Применение кварцевого стекла в линиях связи

      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^оС 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: 
 

      В следующей таблице представлены вещества, используемые в методах  осаждения, конечные продукты и соотношения  между показателями преломления: 

      Материалы, используемые при производстве волокон  с кварцевой легированной сердцевиной  и оптической оболочкой из боросиликатного  стекла, а так же типичные значения Dn (в относительных единицах)  между сердцевиной и оболочкой даны в следующей таблице (точные значения Dn зависят от режима термообработки и мольной концентрации легирующих веществ ) 

      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.  
 

4.1.2 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, полиэтилен. При  необходимости все "пустоты" кабеля заполняются гидрофобным материалом - в таком случае оптические волокна  будут находиться внутри жгута в  зафиксированном состоянии. Добавление гидрофобных материалов увеличит прочность  жгута, уменьшив при этом его подвижность. Заполнение кабеля изнутри предотвратит попадание водяных паров на поверхность  световодов. На входной и выходной торцы жгута после плавления  и шлифовки помещаются стальные или  пластиковые кольца. Кольца придают  торцам прочность. Кроме того, на кольце для удобства монтажа может быть нарезана резьба требуемого диаметра.  
 

4.2 Технологическое оборудование. 

4.2.1 Приготовление шихты и плавка стекла. 

      Существуют  разные методы изготовления стекловолокна. Одной из наиболее эффективных и  распространенных является технология изготовления волокна из кварцевого стекла по методу химического осаждения  из газовой фазы. При изготовлении необходимо решить по крайней мере две центральные задачи. Во-первых, обеспечить чрезвычайно высокую  химическую чистоту материала, составляющего  сердцевину, и, во-вторых, обеспечить высокую  однородность вытягиваемого волокна. Делается это следующим образом. Сначала изготавливают заготовку  стеклянный стержень диаметром 5 - 15 мм, имеющий распределение показателя преломления в поперечном сечении  такое же, как у будущего световода. Для получения заготовки берут  вначале кварцевую трубку из высококачественного  стекла. Через трубку продувают смесь  газообразного тетрахлорида кремния SiCl₄ и кислорода, а трубку прогревают газовой горелкой до высоких температур (вплоть до 1500^оС). Тогда в результате химической реакции на внутренней поверхности трубки осаждается чистый кварц SiO₂ . Высокая степень химической чистоты этого кварца обеспечивается высокой чистотой газовых компонент SiCl₄ и O₂ . Полученный тонкий слой будет служить составной частью в будущей оболочке. Затем процесс нанесения слоев на внутреннюю поверхность повторяется, но в состав газовой смеси добавляется еще тетрахлорид германия GeCl₄ . Тогда в осажденном слое кварца содержится некоторое количество германия, что обеспечивает более высокий показатель преломления в этом слое, который служит основой будущей сердцевины.

      Затем полую стеклянную трубку с нанесенными  на внутреннюю поверхность слоями кварца прогревают до размягчения, и она  за счет сил поверхностного натяжения  сжимается в стержень. Заготовка  готова. Для того чтобы из нее  получить волокно, заготовку помещают в устройство для вытяжки, где  она устанавливается вертикально, и нижний конец нагревают до плавления. За этот конец производится вытяжка. Для обеспечения нужной толщины  производится регулировка скорости вытяжки и температуры нагревания. Правильный подбор и поддержание  нужной скорости вытяжки важны для  получения волокна высокой однородности. Вытягиваемое волокно покрывают  защитной оболочкой и наматывают на барабан. Если в процессе изготовления заготовки производится нагрев до более  высоких температур и выбирается более высокое давление газовой  фазы, так что химическая реакция  происходит не только на внутренней поверхности  трубки, но и в газовом потоке, то указанный метод называют модифицированным способом осаждения из газовой фазы. Если слои с примесью германия наносятся  так, что показатель преломления n1 в  сердцевине постоянен по сечению  сердцевины, то тогда распределение  показателя преломления в волокне  называется ступенчатым. Если концентрация германия изменяется так, что показатель преломления сердцевины плавно уменьшается  вдоль радиуса, проведенного от центральной  оси к оболочке, то такое волокно  называется градиентным. Градиентное  волокно не применяется при изготовлении световодов для передачи изображения. Из отдельных волокон могут быть изготовлены кабели различного сечения, содержащие до нескольких тысяч отдельных  волокон.