Лекции по Физико-технологическим основам волоконно-оптической техники   

6. Специальные ОВ

6.3. Радиационно - стойкие оптические волокна.

Для ряда космических, военных и других применений требуются ОВ, устойчивые к воздействию высоких уровней радиации. Под её воздействием разрушаются химические связи, образующие матрицу стекла, и возникают так называемые центры окраски (ЦО), которые имеют новые уровни энергии электронов (донорные или акцепторные) и между ними возможны новые электронные переходы. Эти ЦО приводят к дополнительным потерям, которые называют наведенным поглощением (НП). Природа и количество ЦО в значительной степени зависит от состава стекол сердцевины и оболочки, а также способа изготовления ОВ.

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 l =1,3 и 1,55 мкм, которые являются "окнами прозрачности" кварцевых ОВ. Подтверждением этому являются данные, приведенные на рис. 6.34, о зависимости НП от дозы облучения на различных длинах волн для ОВ, сердцевина которых легирована GeO2 (концентрация GeO2 ~ 11 мол. %).

Рис. 6.34. Дозные зависимости наведенного поглощения в образцах оптических волокон с концентрацией GeO2~ 11 мол.% на различных длинах волн при γ-облучении (мощность дозы – 2,7 Гр/с)

Поведение кварцевых стекол при g-облучении в значительной степени зависит от содержания в стекле гидроксильных групп, хлора, фтора и т.д. Присутствие ОН-групп уменьшает чувствительность стекла к радиации при малых дозах, а при мегагрейных дозах – увеличивает. Это обусловлено тем, что наличие ОН-групп приводит к росту полосы поглощения немостикового кислорода, в частности, на λ = 0,61 мкм. Присутствие хлора увеличивает потери в ОВ при их облучении.

Рис. 6.35. Зависимости наведенного поглощения на λ = 1,55 мкм от дозы γ-облучения (максимальная доза 5,5×104 Р) для образцов ОВ, при изготовлении которых использовались трубки из стекол: “Suprasil F-300” (1), КС-4В (2) и Гусь-Хрустальное газопламенное (3). Мощность света на выходе ОВ: 3 мкВт (сплошные линии), 440-550 мкВт (пунктирные)

На рис. 6. 35 приведены зависимости НП от дозы g-облучения (максимальная доза ~ 5,5´104 Р) для образцов ОВ, изготовленных при использовании труб разных производителей и имеющих чисто кварцевую сердцевину и светоотражающую оболочку из кварцевого стекла, легированного фтором (Dn ~ 0,01).

Видно, что в начале облучения наблюдается резкое увеличение НП, характерное для кварцевого стекла, а в дальнейшем приведенные зависимости отличаются не только величиной, но и характером поведения. Так, для образцов, полученных при использовании "сухих" труб ("Suprasil F-300") и КС-4В происходит рост НП от дозы облучения, а для образца с использованием трубки Гусь-Хрустального завода, имеющей высокую концентрацию гидроксильных групп, характерно уменьшение НП. Из рис. 6.35 также видно, что увеличение мощности света, пропускаемого по ОВ, ведет к значительному снижению НП. Максимальное НП в ОВ, при изготовлении которых использовались опорные трубки "Suprasil F-300", составило " 2,35 дБ/км  на l = 1,55 мкм при поглощающей дозе 438 Гр и мощности ~ 0,4 Г/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 границах 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 сердцевиной, к нему приближается ОВ, сердцевина которого легирована азотом, а ОВ с германосиликатной сердцевиной имеет значительно большее НП, хотя характер спада НП для всех образцов ОВ близок.

Рис. 6.36. Спектры НП в образцах одномодовых ОВ после γ-облучения (доза – 10 кГр, мощность – 10 Гр/с): 1 - с германосиликатной сердцевиной и фторсиликатной оболочкой, 2 – с кварцевой сердцевиной и фторсиликатной оболочкой, 3 – с сердцевиной, легированной азотом

Принято считать, 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 λ= 0,242 мкм (5,12 эВ) и сопутствующая слабая полоса на λ = 0,33 мкм (3,75 эВ). Предложено несколько гипотетических моделей ГКДЦ (например,

-О-Ge-O-, ≡ Ge- Ge ≡, ≡ Si – Ge – Si ≡  и т.д.), однако однозначного выбора нет.

Исследование поведения многомодовых и одномодовых ОВ при их g - облучении показало, что добавка фосфора как в сердцевину, так и в оболочку увеличивает НП, причем величина НП почти линейно изменяется с дозой облучения. За время более суток после окончания облучения для подавляющего большинства образцов не наблюдается снижение НП (рис. 6.37), а, наоборот, его возрастание. Это объясняют тем, что быстро разрушающиеся кислородно-дефицитные центры переходят в другие более стабильные дефекты, аналогичные 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 быстрому спаду НП в начальный период по сравнению с кварцевой сердцевиной.

Рис. 6.37. Спад НП на λ =0,8 мкм после γ-облучения в образцах ОВ с германосиликатной сердцевиной, дополнительно легированной фосфором от 0 ат. % (1) 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 протяженных линий связи, в которых важна абсолютная величина НП, но не требуется очень быстрого их восстановления, наиболее приемлемым является ОВ с чисто кварцевой сердцевиной. Для коротких, внутри объектовых линий (десятки метров) допустимы гораздо большие коэффициенты затухания, но необходимы значительно меньшие времена восстановления. 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. %.



*****

© 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.