CC BY
146
НЕРАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТЕРЕОМЕТРИИ И ВНУТРЕННИХ ДЕФЕКТОВ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА ДЛЯ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ И МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКИ К.В. Дукельский, В.Л. Ткалич, В.Н. Фролков, Н.А. Коробейникова
В работе проведен анализ существующих методов неразрушающего контроля основных характеристик оптического волокна. Предложен новый метод исследования стереометрии и структурных дефектов оптического волокна. Осуществлен анализ температурных потерь оптического волокна. Для случая мягко-буферного покрытия из силоксановых эластомеров даны рекомендации по эффективному соотношению диаметров сердцевины и светоотражающей оболочки и оболочек защитного покрытия
Введение
В настоящее время мировое производство оптического волокна (ОВ) составляет более 77 млн.км\год, и производственные мощности постоянно растут.
ОВ широко применяется в современной связи, приборостроении, медицинской технике. Такие свойства ОВ, как высокая широкополосность, отсутствие заземляющих элементов, взрывобезопасность, малая материалоемкость, малые массогабаритные характеристики, отсутствие в составе дорогостоящей меди, позволили им успешно конкурировать и заменять традиционные металлические линии связи. ОВ для линий связи составляет порядка 90% от всех выпускаемых видов оптических волокон. Отсюда следует, что задача разработки неразрушающих бесконтактных оптических методов исследования стереометрии и внутренних структурных дефектов ОВ для элементной базы микроэлектроники и микросенсорной техники является актуальной, что полностью соответствует позиции «Информационно-телекоммуканикационные технологии и электроника» перечня «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники Российской Федерации», а также позиции «Микросистемная техника» из «Перечня критических технологий Российской Федерации»".
Анализ существующих и разработка новых неразрушающих методов исследования характеристик оптического волокна
Комплекс измерений параметров ОВ выполняется в процессе строительства и технической эксплуатации волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) локальных и корпоративных сетей и предназначен для определения состояния кабельной системы и качества функционирования оптических трансиверов активного оборудования, для предупреждения повреждений и накопления статистических данных, используемых при разработке мероприятий по повышению надежности связи.
Так как ОВ нуждается в многократном тестировании, то производитель ОВ должен убедиться в том, что волокно соответствует специфицированным характеристикам. К числу контролируемых в этих тестах параметров относятся:
- диаметр сердцевины,
- диаметр кварцевой оболочки,
- диаметр защитной оболочки,
- числовая апертура,
- затухание,
- профиль показателя преломления,
- дисперсия,
- допустимая растягивающая нагрузка.
Для измерения диаметра отдельных волокон нельзя применять механические методы из-за малости диаметра волокон (25-100 мкм, возможно меньше). Наилучший результат, т.е. максимальную точность измерений, дают только оптические методы [1]. Измерение диаметра проводится путем оптического контроля расстояния между двумя точными роликами, сжимаемыми пружиной, при прохождении между ними волокна. В данном случае используются оптические методы увеличения механических перемещений. Повышение чувствительности достигается путем применения двух параллельных зеркал, одно из которых присоединено к механическому рычагу ролика с пружиной. Изображение источника света после многократных отражений от зеркал проецируется на экран или фотоэлемент. Высокая чувствительность достигается за счет сложения механического и оптического усиления. Точность данного метода ограничена механическими перемещениями, вибрациями, дефектами поверхности роликов. Для измерения диаметра ОВ можно также использовать микропроектор. В таком случае ОВ проходит через тщательно стабилизированные ролики, а изображение волокна увеличивается микропроектором. Диаметр ОВ может измеряться непрерывно, но возможно также измерение через случайные (но достаточно короткие) интервалы времени. Использование фотоэлемента позволяет получить электрические сигналы, связанные с изменением диаметра ОВ. В этом случае фотоэлемент осуществляет обратную связь в системе контроля.
Для исследования поверхности ОВ можно применить оптическую микроскопию [2]. Вследствие того, что глубина резкости микроскопа с большим увеличением ограничена, а поверхность ОВ имеет обычно цилиндрическую форму, в плоскости изображения оказывается только небольшой участок поверхности световода. Однако правильный выбор увеличения и фокусировки при продольном сканировании позволяет исследовать поверхность волокон полностью. Такой метод позволяет выявить и отбраковать волокна, имеющие механические дефекты (царапины). Для волокна с оболочкой интерес представляет исследование поверхности раздела сердцевина - оболочка, именно на ней происходят многократные полные внутренние отражения. Для анализа поверхности раздела материал-сердцевина ОВ помещают между двумя покровными стеклами и заполняют пространство между ними жидкостью, показатель преломления которой равен показателю преломления материала оболочки. Оболочка в такой среде перестает играть роль. Торец волокна освещается, а боковая поверхность осматривается через микроскоп. Естественно, что любой дефект границы раздела может легко быть обнаружен визуально. Следует отметить, что граница раздела в стеклянных волокнах со стеклянной оболочкой отличается высоким качеством и имеет большой коэффициент отражения.
Поверхностная структура ОВ хорошо просматривается при использовании электронного микроскопа. Контроль поверхности стекловолокна лучше производить по истечении некоторого времени, дав возможность волокну остыть, а дефектам проявиться в полной мере. Средний размер поверхностных дефектов составляет 30-50 нм в ширину и 5-15 нм в высоту. На таких неоднородностях наблюдается рассеивание света.
Наиболее точным и чувствительным методом исследования поверхности ОВ и определения его диаметра являются методы, использующие интерферометры [2]. Одним из приборов, пригодных для исследования оптоволокна, является микроинтерферометр Линника. Волокно помещают в одну ветвь микроинтерферометра, а эталонную плоскую или цилиндрическую поверхность помещают в другую ветвь - ветвь сравнения. Фронт волны, отраженный от волокна, интерферирует с фронтом волны, отраженным от эталонной поверхности, образуя интерференционную картину, форма которой зависит от взаимного расположения волновых фронтов. Этот метод обеспечивает очень точные измерения диаметра ОВ и структуры поверхности. Использование плоской эталонной поверхности дает большое количество интерференционных полос, что затрудняет анализ картины. Для уменьшения числа полос в ветвь сравнения помещают образцовое волокно известного диаметра. Недостатком системы является то, что из-за боль-
шого увеличения одновременно анализируется лишь небольшой участок волокна в виде полоски.
Для исследования цилиндрической границы раздела между сердцевиной с высоким показателем преломления и оболочкой, показатель преломления которой ниже, волокно погружают в жидкость, которая имеет одинаковый с оболочкой показатель преломления. На микроинтерферометре можно проводить непрерывное исследование длинных стеклянных заготовок. Для этого волокно медленно и равномерно перемещают перед объективом, естественно, исключив вибрации. Подобное протаскивание осуществляет прецизионный привод - намоточник, перематывающий волокно с одного барабана на другой.
Волокна, вытянутые из расплавленного стекла, могут быть неоднородными. К тому же их показатель преломления точно (хотя бы вследствие легирования) будет отличаться от показателя преломления исходного стекла. Изменения показателя преломления вполне характерны для стеклянных световодов и зависят от технологической совместимости материалов сердцевины и оболочки, процесса вытяжки, режима отжига. Очевидно, что большие неоднородности стекла ухудшают механические (максимальное усилие на разрыв) и оптические (рассеяние света) свойства волокон. Если поместить ОВ между скрещенными поляризаторами и пропустить через него колли-мированный свет, то будет наблюдаться картина в форме лепестков. Подобные фигуры свидетельствуют об образовании в стеклянном волокне слоев с различными оптическими свойствами, имеющих круговую симметрию относительно оси волокна и показывающих наличие напряжения. Эти напряжения обусловливают большую, чем у исходного стекла, прочность волокна.
Распределения напряжений и неоднородностей ОВ и оболочки наилучшим образом определяются интерференционными методами [2]. Один из приборов, позволяющих проводить подобный анализ, является микроинтерферометр Линника, упомянутый выше. Напряжения в оболочке и сердцевине проявляются в виде искажений на интерференционной картине.
Интерферометр вполне применим и для контроля толщины оболочки. Если поместить часть световода в жидкость с таким же показателем преломления, а часть оставить вне жидкости, то толщину оболочки можно измерить по смещению интерференционной картины при наблюдении световода в воздухе и жидкости.
Плотность укладки ОВ важна как для разрешающей способности прибора в целом, так и для светопропускания волоконной детали (жгута). Плотность укладки измеряется с помощью микроскопа с большим увеличением. Другой способ - пропустить коллиматорный свет через волоконный элемент. Способ особенно эффективен, если учтены френелевские потери на отражение, а жгут имеет непрозрачную оболочку, препятствующую проникновению падающего извне света.
Механические свойства ОВ, такие, как максимальные допустимые нагрузки на изгиб и растяжение, устанавливаются чисто механическими методами [2]: известное внешнее воздействие сообщается ОВ и медленно увеличивается до тех пор, пока световод не будет разрушен. Величина воздействия отслеживается. Распределение напряжения в ОВ легко выявить при помощи интерферометра, наблюдая изменение интерференционной картины при нагрузке изделия.
Для определения показателя преломления ОВ используется следующий метод: волокно погружают в жидкость, показатель преломления которой известен, и освещают монохроматическим светом некоторой длины волны. На конце световода фиксируют микроскоп. Если показатель преломления торца и жидкости равны, изображение торца волокна исчезает. При расфокусированном микроскопе дифракционные кольца не видны. При изменении длины волны может быть получена дисперсионная кривая ОВ. Для достижения равенства показателей преломления ОВ и иммерсионной жидкости исполь-
зуют свойство жидкости менять показатель преломления в зависимости от температуры. Для этого необходимо использовать жидкость с известной зависимостью показателя преломления от температуры. Такой метод применим только для волокна без оболочки, так как он не дает возможности выявить небольшие локальные изменения показателя преломления. Для обнаружения местных изменений показателя преломления можно использовать многолучевой интерференционный микроскоп. ОВ с оболочкой погружают в жидкость с известным показателем преломления. Иммерсионная жидкость должна иметь кривую дисперсии, пересекающую кривую дисперсии образца в среднем участке видимого спектра. Образец и соответствующую иммерсионную жидкость помещают между двумя параллельными пластинами интерферометра Фабри-Перо. Затем интерферометр освещают белым светом через коллиматор; для проецирования изображения образца на щель спектрографа удобно использовать микроскоп. Таким образом, появляется возможность наблюдать полосы равного хроматического порядка от лучей, проходящих через жидкость и образец. Очевидно, что эти полосы у границы образца будут смещены для длин волн, при которых показатели преломления жидкости и образца различны. Смещение полос не наблюдается только для некоторой длины волны, при которой показатели преломления обеих сред равны. Измерение температуры иммерсионной жидкости для большей точности проводится термопарой.
Для определения нулевой точки, т.е. длины волны, при которой показатели преломления образца и жидкости равны, авторами предложен метод, использующий температурные изменения показателя преломления в различных участках спектра [1]. Если кривые дисперсии жидкости при различных температурах известны, то можно вычертить кривую дисперсии образца. Метод является достаточно точным: возможно определить 4-5-й знак после запятой в значении показателя преломления монолитного микроскопического образца. Точность определения температуры жидкости должна составлять десятые или сотые доли градуса, что вполне возможно при использовании электронных датчиков температур. Для максимально точного определения температуры жидкости можно применять медно-константановую термопару. Спай термопары погружают в жидкость у края исследуемого образца. Аналогичным образом можно проверять не только стеклянные и кварцевые волокна (которые при качественном изготовлении не имеют неоднородностей, поддающихся измерению), но и синтетические волокна, неоднородность которых бывает сравнительно высока.
Для определения фотометрической эффективности волокон необходимо знать общий передаваемый световой поток и угловое распределение выходящего светового потока в зависимости от параметров светового потока на входе световода. Спектральное пропускание отдельных волокон измеряется на микрофотометре. За выходной щелью монохроматора помещается объектив микроскопа, дающего изображение линз коллиматора на круглой диафрагме, диаметр которой меньше диаметра волокна. Волокно располагается за диафрагмой так, чтобы оно принимало весь световой поток, проходящий через диафрагму. Весь световой поток, выходящий из волокна, попадает на фотоумножитель. Энергия падающего потока измеряется следующим образом: фотоумножитель ставится вплотную к щели на место волокна. Доля общего потока, выходящая из волокна в пределах телесного угла наблюдения, измеряется с помощью фотоумножителя, на который проецируется изображение выходного торца волокна. Сигнал фотоумножителя определяет величину светового потока, выходящего из световода. Направление света на входе и телесного угла наблюдения на выходе можно изменять, получая, таким образом, полную картину светопропускания световода при различной геометрии. Светопропускание высококачественного ОВ не должно изменяться при изменении угла конуса света. Данный метод вполне пригоден для измерения светопро-пускания как волокон большого диаметра, так и маленьких волокон. Однако из-за применения диафрагмы, диаметр которой меньше диаметра волокна, применение данного
метода для измерения светопропускания маленьких волокон затруднительно. Для обеспечения светопропускания (или поглощения) волокон малого диаметра можно сделать следующее: входной конец волокна жестко закрепляется по отношению к источнику освещения и отмечают показания принимающего фотоэлемента при двух волокнах разной длины. Поглощение потока вдоль волокна носит экспоненциальный характер. Взяв отношение потоков при разных длинах волокна, логарифмированием выражают показатель поглощения. Метод достаточно точен, но для исключения ошибки при отсчете длины волокна необходимо полировать выходной торец волокна, не нарушая установки входного конца на спектрофотометре.
Существующие технологии изготовления ОВ обеспечивают высокое пропускание света. Потери света необходимо учитывать в длинных (десятки, сотни метров и более) волокнах. Такие потери обусловлены неоднородностями, пузырьками и микровключениями в сердцевине и оболочке ОВ. В длинных световодах количество дефектов велико даже при малой линейной плотности дефектов. Однако при передаче изображения волокна обычно не имеют большой длины, и количество дефектов в них, а также потери на дефектах, малы.
Анализ температурных потерь в оптическом волокне
Вопрос сведения к минимуму температурных потерь в волоконных световодах широко освещен в научных публикациях, но не теряет своей актуальности в связи с разработкой новых материалов для защитных покрытий и постоянным совершенствованием конструкций [4]. Выбор исходных материалов, типа конструкции и оптимизация геометрических характеристик ее элементов позволяют устранить действие термически наведенных напряжений, вызывающих появление микроизгибов и рост оптических потерь. Высокой термической устойчивостью отличается конструкция с мягкобуферной структурой защитного покрытия. Для нее применительно к случаю мягкобуферного покрытия из силоксановых эластомеров даны рекомендации по эффективному соотношению диаметров сердцевины и светоотражающей оболочки [5] и оболочек защитного покрытия [6, 7]. Метод направленного изменения свойств силаксановых эластомеров обеспечивает широкий диапазон рабочих температур: от -120 °С до +250 °С [8].
Для другого широко распространенного типа мягкобуферного покрытия, в качестве которого используются эпоксиакрилаты, вопрос усиления термической устойчивости световодов путем изменения конструктивных параметров решен в меньшей степени, что при отсутствии систематизированных данных затрудняет прогнозирование работоспособности световодов этой модификации.
Исследовалось влияние структурно-геометрических характеристик защитного покрытия на температурную зависимость оптических потерь в многомодовых кварцевых волоконных световодах с профилем показателя преломления, близким к параболическому. Первичное покрытие из УФ-отверждаемого эпоксиакрилата имеет одно- или двухслойную структуру. Вторичное покрытие из полиамида ПА 12 наносится методом экструзии. Световоды должны иметь размеры диаметров сердцевины и светоотражающей оболочки первичного и вторичного покрытий, соответственно, 35 и 50; 125; 230270; 330-500 мкм. Физические характеристики материалов приведены в табл. 1.
Зависимости дополнительных оптических потерь при действии на световод изменяющейся температуры окружающей среды измерялись на образцах километровой длины, намотанных на пластмассовые катушки диаметром 200 мм с поролоновыми прокладками при натяжении 0,3 Н без перехлестов и провисаний. Образцы помещались в климатическую камеру типа «Бейкой» модели 3524\58 с рабочим диапазоном изменения температуры от -50 °С до +100 °С. Заданное значение температуры выдерживалось с точностью ±1 °С при скорости изменения температуры в режиме охлаждения и нагре-
вания 1 град\мин. Дополнительные потери измерялись методом обратного рассеяния с помощью измерителя затухания AQ-1702 «Ando» на длине волны ^=850 нм с точностью 0,2 дБ\км.
Модуль Юнга
Элемент Материал Е, ГН\м2 Источник
конструкции данных
+20оС -20оС -40оС -60оС
Первичное ЭАС-655 0,007 1 2,5 4,1
покрытие De Soto 131 0,03 0,48 0,69 1,5
De Soto 030 0,012 0,54 1,37 2,07 17
De Soto 042 0,5 0,945 1,365 1,745
Вторичное ПА 12 1,3 1,5 1,55 1,7 18
покрытие
Таблица 1. Физические характеристики материалов покрытий световода
Прирост затухания при низких температурах в световодах с мягкобуферной структурой защитного покрытия определяется, главным образом, термоупругими и геометрическими характеристиками вторичной оболочки [9, 10]. Однако роль первичного покрытия возрастает в случае конструкции с мягкобуферной оболочкой из эпокси-акрилатов. Авторами данной работы экспериментально было установлено, что при понижении температуры модуль упругости эпоксиакрилатов существенно возрастает и при (-40)-(-60)оС достигает значений модуля Юнга материала вторичного покрытия (см. табл. 1). Для оценки влияния этого фактора на величину дополнительных потерь использовалось соотношение [11]:
-]3\2
Ла = C
Ef
(i)
где Ее - модуль Юнга материала первичного покрытия; Е/ - модуль Юнга кварца; кё -безразмерная постоянная порядка единицы; С - коэффициент пропорциональности. Коэффициент пропорциональности С зависит от радиусов сердцевины и оболочки световода, относительного показателя преломления и параметров микроизгиба. Для исследованного световода он равен 37.2 в предположении одной микронеровности.
Полученные авторами результаты расчетов по формуле (1) после подстановки температурных характеристик модулей упругости материалов покрытий приведены на рис.1. В области низких температур от -40 до -50 °С они совпадают с экспериментально полученными значениями затухания. В диапазоне от +20 до -40 °С сравнить расчетные и экспериментальные данные не представляется возможным, так как уровень потерь, обусловленный температурным изменением упругих свойств материала покрытия, существенно ниже точности измерений на данной аппаратурной базе. Оценка прироста затухания (Ла), выполненная по формуле (1), показывает, что низкотемпературные потери определяются динамикой роста модуля Юнга материалов первичных покрытий и для их уменьшения необходимо использование материалов с возможно меньшим значением модуля упругости до 1-1,5 ГН\м2 при -50 °С.
Снизить потери при низких температурах можно путем оптимизации толщины первичного покрытия [7]. На рис. 2 представлена зависимость дополнительных оптических потерь Ла от толщины буферного слоя ё в световодах с первичным покрытием, охлажденных до -50 °С. Наибольший прирост потерь наблюдался в случае одно-
слойного покрытия. Для покрытия из ЭАС-655, толщиной 20 мкм он составил Аа=0,9 дБ\км и снизился до 0,5 дБ\км за счет увеличения толщины до 50-55 мкм.
Ла=дБ/км
-70
-50
-30
-10
10
30
Т, оС
I
50
Рис.1. Теоретические и экспериментальные значения температурных потерь в световодах с первичными покрытиями из эпоксиакрилатов
1,2 г
Ла=дБ/км
0,8 -
0,4 -
20
гглл сс.\
40
60
80
100
d, мкм
120
Рис. 2. Зависимость дополнительных оптических потерь от толщины буферного слоя в световодах с первичными покрытиями, охлажденных до -50 оС: 1 - ЭАС-655;
2, 3 - De Soto 030/042.
0
Испытание двухслойной конструкции с покрытием из De Soto 030\42 (табл. 1) с толщиной защитного слоя 15 мкм при неизменной толщине буфера 55 мкм на стойкость к действию низкой температуры не только не ухудшило уровня потерь, но и показало его снижение (рис. 1, кривые 2, 3) до 0,3 дБ\км, что делает такую конструкцию более предпочтительной по сравнению с однослойной.
Аппроксимируя прямые (рис. 2, кривые 1, 3) до пересечения с осью абсцисс, можно получить толщину буфера, при которой его вклад в температурные потери перестанет сказываться. С учетом поля погрешности эта величина составляет d «100 мкм.
Исследование световодов с первичным покрытием показало, что оптимальной в плане стойкости к воздействию низких температур является двухслойная конструкция с мягкобуферным слоем толщиной 55 мкм и выше и диаметром сердцевины 35 мкм. Однако стандарт предусматривает диаметр сердцевины 50 мкм, что обеспечивает эф-
фективное соединение световодов на разъемных и сварных узлах, поэтому переход к слою 35 мкм целесообразен лишь в задачах, не требующих применения протяженных линий связи [5].
На практике использование световодов только в первичном покрытии не удовлетворяет требованиям прочности и защиты от боковых сдавливающих нагрузок, для чего необходимо изготовление модулей (световодов в жесткой защитной оболочке) и обеспечение их термической стойкости. Полученные результаты показали, что вклад первичного покрытия в общий уровень низкотемпературных потерь не превышает 1 дБ\км, и сохранение его в модулях явилось бы критерием работоспособности конструкций.
Заключение
В ходе выполнения исследований были получены следующие результаты.
1. Разработан неразрушающий метод контроля ОВ, при помощи которого были исследованы качественные характеристики ОВ (затухание, ширина полосы пропускания, прочность и др.).
2. Разработана оригинальная методика оценки температурных потерь ОВ.
3. Установлено, что уменьшение диаметра сердцевины с 50 до 35 мкм является резервом для снижения оптических потерь при низких температурах для линий протяженностью порядка строительных длин.
Литература
1. Дукельский К.В. Разработка специальных типов оптических волокон для нетрадиционных областей использования. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. СПб, СПб ГУ ИТМО, 2003, 20 с.
2. Гатчин Ю.А., Коробейников А.Г., Ткалич В.Л. Контроль качества оптического волокна. / Сборник научных статей / Под ред. д.т.н., проф. Ю.А. Гатчина и д.т.н., проф. В. Л. Ткалич. Диагностика и функциональный контроль качества оптических материалов. СПб: СПб ГУ ИТМО, 2004. 235 с. С.17-24
3. Ткалич В. Л. Оптический метод исследования и контроля напряженно - деформированных состояний упругих чувствительных элементов микроэлектроники и систем управления / Сборник научных статей / Под ред. д.т.н., проф. Ю.А. Гатчина и д.т.н., проф. В.Л. Ткалич. СПб: СПбГИТМО (ТУ), 2002. 147 с. Оптические методы исследования дефектов и дефектообразования элементной базы микроэлектроники и микросенсорной техники. С.18-32
4. Коробейников А.Г., Ткалич В. Л. Анализ температурных потерь в оптическом волокне./ Сборник научных статей / Под ред. д.т.н., проф. Ю.А. Гатчина и д.т.н., проф. В. Л. Ткалич. Диагностика и функциональный контроль качества оптических материалов. СПб: СПб ГУ ИТМО, 2004. 235 с. С.10 - 16.
5. Gardner W.B., Nagel S.R. // The Bell Syst. Tech. J. 1981. Vol. 60. №6. Р.859.
6. Новохатко С.М. // Электротехническая промышленность. Кабельная техника. 1984. №12. С.6.
7. Katsuyama Y., Mitsunaga Y., Ishida Y. // Appl. Optics. 1980. Vol. 19. № 24. Р. 1200
8. Алексеева Е.И., Гусев А.И., Милявский Ю.С. и др. // Высокомолекулярные соединения. 1986. № 6. С.415.
9. Мурадян А.Г., Гольдфарб И.С., Иноземцев В.П. Оптические кабели многоканальных линий связи. М.: Радио и связь, 1987.
10. Абрамов А. А., Бубнов М.М., Вечканов Н.Н. и др. Волоконная оптика. М.: Наука, 1987. 72 с.
