CC BY
8DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-54-55
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПРЕФОРМ С АЛЮМОФОСФОРОСИЛИКАТНОЙ СЕРДЦЕВИНОЙ ДЛЯ АКТИВНЫХ КОНУСНЫХ СВЕТОВОДОВ
1 * 1 2 2 Липатов Д.С. , Гурьянов А.Н. , Бобков К.К. , Лихачев М.Е.
'Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых РАН, г. Н. Новгород 2Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Научный центр волоконной оптики им. Е.М. Дианова РАН,
г. Москва E-mail: lidenis@yandex.ru
Стекла системы Al2O3-P2O5-SiO2 (APS) легированные приблизительно равными концентрациями Al2O3 и P2O5 представляют высокий интерес для изготовления одномодовых световодов с большим диаметром поля моды. Уникальная особенность данной матрицы обусловлена близкими к кварцевому стеклу физико-химическими свойствами (показатель преломления, КТР), но в отличие от кварцевого стекла данная матрица имеет существенно более высокий концентрационный предел вхождения оксидов РЗЭ. Это позволяет изготавливать высоколегированные РЗЭ LMA (large mode area) конусные световоды и достигать высоких пиковых мощностей в устройствах. Диаметр поля моды конусных световодов критически зависит от формы профиля показателя преломления (I IIIII), который определяется составом и однородностью стекла сердцевины. APS световоды изготовленные MCVD технологией имеют наибольшие изменения состава в центре сердцевины, вследствие испарения P2O5 на стадии консолидации трубы. В зависимости от соотношения Al2O3/P2O5 на ППП образуется либо «пик», что сужает диаметр поля моды и резко снижает порог нелинейных эффектов, либо «провал» -мода приобретает форму «бублик». В работе представлены результаты исследований по изготовлению Yb-APS световодов с ровным и строго ступенчатым ППП.
Преформы изготавливались полностью газофазным MCVD методом, с использованием Yb(thd)3 (хелат) в качестве прекурсора Yb2O3. Необходимая высокая концентрация Yb2O3 (0.5 мол%) была достигнута за счет оригинальной методики раздельного осаждения. Вначале при пониженной температуре осаждался слой APS матрицы. Далее в трубу поступали пары хелата и образующиеся в зоне нагрева частицы Yb2O3 осаждались на поверхности слоя матрицы. Затем Yb2O3/Al2O3/P2O5/SiO2 слой сплавлялся в прозрачное стекло в атмосфере хлор-агента для удаления водородсодержащих примесей. Изготовление сердцевины диаметром 2 мм происходило за счет осаждения 10 тонких слоев, каждый из которых пропитывался Yb2O3 в течении 2-4 проходов горелки. Раздельное осаждение матрицы и слоя Yb2O3 обеспечивает низкий уровень ОН групп (ниже 1 ppm) и однородное распределение иттербия на участке длине преформы 25-30 см (низкая температура пропитки препятствует предварительному разложению хелата до зоны горелки).
Наиболее сложной технологической задачей было обеспечить однородность Yb-APS стекла по сечению сердцевины. С целью снижения температуры консолидации использовалась тонкостенная опорная труба (15*12,4 мм), которая перед осаждением сердцевины сжималась до внутреннего диаметра 5-6 мм. Это позволило снизить температуру (на 200-250 °С) и время схлопывания (1 проход горелки), но даже в этих условиях происходило испарение Р2О 5 из центра сердцевины.
Для компенсации количества испаренного Р 2О5 последний слой изготавливался при увеличенном расходе POCl3 (рис. 1). Объем слоя, из которого испаряется Р2О 5 меньше толщины осажденного слоя, в результате осевой слой имеет область с большей (H) и с меньшей (L) концентрацией фосфора относительно остальной сердцевины. Увеличение на 30 % расхода POCl3 (кривая 2) компенсирует потерю Р2О5 из области L, но повышает содержание Р2О5 в области H и показатель преломления. Уменьшение же толщины центрального слоя до размера области L не позволяет сохранить требуемое количество Р2О5 вследствие сложности удержания Р 2 О5 в тонком слое при его сплавлении.
Следующий подход заключался в удалении Yb-APS слоя, обедненного P2O5. Трубчатая преформа сжималась до предельно малого внутреннего диаметра ~1.5 мм и внутренний поверхностный слой стекла стравливался в потоке C2F3Cl3. Во время травления происходило помутнение осевого слоя сердцевины и в схлопнутой преформе центральная область становилась полностью непрозрачной. Обнаружено, что помутнение стекла обусловлено выделением Yb2O3 в отдельную фазу вследствие селективного травления Yb-APS стекла ^F3Cl3, в результате которого оксиды матрицы образуют соответствующие летучие фториды (SiF4, AlF3, POF3), в отличие от Yb2O3, который согласно термодинамическому расчету не взаимодействует с C2F3Cl3. В процессе
54
№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021»
www.fotonexpres.ru fotonexpress@mail.ru
травления поверхностный слой обедняется А12О3 и Р2О5, в то время как концентрация УЬ2Оз становится выше предела растворимости в APS стекле и происходит выделение Yb2O3 в виде отдельной фазы.
-кривая 2
-кривая 1
И LH
fi 1 щ
-3-2-10123 Радиус, мм
Рисунок 1. ППП в преформах, изготовленных при Рисунок 2. ППП в преформе с Yb-APS сердцевиной, повышенном на 15 % (кривая 1) и 30 % (кривая 2) схлопывание проводилось в направлении потока расходом POCl3 в последнем слое POCl3
Концентрация фосфора в стекле зависит не только от состава парогазовой смеси, толщины осаждаемого слоя и температуры его сплавления, но также определяется равновесием газ - твердая фаза. Для подавления испарения Р 2О5 из стекла процесс консолидации был проведен в направлении потока РОС13. Обнаружено, что в данном режиме концентрация фосфора в осевом слое определяется концентрацией Р2О5 в атмосфере трубы, которая в свою очередь зависит от количества РОС13, пропускаемого через трубу до момента ее консолидации. В начале схлопывания происходит внедрение Р2О5 из атмосферы трубы в размягченное стекло и показатель преломления осевой области увеличивается относительно остальной сердцевины (рис. 2 точка 100 мм). Центральный участок преформы длиной ~ 100 мм имеет однородное стекло сердцевины (рис. 2 точка 200 мм), а в конце преформы концентрации пара Р2 О 5 в трубе становится недостаточной для подавления испарения Р2О5 из осажденного стекла, что приводит к снижению показателя преломления в центре преформы (рис. 2, точка 300 мм).
Размер центрального провала в фосфоросиликатных световодах не зависит от количества проходов сжатия трубы, поскольку основная доля Р2О5 испаряется в течение первого прохода сжатия, когда внутренний диаметр трубы максимален и высокотемпературной обработке подвергается большая площадь поверхности стекла. С целью снижения площади поверхности осевого слоя, труба с осажденным УЬ-ЛР8 стеклом сжималась до предельно малого внутреннего диаметра 1-2 мм. Чтобы исключить потерю Р2О5 в трубу поступал РОС13. Окончательное схлопывание трубы проводилось при обратном проходе горелки и пониженном давлении, в атмосфере кислорода для исключения внедрения Р 2 О5 в осевой слой сердцевины. На рисунке 3 представлены данные преформы с УЬ-ЛР8 сердцевиной, изготовленной с учетом всех особенностей разработанного метода. Одинаковая форма ППП (А), снятых по длине преформы и накладывающихся друг на друга, а также элементный анализ стекла (В) свидетельствуют об однородности УЬ-ЛР8 стекла на участке преформы 270 мм.
Рис 3. ППП (А) и анализ стекла сердцевины (B) в Yb-APS преформе Работа выполнена по госзаданию Министерства образования и науки РФ, проект № 0095-2019-0006.
№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021»
www.fotonexpres.rufotonexpress@mai1.ru 55
