Лекции по Физико-технологическим основам волоконно-оптической техники   

3. Методы получения заготовок кварцевых ОВ

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 изготовления заготовки световода. Сжатие осуществляется при нагреве трубки перемещающейся горелкой до температуры 2000…2200° С и описывается уравнением Навье — Стокса первого порядка как вязкое течение материала трубки в радиальном направлении с числом Рейнольдса << l под действием разности давлений внутри и снаружи трубки и сил поверхностного натяжения. Скорость сжатия однородных труб определяется уравнением:

/ h (T,C, t)                                       (3.13),

где Р0 и Рi – давление снаружи и внутри трубки в зоне горелки, s - поверхностное натяжение стекла, Rвн. и Rнар. внутренний и наружный радиусы трубки, h - вязкость стекла (как функция температуры, состава и времени). Как показали теоретические и экспериментальные результаты, эллиптичность 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 становиться 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.

Рис. 3.8. Зависимость эллиптичности сердцевины волокон от разности давлений во время процесса сжатия в методе MCVD

Другой важный аспект процесса сжатия – это появление провала в центре профиля ПП в заготовке за счет испарения легирующего компонента. Это проиллюстрировано на рис. 3.9, где показано изменение ПП вдоль заготовки одномодового ОВ с сердцевиной SiO2*GeO2. Существует два альтернативных подхода для устранения этого эффекта. Первый заключается в контролируемой подаче паров галогенида легирующего компонента с кислородом в процессе "сжатия" трубки, но он трудно реализуем экспериментально. Второй способ заключается в стравливании поверхностного слоя сердцевины с помощью фторагента, который подается в трубку во время "сжатия" тогда, когда диаметр отверстия в трубке становится маленьким. Второй способ ведет к появлению более глубокого, но более узкого провала ПП и используется чаще.

Рис. 3.9. Изменение профиля показателя преломления вдоль оси одной из заготовок ОВ.

Следующий момент, характерный для процесса "сжатия", - возможность загрязнения сердцевины заготовки гидроксильными группами, которые могут образовываться в результате взаимодействия паров воды, содержащихся в кислороде в процессе "сжатия", с диоксидом кремния по реакции:

Н2О + ºSi-O-Siº  =  2 [ºSi-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 галогенидах и кислороде и поступающих в трубку.

Для предотвращения попадания гидроксильных групп из трубки в сердцевину используют "безводные" трубы типа "Suprasil F-300", либо формируют более толстую светоотражающую оболочку, например, диаметр которой в 5…7 раз больше диаметра сердцевины в одномодовых ОВ. На рис. 3.10 приведены экспериментальные данные о зависимости величины потерь, связанных с поглощением ОН-группами, от концентрации водород-содержащих веществ (Н2О и СН4) в исходных галогенидах во время осаждения слоев и в кислороде во время "сжатия" трубки. Видно, что водород-содержащие 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:

Cl2 + H2O = 2 HCl + ½ O2                                (3.15).

Поэтому  с целью уменьшения потерь, обусловленных  ОН-группами, в процессе «сжатия» к кислороду добавляют небольшое количество хлор- (Cl2 ~ 5…10 объ. %) или фторагентов. В настоящее время в лучших образцах одномодовых ОВ величина дополнительных потерь на λ = 1.38 мкм не превышает 0,5…1,5 дБ/км, а рекордное значение – 0,31 дБ/км.

Рис. 3.10. Влияние примесей H2O и СН4 в исходных реактивах и в несущем газе во время процессов осаждения и сжатия при изготовлении заготовки на потери в ОВ

                   Несмотря на то, что метод MCVD является одним из первых, предложенных для получения заготовок кварцевых ОВ, он до сих пор имеет широкое распространение (см. рис. 3.1), а в РФ метод MCVD является единственным методом, освоенным промышленностью. Преимуществами этого метода являются: универсальность (т.е. возможность получать заготовки практически для всех видов ОВ) и относительно невысокие требования к чистоте рабочих помещений, поскольку процесс осуществляется внутри трубки. Недостатки метода MCVD - это: малая скорость образования и осаждения оксидов (0,5…2 г/мин), цикличность процесса, необходимость использовать высококачественные дорогостоящие кварцевые опорные трубки.



*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.