МЕТАЛЛИЗИРОВАННОЕ МИКРОСТРУКТУРИРОВАННОЕ ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-65-66

МЕТАЛЛИЗИРОВАННОЕ МИКРОСТРУКТУРИРОВАННОЕ

ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО

*

Попов С.М. , Ряховский Д.В., Колосовский А.О., Волошин В.В., Воробьёв И.Л., Исаев В.А., Чаморовский Ю.К.

Фрязинский филиал института Радиотехники и Электроники РАН г. Фрязино, Россия

E-mail: sergei@popov.eu.org

Последнее время появилась потребность в волоконно-оптических датчиках (ВОД) температуры и давления, которые должны функционировать в диапазоне от -100 °С до 1000 °С, что необходимо для распределённых систем мониторинга температуры и жизнеобеспечения. Ключевым элементом таких ВОД являются оптические волокна (ОВ), которые способны работать при повышенных температурах. Хорошо известно, что «обычные» ОВ могут работать лишь при температурах до 85°С [1, 2] из-за деградации покрытия при повышенных температурах, что объясняется свойствами материалов (полимеров), покрывающих незащищенное ОВ. Поэтому обычные ОВ c покрытием из полимера не годятся для построения высокотемпературных ВОД. Решением этой проблемы может являться использование различных металлов (медь, алюминий и сплавы на их основе) [3, 4] в качестве внешнего покрытия ОВ. На данный момент работы по созданию металлизированных ОВ ведутся как в России (НЦВО им. ЕМ. Дианова РАН, ГОИ им. С И. Вавилова, ИРЭ им. В.А Котельникова РАН, ПНППК), так и за рубежом (Silicon Lightwave Techology, Moritex Optocom Company, Fiberguide Industry).

При высокотемпературном применении металлизированных ОВ в них происходят различные процессы, которые приводят к изменению спектрального пропускания таких ОВ. Изучение оптических свойств металлизированных ОВ и процессов, протекающих в них при нагреве, необходимо для выбора оптимальной конструкции металлизированного ОВ, которое сможет работать при высоких температурах с минимальными оптическими потерями [4]. Ранее нами в работах [5-7] было показано, что оптимизацией параметров ОВ, таких как тип покрытия (медь или алюминий), разность п.п. (сердцевина-оболочка) и внешнего диаметра ОВ возможно достигнуть приемлемого уровня начальных потерь (1 дБ/км на длине волны 1310 нм для ОВ с внешним диаметром 230 мкм). Кроме того возможно уменьшить прирост потерь во время термоциклирования до приемлемого уровня до 4 дБ/км на длине волны 1310 нм. Важно также отметить, что при исследовании был обнаружен интересный эффект, который заключается в том, что взаимодействие алюминиевого покрытия ОВ с внешней средой приводит к генерации молекулярного водорода. Молекулярный водород взаимодействия со световедущей сердцевиной ОВ приводит к появлению гидроксильных групп, которые вызывают повышенное поглощение (более 100 дБ/км) вблизи длины волны 1.39 мкм. Напротив, использование алюминиевого покрытия, позволило стабилизировать работу ОВ с массивом

волоконных Брэгговскнх решёток записанных при вытяжке при их работе при температурах до 5000С [8-9].

Важно отметить, что одной из основных причин повышенных оптических потерь в ОВ с металлическими покрытиями являются микроизгибные оптические потери [4]. Фундаментальные причины их появления - различный КТР кварцевого стекла и металлического покрытия ОВ, поликристаллическая структура покрытия и частично неупругое поведение металлического покрытия. Нагрев ОВ вызывает микроизгибы оси ОВ, что приводит к потерям излучения. Для уменьшения влияния металлического покрытия на ОВ на световедущую сердцевину ОВ нами предложено использовать микроструктурированное ОВ с т.н. подвешенной сердцевиной [10]. На рис.1 показана фотография торца микроструктурированного ОВ с медным покрытием. Внешний диаметр ОВ - 125 мкм. Размер световедущей сердцевины 6.7 x 5.4 мкм. Структура была изготовлена из стекла Heraeus F-300.

Рис.1. Фотография металлизированного микроструктурированного ОВ

Данное ОВ было подвергнуто термоциклированию в диапазоне температур от 20 до 4500С с шагом 500С. Шаг нагрева на 500С происходил в течение 15 минут с последующей выдержкой при фиксированной температуре в течении 5 минут. Оптические потери измерялись как рефлектометрическим методом на длинах волн 1.31 и 1.55 мкм (рис. 1), так и спектральным методом (в области длин волн 800.. .1650 нм) - рис. 2.

§ 8н

и ■ % 7

& 5 Ь . 4321-

50 100 150 200 250 300 350 400 450

5 8 7

* 6 IS

6 5

I 4

к 3 к

8 2 V

к I

в1

О 0

50 100 150 200 250 300 350 400 450

Температура, 0С

Температура, 0С

Рис. 2. Изменение оптических потерь при нагреве (красный цвет) и охлаждении (синий цвет) измеренных методом рефлектометрии на длинах волн 1310 нм (слева) и 1550 нм (справа).

0

В ходе экспериментов обнаружено, что при термоциклировании в области температур 20...450°С металлизированного ОВ с подвешенной сердцевиной диаметром 125 мкм наблюдается прирост оптических потерь. Величина прироста имеет величину ~3 дБ на длинах волн 1310 и 1550 нм. Кроме того наблюдается прирост оптических потерь на величину более 100 дБ на длине волны 1390 нм вследствие поглощения на гидроксиль-ных ионах (OH-связи). Величина прироста оптических потерь на длине волны 1390нм значительно превышает исходную концентрацию OH-связей в стекле F-300 (0.1 ppm, что эквивалентно 5 дБ/км на длине волны 1390 нм [2]). Минимальный прирост потерь 2.5 дБ/км наблюдался на длине волны 1550 нм и показывает, что данная структура ОВ перспективна для уменьшения дополнительных потерь при нагреве. Работа выполнена в рамках государственного задания.

Литература

1. А.В. Листвин, В.Н. Листвин. Оптические световоды для линий связи. М.: Лесарарт, 2003, 288с.

2. В.Д. Бурков, Г.А. Иванов. Физико-технологические основы волоконно-оптической техники. М.: МГУЛ, 2007

3. Robert W.Filas, Materials Research Society Symposium Proceedings, 531, 263-272 (1998)

4. Alexis Mendez, T.F.Morse. Specialty Optical Fibres Handbook. Academic Press, 2007, 841 p.

5. К V Voloshin et al, TECHNICAL PHYSICS LETTERS, 35 365-367 (2009)

6. V.V. Voloshin et al, Journal of Communications Technology and Electronics, 56, 103-110 (2011)

7. S.M. Popov et al, Optical Memory and Neural Networks (Information Optics) 21, 45-51 (2012)

8. Yu.K.Chamorovskiy et al, Optical Fiber Technology 34, 30-35 (2017)

9. Sergei M.Popov et al, Optical Fibres with arrays of FBG: Properties and application Spring (PIERS), St. Petersburg, Russia, 22-25 May 2017, IEEEXplore, 1568 - 1573 (2017)

10. Yu.K.Chamorovskiy et al, Optics Communications 282, 4618-4621 (2009)

S120 Л

3

1W-I н & 80 ё 13 60^

И 40

5

Ё 20J

I

0n-800

1000 1200 1400 1600 Длина волны, нм

Рис. 3. Дополнительные спектральные потери при нагреве от 20 до 4000С металлизированного ОВ с подвешенной сердцевиной