer)
следующий [20]: в ОВ посылают мощный оптический импульс, который рас-
сеиваясь на неоднородностях (в том числе рэлеевских), возвращается назад и с
помощью ответвителя поступает на фотоприемник. Измеряя мощность и время
запаздывания импульсов, вернувшихся обратно в рефлектометр, можно опре-
делить величину погонных потерь, потери на отдельных "дефектных" участках
(например, в местах сварки волокон) и местонахождение этих участков. На рис.
8.5 приведена блок-схема рефлектометра, а на рис. 8.6 показана типичная реф-
лектограмма, по которой можно вычислить как погонные потери в ОВ, так и
величину отдельных дефектов.
Величина потерь вычисляется в этом случае по формуле
a(z) = 5 1g (Ро/Л) - 5 IgGW), (8.2)
где Ро и PL - мощности импульса в начале и в конце волокна длиной (z);
So и Sl - коэффициенты рассеяния в начале и в конце волокна. Коэффици-
ент перед логарифмами равен 5, а не 10 (как в уравнении 8.1) поскольку им-
пульс проходит двойное расстояние: от начала к концу и затем возвращается
назад к началу волокна.
Рис. 8.5. Блок- схема рефлектометра: а - оптический модуль, б - базовый модуль: 1 - им-
пульсный генератор; 2 - лазерный диод; 3 - ответвитель; 4 - оптический разъем; 5 -
оптическое волокно; 6 - АЦП; 7 - фотоприемник; 8 - микропроцессоры RISC и
Intel; 9 - дисплей [20]
Начало линии
Оптический разъем
20
Трещина в волокне
Отражающая неоднородность
15
10
Конец линии
Торец волокна
Сварное соединение волокон
Неотражающая неоднородность
Шумы
Потери в волокнах
Рэлеевское рассеяние
20
км
10
15
0
5
Рис. 8.6. Типичная рефлектограмма линии передачи. По вертикальной оси в логарифмиче-
ском масштабе откладывается мощность вернувшихся в рефлектометр импульсов, а
по горизонтальной оси - расстояние до места отражения [3]
Если коэффициент рассеяния постоянен вдоль всего волокна (линии), т. е.
SL = So, то второе слагаемое обращается в ноль, и показания рефлектометра бу-
дут прямо пропорциональны величине потерь в волокне (линии). Вариации ко-
эффициента рассеяния возникают, в основном, из-за вариаций диаметра модо-
вого пятна, что приводит к появлению систематической погрешности, пропор-
циональной величине изменения диаметра модового пятна (Дю/w). Эту систе-
матическую погрешность можно устранить, если измерить рефлектограммы с
обеих сторон волокна (линии), тогда полусумма рефлектограмм будет показы-
вать изменение коэффициента рассеяния, а полуразность рефлектограмм - из-
менение величины потерь.
Следует отметить, что рефлектометры используются не только для изме-
рения потерь в волокнах, оптических кабелях и линиях связи, но и для измере-
ния расстояний до неоднородностей волокне (дефектов сварки, трещины в во-
локне и т. д.), которые после обнаружения можно устранять.
Погрешность измерений возникает за счет:
- инструментальных ошибок, связанных с неточность измерения начала и
конца волокна, с ошибками в калибровке горизонтальной шкалы;
- методических ошибок, возникающих из-за того, что неоднородности на
рефлектограмме получаются разными для отражающей и неотражающей неод-
нородности;
- ошибок оператора и т.д.
3. Схема измерения потерь в волокне с помощью мультиметров (оптических
тесторов) показана на рис. 8.7. В начале оператор, соединив вход и выход муль-
тиметра оптическим шнуром, измеряет величину опорного сигнала. Затем он
отсоединяет разъем шнура от розетки фотоприемного блока и подсоединяет че-
рез розетку к началу волокна (линии), а выходной конец волокна подсоединяет
к фотоприемному блоку второго мультиметра. Величина потерь (с учетом раз-
ности показаний фотоприемных блоков, полученных в процессе их сверки) рас-
считывается по формуле
а (дБ) = опорный сигнал в дБм - сигнал в дБм, (8.3)
где дБм - мощность оптического излучения Р, соотнесенная с 1 мВт, т.е.
а= 101g (Р/1 мВт). (8.4)
Измерение потерь с помощью мультиметров проводится на конкретных длинах
волн (обычно 0,85; 1,3 или 1,55 мкм).
□□□
СЗСЗА
□ □ v
EZZJ
□□□
□ □V
□□□
□ □V
б
в
Рис. 8,7. Измерение потерь с помощью мультиметров: а - измерение мощности излучения,
прошедшего через линию; б — измерение опорного сигнала; в - сверка фотоприем-
ных блоков [3]
При такой системе измерений погрешность возникает в основном по сле-
дующим причинам:
- нестабильность источника излучения;
- нелинейность шкалы мультиметра;
— разная чувствительность фотоприемных блоков на разных концах во-
локна (линии);
- отклонение величины потерь в разъемах от их номинального значения.
8.4. Числовая апертура
Числовая апертура измеряется методом дальнего поля, т.е. по изображе-
нию излучения, выходящего из волокна, на экране. Измеряя диаметр светового
пятна на экране и расстояние от торца волокна до экрана, величину числовой
апертуры можно вычислить по формуле
NA = (лс2 - л?о2)1/2 =п0 sin 0 » 2 tg (d/2I) = dn/l,
(8-5)
где пс и по - показатели преломления сердцевины и оболочки соответственно;
0 - телесный угол, в пределах которого лучи распространяются по волок
ну без вытекания;
dn - диаметр светового пятна на экран;
I - расстояние от торца волокна до экрана.
8.5. Модовое пятно
Диаметр модового пятна w является одной из важнейших характеристик
одномодовых ОВ, поскольку он определяет согласование волокон между собой,
величины изгибных и микроизгибных потерь и т.д. Диаметр модового пятна
отличается от диаметра сердцевины в ОВ, причем это отличие увеличивается с
уменьшением величины нормализованной частоты, и для одномодовых свето-
водов со ступенчатым профилем ПП записывается согласно формуле (5.6). На
рис. 8.8 приведена спектральная зависимость диаметра модового пятна для од-
ного из образцов ОВ. Видно, что с ростом длины волны (соответственно, с
уменьшением V) диаметр модового пятна также растет, а наименьшее его зна-
чение находится вблизи длины волны отсечки высшей моды Лс. Существует не-
сколько методов измерения диаметра модового пятна, остановимся на двух из
них, рекомендованных Международным стандартом.
Метод поперечного сдвига заключается в том [6], что свет вводят в два
состыкованных между собой волокна, а затем торец второго волокна начинают
перемещать относительно выходного торца первого волокна, (т. е. его сканиро-
вать), снимая при этом показания интенсивности света на выходе второго во-
локна. Диаметр модового пятна определяют по уровню 1/е2® 0,135 радиального
распределения интенсивности света, как это видно на рис. 8.9. Второй метод,
принятый американским бюро стандартов TIA, основан на диафрагмировании
картины дальнего поля таким образом, чтобы интегральная интенсивность све-
та в диафрагмированной области составляла 1 - 0,135 = 0,865 от общей интен-
сивности света на картине дальнего поля. Диаметр модового пятна рассчиты-
вают используя отношение диаметров отверстий диафрагмы, позволяющей по-
лучать оба эти случая.
Рис. 8.8. Спектральная зависимость диа-
метра модового пятна [6]
Рис. 8.9. Угловое распределение интен-
сивности света, выходящего из
волокна («дальнее поле»)
8.6. Длина волны отсечки
Условие одномодового излучения в ОВ получается из следующего соот-
ношения рабочей длины волны (X) с длиной волны отсечки (Хс) 1Рц-моды:
Х>ХС. Значение Хс определяется критическим значением нормализованной час-
тоты (Ис < 2,405) а, следовательно, видом профиля ПП волокна. Теоретически
строго рассчитать величину Хс можно только для ОВ со ступенчатым профилем
ПП, поэтому эффективную длину волны отсечки для одномодового ОВ с любым
профилем ПП обычно определяют экспериментально. В предыдущем разделе
было показано, что величину Хс можно определить методом поперечного сдвига.
Однако более распространен метод изгиба, который основан на сравнении
спектральных зависимостей пропускания света в одномодовых ОВ с изгибом -
Р(Х) и без него - Ро(к). При измерениях принято брать образец волокна длиной ~
2 м и изгиб делать диаметром около 20 мм. За величину Хс в методе изгиба при-
нимают длину волны, на которой имеет место увеличение относительного про-
пускания Pfs-P на 0,1 дБ по сравнению с плоским участком (рис. 8.10).
/
Рис. 8.10. Спектральные зависимости: 1 -
разности пропускания света
прямым и изогнутым волокном;
2 - диаметра модового пятна [6]
8.7. Межмодовая дисперсия
Межмодовая дисперсия присуща многомодовому волокну и обусловлена
тем, что все моды распространяются по различным траекториям. Это приводит
к тому, что огибающие модулированного светового сигнала различных мод по
мере распространения сигнала все больше и больше отличаются по фазе.
Межмодовая дисперсия обычно ограничивает расстояние передачи по много-
модовому ОВ до 1 ...1,5 км, обеспечивая битовую скорость до 1 Гбит/с. При из-
мерениях межмодовая дисперсия обычно определяется наименьшим значением
частоты, при которой амплитудно-частотная характеристика спадает на 3 дБ
(т. е. в 2 раза). В общем случае измерение межмодовой дисперсии сводится к
измерению полосы частот многомодового волокна на различных длинах волн.
Схема измерения межмодовой дисперсии многомодового волокна импульсным
методом приведена на рис. 8.11 [21].
Рис. 8.11. Схема измерения межмодовой дисперсии многомодового волокна импульсным ме-
тодом: 1 - источник излучения (светодиод); 2 - измеряемое волокно; 3 - стробо-
скопический осциллограф; 4 - регулятор задержки; 5 - генератор импульсов
В процессе измерения в тестируемом волокне возбуждается импульс из-
лучения заданной длительности, а выходной импульс преобразуется в цифро-
вую форму, включая передний и задний фронт и начиная с 0,01 уровня ампли-
тудного значения. Затем таким же образом измеряется входной импульс, здесь
используется короткий кусок (в несколько метров) тестируемого или эталонно-
го волокна. Функция преобразования тестируемого волокна в этом случае име-
ет вид
Я(/) = 5(/)/Д/), (8.6)
где и A(f) - преобразования Фурье входного и выходного импульсов, со-
ответственно. Полоса частот волокна определяется как самая низкая частота,
для которой |Я(/)|=0,5. Для повторяемости результатов и возбуждения боль-
шого количества мод на входе устанавливается устройство скремблирования
(т. е. перемешивания мод).
Для примера на рис. 8.12 приведены амплитудно-частотные характеристи-
ки ОВ со ступенчатым 1 и градиентным 2 профилями показателя преломления.
Видно, что в первом случае полоса пропускания по уровню -3 дБ (0,5 высоты
амплитуды) составляет ~ 65 МГц, а во втором ~ 500 МГц.
Рис. 8.12. Амплитудно-частотные характеристики оптических волокон: 1 - ступенчатый
профиль показателя преломления; 2 - градиентный профиль показателя преломле-
ния
8.8. Хроматическая дисперсия
Хроматическая дисперсия вместе с величиной потерь определяет длину
ретрансляционного участка в ВОСПИ, использующих одномодовые ОВ. Пря-
мое определение хроматической дисперсии в одномодовых ОВ посредством
измерения уширения прошедшего через ОВ импульса возможно лишь при ис-
пользовании отрезков ОВ длиной несколько километров и требует пикосекунд-
ных излучателей и приемников. На практике применяются методы, в которых
вначале определяется спектральная зависимость временной задержки т(Х) при
184
прохождении излучения через отрезок ОВ длиной L, а хроматическую диспер-
сию находят из выражения
(8-7)
При измерении т(Х) в качестве источника часто используется волоконный
ВКР-лазер (рамановский) с широким световым континуумом. В зависимости от
А, измеряется изменение времени задержки между импульсом, запускающим
лазер, и импульсом, поступающим с фотоприемника. На рис. 8.13 приведена
схема установки.
Рис. 8.13. Схема установки для измерения хроматической дисперсии: 1 - МАИАГ-лазер; 2 -
объективы; 3 - ВКР-лазер; 4 - монохроматор; 5 - полупрозрачное зеркало; 6 - во-
локно; 7 - германиевый лавинный фотодиод; 8 - осциллограф [6]
Для формирования оптических потоков и фокусировки применяется све-
тоделительная пластина 5 и линзы 2. На рис. 8.14 приведены экспериментальные
результаты, полученные для одномодового ОВ (L ~ 1 км) со смещенной диспер-
сией. Подобный метод удобен для лабораторных исследований, так как он прост
в реализации и вследствие большого набора спектральных точек допускает точ-
ную аппроксимацию.
Рис. 8.14. Спектральная зависимость величи-
ны хроматической дисперсии для
ОВ со смещенной дисперсией [6]
Часто используют другую форму записи данных т(Х) через ДВНД (Хо),
соответствующее ей значение то - т(Хо) и наклон дисперсионной кривой So в
точке ко — Sd=dC(X)/d)Jx=ijo- При этом существуют различные формы записи ап-
проксимирующих выражений:
т = То + ($/8)х(Х - Х«2/Х)2, (8.8)
т = то + (5о/2)х(Х - Хо)2 - (So/6)x(% - Х<>)3 (8.9)
ИТ. д.
Если требуется провести измерение дисперсии на коротких отрезках ОВ,
обычно применяют интерференционный метод, основанный на использовании
интерферометра Маха-Цендера (рис. 8.15), в одно из плеч которого помещается
короткий (~ 1 м) отрезок ОВ, а длина оптического пути во втором, воздушном
плече может изменяться при помощи задержки таким образом, чтобы сравнять-
ся с оптическим путем в ОВ в исследуемом диапазоне длин волн.
Рис. 8.15. Схема интерференционного метода измерения хроматической дисперсии ОВ: 7 -
галогенная лампа; 2 - модулятор; 3 - монохроматор; 4 - микрообъективы; 5 - воз-
буждающее ОВ; 6 - полупрозрачное зеркало; 7 - исследуемое ОВ; 8- зеркало со
100 % отражением; 9 - фотоприемник; 10 - призма на пьезокерамической подвиж-
ке; 11 - усилитель; 12 - самописец [5]
Изменяя длину линии задержки (изменение положения призмы 10 с по-
мощью микрометрической подачи), можно добиться совпадения оптических
путей в воздухе и исследуемом ОВ. Возникший при этом интерференционный
сигнал регистрируется фотоприемником. В эксперименте измеряется зависи-
мость величины интерференционного сигнала от длины линии задержки для
фиксированной длины волны X. На основании этих данных строится зависи-
мость относительной длины линии задержки AZ, соответствующей максимуму
интерференционного сигнала, от X. Эта зависимость пересчитывается в спек-
тральную зависимость временной задержки
Дт (X) = (8.10)
где с - скорость света в вакууме. Величина хроматической дисперсии рассчи-
тывается по формуле (8.10).
9. КОМПОНЕНТЫ И УСТРОЙСТВА
ДЛЯ воспи и вод
На рис. 1.2 показано, что в простейшей ВОСПИ одними их основных
компонентов являются источник оптического излучения, ОВ и фотоприемник.
Однако реально помимо этих компонентов очень важное значение имеют и
другие элементы, которые используются в ВОСПИ и ВОД и которые рассмат-
риваются в данной главе.
9.1. Источники оптического излучения
Наиболее распространенными источниками излучения являются полу-
проводниковые светодиоды (LED - Light Emisson Diod) и лазерные диоды (LD —
Laser Diod). Выбор источника излучения определяется требованиями к мощно-
сти излучателя, его спектральным и модуляционным характеристикам, сроку
службы и диапазону рабочих температур. Как в светодиодах, так и в лазерных
диодах генерация света обусловлена рекомбинацией электронов и дырок, ре-
зультатом которой является образование фотонов. В волоконной оптике ис-
пользуются только те из них, которые отвечают требованиям ВОСПИ: длины
волн излучения должны лежать вблизи окон прозрачности кварцевых ОВ (0,85;
1,3 и 1,55 мкм), мощность излучения должна быть не менее 1 мкВт и т.д.
9.1.1. Светодиоды
Светодиоды использовались, главным образом на первом этапе развития
ВОСПИ. Они были достаточно надежны и дешевы, но обладали большой чи-
словой апертурой и большой площадью излучения. Поэтому для эффективного
ввода излучения в волокно светодиоды применялись для многомодовых ОВ. На
рис. 9.1. приведена структура простейшего светодиода [22].
7777777777777777777777777--
Л/
Рис. 9.1. Структура простейшего светодиода: 1 - активная область; 2 - металлические контакты [22]
Фотоны образуются за счет рекомбинации электронов и дырок в так на-
зываемой активной зоне, расположенной возле р-п перехода. При пропускании
тока в направлении Е электроны дырки перемещаются к границе р-п перехода
навстречу друг другу, а образовавшиеся фотоны распространяются в самых
различных направлениях, показанных стрелками. Излучение светодиода носит
характер ламбертовского источника света (рис. 9.2).
187
Л
Источник
Рис. 9.2. Полусфера ламбертовского источника излучения (светодиод)
Принимая во внимание, что диаметр излучающей поверхности значи-
тельно меньше расстояния, на котором производят измерения, поверхностную
плотность потока излучения у(а) (Вт/м2), яркость Да) (кД/м2), интенсивность
излучения 1(a) (Вт) и мощность источника излучения Р (Вт/м) определяются
следующими уравнениями:
у(а) = y0cosa; (9.1)
Да) = \|/ox42xcosa !AS =L0xcosct; (9.2)
1(a) = \|/ox42xcosa = 70cosa; (9.3)
P= j'f/(a)2n-ZJsma6/a = n-ls •'Po, (9.4)
где a - угол обзора;
\po - плотность потока излучения на оси и ls - расстояние между источни-
ком и детектором (радиус сферы). Из данных выражений видно, что параметры
светового излучения в дальней области определяются функцией косинуса.
Процесс генерации света в светодиоде основан на рекомбинации элек-
тронов и дырок в активной области гетерогенной структуры при пропускании
через нее тока с выделением фотонов, обладающих энергией , равной энергии
запрещенной зоны материала полупроводника. Генерация фотонов только в ак-
тивной области связана с тем, что в материалах с большой энергетической зо-
ной генерация фотонов невозможна. Кроме того, большая запрещенная зона
предотвращает поглощение фотонов (генерацию электронов и дырок) и делает
встроенные слои прозрачными для излучаемых волн. Центральная длина волны
Хо излучения в этом случае определяется уровнем запрещенной энергетической
зоны Eg и равна
^ = hc/Eg=l,24/Eg, (9.5)
где h = 6,63- 1О 34 Дж-с - постоянная Планка;
с = З Ю8 м с-1 — скорость света в вакууме;
Eg ~ ширина запрещенной энергетической зоны материала активного
слоя, выраженная в эВ.
В табл. 9.1 приведены значения запрещенной энергетической зоны и дли-
ны волн излучения светодиодов с различным составом активного слоя.
Таблица 9.1
Длины волн излучения различных материалов
Материал активного слоя Запрещенная энергетическая зона, эВ Длина волны излучения, мкм
GaP 2,24 0,55
GaAs 1,42 0,87
InP 1,33 0,93
AlGaAs 1,42...1,61 0,77...0,87
.. InGaAsP 0,72...1,13 1,1.„1,67
Светодиоды подразделяются на светодиоды с поверхностным и торцевым
излучением. Большинство светодиодов с поверхностным (близким к ламбер-
товскому) излучением, когда оно выходит из вытравленного углубления нару-
жу и распространяется перпендикулярно плоскости р-п перехода (рис. 9.3),
имеет числовую апертуру, равную приблизительно 0,9. Для ее уменьшения во
многих случаях используется особая форма линз, доводя NA до 0,2, но даже в
этом случае излучающая поверхность достаточна велика для эффективного
ввода излучения в одномодовое волокно. Уровень мощности света, вводимого в
волокно, обычно составляет 20 мкВт для градиентного многомодового ОВ и 2
мкВт для одномодового ОВ. Лучшей эффективностью ввода излучения в во-
локно характеризуются светодиоды с торцевым излучением (рис. 9.4), обеспе-
чивающие ввод около 50 мкВт (30 % доступной оптической мощности) в гра-
диентное многомодовое волокно и 20 мкВт в одномодовое ОВ. Диаметр излу-
чающей площадки достигает 50...60 мкм.
Металл
Рис. 9.3. Структуры коротковолнового светодиода (Х=0,85 мкм) с поверхностным излучением
Металл
Рис.9.4. Структура длинноволнового светодиода (Х=1,3 мкм) с торцевым излучением
Спектр излучения светодиода непрерывный, причем ширина его относи-
тельно велика (рис. 9.5). Типичное значение полуширины спектра для свето-
диода, генерирующего свет с длиной волны 1,3 мкм, почти в 2 раза больше, чем
для светодиода, генерирующего свет на X = 0,85 мкм. Повышение температуры
приводит к снижению оптической мощности на выходе (на ~ 0,8 % при повы-
шении температуры на 1 °C).
Рис. 9.5. Спектры излучения светодиода, генерирующего свет с длиной волны: а - 0,85 мкм и
б - 1,3 мкм
С точки зрения применения светодиодов в ВОСПИ они имеют рад недостат-
ков, основными из которых являются:
- сравнительно низкая полоса частот, равная ~ 100 МГц (хотя были со-
общения о полосе частот, равной ~ 1 ГГц). Поэтому быстродействие светодио-
дов как минимум в пять раз ниже по сравнению с лазерами;
- широкий спектр излучения, составляющий около 60 нм, что также сни-
жает полосу частот вследствие хроматической дисперсии;
- низкая эффективность ввода излучения в оптическое волокно, даже для
светодиодов с торцевым излучением.
Перечисленные недостатки приводят к тому, что в настоящее время све-
тодиоды применяются в ВОСПИ с небольшой скорость передачи и используют
многомодовые ОВ.
9.1.2. Лазерные диоды
Принципиальным отличием лазерных диодов от светодиодов является
наличие в них встроенного оптического резонатора и значительно большее зна-
чение тока, называемого током накачки. В лазерных диодах фотоны в основном
генерируют посредством стимулированной (вынужденной) эмиссии, заклю-
чающейся в том, что фотоны, созданные в результате спонтанной эмиссии, вы-
зывают генерацию дополнительных фотонов путем стимулирования дополни-
тельных рекомбинаций, а те в. свою очередь создают дополнительные фотоны,
при этом грани кристалла представляют собой полупрозрачные зеркала, огра-
ничивающие объем резонатора.
Физически процесс лазерного излучения заключается в следующем [22].
Если к р- и «-области приложить, соответственно, положительный и отрица-
тельный полюсы источников тока, то дырки начнут инжектировать в область р,
а электроны в область п, перемещаясь к активному слою, находящемуся между
слоями материала, имеющего большую ширину запрещенной зоны. В результа-
те по обе стороны активного слоя вблизи поверхности возникнут потенциаль-
ные барьеры, и находящиеся в нем почти все дырки и электроны рекомбини-
руют, излучая свет с длиной волны, практически соответствующей ширине за-
прещенной зоны. При токе инжекции, меньшем 1п, в лазерном диоде возникает
только спонтанное излучение, аналогичное излучению светодиода. Так как ак-
тивная область типовых лазерных диодов (ширина, высота и длина активной
зоны составляют, соответственно, 5... 10 мкм, 0,1...0,2 мкм и 300 мкм) значи-
тельно меньше, чем у светодиодов, то и выходная оптическая мощность при
работе лазерного диода в условиях спонтанного излучения получается меньше,
чем у светодиода (рис. 9.6). При достижении током порогового значения (/п ~
50... 150 мА) выходная оптическая мощность быстро растет и достигает от -5
до +20 дБм. При передаче по ОВ информации в дискретной (цифровой) форме
значение рабочего тока через светодиод должно быть выбрано в интервале ме-
жду точками and (рис. 9.6), а при передаче аналоговой информации - прибли-
зительно в середине диапазона а-b. Значение рабочего тока для лазерного дио-
да выбирается между точками/и е или d (рис. 9.6) при передаче информации в
дискретной форме, а при передаче аналоговой информации - вблизи точки е.
Распределение интенсивности излучения лазерных диодов описывается
функцией Гаусса (5.5) и схематически представлено на рис. 9.7
В ВОСПИ используются различные типы лазерных диодов (или просто лазе-
ров), которые отличаются конструкцией, длиной волны излучения, частотными ха-
рактеристиками, режимом работы (одномодовый или многомодовый) и т.д. Основ-
ные требования к подобным лазерам и модулям на сегодняшний день следующие:
- динамически одночастотный режим работы;
Рис. 9.7. Гауссовское излучение в лазерном диоде; j _ источник излучения; 2 - фронт волны [21]
- лазеры с фиксированными длинами волн в области 1525... 1560 нм;
- спектральные интервалы между каналами должны составлять 0,4 или
0,8 нм, в то время как в 2000 г. еще только планировали интервалы от 3,5 до 5 нм;
- точность расположения рабочих длин волн ~ 1 А;
- спектральная ширина линии мецее 1 МГц;
- мощность излучения одночастотщого лазера ~ 1... 10 мВт;
- линейность ватт-амперной характеристики до 10 мВт;
- вывод излучения через одном©довый световод на данную длину волны;
- степень подавления боковых мод не менее 30 дБ;
- одночастотный спектр излучения в широком интервале температур и
тока накачки;
- ресурс работы ~ 105 час.
Так как длина полупроводникового лазера много больше длины волны
излучения, то существует множество Резонансных продольных мод. К много-
модовой генерации ведут также высокочастотная прямая модуляция (из-за из-
менения концентрации носителей вследствие переходных процессов) и влияние
спонтанного излучения, причем спектральная ширина линии тем уже, чем
меньше доля спонтанного излучения по сравнению с вынужденным. Следова-
тельно, для получения одночастотного режима генерации в широком интервале
токов накачки и сужения ширины линии генерации, необходимо осуществлять
селекцию мод, которая обычно реализуется за счет: внешних дифракционных
решеток, изготовления лазеров с распределенной обратной связью или исполь-
зования брэгговского распределенного отражателя. Дифракционная решетка
представляет собой зеркало, на которое нанесены бороздки с очень малым рас-
стоянием (периодом d) между ними.
Введение дифракционной решетки в полупроводниковый лазер обеспе-
чивает воздействие на оптические характеристики выходного излучения, по-
зволяя перестраивать и стабилизировать длину волны излучения путем выбора
периода решетки и угла падения излучения, соотношение между которыми
связано условием Брэгга
тк ~ 2d sin9, (9.6)
где т - порядок отражения;
d - период решетки, мкм;
0 - угол падения излучения.
Ход лучей в полупроводниковом лазере с внешней дифракционной ре-
шеткой показан на рис. 9.8.
Рис. 9.8. Полупроводниковый лазер с внешней дифракционной решеткой: 1 - лазер; 2 - лин-
за; 3 - дифракционная решетка
Варьируя период дифракционной решетки, можно обеспечить одночас-
тотный режим генерации на выбранной длине волны.
В лазерах с обратной связью и с брэгговским распределенным отражени-
ем обратная связь, необходимая для генерации лазерного излучения, образуется
за счет периодического изменения Ш1 внутри оптического волновода. В лазе-
рах с распределенной обратной связью область усиления находится в среде с
периодическим изменением ПП (рис. 9.9, а). В этом случае предпочтение будет
отдано той длине волны, при которой имеет место усиливающаяся интерферен-
ция небольших отражений за счет периодического изменения ПП. В лазерах с
распределенным брэгговским отражением периодическая среда расположена на
краях области усиления (рис. 9.9, б) и период структуры должен удовлетворять
условиям Брэгга (9.6).
На рис. 9.10 приведена конструкция одночастотного полупроводникового
лазера, в котором стабилизация излучения достигается за счет использования
волоконной брэгговской решетки (ВБР), записанной в одномодовом ОВ. В этой
схеме ВБР играет роль зеркала внешнего резонатора, что обеспечивает генера-
цию одной продольной моды лазера, длина волны которой находится в контуре
отражения решетки. На рис. 9.11 приведен спектр излучения лазера без внешнего
резонатора (а) и с внешним резонатором на основе ВБР (б).
а
Рис. 9.9. Полупроводниковые лазерные диоды: а - с распределенной обратной связью; б - с
распределенным брэгговским отражателем
Рис. 9.10. Схема стабилизации излучения полупроводникового лазерного диода с помощью
волоконного брэгговского отражателя: 1 - лазерный диод; 2 - одномодовое ОВ;
3 - брэгговская решетка
Длина волны, нм
а
Длина волны, нм
б
Рис. 9.11. Спектр излучения лазерного диода: а - без внешнего резонатора; б - с внешним
резонатором на основе ВБР [10]
Меняя параметры ВБР можно изменять длину волны излучения лазеров,
которые используются в системах со спектральным уплотнением каналов. Кро-
ме того, в зависимости от параметров решетки и расстояния между ней и лазер-
ным кристаллом возможно создание одночастотного и многочастотного режи-
мов лазерной генерации. Так как температурная чувствительность ХеР примерно
на порядок ниже, чем чувствительность длины волны лазеров, такая конфигу-
рация позволяет в ряде применений обойтись без температурной стабилизации
лазера. Описанная схема стабилизации излучения полупроводниковых лазеров
применяется для создания одномодовых лазеров накачки, а также источников
излучения как альтернатива лазерам с распределенной обратной связью, рас-
смотренных выше (рис. 9.9, а).
9.2. Приемники оптического излучения
В ВОСПИ приемники оптического излучения (фотодетекторы) преобра-
зуют энергию световых пучков в электрическую энергию. К фотодетектору
предъявляются следующие основные требования: высокая чувствительность в
рабочем диапазоне длин волн, малая инерционность, низкий уровень шума, ма-
лые габаритные размеры. Фотодиоды выполнены на основе фоточувствитель-
ных полупроводниковых элементов, использующих явление фотопроводимо-
сти. Это явление заключается в увеличении электропроводности при возбужде-
нии светом носителей валентной зоны и зоны проводимости полупроводника.
По механизму возбуждения носителей различают собственную и несобствен-
ную фотопроводимости.
Механизм собственной фотопроводимости показан на рис. 9.12. Если
энергия квантов света выше ширины запрещенной зоны, то электроны из ва-
лентной зоны переходят в зону проводимости, увеличивая концентрацию носи-
телей, т. е. электропроводность полупроводника. Собственная фотопроводи-
мость проявляется только под воздействием излучения с энергией, превышаю-
щей ширину запрещенной зоны вещества. При несобственной фотопроводимо-
сти электроны и дырки, захваченные локальными уровнями примесей в запре-
щенной зоне полупроводника, под действием света перемещаются соответст-
венно в валентную зону и зону проводимости. Явление несобственной фото-
Рис. 9.12. Принцип действия PIN-диода
и его диаграмма энергетиче-
ских уровней: 1 - //-слой; 2 -
/-слой; 3 - и-слой [21]
проводимости позволяет создавать приборы, чувствительные в области инфра-
красного излучения, причем, подбирая примеси, можно установить необходи-
мую для них спектральную чувствительность.
Фотопроводимость зависит от заряда, времени жизни, подвижности и соз-
данной светом за единицу времени концентрации носителей, причем для обес-
печения высокой фотопроводимости вещества необходима высокая подвиж-
ность и продолжительное время жизни носителей. Созданные на основе эффекта
фотопроводимости фоторезисторы из-за значительной инерционности в воло-
конной оптике практически не применяются. Лучшими характеристиками по
сравнению с фоторезисторами обладают структуры полупроводников с р-п пе-
реходами той или иной топологии, так называемые p-i-n и лавинные фотодиоды
(APD) и фототранзисторы.
На сегодняшний день p-i-n фотодиод, в дальнейшем p-i-n диод, является
наиболее распространенным типом детектора оптического излучения, что объ-
ясняется простотой его производства, достаточно высокой температурной и
временной стабильностью и широкой полосой рабочих частот. Основным отли-
чием данного типа диодов от обычных диодов с р-п переходами является нали-
чие между сильно легированными р+ и п+ слоями полупроводника так называе-
мого i-слоя, который представляет собой слаболегированный полупроводник п-
типа шириной до 2...3,5 мкм (рис. 9.12). Ввиду отсутствия в /-слое свободных
носителей его иногда называют обедненным слоем. Так как сильное легирова-
ние слоев увеличивает проводимость этих слоев, внешняя разность потенциалов,
приложенная к р+ и п+ слоям, создает в z-слое градиент электрического поля.
При подаче на p-i-n структуру напряжения обратной полярности из-за того, что
в /-слое нет свободных носителей, данный слой поляризуется, и через нагрузку
протекает постоянный ток 7Т малого уровня, который носит название темнового
тока. Значение этого тока определяется параметрами материала полупроводни-
ка, топологией p-i-n структуры и температурой окружающей среды. При воздей-
ствии на /-слой внешним излучением в нем образуются свободные электронно-
дырочные пара, которые быстро разделяются и, ускоряясь приложенным элек-
трическим полем, двигаются к электродам в противоположных направлениях,
создавая во внешней цепи диода электрический ток А.
Требования высокой квантовой эффективности и высокой скорости откли-
ка для фотодиода с p-i-n структурой в известной степени противоречивы. Чтобы
получить высокую квантовую эффективность, следует увеличить ширину
/-области, в которой наиболее эффективно поглощаются фотоны, а для увеличе-
ния скорости отклика, наоборот, желательно иметь узкую /-область. Спектраль-
ная чувствительность и квантовая эффективность кремниевого p-i-n фотодиода
от ширины его /-области и длины волны излучения приведены на рис. 9.13. Вид-
но, что увеличение толщины /-области от 0,1 до 3,2 мкм ведет к увеличению
квантового выхода (от 10 % до 65 % на X = 1,1 мкм) и чувствительности (от 0,3
до 0,55 А/Вт).
Рис. 9.13. Зависимость квантовой эффективности и чувствительности p-i-n кремниевого фо-
тодиода с различной шириной /-области от длины волны света [22]
Так как энергия фотона обратно пропорциональна 1, идеальный фотодиод
с невысокой степенью рекомбинации, генерируя одну электронно-дырочную
пару на фотон, обуславливает пропорциональную длине волны чувствитель-
ность к оптическому излучению. При верхней критической длине волны энер-
гия фотона становится ниже энергии запрещенной зоны, вызывая тем самым
падение чувствительности фотодиода. В табл. 9.2 приведены значения ширины
запрещенной зоны и верхней критической длины волны для материалов, наи-
более часто используемых при создании фотодиодов.
Таблица 9.2
Значения ширины запрещенной зоны и верхней критической длины волны
для ряда полупроводниковых материалов [21]
Тип и состав материала Ширина запрещен- ной зоны, эВ Верхняя критическая длина волны, мкм
Si 1,11 1,12
InGaAsP 0,89 1,4
InGaAs 0,77 1,6
Ge 0,67 1,4
Наибольшей чувствительностью в области первого окна прозрачности
кварцевых ОВ (~ 0,85 мкм) обладает Si, а для длин волн, превышающих
1 мкм, - Ge, InGaAs и InGaAsP. При этом верхняя критическая длина волны со-
единения InGaAsP может варьироваться в зависимости от процентного содер-
жания его компонентов. Для лучших p-i-n диодов квантовая эффективность со-
ставляет 65-70 %, величина отклика - до 0,6 A/Вт, стоимость их невелика. По-
этому эти фотодиоды широко используются в ВОСПИ в качестве детекторов
при условии достаточной оптической мощности сигналов. Однако если оптиче-
ские сигналы слабы, то порог чувствительности p-i-n фотодиода может оказать-
ся слишком высоким, чтобы их зарегистрировать.
Решением этой задачи явилось создание фотодиода нового типа, а именно
лавинного фотодиода (ЛФД), в котором происходит размножение носителей
тока путем ударной ионизации при поглощении фотона. Структура лавинного
фотодиода и схема процесса размножения в нем электронно-дырочных пар
приведена на рис. 9.14. Основное отличие лавинных фотодиодов от рассмот-
ренных p-i-n диодов заключается в наличие дополнительного p-слоя. При этом
создается структура р+-i-p-n+ с таким профилем распределения легирующих
примесей, при котором наибольшая напряженность электрического поля имеет
место в p-слое, обеспечивая тем самым наименьшую проводимость этого слоя.
По этой причине обратное смещение в лавинных фотодиодах столь велико, что
обедненный слой увеличивается до размеров z-слоя не снижая, а даже увеличи-
вая напряженность электрического поля. В связи с этим электронно-дырочные
пары, создаваемые светом, разделяются и ускоряются этим полем в обедненном
слое, получая энергию, достаточную для ионизации атомов кристалла. Сталки-
ваясь с нейтральными атомами, носители вызывают возрастающее в геометри-
ческой прогрессии возникновение электронов е и дырок и, так называемый ла-
винный эффект.
Область
сильного
ПОЛЯ
б
а
Рис. 9.14. Структура лавинного фотодиода (а) и схема процесса размножения в нем элек-
тронно-дырочных пар (б) [22]
При воздействии света на z-слой, создаваемые электронно-дырочные па-
ры из-за имеющегося электрического поля разделяются и движутся к соответ-
ствующим полюсам, попадая предварительно в />-слой. Учитывая, что элек-
трическое поле в данном слое намного выше, их ускорение возрастает, позво-
ляя накопить такую энергию, которая становится достаточной для возбужде-
ния (генерирования) дополнительных электронов и перехода их из валентной
зоны в зону проводимости. Этот процесс носит название умножения первич-
ного фототока.
Для примера на рис. 9.15 приведены структуры кремневого PIN-диода и
лавинного фотодиода. В последнем случае высоколегированные слои п и р+
представляют собой контактные области, а p-зона с почти собственной прово-
димостью формирует поглощающий слой. Зону усиления определяет пик элек-
трического поля на стыке п+/р слоев, а защитные кольца предотвращают боко-
вую утечку зарядов. Верхний слой из нитрида кремния (S13N4), также как и в
p-i-n диодах, служит антиотражательным покрытием.
Свет
б
Рис. 9.15. Структура кремниевых p-i-n диода (а) и лавинного фотодиода (б): 1 - металличе-
ское кольцо; 2 - ри-переход; 3 - умножающий слой; 4 - защитное покрытие SiOi,
5 - антиотражающее покрытие
Зависимость чувствительности лавинных фотодиодов, выполненных из раз-
личных материалов, от длины волны имеет характер, аналогичный p-i-n
поэтому кремниевые ЛФД целесообразно использовать для всех длин волн ниже
900 нм, а германиевые или InGaAs следует использовать при 1 300 и 1 550 нм.
Основными характеристиками оптических приемных модулей, в состав
которых входят фотодиоды, являются: рабочая длина волны (нм или мкм), диа-
пазон скоростей передачи (Мбит/с или Гбит/с), пороговая мощность принимае-
мого сигнала (дБм), динамический диапазон принимаемых оптических мощно-
стей (дБ).
9.3. Оптические разъемы
На рис. 9.16 приведена схема ретрансляционного участка ВОСПИ, кото-
рая показывает, что волокна с излучателем и фотоприемником соединяются с
помощью оптических разъемов, а между самими волокнами имеет место свар-
ное соединение. Оптические разъемы (их часто называют коннекторами
(connectors)) обеспечивают многократные (~ 500... 1000) соединения/разъедине-
ния волокон. Существует большое количество специализированных разъемов в
двух типоразмерах: стандартном и миниатюрном. Наиболее распространены
три типа стандартных разъемов: FC, ST, SC и шесть типов миниатюрных разъе-
мов: MT-RJ-, LC; VF-45-, LX-5; Opti-Jack; SCDC-SCQC [3].
Рис. 9.16. Схема распределения потерь в ретрансляционном участке линии: 1 - излучатель;
2 - разъемное соединение; 3 - оптический кабель (строительная длина); 4 - свар-
ное соединение волокон; 5 - фотоприемник
Наиболее высокие требования к качеству разъемов предъявляются при
соединении одномодовых волокон, где в основном используют вышеуказанные
стандартные разъемы. Разъемы типа FC ориентированы на применение в лини-
ях дальней связи и в сетях кабельного телевидения. Это единственный тип
разъемов, рекомендованный для применения на подвижных объектах, так как
он лучше других выдерживает вибрацию и удары.
Основным недостатком FC разъемов (fiber connetor) является то, что он
обеспечивает меньшую плотность монтажа, чем разъемы ST и SC. Для закреп-
ления разъема FC в розетке необходимо закрутить накидную металлическую
гайку с резьбой. В то же время разъем типа ST крепится к розетке с помощью
байонетной гайки, а разъем SC еще проще - с помощью пластмассовой защел-
ки. Однако разъемы типа SF и SC обладают менее жесткой конструкцией, чем
разъем FC и рекомендованы только для стационарных объектов. Максималь-
ную же плотность монтажа (почти в 2 раза большую) обеспечивают миниатюр-
ные разъемы, среди которых на сегодняшний день наиболее популярны разъе-
мы MT-RJ и LC. Они применяются преимущественно с многомодовыми волок-
нами в локальных вычислительных сетях, где особенно велика потребность в
увеличении плотности монтажа.
Рассмотрим более подробно конструкцию разъема FC, в которой содер-
жатся все принципиально важные решения, используемые в разъемах другого
типа. Конструктивно разъемный соединитель представляет собой два разъема и
соединительную втулку. Оптические волокна вклеены в керамические нако-
нечники разъемов диаметром 2,5 мм (в миниатюрных разъемах диаметр нако-
нечника 1,25 мм). Разъемы центрируются во втулке с помощью плавающего
центратора в виде разрезной втулки из керамики для одномодового волокна или
из бронзы для многомодового волокна. Наконечники прижимаются друг к дру-
гу в центраторе с помощью пружин и, таким образом, место соединения воло-
кон механически развязано относительно корпуса втулки. Фиксация разъемов
во втулке может быть резьбовой (FC), байонетной (ST) и замковой (SC).
Торцевые поверхности волокон в оптических разъемах имеют сфериче-
скую форму с радиусом закругления 10.. .25 мм для PC разъемов (PC - Physical
Contact) и 5... 12 мм для АРС разъемов (АРС - Angled Physical Contact). В со-
единенном состоянии торцы стыкуемых наконечников прижимаются друг к
другу с определенным усилием (обычно 8... 12 Н). Возникающая при этом эла-
стичная деформация наконечников приводит к появлению оптического контак-
та (рис. 9.17).
Рис. 9.17. Схема образования оптического контакта в месте соединения наконечников в разъе-
мах PC (о) и АРС (б): 1 - керамический наконечник; 2 - соединительная втулка [3]
Две поверхности считаются находящимися в оптическом контакте, если
расстояние между ними намного меньше длины волны света. При этом чем
меньше расстояние между этими поверхностями, тем меньше будет и величина
отраженного от них света. Качество оптического контакта определяется качест-
вом шлифовки и последующей полировки торцевой поверхности волокна. Для
PC разъемов величина коэффициента френелевского отражения от места опти-
ческого контакта менее -35 дБ, а стандартная шлифовка обычно обеспечивает -
40 дБ. Если требуется коэффициент отражения менее -55 дБ. то используют
АРС разъемы, в которых нормаль к контактной поверхности наклонена к оси
наконечника под углом 8° (рис. 9.17, б). В такой конструкции типичное значе-
ние коэффициента отражения -70...—80 дБ.
Причины возникновения потерь в разъемных соединениях таковы:
- радиальная несогласованность стыкуемых волокон, когда их оси распо-
ложены параллельно друг другу на расстоянии L. Несовпадение осей одномодо-
вых волокон в один микрон приводит к увеличению затухания примерно на
0,3 дБ, а при двух микронах затухание увеличивается уже на 2 дБ и более;
- угловая несогласованность осей волокна, характеризуемая величиной
угла 0 между осями световодов, при этом уменьшение числовой апертуры ОВ
(переход от многомодовых волокон к одномодовым) значительно увеличивает
потери;
- наличие зазора между торцами стыкуемых волокон. В этом случае вели-
чина потерь уменьшается с уменьшением числовой апертуры волокон;
- наличие микровыступов (шероховатости) на поверхности торцов волокон;
- взаимная непараллельность поверхностей торцов волокон, при этом уве-
личение числовой апертуры ОВ приводит к значительному росту потерь;
- неодинаковая числовая апертура стыкуемых волокон. Уменьшение от-
ношения числовой апертуры стыкуемых волокон от 1 до 0,8 приводит к увели-
чению потерь до 1 дБ;
- разница в диаметрах сердцевины стыкуемых волокон;
- возникновение интерференции света в зазоре между торцами волокон.
Основной же причиной потерь в разъемах одномодовых ОВ является сме-
щение сердцевины соединяемых волокон относительно друг друга вследствие
эксцентриситета (неконцентричности) как самих волокон, так и деталей крепле-
ния разъема. Основные виды неконцентричности в наконечнике разъема приве-
дены на рис. 9.18. Для уменьшения потерь в разъемах может осуществляться их
настройка (калибровка) с использованием образцового (эталонного) разъема.
Настройка разъема осуществляется следующим образом. Вращая изготовленный
наконечник вокруг продольной оси, определяют его положение относительно
образцового, при котором достигается наименьший уровень вносимых потерь,
после чего наконечник фиксируется в корпусе разъема. В табл. 9.3 приведены
потери, вносимые при соединении разъемов.
Таблица 9.3
Средние значения потерь, вносимых при соединении разъемов
Параметр Неколиброванные разъемы Калиброванные разъемы
Потери при соединении с образцовым разъемом, дБ 0,20 0,14
Потери при соединении "любой с лю- бым", дБ 0,3 0,15
Рис. 9.18. Основные виды неконцентрично-
сти в наконечнике разъема: 1 -
номинальный центр; 2 - отверстие
в наконечнике диаметром 125±2 мкм;
3 - керамический наконечник из
двуокиси циркония диаметром 2,5
мм; 4 - сердцевина волокна диа-
метром 8...9 мкм; 5 - волокно
диаметром 125±1 мкм [3]
9.4. Сварка волокон
Строительные длины ВОК составляют обычно 1,1; 2,2 и 5 км, а длина
ретрансляционного участка может превышать сотню километров. Поэтому
ВОК должны соединяться между собой. Наиболее высокое качество соедине-
ний волокон, входящих в состав ВОК, достигается при их сварке. Средние по-
тери в сростках одномодовых ОВ составляют в настоящее время около 0,02 дБ,
а прочность сростков такова, что при прикладывании к ним растягивающей на-
грузки, сростки волокон чаще всего выдерживают ~ 30 Н .
Процесс сварки состоит из трех этапов:
- подготовка волокон - удаление защитной оболочки, удаление загрязне-
ний с очищенных боковых поверхностей и скола очищенных волокон;
- непосредственно процесс сварки и оценка качества (инспекция) сварно-
го соединения;
- защита оголенного участка волокна от механического воздействия и
влияния окружающей среды посредством нанесения новой защитной оболочки
(например, с помощью термоусадочной гильзы).
Сам процесс сварки заключается в сближении волокон с предварительно
подготовленными торцевыми поверхностями на заданное расстояние, центри-
ровании осей волокон вдоль горизонтальной оси и последующем создании ду-
гового разряда между электродами.
Создание сростков волокон с малыми потерями осложняется из-за наличия
эксцентриситета между сердцевиной и кварцевой оболочкой. Если не произво-
дить коррекцию эксцентриситета, то сердцевины волокон в сростках могут быть
смещены друг относительно друга на величину порядка 1 мкм, что приведет к
потерям ~ 0,16 дБ на каждую сварку. Юстировка волокон в сварочных аппаратах
осуществляется либо по интенсивности света, проходящего через место соеди-
нения волокон в процессе их сварки (ZJD-системы - local light injection and detec-
tion), либо по их изображению (PzfS-системы - profile alignment system).
L/D-система схематически проиллюстрирована на рис. 9.19. Её достоин-
ством является то, что в ней осуществляется прямое измерение потерь в месте
соединения волокон. В настоящее время эта система используется в сварочных
аппаратах фирмы Siemens (Coming). Однако LID-система обладает рядом суще-
ственных недостатков, например: высокими требованиями к качеству скола
торцов волокон; проблемами, возникающими при вводе и выводе излучения
через полимерную защитную оболочку волокна, а также через кварцевую тех-
нологическую оболочку волокна со сложным профилем ПП. Поэтому большин-
ство производителей сварочных аппаратов предпочитает осуществлять юсти-
ровку волокон по их изображению.
Рис. 9.19. Схема юстировки волокон по интенсивности прошедшего света (LZD-система): 1 -
первое волокно; 2 - электроды; 3 - изгибный ответвитель; 4 - второе волокно; 5 -
фотоприемник; 6 - источник света [3]
Наибольшее распространение получила система PAS, которая применяет-
ся, например, в сварочных аппаратах японских компаний Furukawa s-175,
Fujikura FSM-40S. В PAS-системе волокно действует как цилиндрическая линза
(рис. 9.20).
Параллельный
пучок света
а
сердцевины
в
Рис. 9.20. Схема юстировки волокон по сердцевине: а - схема наблюдения изображения во-
локон; б - схема формирования изображения сердцевины; в - изображение волок-
на на дисплее[3]
При освещении волокна сбоку пучком параллельного света формируется
изображение, в котором видны границы оболочки и сердцевины и, таким обра-
зом, содержится информация об эксцентриситете соединяемых волокон. Про-
граммное обеспечение позволяет расшифровать полученное изображение, смо-
делировать (с учетом типа волокон) процесс их сварки и рассчитать расстояние,
на которое надо предварительно развести сердцевины волокон так, чтобы силы
поверхностного натяжения сместили их при сварке. В отличие от £Ю-системы
в данном случае осуществляется лишь оценка потерь в свариваемом соедине-
нии. На рис. 9.21 приведен примерный вид основных дефектов сварных соеди-
нений волокон.
Смещение Искривление Перекос Бочка Перетяжка Пузырь
сердцевины сердцевины
Рис. 9.21, Вид основных дефектов сварных соединений волокон на экране автоматизирован-
ного сварочного аппарата
Для создания высококачественного сварного соединения волокон недос-
таточно установить режим, соответствующий типу свариваемых волокон. Не-
обходимо еше скорректировать мощность дуги и положение торцевых поверх-
ностей волокон относительно центра дуги с учетом изменения параметров ок-
ружающей среды, износа электродов и разной температурной зависимостью
вязкости у свариваемых волокон. В последних моделях сварочных аппаратов
функция самотестирования осуществляется автоматически, что приводит к то-
му, что уровень потерь обычно не превышает 0,02 дБ.
Полные потери, вносимые линией связи длиной L, складываются из по-
гонных потерь в строительных длинах оптического кабеля - qB-L, в сварных со-
единениях волокон Осв и потерь в разъемных соединениях на концах линии -
Ораз (рис. 9.16):
а (дБ) = qBL + (N+ 1) + 2 араз, (9.7)
где qa - погонные потери в волокне (дБ/км);
N = L/Ln - число строительных длин оптических кабелей, уложенных в
линию связи;
L„ - едирничная строительная длина оптического кабеля.
9.5. Волоконно-оптические разветвители, ответвители
и соединители
Одними из наиболее важных пассивных компонентов ВОСПИ являются
разветвители и соединители, которые относятся к устройствам, выполняющим
соответственно пространственное разделение оптического сигнала по несколь-
ким каналам и объединение сигналов различных каналов в один канал. Среди
данных устройств особое место занимает разновидность разветвителя, извест-
ного как Х-образный ответвитель и выполненного в виде направленного ответ-
вителя имеющего два входных и два выходных развязанных между собой кана-
лов (ответвитель 2x2). Следует различать направленные и двунаправленные
разветвители. В двунаправленном разветвителе каждый полюс может работать
на прием, передачу или на прием и передачу сигнала одновременно, позволяя
менять местами группы передающих и принимающих каналов. Наиболее рас-
пространенные конфигурации ответвителей приведены на рис. 9.22.
Рис. 9.22. Наиболее распространенные конфигурации ответвителей: а - трехпортовый древо-
видный; б — четырехпортовый древовидный; в - звездообразный; г — направлен-
ный, д и е - многоволновые ответвители [21]
Древовидный ответвитель приведен на рис. 9.22, а и 9.22, б. Трехпорто-
вый ответвитель (его иногда называют Т-ответвитель) позволяет разделять
мощность, поступающую с передающего кабеля порт А на два порта 7 и 2 в со-
ответствии с заданным коэффициентом деления мощности, обычно равным 1:1
или 1:п, где п - некая дробь. В четырехпортовом ответвителе (рис. 9.22, б)
мощность от второго передающего ВОК (порт В) может быть введена в основ-
ной кабель (от порта А к порту 7), в то время как равное значение мощности от-
деляется (от порта 2). Примерами использования трех- и четырехпортовых от-
ветвителей может служить ввод дополнительного излучения или вывод части
излучения, дуплексная связь по многомодовому ОВ, организация подключений
к локальным линиям и т. д.
Звездообразный ответвитель (рис. 9.22, в) представляет собой много-
портовый ответвитель, который позволяет осуществлять разделение мощности
от одного из N передающих портов (от А до Z) на равные части для каждого из
N принимающих портов (от 7 до N).
Направленный ответвитель (рис. 9.22, г) представляет собой трехпорто-
вый ответвитель, который позволяет передавать мощность в одном направле-
нии (от порта А до порта 7), тогда как мощность той же длины волны принима-
ется с другого направления и передается с порта 7 на порт В. В этом случае, в
отличие от Т-ответвителя, потерь распределения не происходит, а имеют место
только небольшие избыточные потери и вносимые потери разъема (коннекто-
ра). Вариантами использования направленных ответвителей являются оптиче-
ский рефлектометр, дуплексная связь по одному волокну.
Многоволновый ответвитель (рис. 9.22, д, е) — это ответвитель, в котором
распределение мощности зависит от длины волны. Этот ответвитель с тремя
портами позволяет:
- передавать мощность в одном направлении по волокну от порта А до
порта 7, а мощность отличной длины волны принимать с другого направления —
от порта 1 на порт В. В отличие от Т-ответвителя, который осуществляет разде-
ление мощности, данный ответвитель направляет мощность определенной дли-
ны волны в определенном направлении подобно призме. При этом потерь рас-
пределения нет, а имеют место только небольшие избыточные потери и вноси-
мые потери коннектора;
- передавать мощность от нескольких источников с разными длинами
волн на один ВОК (рис. 9.22, е).
Для примера рассмотрим принцип получения и работы ответвителя 2x2.
Такие ответвители получают, когда пара волокон, уложенных параллельно друг
другу, вытягивается в дуге высокочастотного разряда или в пламени кислород-
но-водородной горелки. При этом участки волокна, находящиеся в горячей зо-
не, утоньшаются и сплавляются между собой (рис. 9.23).
Рис. 9.23. Схема сварного ответвителя 2Х2:1 - конический переход; 2 - сварная зона [3]
В сварном ответвителе каждое из волокон образует адиабатический би-
конический переход (рис. 9.24). Он представляет собой два пологих конических
перехода, между которыми расположена перетяжка. Диаметр перетяжки изме-
няется при вытяжке ответвителя по экспоненциальному закону
г/ = Пехр(-£/26), (9.8)
где D - диаметр кварцевого волокна, мкм;
L - длина вытяжки, мм;
b - ширина сварной зоны, мм.
Когда диаметр перетяжки уменьшается примерно до 7...5 мм, нормализо-
ванная частота значительно уменьшается, мода волокна перестает удерживать-
ся сердцевиной волокна и поле выходит даже из кварцевой оболочки волокна.
Так как волокна в перетяжке ответвителя сплавлены, то мощность излучения
начинает перекачиваться из одного волокна в другое.
Рис. 9.24. Схема, показывающая изменение модового пятна в биконическом переходе: 1 -
конический переход; 2 — перетяжка; 3 - сердцевина; 4 - оболочка
Коэффициент пропускания (7) ответвителя 2x2 изменяется при измене-
нии интегрального коэффициента связи ф по гармоническому закону
Т=РХ/ Ро = соз2ф. (9.9)
Величина интегрального коэффициента связи экспоненциально увеличи-
вается при увеличении длины вытяжки, что приводит к экспоненциальной за-
висимости периода коэффициента пропускания от длины вытяжки. На рис. 9.25
представлены зависимости коэффициента пропускания от длины вытяжки для
Рис. 9.25. Зависимость коэффициента пропускания Т сильно сплавленного симметричного
ответвителя от длины вытяжки [3]
Стрелками указаны характерные точки при остановке, в которых получа-
ются ответвители с нужными для практических применений характеристиками.
Во многих устройствах используются ответвители, которые делят мощность
пополам (3 дБ - ответвитель). На длине волны 1,3 мкм 3-децибельный ответви-
тель получается, если длину вытяжки остановить в точке А. В этой точке коэф-
фициент пропускания на Х=1,3 мкм равен 50 %. Однако при этой длине вытяж-
I ки коэффициент пропускания на к=1,55 мкм равен 37 %, т.е. на этой длине вол-
ны ответвитель уже не делит мощность пополам. Следует отметить, что коэф-
фициент пропускания линейно зависит от длины волны, и этот факт можно ис-
пользовать для определения длины вытяжки для выбранной длины волны.
* Другое важное для практики устройство получается, когда вытяжка оста-
навливается в точке В (рис. 9.25). В этой точке коэффициент пропускания равен
100 % на Х=1,55 мкм и 0 % на Х.=1,3 мкм. Такие ответвители применяются в
ВОСПИ со спектральным уплотнением каналов.
В ряде систем необходимо ответвить излучение на одной длине волны, а
на другой пропустить через ответвитель излучение с близкой длиной волны.
Например, в эрбиевом усилителе, где накачку осуществляют на Х=1,48 мкм, а
усиление происходит в области длин волн ~ 1,55 мкм. В рассматриваемой мо-
дели ответвителя необходимую для этого спектральную характеристику коэф-
фициента пропускания, представленную на рис. 9.26, удается получить при
длине вытяжки 8,35 мм.
Рис. 9.26. Зависимость коэффициента пропускания при большой длине вытяжки [3]
9.6. Волоконно-оптические фильтры
j Оптические фильтры (или волновые селекторы) предназначены для целе-
направленной передачи или отклонения оптических сигналов определенных
диапазонов длин волн [21]. В зависимости от передаваемых в окне прозрачно-
сти фильтра длин волн различают коротковолновые, длинноволновые и полос-
ковые фильтры. Одной из наиболее перспективных технологий создания опти-
ческих фильтров является технология интерференционных покрытий, заклю-
чающаяся в многослойном напылении тонких слоев диэлектрика на стеклянные
Рис. 9.27. Интерференционные волоконно-
оптические фильтры: 1 - коллими-
рующая линза; 2 - интерференци-
онный фильтр; 3 - центрирующая
втулка, 4 - волоконный коллиматор
[21]
208
пластины, линзы или волокна. Различают также фильтры с фиксированной ха-
рактеристикой и настраиваемые волоконно-оптические фильтры.
Фильтры с фиксированной областью передачи длин волн могут осущест-
влять ограничение либо с одной стороны, либо с двух сторон диапазона длин
волн. В последнем случае полоса пропускания составляет от 1 нм (узкая полоса
пропускания) до 60 нм (широкая полоса пропускания). При этом центральная
длина волны и форма полосы могут управляться очень точно в процессе нане-
сения покрытия, обеспечивая резкий и хорошо определенный переход на гра-
ница полосы фильтрации.
На рис. 9.27 показаны три способа возможной реализации волоконно-
оптических фильтров, из которых лучшими характеристиками обладают те, в
которых интерференционное покрытие наносится на стеклянную подложку, ус-
тановленную под углом к паре волоконных коллиматоров. Коллимирующие
линзы используются для того, чтобы обеспечить широкополосность фильтра в
1 310 нм и 1 550 нм окнах. В качестве альтернативы, хотя более трудновыпол-
нимой, нанесение покрытия может осуществляться на поверхность коллими-
рующей линзы, специальной втулки или торца волокна. При этом для снижения
обратного отражения сигнала в системе юстировки используются антиотража-
тельные покрытия.
Так как односторонние фильтры характеризуются значительной полосой
пропускания рабочих длин волн, они носят название широкополосных фильт-
ров, и, как правило, используются в одноименных ИФМ-системах передачи.
Кроме того, они могут быть использованы для изоляции сигналов оптического
рефлектометра от сигналов передачи в системах активного тестирования опти-
ческих волокон.
Для примера в табл. 9.4. приведены параметры фиксированного оптиче-
ского фильтра компании DiCon. Данный фильтр представляет собой двухчас-
тотное устройство, которое использует коротковолновый или длинноволновый
широкополосный фильтрующий элемент, обеспечивающий прохождение или
подавление света в широких спектральных окнах. На рис. 9.28 приведены ха-
рактеристики длинноволнового а и коротковолнового б фиксированных опти-
ческих фильтров, которые показывают, что в первом случае фильтр пропускает
длины волн более 1,4 мкм, а во втором - до 1,4 мкм. Данное устройство осно-
вано на стабильных тонкопленочных фильтрующих элементах, расположенных
между двумя волоконно-оптическими коллиматорами, и размещается в миниа-
тюрном корпусе, обеспечивающем высокую стабильность к изменению усло-
вий окружающей среды. При этом следует иметь ввиду, что изоляция опреде-
ляет степень, до которой нежелательные каналы ослабляются на каждом канале
добавления/устранения.
Таблица 9.4
Параметры фильтра компании DiCon [21 ’
Наименование параметра Значение параметра
Полоса рабочих частот фильтра, нм 1260...1360, 1260...1570, 1530...1570, 1610...1660
Изоляция, дБ не хуже 45
Типовые вносимые потери, дБ 0,7
Максимальные вносимые потери, дБ 1,0
Максимальный уровень обратного отражения, дБ -50
Тип волокна 9/125 SM-28
Рабочая температура, °C -20...+75
а
Рис. 9.28. Основные характеристики длинноволнового (я) и коротковолнового (6) фиксиро-
ванного оптического фильтра
В отличие от широкополосных фильтров узкополосные фильтры пропус-
кают длины волн одного диапазона, отвергая соседние. Они используются для
изоляции сигнала в системах WDM и для исключения на выходе волоконно-
оптических усилителей и лазеров сигналов нежелательных длин волн.
Интерференционные фильтры могут также использоваться в качестве де-
шевых узкополосных настраиваемых волоконно-оптических фильтров. Выбор
длины волны в таких фильтрах может осуществляться с изменением угла на-
клона плоскости фильтра к оси коллимирующих линз (рис. 9.29, а), его линей-
ным перемещением (рис. 9.29, 6) или вращением (рис. 9.29, в). В первом случае
длина волны пропускания фильтром описывается уравнением
кф = X0(l-Ksin2<p)1/2, (9.10)
•V
210
где Ао и Хф - центральная длина волны при нормальном падении и при паде-
нии под углом <р;
к - коэффициент.
в
рис. 9.29. Перестраиваемые интерференци-
онные волоконно-оптические
фильтры: 1 - коллимирующая
линза; 2 - интерференционный
фильтр [21]
Для примера на рис. 9.30 приведены характеристики перестраиваемого
фильтра, которые показывают, что в зависимости от настройки ширина полосы
пропускания света может меняться от 7 до 13 мкм. При этом настройка фильтра
выполняется или вручную посредством микропозиционирующего устройства,
или с помощью электрического привода. Переменный фильтр с линейным пере-
мещением, также как и с угловым перемещением, обеспечивает низкие вноси-
длин волн (до 0,05 нм).
Рис. 9.30.
Длина волны, нм
Характеристика од-
ного из перестраи-
ваемых оптических
фильтров компании
DiCon: 1 - ширина
полосы пропуска-
ния света 7 мкм; 2 -
ширина полосы
13 мкм [21]
9.7. Системы WDM, мультиплексоры и демультиплексоры
Пропускная способность первых ВОСПИ в конце 70-х годов составляла
~ 8 Мбит/с, а в начале 90-х годов она возросла до нескольких сотен Мбит/с. В
1995 г. пропускная способность на одно волокно составляла уже 2,5 Гбит/с, а к
1998 г. она увеличилась до 10 Гбит/с не на одно волокно, а на одну длину вол-
ны в связи с использованием спектрального уплотнения каналов по длинам
волн (WDM- Wave Division Multiplexing}, когда независимая информация стала
передаваться не по индивидуальному волокну, а на собственной длине волны.
В современных ИТЭМ-системах емкость в одном волокне превысила 2,46 Тбит/с
(тера - 1012). Принцип работы системы WDMвиден из рис. 9.31.
Рис. 9.31. Принцип работы системы со спектральным уплотнением по длинам волн (WDM):
1 - источник информации; 2 - лазерный диод; 3 - мультиплексор; 4 - оптический
усилитель мощности; 5 - линейные оптические усилители; 6 - оптический преду-
силитель; 7 - демультиплексор; 8 - фильтр; 9 — фотодиод; 10 - приемник инфор-
мации [21]
Выделяют три основных достоинства технологии WDM'.
- пропускную способность транспортной сети с WDM можно наращивать,
умножая число длин волн N, передаваемых по одному волокну, на скорость пе-
редачи линии В на одной длине волны, т.е.
C = NB-, (9.11)
- транспортные сети, основанные на технологии WDM, обладают боль-
шой гибкостью, так как каждый спектральный канал можно использовать неза-
висимо для передачи различных видов трафиков (например, на одной длине
волны можно передавать Internet, на другой - SONET и т. д.). При этом можно
строить различные, более сложные виртуальные сети;
- сигналы, передаваемые по одному волокну, во всех спектральных кана-
лах можно усиливать с помощью одного оптического усилителя. Этим оптиче-
ские усилители выгодно отличаются от ретрансляторов, где для каждого спек-
трального канала необходимо использовать отдельный электрический усилитель.
В зависимости от интервала частот между спектральными каналами WDM
системы делятся на два класса: системы плотного спектрального уплотнения
(Dense- WDM (DWDM)} с числом каналов более 80 и редкого спектрального уп-
лотнения (coarse-WDM (CWDM)) с числом каналов менее 40. Основными уст-
ройствами системы WDM являются мультиплексоры или демультиплексоры -
устройства, обеспечивающие добавление или устранение дополнительных ка-
налов в линии связи. Схема работы мультиплексора и демультиплексора при-
ведена на рис. 9.32.
Рис. 9.32. Схема уплотнения каналов по длинам волн (WDM): 1 - мультиплексор; 2 - демуль-
типлексор [3]
Полосой пропускания канала называют диапазон длин волн, в котором
данный порт мультиплексора имеет низкие потери и для которого определены
вариации центральной длины волны используемого лазера. Дальнейшее узко-
полосное выделение необходимой длины волны возможно с помощью оптиче-
ских фильтров, рассмотренных в разделе 8.5.
9.8. Оптические изоляторы
В общем случае изолятор представляет собой независимое оптическое
устройство, характеристики которого изменяются, если его вход и выход поме-
нять местами, поэтому изолятор служит для передачи оптической мощности в
одном направлении [21]. Изоляторы обычно используются для того, чтобы из-
бежать попадания отраженных оптических лучей на лазер, так как это приводит
к возникновению дополнительного шума в системе передачи.
Работа большинства оптических изоляторов основана на эффекте Фарадея.
Этот эффект заключается в том, что магнитооптические материалы, помещен-
ные в магнитное поле, способны вращать плоскость поляризации света, распро-
страняющегося вдоль направления поля. Угол поворота плоскости поляризации
0 определяется выражением
G=V-HL, (9.12)
где V- постоянная Верде, равная 2-10“ 4Э-1-м-1);
Н- напряженность магнитного поля, А/м;
L - длина пути света в материале, м.
Постоянная Верде зависит от природы материала, температуры и длины волны
света. Постоянная Верде для диамагнитной составляющей кварцевого стекла
записывается следующим образом:
V = 0,813-yl-(9.13)
где Хр - рабочая длина волны и Хо = 0,118 мкм.
ОВ, сохраняющие поляризацию, по характеру ДЛП делятся на волокна с
линейным ДЛП, которые можно рассматривать как распределенную фазовую
пластинку, и ОВ с круговым ДЛП, наведенным путем упругого закручивания
волокна вокруг своей оси, и рассматриваемым как оптический вращатель. В
первом случае состояние поляризации света определяется как поляризацией из-
лучения на входе в волокно, так и ориентацией главных осей фазовой пластин-
ки - ОВ. Если поляризация на входе линейная и ориентирована под углом 45° к
главным осям, то состояние поляризации будет периодически меняться вдоль
ОВ и будут наблюдаться так называемые биения между поляризационными мо-
дами с периодом (см. раздел 6.1):
£6=2л/Др, (9.14)
где др = pi - р2 — разность постоянных распространения двух ортогонально
поляризационных мод. Поэтому в однородном магнитном поле угол поворота
плоскости поляризации не зависит от длины волокна и эффект накопления по-
ворота плоскости поляризации не наблюдается.
Во втором случае при распространении по ОВ поляризованного света из-
меняется только азимут осей эллипса поляризации, и поэтому в однородном
магнитном поле угол поворота плоскости поляризации увеличивается с ростом
длины волокна в jV = L / 2я-г раз при тороидальной намотке токопровода на ка-
тушку ОВ. Здесь L и г — соответственно длина и радиус намотки ОВ. В этом
случае угол поворота плоскости поляризации будет определяться уравнением
0 = 2п- VH -N-r, (9.15)
а диапазон его изменения может варьироваться выбором значений Nur.
Таким образом, ряд объемных и волоконно-оптических элементов обла-
дает способностью вращения плоскости поляризации распространяющейся в
них световой волны. Поэтому компоненты волоконной оптики, выполненные
на основе таких элементов, носят название оптических вращателей (ротаторов).
Если обеспечить угол поворота плоскости поляризации светового луча за один
проход по оптическому вращателю в прямом и обратном направлениях, равным
45°, то при появлении в волокне отраженного излучения его плоскость поляри-
зации повернется на 90°. Поэтому при установке на входе и выходе вращателя
поляризатора и анализатора и обеспечении угла между их плоскостями поляри-
зации равным 45°, отраженный свет на входе поляризатора будет полностью
подавлен. Следовательно, оптический изолятор должен включать установлен-
ные по ходу светового луча поляризатор, элемент вращения плоскости поляри-
зации и анализатор, главная ось которого должна составлять 45° к оси поляри-
затора (рис. 9.33).
Расчеты, выполненные по уравнению (9.14), показывают, что для рабочей
длины волны 1,5 мкм и напряженности магнитного поля 500 э = 0,05 Тл длина
кварцевого волокна должна составлять ~ 1, 8 м для обеспечения угла поворота
плоскости поляризации на 45°. Поэтому часто в оптических изоляторах в каче-
стве магнитооптического материала используют прозрачные ферриты (напри-
мер, гранатоферрит).
Рис. 9.33. Оптический изолятор: 1 г поляризатор; 2 - постоянный магнит; 3 - анализатор; 4 -
магнитооптическое вещество [21]
Для обеспечения высокой эффективности подавления отраженных волн
изолятор должен иметь минимальные вносимые потери, малую зависимость от
температуры окружающей длины, высокий уровень обратных потерь и как
можно более высокую изоляцию в диапазоне длин волн, определяемом его
применением. Так, в источниках оптического излучения изолятор должен иметь
полосу частот изоляции, соответствующую 1-2 % частоты излучения, а в воло-
конно-оптических усилителях - во всем диапазоне оптического сигнала. По
этой причине изоляторы делятся на узкополосные и широкополосные. Для
примера, в табл. 9.4 представлены основные данные изоляторов компании AFO,
которые применяются в системах ВОСПИ.
Таблица 9.4
Основные характеристики изоляторов (В) компании AFO
Характеристики Значения
Стандартный Улучшенный
Изоляция номинальная, дБ >42 >55
Изоляция минимальная, дБ >30 >45
Полоса длин волн, нм 30 60
Вносимые потери номин., дБ 0,3 0,4
Вносимые потери максим, дБ 0,5 0,6
Длина волны, нм 1310...1550
Диапазон раб. температур, °C -20...+60
Максимальная мощность, мВт 200
Длина волокна, м 2
Перечисленные параметры имеют следующий смысл:
Изоляция - это термин, определяющий степень, до которой ослабляются
обратно отраженные сигналы.
Полоса длин волн - это диапазон длин волн, в котором изолятор имеет
низкие потери и для которого определены параметры изолятора.
Вносимые потери - показатель потерь вставки, который измеряется для
всех длин волн в области полосы пропускания канала. Обычно это значение
равно потерям вставки в точке пиковой мощности плюс 0,5 дБ.
По сравнению с вышеописанным изолятором менее эффективная, но бо-
лее дешевая конструкция изолятора основана на использовании поляризатора и
четвертьволновой пластины (рис. 9.34), так как после прохождения этих двух
элементов свет приобретает круговую поляризацию.
Рис. 9.34. Изолятор на четвертьволновой пластине: 1 - оптическое волокно; 2 - четвертьвол-
новая пластина; 3 - поляризатор [21]
Поэтому когда свет отражается от стеклянной поверхности, он сохраняет
круговую поляризацию, но с противоположным направлением вращения. Сле-
довательно, при прохождении света через пластину в обратном направлении
происходит восстановление линейной поляризации, но с ориентацией, перпен-
дикулярной исходной. В результате на входе поляризатора мощность отражен-
ного сигнала в идеале будет равна нулю. В отличие от изолятра на эффекте Фа-
радея этот изолятор является обратимым, поэтому любое изменение поляриза-
ции отраженного света может создать утечку мощности назад к источнику.
Кроме того, на практике в данную систему необходимо ввести коллиматор для
того, чтобы сформировать параллельный луч на входе волокна.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Мир вступил в информационную эру. Это означает, что уровень развития
любой страны будет определяться уровнем информации, и здесь решающее
слово за волоконно-оптическими системами передачи информации (ВОСПИ).
За последние 30 лет (с середины 70-х годов XX века по настоящее время) они
заняли определяющее место в системах связи, полностью окольцевав земной
шар. Это достигнуто благодаря большим успехам в разработке прежде всего:
одномодовых оптических волокон с малыми потерями (до 0,2 дБ/км на
Х= 1,55 мкм) и эрбиевого волоконно-оптического усилителя, а также методов
компенсации дисперсии световых импульсов, что увеличило длину ретрансля-
ционных участков до 200 км;
одномодовых одночастотных лазерных диодов с точностью расположе-
ния рабочих длин волн ~ 1 А и других полупроводниковых компонентов;
системы спектрального уплотнения каналов, позволившей увеличить
пропускную способность линий с 8 Мб/с до 100 и более Гб/с (т.е. почти на 5
порядков).
Успехи в технологии ОВ позволили практически убрать полосу поглоще-
ния гидроксильными ионами на X = 1,38 мкм, в результате спектральная об-
ласть с оптическими потерями < 0,3 дБ/км составляет примерно 500 нм
(1200... 1700 нм). Использование столь широкой полосы в системах со спек-
тральным уплотнением каналов, по мнению академика Е.М. Дианова, "позво-
лит в скором будующем получать скорости передачи информации ~ 1 петабит/с
(1015 бит/с)".
Некоторый спад в развитии ВОСПИ, наблюдавшийся в 2003-2004 гг., в
настоящее время преодолён и заметен небольшой, но устойчивый рост. Объяс-
нением этого может служить эмпирический закон Мура, утверждающий что
потоки информации возрастают на порядок каждые 10 лет. Широкую междуна-
родную поддержку получила программа "волокно в каждый дом", трафик кото-
рой предусматривает подачу по волокну телевидения высокой четкости, теле-
фонной и телеграфной связи, интернет и т. д. В докладе на международной
конференции OFC-2006 отмечалось, что сейчас в Японии пользователями этой
программы являются около 5 млн и к 2015 г. их число увеличится до 30 млн.
Помимо телекоммуникации оптические волокна находят широкое приме-
нение в локальных вычислительных сетях и в волоконно-оптических датчиках
(ВОД) и устройствах различного назначения. Последнее потребовало разработ-
ки специальных оптических волокон, основные из которых описаны в настоя-
щем учебном пособии. Хотя данное пособие предназначено прежде всего для
студентов, аспирантов и преподавателей вузов, по мнению авторов, оно может
оказаться полезным для научных сотрудников и инженеров, специализирующих-
ся в области технологии и применения волоконно-оптической техники.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Йоргачев, Д.В. Волоконно-оптические кабели и линии связи /
Д.В. Йоргачев, О.В. Бондаренко. - М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2002. - 282 с.
2. Дианов, Е.М. От тера-эры к пета-эре // Е.М. Дианов. - Фотон-экспресс:
науч.-тех. журн. - М.: 2006. № 1 (49). - С. 6-9.
3. Листвин, А.В. Оптические волокна для линий связи /А.В. Листвин,
В.Н. Листвин, Д.В. Швыдков. -М.: ЛЕСАР арт., 2003. - 288 с.
4. Химическая технология стекла и ситаллов : учеб, пособие для вузов
/ под общ. ред. Н.М. Павлушкина. М.: Стройиздат, 1983. - 240 с.
5. Гурьянов, АЛ. Волоконные световоды для систем передачи информа-
ции : учеб, пособие для вузов / А.Н. Гурьянов, А.С. Раевский. - Н.-Новгород:
НГТУ, 2003.-123 с.
6. Григорьянц, В.В. Одномодовые волоконные световоды : сб. науч. тр.
Итоги науки и техники, серия Связь, т. 1 / В.В Григорьянц., Г.А. Иванов,
Ю.К. Чаморовский. - М.: ВИНИТИ, 1988. - С. 67-114.
7. Гол ант, К.М. Волоконные световоды с малыми потерями, сформиро-
ванные плазмохимическим осаждением кварцевого стекла в СВЧ-разрядах : ав-
тореф. дис.... д.ф.-м.н. / Голант Константин Михайлович. - М., 1996. - 54 с.
8. Шевандин, В.С. Кварцевые волоконные световоды с особыми оптиче-
скими и механическими свойствами: дис. ... д.т.н. / Шевандин Виктор Сергее-
вич. - СПб., 2007. - 356 с.
9. Сорокин, Ю.М. Оптические потери в световодах: монография /
Ю.М. Сорокин, В.С. Ширяев. - Н.-Новгород: ННГУ, 2000. - 324 с.
10. Курков, А.С. Непрерывные волоконные лазеры средней мощности /
А.С. Курков, Е.М. Дианов // Квантовая электроника. - 2004. - №10(34). - С.
881-900.
11,. Васильев, С.А. Фотоиндуцированные волоконные решетки показа-
теля применения и их применение / С.А. Васильев, О.И. Медведев, И.Г. Коро-
лев, Е.М. Дианов И Фотон-экспресс: науч.-тех. журн. - М.:2004. - № 6 (38). -
С. 163-183.
12. Буфетов, И.А. Непрерывные рамановские волоконные лазеры и уси-
лители / И.А. Буфетов, Е.М. Дианов И Фотон-экспресс: науч.-тех. журн. - М.:
2004.- № 6 (38). - С. 112-148.
13. Неуструев, В.Б. Центры окраски германосиликатного стекла и воло-
конных световодов / В.Б. Неуструев // Волоконно-оптические технологии, ма-
териалы и устройства: сб. науч. труд. - М., 2000. — № 3. - С. 12-34.
14. Долгов, И.И. Радиационно-стойкие одномодовые оптические волокна с
кварцевой сердцевиной / И.И. Долгов, Г.А. Иванов, Ю.К. Чаморовский,
М.Я. Яковлев // Фотон-экспресс: науч.-тех. журн. - М.: 2005. - № 6 (46). - С. 4-ИО.
15. Бирюков, А.С. Волоконные световоды на основе фотонных кристал-
лов / А.С. Бирюков, Е.М. Дианов // Волоконно-оптические технологии, мате-
риалы и устройства: сб. науч. труд. - М., 2002. - № 5. - С. 6-16.
16. Базаров, Е.Н. Теоретические основы волоконно-оптической техники :
учеб, пособие для вузов / Е.Н. Базаров, В.Д. Бурков, А.Д. Шатров. — М.: МГУЛ,
2004.-190 с.
17. Дианов, Е.М. Инфракрасные волоконные световоды / Е.М. Дианов.
В.Г. Плотииченко. - М.: Знание, 1991. - 64 с.
18. Скрипачев, Н.В. Высокочистые стекла систем As-S, As-Se и Ge-As-
Se для волоконной оптики; автореф. дис. ... д.х.н.: 10.12.99 / Скрипачев Игорь
Владимирович. - Н.-Новгород, 1999. -47 с.
19. Бутвина, Л.Н. Кристаллические ИК-световоды / Л.Н. Бутвина // Фо-
тон-экспресс; науч.-тех. журн.-М.; 2004.-X? 6 (38). - С, 43-49.
20. Листвин, А.В. Рефлектометрия оптических волокон / А.В. Листвин,
В.Н. Листвин. -М.: ЛЕСАР арт.^ 2005. - 208 с.
21. Иванов, А.Б. Волоконная оптика (компоненты, системы передачи,
измерения) / А.Б. Иванов. - М.; компания САЙРУС СИСТЕМС, 1999. -571с.
22- Красюк, Б,А. Оптические системы связи и световодные датчики (во-
просы технологии) / Б.А. Красюк. Г.И. Корнеев. - М.: Радио и связь, 1985. —
192 с.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ
АкОВ - активное оптическое волокно
АОВ - анизотропное оптическое волокно, сохраняющее поляризацию излу-
чения
В БР — волоконная брэгговская решетка
ВКР - вынужденное комбинационное рассеяние
ВОК — волоконно-оптический кабель
ВОСПИ - волоконно-оптические системы передачи информации
ВО У - волоконно-оптическое устройство
ВЧ-плазма - высокочастотная плазма
ГКДЦ - германиевый кнслородно-дефицитный центр
ДВНД - длина волны нулевой дисперсии
ДЛП - двулучепреломление
ДПВР - длинно периодная волоконная решетка
ЗУП - защитно-упрочняющее покрытие
ИК - инфракрасный диапазон
КД или DCF {dispersion compensating fiber) - волокно, компенсирующее дис-
персию
КВ - кварц, прозрачный в видимой области спектра
КИ —кварц, прозрачный в инфракрасной области спектра
КЛТР - коэффициент линейного термического расширения
КУ - кварц, прозрачный в ультрафиолетовой области спектра
КУВИ - кварц, прозрачный в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной об-
ласти спектра
МкОВ - микроструктурированиое оптическое волокно
Нп - наведенное поглощение
ОВ - оптическое волокно
ОЦ - образование центров кристаллизации
ПП - показатель преломления
ППС - полная пропускная способность
РЗЭ —редкоземельный элемент
РК - рост кристаллов
СВЧ-плазма - сверхвысокочастотная плазма
СИЭЛ -силоксановый эластомер
Tg —температура стеклования
Ts - температура размягчения стекла
УФ -ультрафиолетовый диапазон
ФМ - фазовая модуляция
ЦО - центр окраски
ЧМ — частотная модуляция
ЭАС -эпоксиакрилатиая композиция
APVD (advanced plasma and vapor deposition) — усовершенствованный метод
осаждения при использовании плазмы
АРС (angled physical contact) - оптический разъем, в котором торцы волокон
находятся под углом друг к другу
5(Х) - удельная волноводная (внутримодовая) дисперсия
DS (dispersion shifted) - смещенная дисперсия
DWDM (dense wavelength division multiplexing) — системы с плотным уплотнени-
ем каналов по длинам волн
EDFA (erbium-doped fiber amplifier) - эрбиевые усилители на основе активных
волокон, легированных эрбнем
НВ (high birefringence) - высокое двулучепреломление
HF (holey fiber) - микроструктурированное «дырчатое» волокно со сплошной
сердцевиной
LB (low birefringence) - низкое (малое) двулучепреломление
LD (laser diod)- лазерный днод
LED (light emisson diod)- светодиод
M(X) - удельная материальная дисперсия
MCVD (modified chemical vapor deposition) - модифицированный метод химиче-
ского парофазного осадения
МСР (mode conduction patchcord) - соединительный отрезок волокна («шну-
рок»)
NA - числовая апертура
NZDS (non zero dispersion shifted) — волокно с ненулевой смешенной дисперсией
OTDR (optical time domain reflectometer) - оптический рефлектометр
OVD (outside vapor deposition) - метод внешнего парофазного осаждения
PC (physical contact) - оптический разъем, в котором торцы волокон находятся
на одной оси
PBGF (surface plasma chemical vapor deposition) - микроструктурированное во-
локно с фотонно-запрещенной зоной (с центральным капилляром)
PCVD (plasma chemical vapor deposition)- плазмохнмический вариант парофаз-
ного осаждения
PMCVD (plasma modified chemical vapor deposition) - плазменный вариант ме-
тода MCVD
POD (plasma outside deposition) - плазменный метод внешнего осаждения
SM (single mode) - - одномодовое волокно
SPCVD (surface plasma chemical vapor deposition) - метод химического паро-
фазного осаждения при использовании поверхностной плазмы
VAD (vapor axial deposition) - метод осевого парофазного осаждения
WDM (wavelength division multiplexing) - системы со спектральным уплотнени-
ем каналов (по длинам волн)
221
Оглавление
Введение...............................................:..........3
1. Основы распространения света в ОВ..............................6
1,1. Общие сведения о ВОСПИ.....................................6
1.2. Структура н принцип работы оптического волокна.............8
1.3, Механизмы потерь в оптических волокнах.....................11
1.3.1. Собственные потери......................................11
1.3.2. Изгибные н микроизгибные потери.........................19
1.4. Дисперсия сигнала и способы ее уменьшения.................21
2. Стеклообразное состояние и основные свойства стекол..........27
2.1. Стеклообразное состояние и отличительные признаки стекол..27
2.2, Основные физико-химические свойства стекол................34
2.2.1. Вязкость.............................................. 34
2.2.2. Поверхностное натяжение................................35
2.2.3. Показатель преломления.................................36
2.2.4. Термическое расширение ................................36
2.3. Кварцевое стекло, основные методы его получения и свойства.36
3. Методы получения заготовок кварцевых ОВ.................... 41
3.1. Метод модифицированного химического парофазного осаждения
(ИСТО).........................................................43
3.1.1. Окисление паров галогенидов............................44
3.1.2. Осаждение оксидов................................... 47
3.1.3. Проплавление порошкообразных слоев.....................49
3.1.4. Сжатие трубки в штабик-заготовку.......................50
3.2. Метод внешнего парофазного осаждения (OKD)................53
3.3. Метод парофазного осевого осаждения (PAD).................58
3.4. Плазмохимнческне варианты методов получения заготовок
кварцевых ОВ.................................................. 65
3.4.1. PMCVD и POD методы.....................................65
3.4.2. PSVD метод и его разновидности.........................67
3,5. Жакетирование заготовок...................................72
4. Вытяжка ОВ и их прочностные свойства....................г......74
4.1. Вытяжка оптических волокон................................74
4.2. Прочность ОВ..,...........................................82
5. Телекоммуникационные ОВ.......................................93
5.1. Многомодовые ОВ...........................................93
5.1.1. ОВ типа" кварц-кварц"..................................93
5.1.2. ОВ типа "кварц-полимер"................................97
5,2. Одномодовые ОВ............................................98
6. Специальные ОВ.............................................. 108
6.1. ОВ, сохраняющие поляризацию излучения....................109
6.1.1. ОВ с малым ДЛП...................................... 110
6.1.2. АОВ с большим ДЛП.....................................111
6.1.3. Поляризующие волокна..................................119
APVD
<
APC G
ад-
DS (di
DWD1
EDFA
HB(h
HF (A
LB (k
LD (l<
LEDi
M(X)
MCV
MCP
NA-
NZD
OTD
OVL
PC(
PBG
PCF
PMi
PO)
SM
SP(
VAi
WL
6,2. Активные OB и волоконно-оптические устройства на нх основе.............121
6.2.1. Активные оптические волокна................................. 121
6.2.2. Волоконные брэгговские решетки ПП ...................... 127
6.2.3. Волоконно-оптические лазеры............................... 131
6.2.4. Волоконно-оптические усилители.............................. 134
6.2.5. ВКР волоконно-оптические лазеры........................ .......136
6.3. Радиационно-стойкие оптические волокна...............................139
6.4. Мнкроструктурированные ОВ.................................... 144
7. ОВ для видимого и среднего ИК-диапазонов...................... .....150
7.1. ОВ нз многокомпонентных силикатных стекол................................153
7.1.1. Ионный обмен........................................ ..154
7.1.2. Экстракция....................................... ...156
7.1.3. Синтез стекла.................................... ...........156
7.1.4. Вытяжка оптических волокон.......................... ......158
7.2. Фторидные стекла и ОВ на их основе............................. 161
7.3. Халькогенидные стекла и ОВ на их основе ............... ........166
7.4. ОВ на основе кристаллических материалов .............. .......170
8. Измерение оптических параметров ОВ......................... ......174
8.1. Профиль ПП в заготовках ОВ ................................ 174
8.2. Геометрические размеры ОВ................... ...................175
8.3. Измерение потерь ...................................... ....176
8.4. Числовая апертура ....................................... 180
8.5. Модовое пятно ............’................................. .....180
8.6. Длина волны отсечкн.......................................... ..181
8.7. Межмодовая дисперсия........................................... 182
8.8. Хроматическая дисперсия.................................. 183
9. Компоненты н устройства для ВОСПИ и ВОД....................... .....186
9.1. Источники оптического излучения.................. ................186
9.1.1 .Светодиоды.................................... .......186
9.1.2 . Лазерные дноды ...................................... ..190
9.2. Прнемннкн оптического излучения........................ ............194
9.3. Оптические разъемы................................ .........198
9.4. Сварка волокон............................................. ....201
9.5. Волоконно-оптические разветвители, ответвители и соединители ........204
9.6. Волоконно-оптические фильтры................................... 207
9.7. Системы WDM, мультиплексоры и демультиплексоры.................... .211
9.8. Оптические изоляторы........................................... 212
Заключение................................................... 216
Библиографический список.............................. ........217
Список используемых сокращений..................................... ....219