1. Введение
Волоконная оптика — разделоптики, рассматривающий распространение электромагнитных волн оптическогодиапазона по световодам — оптическим волокнам. Конструкция отдельно взятогооптического волокна достаточно проста. Сердечник из оптически более плотногоматериала окружен оболочкой с меньшим коэффициентом преломления и все этопокрыто защитной оболочкой (рис.1). Оптическое волокно — типичныйдиэлектрический волновод электромагнитных волн.
Когда поток света пересекаетграницу раздела двух сред с показателями преломления n1 и n2то, как известно, наблюдаются два явления: преломление и отражение. Еслисветовой поток пересекает границу раздела со стороны оптически более плотнойсреды, то угол преломления больше угла падения. С ростом угла падения преломленныйлуч будет прижиматься к границе раздела. И, наконец, при определенном углепадения, называемом критическим, преломленный луч начнет скользить вдольповерхности раздела.При углах падения, большихкритического, преломленный световой поток отсутствует (в идеализированномслучае), поверхность раздела приобретает свойства зеркала — вся переносимаялучом энергия остается в отраженном потоке. Это явление носит название полноговнутреннего отражения (рис.2). На эффекте полного внутреннего отражения построенывсе оптические волокна. Условно оптическим волокном называют световоды, диаметркоторых менее 0.5 мм.
Традиционные проводные линии, коаксиальныекабели, СВЧ волноводы — все они требуют дорогих и дефицитных материалов, поменьшей мере, меди. Для изготовления стекловолокна нужны окислы кремния — самыераспространенные на Земле вещества. Волокна из прозрачных пластиков также почтине нуждаются в редких материалах. Таким образом, источники сырья дляпроизводства световолокон практически не ограничены. К этому следует добавить,что по диаметру оптические кабели существенно меньше металлических. Материалыоптических кабелей не подвержены коррозии и экологически безопасны.
Волоконно-оптическиекабели не восприимчивы к помехам со стороны электромагнитных полейрадиодиапазонов, и сами не создают таких помех. Поэтому в планеэлектромагнитной совместимости — это идеальные средства передачи информации.Столь же совершенны они и по электробезопасности, поскольку переносимые в нихмощности очень малы.
Для того чтобы передать светна некоторое расстояние необходимо сохранить его мощность. Снизить потери приего передаче можно, во-первых, обеспечив достаточно оптически прозрачную средураспространения, тем самым, сведя к минимуму поглощение волны, и, во-вторых, обеспечитьправильную траекторию движения луча. Первая задача в настоящее время решается спомощью применения высокотехнологичных материалов, таких как чистое кварцевоестекло. Вторая задача решается с помощью закона оптики, описанного выше.
И сердцевина, и оболочкаизготавливаются из стекла или пластика. Наиболее часто (вследствие лучшиххарактеристик) используется оптоволокно типа «стекло-стекло», когдасердцевина и оболочка изготавливаются из особого кварцевого стекла. Понятно,что стекло, используемое для оболочки, должно иметь меньший показательпреломления, чем для сердцевины. Показатель преломления стекла регулируется спомощью легирующих добавок. В оптических волокнах показатели преломлениясердцевины и оболочки различаются на величину порядка 1%.
Затухание в световоде, тоесть потеря мощности светового сигнала происходит, в основном, по двумпричинам: поглощение и рассеивание.
Поглощение связано с возбуждением в материалесветовода электронных переходов и резонансов. В результате этого увеличиваетсятепловая энергия, накапливаемая в оптическом волокне. Поглощение зависит как отсвойств материала, из которого изготавливается оптоволокно, так и от длиныволны источника света.
Рассеивание меньше зависит от свойств материала и,в основном, определяется нарушением геометрической формы оптического волокна.Следствием этих нарушений является то, что часть лучей покидает оптоволокно.Интенсивность рассеивания зависит не только от качества материала, из которогоизготавливается сердцевина волокна, но и от качества оболочки, так как частьсигнала, вопреки геометрической оптики, распространяется в ней (это явлениесвязано с квантовой природой света). Бороться с этим можно за счет нанесения наоболочку поглощающего покрытия.
Гибкиежгуты волокон используются для передачиизображения и света по протяженному каналу. Область применения – медицинские и техническиеэндоскопы, предназначенные для визуального наблюдения внутренних органовчеловека и животного, а также при осмотре деталей конструкций, находящихся втруднодоступных местах (например, двигатели самолетов и автомобилей). Жгуты для передачи изображения имеют(ориентировочно) следующие размеры:
PRIVATEДиаметр жгута, мм
5-100
Диаметр единичного волокна, мкм
2-500
Длина жгута, мм
100-5000
Принципиальная схемапередачи изображения весьма проста: свет, отраженный от предмета, попадает навход светопроводящего жгута, распространяется по нему и выходит спротивоположного конца к приемнику излучения (например, глазу человека) (рис.3).
Диаметр волоконнойжилы может быть весьма мал, т.к. явление прохождения света через стерженьпринципиально не меняется до тех пор, пока диаметр не станет сравнимым сдлинной световой волны — в таком случае законы геометрической оптики теряютсилу, и в значительной мере начинают проявляться волновые свойства света(дифракция). Проходя через оптоволокно диаметром 50 микрон, свет можетпретерпевать от 3000 до 20000 отражений на метр, следовательно, для обеспечениявысокого светопропускания необходима гладкая поверхность и высокая прозрачностьсреды световода, а так же прилегающей к нему среды.
Для передачи изображениянеобходима плотная укладка волокон в жгуты. Если при этом два соседних волокнарасположены на расстоянии менее полуволны проходящего света, то свет можетпросачиваться из одного волокна в соседнее (рис. 4).
Плотно расположенные в жгуте волокна соприкасаютсядруг с другом, и просачивание света наблюдается не только на самой линииконтакта волокон, но и в области, где расстояние между ними меньше половиныволны. Просачивание света значительно ухудшает контраст изображения и понижаетразрешающую силу световода и прибора в целом. Для предупреждения просачиваниясвета волокна необходимо изолировать друг от друга тонкой оболочкой изпрозрачного материала с меньшим показателем преломления, чем у волокон (именнос этой целью на жилу волокна наносится оболочка с близким значением показателяпреломления). Такая оболочка должна обеспечить гладкость и чистоту поверхностисветопроводящей сердцевины волокна, необходимые для исключения световых потерьпри полном внутреннем отражении. Изолированные волокна можно вытягивать из цилиндрической заготовки с сердцевиной изстекла с высоким показателем преломления и оболочкой толщиной 1-2 микрона изстекла с низким показателем преломления. Так же для предотвращения просачиванияна волокно можно нанести тонкий слойметалла. В многожильных световодах удобно применять стеклянные волокна,изолированные друг от друга специально подобранной пластической изоляцией.Многожильные волокна обладают хорошими механическими свойствами (гибкость,прочность). С помощью таких многожильных светопроводящих кабелей достигаетсябольшая разрешающая сила:100-200 и более линий на миллиметр.
Светопропусканиесовременных оптических волокон составляет не менее 90% на метр, а поглощение неболе 0.1% на метр. Число светопроводящих жил световода зависит от требуемойразрешающей силы прибора. Необходимо так же отметить, что в жгутах хорошегокачества свет, вошедший через боковые поверхности, может уйти только черезповерхности, параллельные оси волокна, т.е. свет, вошедший не со сторонывходного торца световода, не может покинуть световод через наблюдаемый(выходной) торец. Такой свет не создаёт дымку рассеянного света на выходе,которая ухудшает полученное изображение. Приведенный факт не относится к жгутамс шероховатой поверхностью волокон, жгутов, торцы которых не перпендикулярныволокнам и для конических жгутов. Борьба с рассеянным светом не являетсяосновной проблемой при создании волоконных систем для передачи изображения (темболее, что от внешнего рассеянного светажгут предохраняет непрозрачное покрытие ).
2. Общая схематехнологического процесса.
Первым этапом в процессеизготовления световодов является определение подходящих по ряду параметровматериалов, из которых в дальнейшем будет изготовлен световод. Для любых типовсветоводов необходимы материалы высокой степени однородности с максимальногладкой поверхностью раздела сердцевины и оболочки. Материал оболочки долженхорошо прилипать к сердцевине волокна. Эти два требования предотвратятчрезмерные потери света при рассеивании и при выходе света за пределы волокна.Прозрачные пластики вследствие наличия структуры рассеивают свет, что делает ихне вполне пригодными для световодов большой длины, которая, правда, нехарактерна для волокон, передающих изображение. Хорошим материалом для оболочкии сердцевины является стекло, имеющее одно очень важное преимущество переддругими материалами — возможность широко выбора показателя преломления припомощи легирования стекла на стадии выплавки. Длина пути света в световодебольше, чем в оптических приборах, следовательно, необходимо стекло высокойпрозрачности без вкраплений инородных материалов и пузырей воздуха. Высокаяпрозрачность стекла не всегда совместима с высоким показателем преломления: впоследнем случае стекло носит желтоватый оттенок. В видимой области спектра, аименно этот диапазон оптического излучения рассматривается при переносеизображения по световоду, стеклянное волокно длиной 2 метра пропускает около 50% света, падающего на торец жгута или около 80 % света, прошедшего в световод. Разность этих величинобусловлена экранированием части сечения жгута изолирующими оболочками волокони отражением света от торца жгута. Последняя проблема может быть решена нанесениемна входной торец жгута просветляющей пленки, аналогичной той, что используютпри просветлении оптики. Первая же проблема решается путем уменьшения толщинывнешней оболочки отдельного волокна (на толщину распространяется полуволновоеограничение).
Основными материаламиявляются кристаллический кварц икварцевое стекло — различные формы оксида кремния (SiO2). Вкварцевом стекле оксид кремния находится в аморфной форме и поэтому он нерастрескивается при резком перепаде температур, как кристаллический кварц,имеет чрезвычайно низкий коэффициент температурного расширения итеплопроводности. В отличие от обычного стекла, которое состоит из смесиразличных компонент, кварцевое стекло состоит только из оксида кремния, аколичество примесей других химических элементов чрезвычайно мало. Это приводитк тому, что кварцевое стекло обладает широким спектром пропускания (черезстёкла из кварца можно даже загорать), малым поглощением света (обычное оконноестекло поглощает столько же света, сколько и кварцевое стекло толщиной в 100метров), высокой оптической гомогенностью (однородностью), стойкостью кионизирующим излучениям и лазерному излучению высокой интенсивности, низкимкоэффициентом температурного расширения (примерно в 20 раз меньше по сравнениюс обычным стеклом), высокой рабочей температурой (более 1200 оС, чтов 4 раза больше, чем для обычного стекла). Спектр оптического пропусканиясинтетического кварцевого стекла Suprasil 300, оптического стекла BK 7 иобычного стекла представлены на рис.5. Спектр видимого света лежит примерно впределах от 380 нм до 760 нм.
рис.5 Всё это обуславливает широкое применение кварцевого стеклав оптике.
Вторым этапом производстваоптоволокна является определение метода изготовления световода из выбранных материалов. Технологический процессизготовления световодов на основе кварцевого стекла делится на два этапа.Первый этап — получение заготовки, которая представляет собой стеклянныйстержень длиной порядка метра и диаметром около 10-20 мм. Второй – вытягиваниесветовода из заготовки. Для этого существует несколько способов, каждый из нихимеет свои преимущества и недостатки. Способы позволяют получить различныйпрофиль показателя преломления. Волокнадля передачи изображения передают не дискретные импульсы, по этой причинеследует выбрать метод, позволяющий получить ступенчатый показатель преломления(рис.6). Наиболее простой и хорошо отработанный путь – вытягивание волокон пометоду двойного тигля, который подробно рассмотрен ниже. Вытянутое волокнонаматывается на барабан, затем производится перемотка, в процессе которойволокно укладывается определенным образом в световодный жгут. На каждомотдельном этапе производится контроль параметров заготовки.
Особым образом обстоит делос проверкой прочности световодов. Рассчитаны определенные стандартные усилия,при которых волокно не должно рваться. Казалось бы, достаточно простоперемотать волокно под нагрузкой, взятой с запасом. Порвалось — плохое, непорвалось — хорошее, можно использовать при меньших нагрузках. Однако не всетак просто. Дело в том, что те дефекты, например трещины, которые до испытанияне привели бы к порче волокна, могли развиться при тестировании, и приследующем приложении даже меньшей нагрузки волокно может порваться.Прогнозировать рост трещин весьма непросто, так как он зависит от среды, вкоторой находится волокно, и от механических нагрузок (в частности изгибов).Так что стопроцентную гарантию на волокно дать невозможно. Вообще, прямыеиспытания устойчивости свойств и надежности волокна провести трудно.Невозможно, например, оценить самопроизвольные изменения прозрачности, еслихарактерный период таких изменений составляет порядка десяти лет. Чтобы решитьэту проблему, световоды выдерживают при повышенной температуре, ускоряястарение.
Пристального вниманиятребует чувствительность незащищенного волокна к водяному пару. Это критическоесвойство было обнаружено очень скоро после налаживания выпуска оптическоговолокна, но было также обнаружено и противодействие ему: непосредственноепокрытие световода защитной пленкой толщиной несколько микрометровнепосредственно в процессе вытягивания волокна. Эта защитная оболочка, восновном состоящая из полимера, полностью защищает световод. Она повышает такжемеханическую прочность световода и его упругость. Кроме того, обеспечиваетсяпостоянство параметров при неблагоприятных окружающих условиях; без защитнойоболочки они снижаются через несколько часов или дней.
Необходимо, конечно, принимать меры защиты в техслучаях, когда несколько световодов объединяются в одном кабеле, который вдальнейшем будет изгибаться и скручиваться. Это случается при намотке набарабан и при укладке. Конструкция кабеля должна быть такой, чтобы устранитьмеханические перегрузки световода. Но опасно не только разрушение волокна, но имикроизгибы. Они возникают, когда светопроводящие волокна лежат на шероховатойповерхности при наличии растягивающей силы, и могут вызывать дополнительныесветовые потери. Это явление можно наблюдать в демонстрационном опыте, когда ксветопроводящему волокну, туго, виток к витку намотанному на барабан,подводится видимый свет, например от He—Ne лазера. Весь барабан при этомизлучает яркий красный свет, что указывает на световые потери, вызванные микроизгибами. Чтобы уменьшить механические нагрузки на волокна, был опробован рядрешений. Отдельные проводники свободно укладываются в поперечном сечениикабеля; в процессе изготовления кабеля следят за тем, чтобы волокна былинесколько длиннее, чем кабель. При этом световоды лежат свободно в тонкихгибких трубках или на них накладывается пористая изоляция. Слабым местомявляется оболочка волокон со ступенчатым показателем преломления. Ее показательпреломления, который лишь ненамного меньше показателя преломления сердечника,может в неблагоприятных случаях увеличиться при низких температурах, чтовызовет нарушение условия полного внутреннего отражения и соответственнопоявятся дополнительные потери на излучение.
Оптическое волокно по своейфизической природе является очень маленьким волноводом. В среде, свободной от напряженийи внешних сил, этот волновод будет проводить свет, инжектированный в него сминимальными потерями, или затуханием. Для изоляции волокна от таких внешнихсил были разработаны два вида первых уровня защиты: свободный буфер и плотныйбуфер.
В конструкции со свободнымбуфером волокно расположено в пластиковой трубке с внутренним диаметром,который значительно больше, чем само волокно. Внутреннее пространство трубкиобычно заполняется гелем. Свободный буфер изолирует волокно от внешнихмеханических сил, воздействующих на кабель. Для многоволоконных кабелейколичество таких трубок, каждая из которых содержит одно или несколько волокон,сочетается с элементами жесткости для предотвращения напряжения волокон и дляуменьшения растяжения и взаимного влияния.
Другая техника защитыволокна — плотный буфер, — использует непосредственную экструзию (выдавливание)пластика вокруг базового покрытия волокна. Конструкции с плотным буферомспособны выдерживать намного более сильные ударные и давящие нагрузки без поврежденияволокна. Однако конструкции с плотным буфером обеспечивают более низкую защитуволокна от напряжений и изменений температуры. Будучи относительно болеегибким, по сравнению со свободным буфером, плотный буфер, если установлен срезкими изгибами и перекручиванием, вызывает оптические потери, превышающиеноминально допустимые вследствие микроизгибов.
Более совершеннойконструкцией с плотным буфером является «гибридный» или«композитный» кабель. В композитном кабеле волокно в плотном буфереокружено арамидным волокном и оболочкой. Такие одноволоконные элементы затемпокрываются общей оболочкой, которая и формирует композитный кабель.
Каждая из описанныхконструкций имеет свои преимущества и недостатки. Свободный буфер обеспечиваетболее низкое затухание сигнала при распространении его по кабелю вследствиеминимальной концентрации микроизгибов и высокий уровень изоляции от воздействиявнешних сил. При длительном механическом напряжении свободный буферобеспечивает более стабильные передающие характеристики. Конструкция с плотнымбуфером обеспечивает меньшие размеры, более легкий вес при одинаковойконфигурации волокна и, в общем случае, дает более гибкий, изломоустойчивыйжгут.
Если оптоволоконный жгут должен иметь высокуюподвижность, то его защитная оболочка может быть выполнена из нержавеющей сталиили пластика в форме гибкого кольцевого шланга (наподобие душевого). Жгут также может иметь жестко фиксированную форму. В этом случае форма и материалкорпуса, содержащего волокна, определяются условиями эксплуатации.
Не зависимо от областиприменения оптоволоконные изделия нуждаются в механической защите. Превышение нормальных нагрузок длякабеля при монтаже может поставить волокно в состояние растяжения. Уровнимеханического напряжения могут вызывать потери на микроизгибах, что приводит кувеличению затухания и всевозможным эффектам усталости материала. Дляобеспечения выдерживания подобных нагрузок, что обеспечивает простоту искорость монтажа, а также длительную эксплуатацию, к конструкции волоконно-оптическогожгута добавляются различные внутренние элементы жесткости. Такие элементыжесткости предохраняют волокна от напряжения, минимизируя растяжение и взаимноевлияние, возможно уменьшая при этом гибгость жгута. В некоторых случаях онислужат и как термостабилизирующие элементы. Запас растяжения у оптическогожгута очень небольшой — до момента облома волокна, поэтому элементы жесткостидолжны обладать низкой степенью растяжимости при ожидаемых силах растяжения.Сопротивляемость ударам и давлению, гибкость и скручиваемость являются другимимеханическими факторами, влияющими на выбор элементов жесткости. Элементыжесткости, которые наиболее часто используются в волоконно-оптических кабелях — это арамидное волокно, стекловолоконные эпоксидные пруты и стальные проволоки.Относительно единицы веса арамидное волокно в пять раз прочнее стали. Оно истекловолоконные эпоксидные пруты часто являются выбором, когда требуетсяполностью диэлектрическая конструкция. Следует выбирать сталь или эпоксидныепруты, когда требуется работа при низких температурах, так как они обладаютлучшей температурной стабильностью.
Определение количестваволокон в кабеле зависит от сферы применения будущего изделия. Внутри жгутаволокна могут располагаться свободно относительно друг друга (за исключениемконцов жгута) — в таком случае жгут называется весьма гибким.
Для изготовления жгутовудобны волокна диаметром 50 микрон. Такие волокна достаточно прочны; укладкатаких волокон относительно несложна. Более тонкие волокна ломаются при регулярнойукладке.
Входные и выходные торцыуложенного жгута спекаются и полируются таким образом, что бы они были строгопараллельны между собой и параллельны любому сечению распрямленного жгута. Жгутсвободных гибких волокон может иметь торцы различной конфигурации. Конфигурацияодного торца жгута может быть преобразована в любую другую на другом конце(можно преобразовать круг в линию и наоборот).
Если жгут не предназначендля передачи идентичного изображения, то целесообразно применять жгут спроизвольной укладкой волокон из-за их значительно меньшей стоимости. Принеобходимости входной торец жгута может быть отшлифован по форме неплоскойповерхности, изображение которой желаем передать. Противоположный конец жгутаможно при этом оставить плоским.
В тех случаях, когда внешнийрассеянный свет (“шум”) вреден, можно применятьпоглощающие красители, веденные в оболочку волокон. Естественно, что ведениесветопоглощающего красителя ухудшает светопропускание световода.
Порядок укладки волокон может быть различным (рис.7):гексагональная укладка, квадратная укладка, ромбическая укладка, укладкаволокон в ряд, либо несколько рядов. Порядок укладки на входе и выходе может несовпадать. При получении изображения наблюдаемого предмета порядок укладкиопределяется требуемой разрешающей способностью прибора. Максимальномуразрешению соответствует максимальная плотность укладки волокон.3.Поэтапноеописание технологии. 3.1Выбор и описание материалов
3.1.1 Выбор материала сердечника и прозрачной оболочки волокна.
Рис. 8 Зависимость показателя преломления бинарной стеклообразующей системыВ2О3 — SiO2 от молярной доли оксида кремния М(SiO2):
Рис. 9 Зависимость показателя преломления плавленого кварца от молярной долиоксида германия М(GeO2):
Из большинства видов стеколсамым низким поглощением в видимой области спектра обладает плавленый кварц — при условии высокой степени очистки и гомогенности (однородности по составу).Значительные преимущества кварца обусловлены малыми внутренними потерями нарассеивание. Высокая температура плавления кварца (1610 С при быстром нагреве,1720 С при медленном), с одной стороны, требует специальной технологии дляизготовления оптического волокна, а с другой — помогает избавиться от различныхпримесей, которые испаряются при более низких температурах. Стекла, применяемыедля изготовления световодов (сердцевины и оптической оболочки), различаютсяпоказателями преломления n. В кварц (показатель преломления n = 1,4585 на длиневолны 0,589 мкм) добавляется оксид бора (n = 1,4585 на длине волны 0,589 мкм),снижающий показатель преломления (рис.8). Полученный материал может бытьприменен в качестве оболочки оптоволокна. Длительный отжиг (термическаяобработка стекла, придающая необходимые свойства) боросиликатного стеклаприводит к увеличению n. Этот материал используется для изготовлениясердечника. Другой способ понизить показатель преломления плавленого кварца — добавить в него фтор. В отличие от метастабильного характера изменения этогопоказателя у чистого боросиликата, снижение его у боросиликатного стекла сдобавкой фтора — внутреннее свойство атомов фтора в матрице SiO2. Разностьпоказателей преломления чистого SiO2 и материала с добавкой фтора увеличиваетсялинейно с повышением молярной концентрации фтора вплоть до несколькихпроцентов. Показатель преломления кварца уменьшается на 0,2% при изменениимолярной концентрации фтора на 1%. При этом оптические свойства кварца неухудшаются. Фторирование кварца позволяет уменьшить рассеивание Рэлея иминимизировать волновые потери. Однако легирование фтором увеличиваетвероятность возникновения трещин и уменьшает прочность стекла, а, кроме того,делает кварц более чувствительным к диффузии водорода.
Все другие добавки к плавленому кварцу — такие, как GeO2 (рис.9), P2O5, TiO2,Al2O3, Sb2O3 приводят к увеличению показателя преломления по сравнению с чистымкварцем без ухудшения его оптических свойств. Молярные доли этих оксидов вкварце могут меняться в пределах от 1 до 15%. Показатель преломленияувеличивается на 0,001 при увеличении молярной доли GeO2 на 1%. При20-процентной молярной концентрации двуокиси германия показатель преломленияувеличивается на 1,5%.
Кварц с добавкой германия, который может быть использован в качестве материаласердцевины оптоволокна, имеет широкое окно прозрачности почти до 1,7мкм(рис.5).
Более предпочтительным в качестве легирующего материала (как более дешевого)является фосфорный ангидрид Р2О5. При добавлении к плавленому кварцу Р2О5 дляобразования бинарного стекла внутреннее поглощение материала и рэлеевскоерассеяние увеличиваются весьма незначительно. Фосфорный ангидрид сублимируется(переходит из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое) при температуре300 С, гигроскопичен (способен поглощать влагу из воздуха) и имееттемпературный коэффициент линейного расширения почти в 25 раз больше, чем у плавленого кварца. Однако он образует скварцем устойчивое бинарное стекло, тепловое расширение которого сравнимо степловым расширением чистого кварца при молярных концентрациях Р2О5 вплоть до25%. Полученное стекло не проявляет почти никакой тенденции к ликвации — разделению однородного жидкого расплава на составляющие при остывании. Онотакже устойчиво к воздействию воды (не гигроскопично). Показатель преломленияфосфоросиликатного стекла увеличивается линейно (во всяком случае, длянебольших содержаний оксида фосфора) с увеличением концентрации Р2О5. Начальныйприрост показателя преломления при изменении молярной концентрации Р2О5 на 1%составляет 0,043%. Вязкость и температурный коэффициент линейного расширенияP2O5 и SiO2 различаются, и это ограничивает количество фосфорного ангидрида,которое может быть введено в плавленый кварц для изготовления оптоволокна. Придобавлении в массу кварца 1% TiO2 показатель преломления увеличивается почти на0,026%. Двойная стеклообразующая система с добавкой в плавленом кварце хорошатем, что титан может входить в матрицу стекла с различными степенями ионизации.Причем некоторые из них обладают заметным поглощением в спектральной области,представляющей рабочий интервал оптоволокна. Добавка Ti3+ особо сильныйпоглотитель, и ее трудно окислить полностью. Необходима специальная термическаяобработка титана при наличии воды и температуре ниже точки плавления стекла,которая приводит к образованию двуокиси титана и водорода.
Для повышения показателя преломления можно использовать оксид алюминия, потерина рассеивание у которого ниже, чем у двуокиси германия. К тому же оксидалюминия (Al2O3) очень стойкий в противоположность оксиду германия GeO2,который может образовывать летучие продукты GeO и GeCl4.
Оксид алюминия весьма стабилен, поэтому высока эффективность введения его встекло. При изготовлении заготовки менее чувствительны к воздействиюпарциального давления кислорода и хлора, нежели стекло с добавками GeO2.Стекло, легированное Al2O3, обладает более низким значением вязкости, чтоускоряет процессы затвердевания.
Легирование кварцевого стекла оксидом сурьмы не только позволяет получитьбольшее возрастание показателя преломления на 1 моль легирующей добавки посравнению с GeO2. При этом также снижается возможность образованиякристаллической фазы, даже если относительный показатель преломления до и послевведения Sb2O3 отличается более чем на 1,6%. Для GeO2 это значение не превышает1,5%.
Чистота исходных веществ, применяемых для изготовления стекла, в значительнойстепени определяет его высокое качество по всем контролируемым параметрам. Вслучае с оксидными стеклами, к которым относится и кварцевое, основные потерисвязаны с поглощением ионами переходных металлов (ванадия, железа, хрома, меди,кобальта, никеля, марганца), а также гидроксильными группами.
Гидроксильные группы OH являются основной примесью в кварцевых стеклах, котораяприводит к значительным потерям. Причина — реакция групп OH с водородом,содержащимся в атмосфере. Особенно большие потери возникают на длине волны 0,95и 1,4 мкм, т.е. вне видимого спектра. Слабые полосы поглощения появляются надлинах волн 0,725 и 0,825 мкм. Снижения потерь в стекле можно добиться,уменьшая содержание гидроксильных групп до нескольких десятков миллиграмм накилограмм.
Влияние гидроксильных групп особенно заметно в кварцевых стеклах, легированныхдвуокисью германия, содержащих примеси алюминия и натрия, достигающих внатуральном кварце 1015 частиц на миллион, а в синтетическом менее 3 частиц намиллион. В кварцевом стекле, легированном P2O5 и GeO2, присутствие группы OHприводит к увеличению потерь пропорционально концентрации P2O5.
Тройные или более сложные стеклообразующие системы такие, какнатрийкальцийсиликатное и натрийборосиликатное стекло, имеют низкие температурыплавления: натрийкальцийсиликатное стекло (Na2O, CaO, SiO2) 1400°C;щелочносвинцовое стекло (Na2O, PbO, SiO2) 1400°C; натрийалюминийсиликатноестекло (Al2O3, Na2O, SiO2) 1450°C; натрийборосиликатное стекло (Na2O, B2O3,SiO2) 1250°C. Эти стекла обладают также более высоким показателем преломления имогут быть модифицированы для получения материала с низким показателемпреломления (для оптической оболочки). Показатели преломлениянатрийборосиликатного стекла можно уменьшить на 3%, натрийкальцийсиликатного на4%, щелочносвинцового силикатного почти на 10%. При этом все модификациисогласуются между собой по остальным свойствам и могут использоваться какматериалы для сердцевины и оптической оболочки волоконно — оптических световодов.
Недостаток низкоплавкихмногокомпонентных стекол – большаявероятность загрязнения по сравнению с плавким кварцем. Это затрудняет ихочистку от примесей для снижения показателя поглощения и рассеивания. Из-занизких температур при размягчении и плавлении возможно загрязнение стекла навсех стадиях производства.
Для формирования многокомпонентных оптоволокон необходимо подобрать пару стеколдля сердцевины и оптической оболочки, которые удовлетворяли бы следующимтребованиям:
1) Минимальные диффузионные процессына границе раздела пары стекол, которые достигаются путем уравновешивания ихсостава по роду и концентрации щелочных оксидов. Это позволит максимальносохранить исходные значения показателя преломления каждого стекла из пары.
2) Максимальная совместимость парыстекол, когда на границе их раздела при вытягивании волокна и возможныхпоследующих термообработках не возникают новообразования, газовые пузырьки иликвация.
3) Низкотемпературное плавление при1250-1350 С высокочистой гомогенной шихты в тигле из чистого кварцевого стеклапри минимальном его растворении расплавом, особенно стекла сердцевины.
Итак, в большинстве случаевпредпочтительно применять кварцевые стекла, поскольку они обладают рядомпреимуществ. При этом двуокись кремния как составная часть может быть полученас очень высокой степенью чистоты. Требуемые пары подбираются исходя изэкспериментальных данных, условий эксплуатации и конечной стоимости изделия.
Качество очистки силикатногостекла (SiO2), применяемого в настоящее время в оптических волокнахс малыми потерями, приближается к принципиальному пределу, обусловленномусвойствами самого стекла. Этот успех в результате выявления и устранения всехфакторов, обусловливающих оптические потери. Концентрации таких включений, какмедь, железо и ванадий, были снижены до нескольких долей на миллиард частиц.Концентрация загрязнения водой и гидроксогруппой (ОН) были уменьшены почти достоль же низкого уровня. Допуски сердцевины выпускаемых сейчас волокон наразмеры и степень отклонения от кругового сечения меньше, чем один микрон намногие километры длины. Пузырьки и дефекты поверхности по существу устранены.
Существуют окислы,называемые структурными модификаторами, которые необходимы для того, чтобыизменять основные свойства стекла, такие, как показатель преломления, тепловоерасширение, коэффициент абсорбции (характеризует способность некотороготвердого вещества захватывать другое вещество из раствора или смеси газов;захват производится во всем объеме поглотителя — абсорбента) и точка плавления.Некоторые наиболее общие типы стекол и их композиции представлены в таблице:
Структурная форма
Структурный модификатор (легирующая добавка)
Структурная форма
Структурный модификатор (легирующая добавка)
SiO2
K2O
Al2O3
CaO
B2O3
MgO