Технология изготовления волоконнооптических световодов для передачи изображения

Технология изготовления волоконнооптических световодов для передачи изображения

1. Введение

Волоконная оптика - раздел оптики, рассматривающий распространение

электромагнитных волн оптического диапазона по световодам - оптическим

волокнам. Конструкция отдельно взятого оптического волокна достаточно

проста. Сердечник из оптически более плотного материала окружен оболочкой с

меньшим коэффициентом преломления и все это покрыто защитной оболочкой

(рис.1). Оптическое волокно - типичный диэлектрический волновод

электромагнитных волн.

Когда поток света пересекает границу раздела двух сред с показателями

преломления n1 и n2 то, как известно, наблюдаются два явления: преломление

и отражение. Если световой поток пересекает границу раздела со стороны

оптически более плотной среды, то угол преломления больше угла падения. С

ростом угла падения преломленный луч будет прижиматься к границе раздела.

И, наконец, при определенном угле падения, называемом критическим,

преломленный луч начнет скользить вдоль поверхности раздела. При углах

падения, больших критического, преломленный световой поток отсутствует (в

идеализированном случае), поверхность раздела приобретает свойства зеркала

- вся переносимая лучом энергия остается в отраженном потоке. Это явление

носит название полного внутреннего отражения (рис.2). На эффекте полного

внутреннего отражения построены все оптические волокна. Условно оптическим

волокном называют световоды, диаметр которых менее 0.5 мм.

Традиционные проводные линии, коаксиальные кабели, СВЧ волноводы -

все они требуют дорогих и дефицитных материалов, по меньшей мере, меди. Для

изготовления стекловолокна нужны окислы кремния - самые распространенные на

Земле вещества. Волокна из прозрачных пластиков также почти не нуждаются в

редких материалах. Таким образом, источники сырья для производства

световолокон практически не ограничены. К этому следует добавить, что по

диаметру оптические кабели существенно меньше металлических. Материалы

оптических кабелей не подвержены коррозии и экологически безопасны.

Волоконно-оптические кабели не восприимчивы к помехам со стороны

электромагнитных полей радиодиапазонов, и сами не создают таких помех.

Поэтому в плане электромагнитной совместимости - это идеальные средства

передачи информации. Столь же совершенны они и по электробезопасности,

поскольку переносимые в них мощности очень малы.

Для того чтобы передать свет на некоторое расстояние необходимо

сохранить его мощность. Снизить потери при его передаче можно, во-первых,

обеспечив достаточно оптически прозрачную среду распространения, тем самым,

сведя к минимуму поглощение волны, и, во-вторых, обеспечить правильную

траекторию движения луча. Первая задача в настоящее время решается с

помощью применения высокотехнологичных материалов, таких как чистое

кварцевое стекло. Вторая задача решается с помощью закона оптики,

описанного выше.

И сердцевина, и оболочка изготавливаются из стекла или пластика.

Наиболее часто (вследствие лучших характеристик) используется оптоволокно

типа "стекло-стекло", когда сердцевина и оболочка изготавливаются из

особого кварцевого стекла. Понятно, что стекло, используемое для оболочки,

должно иметь меньший показатель преломления, чем для сердцевины. Показатель

преломления стекла регулируется с помощью легирующих добавок. В оптических

волокнах показатели преломления сердцевины и оболочки различаются на

величину порядка 1%.

Затухание в световоде, то есть потеря мощности светового сигнала

происходит, в основном, по двум причинам: поглощение и рассеивание.

Поглощение связано с возбуждением в материале световода электронных

переходов и резонансов. В результате этого увеличивается тепловая энергия,

накапливаемая в оптическом волокне. Поглощение зависит как от свойств

материала, из которого изготавливается оптоволокно, так и от длины волны

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 которого изготавливается сердцевина волокна, но и от качества

оболочки, так как часть сигнала, вопреки геометрической оптики,

распространяется в ней (это явление связано с квантовой природой света).

Бороться с этим можно за счет нанесения на оболочку поглощающего покрытия.

Гибкие жгуты волокон используются для передачи изображения и света по

протяженному каналу. Область применения - медицинские и технические

эндоскопы, предназначенные для визуального наблюдения внутренних органов

человека и животного, а также при осмотре деталей конструкций, находящихся

в труднодоступных местах (например, двигатели самолетов и автомобилей).

Жгуты для передачи изображения имеют (ориентировочно) следующие размеры:

|Диаметр жгута, мм |5-100 |

|Диаметр единичного волокна, мкм |2-500 |

|Длина жгута, мм |100-5000 |

Принципиальная схема передачи изображения весьма проста: свет,

отраженный от предмета, попадает на вход светопроводящего жгута,

распространяется по нему и выходит с противоположного конца к приемнику

излучения (например, глазу человека) (рис .3).

Диаметр волоконной жилы может быть весьма мал, т.к. явление

прохождения света через стержень принципиально не меняется до тех пор, пока

диаметр не станет сравнимым с длинной световой волны - в таком случае

законы геометрической оптики теряют силу, и в значительной мере начинают

проявляться волновые свойства света (дифракция). Проходя через оптоволокно

диаметром 50 микрон, свет может претерпевать от 3000 до 20000 отражений на

метр, следовательно, для обеспечения высокого светопропускания необходима

гладкая поверхность и высокая прозрачность среды световода, а так же

прилегающей к нему среды.

Для передачи изображения необходима плотная укладка волокон в жгуты.

Если при этом два соседних волокна расположены на расстоянии менее

полуволны проходящего света, то свет может просачиваться из одного волокна

в соседнее (рис. 4).

Плотно расположенные в жгуте волокна соприкасаются друг с другом, и

просачивание света наблюдается не только на самой линии контакта волокон,

но и в области, где расстояние между ними меньше половины волны.

Просачивание света значительно ухудшает контраст изображения и понижает

разрешающую силу световода и прибора в целом. Для предупреждения

просачивания света волокна необходимо изолировать друг от друга тонкой

оболочкой из прозрачного материала с меньшим показателем преломления, чем у

волокон (именно с этой целью на жилу волокна наносится оболочка с близким

значением показателя преломления). Такая оболочка должна обеспечить

гладкость и чистоту поверхности светопроводящей сердцевины волокна,

необходимые для исключения световых потерь при полном внутреннем отражении.

Изолированные волокна можно вытягивать из цилиндрической заготовки с

сердцевиной из стекла с высоким показателем преломления и оболочкой

толщиной 1-2 микрона из стекла с низким показателем преломления. Так же для

предотвращения просачивания на волокно можно нанести тонкий слой металла.

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

достигается большая разрешающая сила:100-200 и более линий на миллиметр.

Светопропускание современных оптических волокон составляет не менее

90% на метр, а поглощение не боле 0.1% на метр. Число светопроводящих жил

световода зависит от требуемой разрешающей силы прибора. Необходимо так же

отметить, что в жгутах хорошего качества свет, вошедший через боковые

поверхности, может уйти только через поверхности, параллельные оси волокна,

т.е. свет, вошедший не со стороны входного 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 жгутам с шероховатой поверхностью волокон,

жгутов, торцы которых не перпендикулярны волокнам и для конических жгутов.

Борьба с рассеянным светом не является основной проблемой при создании

волоконных систем для передачи изображения (тем более, что от внешнего

рассеянного света жгут предохраняет непрозрачное покрытие ).

2. Общая схема технологического процесса.

Первым этапом в процессе изготовления световодов является определение

подходящих по ряду параметров материалов, из которых в дальнейшем будет

изготовлен световод. Для любых типов световодов необходимы материалы

высокой степени однородности с максимально гладкой поверхностью раздела

сердцевины и оболочки. Материал оболочки должен хорошо прилипать к

сердцевине волокна. Эти два требования предотвратят чрезмерные потери света

при рассеивании и при выходе света за пределы волокна. Прозрачные пластики

вследствие наличия структуры рассеивают свет, что делает их не вполне

пригодными для световодов большой длины, которая, правда, не характерна для

волокон, передающих изображение. Хорошим материалом для оболочки и

сердцевины является стекло, имеющее одно очень важное преимущество перед

другими материалами - возможность широко выбора показателя преломления при

помощи легирования стекла на стадии выплавки. Длина пути света в световоде

больше, чем в оптических приборах, следовательно, необходимо стекло высокой

прозрачности без вкраплений инородных материалов и пузырей воздуха. Высокая

прозрачность стекла не всегда совместима с высоким показателем преломления:

в последнем случае стекло носит желтоватый оттенок. В видимой области

спектра, а именно этот диапазон оптического излучения рассматривается при

переносе изображения по световоду, стеклянное волокно длиной 2 метра

пропускает около 50 % света, падающего на торец жгута или около 80 %

света, прошедшего в световод. Разность этих величин обусловлена

экранированием части сечения жгута изолирующими оболочками волокон и

отражением света от торца жгута. Последняя проблема может быть решена

нанесением на входной торец жгута просветляющей пленки, аналогичной той,

что используют при просветлении оптики. Первая же проблема решается путем

уменьшения толщины внешней оболочки отдельного волокна (на толщину

распространяется полуволновое ограничение).

Основными материалами являются кристаллический кварц и кварцевое

стекло - различные формы оксида кремния (SiO2). В кварцевом стекле оксид

кремния находится в аморфной форме и поэтому он не растрескивается при

резком перепаде температур, как кристаллический кварц, имеет чрезвычайно

низкий коэффициент температурного расширения и теплопроводности. В отличие

от обычного стекла, которое состоит из смеси различных компонент, кварцевое

стекло состоит только из оксида кремния, а количество примесей других

химических элементов чрезвычайно мало. Это приводит к тому, что кварцевое

стекло обладает широким спектром пропускания (через стёкла из кварца можно

даже загорать), малым поглощением света (обычное оконное стекло поглощает

столько же света, сколько и кварцевое стекло толщиной в 100 метров),

высокой оптической гомогенностью (однородностью), стойкостью к ионизирующим

излучениям и лазерному излучению высокой интенсивности, низким

коэффициентом температурного расширения (примерно в 20 раз меньше по

сравнению с обычным стеклом), высокой рабочей температурой (более 1200 оС,

что в 4 раза больше, чем для обычного стекла). Спектр оптического

пропускания синтетического кварцевого стекла Suprasil 300, оптического

стекла BK 7 и обычного стекла представлены на рис.5. Спектр видимого света

лежит примерно в пределах от 380 нм до 760 нм.

рис.5 Всё это обуславливает широкое применение

кварцевого стекла в оптике.

Вторым этапом производства оптоволокна является определение метода

изготовления световода из выбранных материалов. Технологический процесс

изготовления световодов на основе кварцевого стекла делится на два этапа.

Первый этап - получение заготовки, которая представляет собой стеклянный

стержень длиной порядка метра и диаметром около 10-20 мм. Второй –

вытягивание световода из заготовки. Для этого существует несколько

способов, каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Способы

позволяют получить различный профиль показателя преломления. Волокна для

передачи изображения передают не дискретные импульсы, по этой причине

следует выбрать метод, позволяющий получить ступенчатый показатель

преломления (рис.6). Наиболее простой и хорошо отработанный путь –

вытягивание волокон по методу двойного тигля, который подробно рассмотрен

ниже. Вытянутое волокно наматывается на барабан, затем производится

перемотка, в процессе которой волокно укладывается определенным образом в

световодный жгут. На каждом отдельном этапе производится контроль

параметров заготовки.

Особым образом обстоит дело с проверкой прочности световодов.

Рассчитаны определенные стандартные усилия, при которых волокно не должно

рваться. Казалось бы, достаточно просто перемотать волокно под нагрузкой,

взятой с запасом. Порвалось - плохое, не порвалось - хорошее, можно

использовать при меньших нагрузках. Однако не все так просто. Дело в том,

что те дефекты, например трещины, которые до испытания не привели бы к

порче волокна, могли развиться при тестировании, и при следующем приложении

даже меньшей нагрузки волокно может порваться. Прогнозировать рост трещин

весьма непросто, так как он зависит от среды, в которой находится волокно,

и от механических нагрузок (в частности изгибов). Так что стопроцентную

гарантию на волокно дать невозможно. Вообще, прямые испытания устойчивости

свойств и надежности волокна провести трудно. Невозможно, например, оценить

самопроизвольные изменения прозрачности, если характерный период таких

изменений составляет порядка десяти лет. Чтобы решить эту проблему,

световоды выдерживают при повышенной температуре, ускоряя старение.

Пристального внимания требует чувствительность незащищенного волокна к

водяному пару. Это критическое свойство было обнаружено очень скоро после

налаживания выпуска оптического волокна, но было также обнаружено и

противодействие ему: непосредственное покрытие световода защитной пленкой

толщиной несколько микрометров непосредственно в процессе вытягивания

волокна. Эта защитная оболочка, в основном состоящая из полимера, полностью

защищает световод. Она повышает также механическую прочность световода и

его упругость. Кроме того, обеспечивается постоянство параметров при

неблагоприятных окружающих условиях; без защитной оболочки они снижаются

через несколько часов или дней.

Необходимо, конечно, принимать меры защиты в тех случаях, когда

несколько световодов объединяются в одном кабеле, который в дальнейшем

будет изгибаться и скручиваться. Это случается при намотке на барабан и при

укладке. Конструкция кабеля должна быть такой, чтобы устранить механические

перегрузки световода. Но опасно не только разрушение волокна, но и

микроизгибы. Они возникают, когда светопроводящие волокна лежат на

шероховатой поверхности при наличии растягивающей силы, и могут вызывать

дополнительные световые потери. Это явление можно наблюдать в

демонстрационном опыте, когда к светопроводящему волокну, туго, виток к

витку намотанному на барабан, подводится видимый свет, например от He—Ne

лазера. Весь барабан при этом излучает яркий красный свет, что указывает на

световые потери, вызванные микро изгибами. Чтобы уменьшить механические

нагрузки на волокна, был опробован ряд решений. Отдельные проводники

свободно укладываются в поперечном сечении кабеля; в процессе изготовления

кабеля следят за тем, чтобы волокна были несколько длиннее, чем кабель. При

этом световоды лежат свободно в тонких гибких трубках или на них

накладывается пористая изоляция. Слабым местом является оболочка волокон со

ступенчатым показателем преломления. Ее показатель преломления, который

лишь ненамного меньше показателя преломления сердечника, может в

неблагоприятных случаях увеличиться при низких температурах, что вызовет

нарушение условия полного внутреннего отражения и соответственно появятся

дополнительные потери на излучение.

Оптическое волокно по своей физической природе является очень

маленьким волноводом. В среде, свободной от напряжений и внешних сил, этот

волновод будет проводить свет, инжектированный в него с минимальными

потерями, или затуханием. Для изоляции волокна от таких внешних сил были

разработаны два вида первых уровня защиты: свободный буфер и плотный буфер.

В конструкции со свободным буфером волокно расположено в пластиковой

трубке с внутренним диаметром, который значительно больше, чем само

волокно. Внутреннее пространство трубки обычно заполняется гелем. Свободный

буфер изолирует волокно от внешних механических сил, воздействующих на

кабель. Для многоволоконных кабелей количество таких трубок, каждая из

которых содержит одно или несколько волокон, сочетается с элементами

жесткости для предотвращения напряжения волокон и для уменьшения растяжения

и взаимного влияния.

Другая техника защиты волокна - плотный буфер, - использует

непосредственную экструзию (выдавливание) пластика вокруг базового покрытия

волокна. Конструкции с плотным буфером способны выдерживать намного более

сильные ударные и давящие нагрузки без повреждения волокна. Однако

конструкции с плотным буфером обеспечивают более низкую защиту волокна от

напряжений и изменений температуры. Будучи относительно более гибким, по

сравнению со свободным буфером, плотный буфер, если установлен с резкими

изгибами и перекручиванием, вызывает оптические потери, превышающие

номинально допустимые вследствие микроизгибов.

Более совершенной конструкцией с плотным буфером является "гибридный"

или "композитный" кабель. В композитном кабеле волокно в плотном буфере

окружено арамидным волокном и оболочкой. Такие одноволоконные элементы

затем покрываются общей оболочкой, которая и формирует композитный кабель.

Каждая из описанных конструкций имеет свои преимущества и недостатки.

Свободный буфер обеспечивает более низкое затухание сигнала при

распространении его по кабелю вследствие минимальной концентрации

микроизгибов и высокий уровень изоляции от воздействия внешних сил. При

длительном механическом напряжении свободный буфер обеспечивает более

стабильные передающие характеристики. Конструкция с плотным буфером

обеспечивает меньшие размеры, более легкий вес при одинаковой конфигурации

волокна и, в общем случае, дает более гибкий, изломоустойчивый жгут.

Если оптоволоконный жгут должен иметь высокую подвижность, то его

защитная оболочка может быть выполнена из нержавеющей стали или пластика в

форме гибкого кольцевого шланга (наподобие душевого). Жгут так же может

иметь жестко фиксированную форму. В этом случае форма и материал корпуса,

содержащего волокна, определяются условиями эксплуатации.

Не зависимо от области применения оптоволоконные изделия нуждаются в

механической защите. Превышение нормальных нагрузок для кабеля при монтаже

может поставить волокно в состояние растяжения. Уровни механического

напряжения могут вызывать потери на микроизгибах, что приводит к увеличению

затухания и всевозможным эффектам усталости материала. Для обеспечения

выдерживания подобных нагрузок, что обеспечивает простоту и скорость

монтажа, а также длительную эксплуатацию, к конструкции волоконно-

оптического жгута добавляются различные внутренние элементы жесткости.

Такие элементы жесткости предохраняют волокна от напряжения, минимизируя

растяжение и взаимное влияние, возможно уменьшая при этом гибгость жгута. В

некоторых случаях они служат и как термостабилизирующие элементы. Запас

растяжения у оптического жгута очень небольшой - до момента облома волокна,

поэтому элементы жесткости должны обладать низкой степенью растяжимости при

ожидаемых силах растяжения. Сопротивляемость ударам и давлению, гибкость и

скручиваемость являются другими механическими факторами, влияющими на выбор

элементов жесткости. Элементы жесткости, 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 и

стекловолоконные эпоксидные пруты часто являются выбором, когда требуется

полностью диэлектрическая конструкция. Следует выбирать сталь или

эпоксидные пруты, когда требуется работа при низких температурах, так как

они обладают лучшей температурной стабильностью.

Определение количества волокон в кабеле зависит от сферы применения

будущего изделия. Внутри жгута волокна могут располагаться свободно

относительно друг друга (за исключением концов жгута) - в таком случае жгут

называется весьма гибким.

Для изготовления жгутов удобны волокна диаметром 50 микрон. Такие

волокна достаточно прочны; укладка таких волокон относительно несложна.

Более тонкие волокна ломаются при регулярной укладке.

Входные и выходные торцы уложенного жгута спекаются и полируются таким

образом, что бы они были строго параллельны между собой и параллельны

любому сечению распрямленного жгута. Жгут свободных гибких волокон может

иметь торцы различной конфигурации. Конфигурация одного торца жгута может

быть преобразована в любую другую на другом конце (можно преобразовать круг

в линию и наоборот).

Если жгут не предназначен для передачи идентичного изображения, то

целесообразно применять жгут с произвольной укладкой волокон из-за их

значительно меньшей стоимости. При необходимости входной торец жгута может

быть отшлифован по форме неплоской поверхности, изображение которой желаем

передать. Противоположный конец жгута можно при этом оставить плоским.

В тех случаях, когда внешний рассеянный свет (“шум”) вреден, можно

применять поглощающие красители, веденные в оболочку волокон. Естественно,

что ведение светопоглощающего красителя ухудшает светопропускание

световода.

Порядок укладки волокон может быть различным (рис.7): гексагональная

укладка, квадратная укладка, ромбическая укладка, укладка волокон в ряд,

либо несколько рядов. Порядок укладки на входе и выходе может не совпадать.

При получении изображения наблюдаемого предмета порядок укладки

определяется требуемой разрешающей способностью прибора. Максимальному

разрешению соответствует максимальная плотность укладки волокон.

3.Поэтапное описание технологии.

3.1Выбор и описание материалов

3.1.1 Выбор материала сердечника и прозрачной оболочки волокна.

Рис. 8 Зависимость показателя преломления бинарной стеклообразующей системы

В2О3 - SiO2 от молярной доли оксида кремния М(SiO2):

Рис. 9 Зависимость показателя преломления плавленого кварца от молярной

доли оксида германия М(GeO2):

Из большинства видов стекол самым 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 на рассеивание. Высокая температура

плавления кварца (1610 С при быстром нагреве, 1720 С при медленном), с

одной стороны, требует специальной технологии для изготовления оптического

волокна, а с другой - помогает избавиться от различных примесей, которые

испаряются при более низких температурах. Стекла, применяемые для

изготовления световодов (сердцевины и оптической оболочки), различаются

показателями преломления n. В кварц (показатель преломления n = 1,4585 на

длине волны 0,589 мкм) добавляется оксид бора (n = 1,4585 на длине волны

0,589 мкм), снижающий показатель преломления (рис.8). Полученный материал

может быть применен в качестве оболочки оптоволокна. Длительный отжиг

(термическая обработка стекла, придающая необходимые свойства)

боросиликатного стекла приводит к увеличению n. Этот материал используется

для изготовления сердечника. Другой способ понизить показатель преломления

плавленого кварца - добавить в него фтор. В отличие от метастабильного

характера изменения этого показателя у чистого боросиликата, снижение его у

боросиликатного стекла с добавкой фтора - внутреннее свойство атомов фтора

в матрице SiO2. Разность показателей преломления чистого SiO2 и материала с

добавкой фтора увеличивается линейно с повышением молярной концентрации

фтора вплоть до нескольких процентов. Показатель преломления кварца

уменьшается на 0,2% при изменении молярной концентрации фтора на 1%. При

этом оптические свойства кварца не ухудшаются. Фторирование кварца

позволяет уменьшить рассеивание Рэлея и минимизировать волновые потери.

Однако легирование фтором увеличивает вероятность 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 чистым кварцем без ухудшения его оптических свойств. Молярные

доли этих оксидов в кварце могут меняться в пределах от 1 до 15%.

Показатель преломления увеличивается на 0,001 при увеличении молярной доли

GeO2 на 1%. При 20-процентной молярной концентрации двуокиси германия

показатель преломления увеличивается на 1,5%.

Кварц с добавкой германия, который может быть использован в качестве

материала сердцевины 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 для образования бинарного стекла внутреннее поглощение

материала и рэлеевское рассеяние увеличиваются весьма незначительно.

Фосфорный ангидрид сублимируется (переходит из твердого состояния в

газообразное, минуя жидкое) при температуре 300 С , гигроскопичен (способен

поглощать влагу из воздуха) и имеет температурный коэффициент линейного

расширения почти в 25 раз больше, чем у плавленого кварца. Однако он

образует с кварцем устойчивое бинарное стекло, тепловое расширение которого

сравнимо с тепловым расширением чистого кварца при молярных концентрациях

Р2О5 вплоть до 25%. Полученное стекло не проявляет почти никакой тенденции

к ликвации - разделению однородного жидкого расплава на составляющие при

остывании. Оно также устойчиво к воздействию воды (не гигроскопично).

Показатель преломления фосфоросиликатного стекла увеличивается линейно (во

всяком случае, для небольших содержаний оксида фосфора) с увеличением

концентрации Р2О5. Начальный прирост показателя преломления при изменении

молярной концентрации Р2О5 на 1% составляет 0,043%. Вязкость и

температурный коэффициент линейного расширения P2O5 и SiO2 различаются, и

это ограничивает количество фосфорного ангидрида, которое может быть

введено в плавленый кварц для изготовления оптоволокна. При добавлении в

массу кварца 1% TiO2 показатель преломления увеличивается почти на 0,026%.

Двойная стеклообразующая система с добавкой в плавленом кварце хороша тем,

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

сильный поглотитель, и ее трудно окислить полностью. Необходима специальная

термическая обработка 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,

потери на рассеивание у которого ниже, чем у двуокиси германия. К тому же

оксид алюминия (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 в

стекло. При изготовлении заготовки менее чувствительны к воздействию

парциального давления кислорода и хлора, нежели стекло с добавками GeO2.

Стекло, легированное Al2O3, обладает более низким значением вязкости, что

ускоряет процессы затвердевания.

Легирование кварцевого стекла оксидом сурьмы не только позволяет получить

большее возрастание показателя преломления на 1 моль легирующей добавки по

сравнению с GeO2. При этом также снижается возможность образования

кристаллической фазы, даже если относительный показатель преломления до и

после введения Sb2O3 отличается более чем на 1,6%. Для GeO2 это значение не

превышает 1,5%.

Чистота исходных веществ, применяемых для изготовления стекла, в

значительной степени определяет его высокое качество по всем контролируемым

параметрам. В случае с оксидными стеклами, к которым относится и кварцевое,

основные потери связаны 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,

которая приводит к значительным потерям. Причина - реакция групп OH с

водородом, содержащимся в атмосфере. Особенно большие потери возникают на

длине волны 0,95 и 1,4 мкм, т.е. вне видимого спектра. Слабые полосы

поглощения появляются на длинах волн 0,725 и 0,825 мкм. Снижения потерь в

стекле можно добиться, уменьшая содержание гидроксильных групп до

нескольких десятков миллиграмм на килограмм.

Влияние гидроксильных групп особенно заметно в кварцевых стеклах,

легированных двуокисью германия, содержащих примеси алюминия и натрия,

достигающих в натуральном кварце 1015 частиц на миллион, а в синтетическом

менее 3 частиц на миллион. В кварцевом стекле, легированном P2O5 и GeO2,

присутствие группы OH приводит к увеличению потерь пропорционально

концентрации P2O5.

Тройные или более сложные стеклообразующие системы такие, как

натрийкальцийсиликатное и натрийборосиликатное стекло, имеют низкие

температуры плавления: натрийкальцийсиликатное стекло (Na2O, CaO, SiO2)

1400°C; щелочносвинцовое стекло (Na2O, PbO, SiO2) 1400°C;

натрийалюминийсиликатное стекло (Al2O3, Na2O, SiO2) 1450°C;

натрийборосиликатное стекло (Na2O, B2O3, SiO2) 1250°C. Эти стекла обладают

также более высоким показателем преломления и могут быть модифицированы для

получения материала с низким показателем преломления (для оптической

оболочки). Показатели преломления натрийборосиликатного стекла можно

уменьшить на 3%, натрийкальцийсиликатного на 4%, щелочносвинцового

силикатного почти на 10%. При этом все модификации согласуются между собой

по остальным свойствам и могут использоваться как материалы для сердцевины

и оптической оболочки волоконно - оптических световодов.

Недостаток низкоплавких многокомпонентных стекол - большая

вероятность загрязнения по сравнению с плавким кварцем. Это затрудняет их

очистку от примесей для снижения показателя поглощения и рассеивания. Из-за

низких температур при размягчении и плавлении возможно загрязнение стекла

на всех стадиях производства.

Для формирования многокомпонентных оптоволокон необходимо подобрать пару

стекол для сердцевины и оптической оболочки, которые удовлетворяли бы

следующим требованиям:

1) Минимальные диффузионные процессы на границе раздела пары стекол,

которые достигаются путем уравновешивания их состава по роду и концентрации

щелочных оксидов. Это позволит максимально сохранить исходные значения

показателя преломления каждого стекла из пары.

2) Максимальная совместимость пары стекол, когда на границе их раздела при

вытягивании волокна и возможных последующих термообработках не возникают

новообразования, газовые пузырьки и ликвация.

3) Низкотемпературное плавление при 1250-1350 С высокочистой гомогенной

шихты в тигле из чистого кварцевого стекла при минимальном его растворении

расплавом, особенно стекла сердцевины.

Итак, в большинстве случаев предпочтительно применять кварцевые

стекла, поскольку они обладают рядом преимуществ. При этом двуокись кремния

как составная часть может быть получена с очень высокой степенью чистоты.

Требуемые пары подбираются исходя из экспериментальных данных, условий

эксплуатации и конечной стоимости изделия.

Качество очистки силикатного стекла (SiO2), применяемого в настоящее

время в оптических волокнах с малыми потерями, приближается к

принципиальному пределу, обусловленному свойствами самого стекла. Этот

успех в результате выявления и устранения всех факторов, обусловливающих

оптические потери. Концентрации таких включений, как медь, железо и

ванадий, были снижены до нескольких долей на миллиард частиц. Концентрация

загрязнения водой и гидроксогруппой (ОН) были уменьшены почти до столь же

низкого уровня. Допуски сердцевины выпускаемых сейчас волокон на размеры и

степень отклонения от кругового сечения меньше, чем один микрон на многие

километры длины. Пузырьки и дефекты поверхности по существу устранены.

Существуют окислы, называемые структурными модификаторами, которые

необходимы для того, чтобы изменять основные свойства стекла, такие, как

показатель преломления, тепловое расширение, коэффициент абсорбции

(характеризует способность некоторого твердого 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 |Структурная форма |Структурный |

| |модификатор | |модификатор |

| |(легирующая | |(легирующая |

| |добавка) | |добавка) |

|SiO2 |K2O |Al2O3 |CaO |

|B2O3 |MgO |Na2O3 |PbO |

В следующей таблице представлены вещества, используемые в методах

осаждения, конечные продукты и соотношения между показателями преломления:

|Композиция (исх. в-ва) |Структура (состав стекла)|Показатель преломления |

|SiCl4, O2 |SiO2 |No |

|GeCl4, O2 |GeO2 |N>No |

|POCl3, O2 |P2O5 |N>No |

|BCl3,O2 |B2O3 |N

Материалы, используемые при производстве волокон с кварцевой

легированной сердцевиной и оптической оболочкой из боросиликатного стекла,

а так же типичные значения (n (в относительных единицах) между сердцевиной

и оболочкой даны в следующей таблице (точные значения (n зависят от режима

термообработки и мольной концентрации легирующих веществ )

|Сердцевина |Оболочка |(n, |

|Добавка |Структура |Добавка |Структура |% |

|P2O5 |SiO2 |B2O3 |SiO2 |0.8 |

|GeO2 |SiO2 |B2O3 |SiO2 |1.2 |

|GeO2, B2O3 |SiO2 |B2O3 |SiO2 |1.3 |

Стекла - не единственный прозрачный материал в видимой и инфракрасной

области, прозрачны и многие полимеры. Полимеры имеют следующие

преимущества: из них легко формировать элементы, в том числе и волоконные,

они дешевле, при их изготовлении используются меньшие температуры, чем для

стекла. Однако до недавнего времени оптические потери в полимерах были

гораздо выше, чем в стекле. Тем не менее потери в полимерах могут быть

уменьшены за счет сдвига полосы поглощения, связанной с колебаниями C-H

(полимер в основном состоит из связей углерод-водород). Для этого

необходимо заменить водород на фтор и из-за увеличения эффективной массы

колебательной системы поглощение сдвинется в инфракрасную область, не

используемою при передачи изображений. Таким образом, можно получить

маленькое поглощение вплоть до длин волн 1,3 мкм. Подобная замена не

связана с большими затратами. Стекла и полимеры - аморфные материалы;

бывают волокна поликристаллические, их получают с помощью выдавливания из

кристаллического стерженька на специальной машине - экструдере.

Поликристаллические волокна делают обычно небольшой длины - метры-десятки

метров и, как правило, используют для передачи мощного лазерного излучения.

Стекол, из которых делают стеклянные волокна, очень много, это

кварцевые стекла (из оксида кремния), фторидные стекла - фториды тяжелых

металлов и халькогенидные стекла. Все они работают в видимом диапазоне или

в ближнем ИК и в далеком ИК (максимум до 10 микрон). Полимерные световоды -

это видимый и ближний ИК-диапазоны.

Кварцевое стекло является очень хорошим материалом. Одна из причин,

почему сейчас фторидные полимерные стекла не разрабатывают, хотя там

потенциально возможны более низкие потери, состоит в том, что эти стекла

более низкого качества. Менее стабильны, гигроскопичны. Кварцевое стекло -

это материал, близкий к идеалу. Оно механически прочно, очень стабильно -

может лежать десятилетиями и столетиями без изменения молекулярной

структуры.

Пластиковое, или полимерное, оптическое волокно опережает

стекловолокно по соотношению цена-производительность. Пластиковые световоды

способны работать в широком температурном режиме - от – 40С до + 85C. Без

ущерба для оптических характеристик они могут выдерживать радиус изгиба до

20 мм и не ломаются даже при радиусе изгиба в 1 мм. Такая гибкость

позволяет пластиковому световоду с легкостью достигать труднодоступных

мест, проникая сквозь большое количество достаточно крутых перегибов. Но

пластиковое волокно имеет один существенный недостаток: сравнительно

большая дисперсия светового импульса, поданного на вход. Это обстоятельство

и ограничивает максимальную длину пролета сотней метров, что вполне

достаточно для передачи изображения на расстояние всего нескольких метров.

3.1.2 Выбор материала внешней оболочки жгута.

Материалы внешней оболочки подбираются исходя из условий эксплуатации

и назначения устройства, в состав которого входит светопроводящий жгут.

Типичными материалами являются: резина, пластик, нержавеющая сталь,

Страницы: 1, 2