Применение кварцевого стекла в линиях связи

       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.

      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.

4. Технология производства.

1. Выбор химического состава. Легирование.

4.1.1 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^оС при быстром нагреве, 1720^оС 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.