CC BY
22
ВОПРОСЫ волоконной оптики
Ф.В.ШАПОШНИКОВ Московский государственный горный университет
1. Введение
Двуокись кремния (8102) в аморфном стеклообразном состоянии используется в очень широком диапазоне высоко-технологичных областей, таких, как микроэлектроника, волоконно-оптические линии связи или лазерные процессы синтеза [1]. Хорошо известно, что одним из самых многочисленных применений двуокиси кремния являются волоконные линии связи. Качество этих линий зависит от технологии изготовления волоконных световодов, которая, в свою очередь совершенствуется благодаря развитию представлений о структуре и процессах, происходящих в сетке стекла.
Возможность передачи оптической информации по волоконным световодам была реализована еще в 1958 году, но началом современного этапа в развитии современной волоконной оптики принято считать 1960-й год — год технологической реализации первых волоконно-оптических элементов с приемлемыми для приборостроения характеристиками. Световоды сразу же получили самое широкое применение в различных сферах человеческой деятельности [2, 3]. Это и медицина, и приборостроение, и связь. Но, к сожалению, световоды можно было использовать при передаче излучения оптического диапазона только на небольшие расстояния не превышающие нескольких десятков метров. Причиной такого серьезного недостатка являлся высокий уровень поглощения в стекле, составляющем сердце-вину световода. Поглощение возникало
Проблемы использования световодов из чистого кварцевого стекла при проведении открытых работ
из-за обилия естественных примесей в стекле, которые невозможно было удалить обычными методами очистки. Однако, для использования волоконных световодов в глобальных сетях связи и передачи информации требовалось особое, химически чистое кварцевое стекло с минимальным коэффициентом поглощения (около 0,5 — 5 Дб/км). В 1970-м году эта проблема была блестяще решена группой исследователей из американской компании Corning Glass Corp. Для получения чистого кварцевого стекла была использована методика перегонки тетрахлорида кремния (SiC14) с последующей его реакцией с кислородом в газовой фазе [1, 4]. Такой метод производства кварцевого стекла получил название CVD-метода или метода осаждения из газовой фазы (chemical vapour deposition) [5]. Впервые появилась возможность передачи оптической информации по волоконным линиям связи на расстояния порядка нескольких сотен километров. В условиях современного карьера, где собрано большое количество механизмов, создающих вокруг своих зон работы различные электромагнитные и электрические поля, которые затрудняют сбор данных и передачу необходимых исполнительных команд по эксплуатации горно-добычного комплекса. Между тем корректировка качества готовой продукции, которая возможна из-за анизотропии добычных и вскрышных массивов горных пород, требует устойчивых каналов сбора информации, работа которых не мешала бы деятельности горного предприятия. Одним из таких направлений представляется использование
световодов для этих целей, а именно линий связи на основе световодов из чистого кварцевого стекла, на которые, как известно, внешнее электромагнитное поле не оказывает никакого влияния. Однако, многие месторождения обладают повышенным радиационным фоном [13], который может негативно сказаться на свойствах световодных линий связи. В связи с этим возникает ряд новых проблем, которые до этого не играли существенной роли в использовании световодов. Перечислим некоторые из них:
• Предсказание поведения уровня наведенного поглощения (НП) световода при помещении его в условия повышенного радиационного фона.
• Создание волоконно-оптических световодов (ВОС) с максимально возможной радиационно оптической устойчивостью (РОУ), или, иными словами, уменьшение уровня НП, вызванного ионизирующими излучениями, за счет легирования стекла различными добавками (например, добавками водорода, фтора, хлора, германия, фосфора и др.) [6, 7].
Целью данной работы являлось изучение наиболее интересных особенностей в поведении различных типов ВОС под воздействием гамма-облучения.
2. Методика эксперимента и образцы
2.1. Исследуемые световоды
Нами исследовались кинетики наведенного поглощения (НП) световодов типа 5Ю2 - 8Ю2:Р2, вытянутых из заготовок, синтезированных по плазмохимической технологии, и световодов типа КУ-1, синтезированных в пламени кислородноводородной горелки. В работе были использованы три разных образца, приготовленных следующим образом:
Образец №1. Получен путем синтеза в ВЧ плазме при атмосферном давлении и температуре стенок опорной трубки 1800°С. Реакция синтеза 5102 протекала во всем
объеме смеси реагентов. В результате реакции осаждается пористая масса Si02, которая затем проплавляется. Условное обозначение образца: Ш19 (ВЧ световод. 17 ppm ОН).
Образец №2. Получен путем синтеза в СВЧ плазме при давлении 10 торр и температуре 1200°С (что ниже температуры плавления стекла, равной 1670°С). Реакция синтеза сразу происходит на поверхности стенки опорной трубки и сразу дает на ней стеклообразную пленку, В работе [8] произведена оценка концентрации ОН-групп по интенсивности линий 945 и 1384 нм, при этом получены соответственно значения 17 и 24 ppm ОН. Данное содержание ОН-групп считается низким и такие световоды принято называть “сухими”. Условное обозначение образца: С37 (СВЧ световод. 24 ppm ОН).
Образец №3. Получен путем синтеза в пламени кислородно-водородной горелки, при которой происходит торцевое наращивание сердцевины световода струей газообразного SiC14, пропускаемого через пламя горелки. При такой методике синтеза заготовка обладает повышенным содержанием ОН-групп (1000-1200 ppm ОН). Условное обозначение образца: КУ-1 (1200 ppm ОН).
Сравнительные характеристики исследуемых световодов приведены в таблице I.
Таблица 1
Тип свето- вода Син- тез t, "С стенок Ре- жим схло- пыва- иия Дав- ле- ние Диа- метр ссрд- IJC- аи- ны, мкм От- ра- жаю ЩЯЯ обо- лоч- ка ОН, ppm
ку-1 Н2: 02 го- рел- ка 2200 атм. 125 по- ли- мер 1200
С37 СВЧ плаз- ма 1800 в атм. Н2:02 9:1 10 торр 75 SiO-2: F2 24
Ш19 ВЧ плаз- ма 1200 в атм. Н2:02 9:1 атм, 50 SiO- 2:F2 17
2.2. Экспериментальная установка
Исследование кинетик НП световодов проводилось на длине волны 0.85 мкм (один из трех телекоммуникационных диапазонов в световодах из чистого кварцевого стекла) во время и после g-oблyчe-ния на источнике СобО (энергия g-квaнтoв составляла 1.2 МэВ, мощность дозы — от 0.84 рад/с до 212 рад/с). Длина исследуемых световодов выбиралась в пределах от 2-х до 100 метров в зависимости от их РОУ. На рисунке 1 представлена общая схема проведения кинетических опытов на g-иcтoчникe. В качестве подводящего оптического кабеля использовался световод типа КУ-1, обладающий значительной РОУ и не вносящий заметных искажений в ход эксперимента. Для определения уровня НП в световодах использовался оптический тестер, измеряющий уровень мощности прошедшего через световод излучения. Уровень входной мощности не превышал 200 нВт, при которой, по данным работы [9] не будет происходить заметного фотообесцвечивания РЦО, влияющих на уровень НП в световоде. В то же время данный уровень мощности позволяет наблюдать кинетики НП практически без аппаратурных шумовых искажений. Регистрация уровня прошедшей мощности регистрировалась с интервалом 30 с после включения g-иcтoчникa.
Рис. 1. Схема проведения кинетических опытов на гамма источнике
2.3. Метод зонда
Одна из задач нашего исследования заключалась в разделении эффекта изменения РОУ световода при различных воздействиях на вклады от изменения скорости образования радиационных центров окраски (РЦО) и от скорости их рекомбинации. Эти скорости мы определяли по кинетике роста и спада НП световода во время зондирующего облучения и после его окончания. Требования к дозе зондирующего облучения были следующие:
• она должна быть значительно меньше дозы, вызывающей значительные изменения РОУ световода из-за эффекта радиационной закалки (антизакалки), т.е. меньше 103-104 рад [10].
• доза должна быть достаточно высокой, чтобы вызвать заметный уровень НП в световодах,
В качестве зондирующего облучения использовалось 5-минутное гамма-облучение при мощности дозы 0.84 рад/с (доза 252 рад). Для контроля последнего требования обычно проводилось три последовательных зондирующих облучения чтобы убедиться в том, что кинетики НП световода и ее математические параметры мало различаются от зонда к зонду. Кинетика спада НП после окончания облучения регистрировалась в течении 10 минут.
Анализ экспериментально наблюдаемой кинетики спада НП после зондирующего облучения показал, что она для всех исследуемых световодов как до, так и после всех воздействий хорошо описывается гиперболическим законом:
1 1
—77 = —— + COIlSt X t
a(t) а( 0)
(о
откуда следует, что процесс рекомбинации РЦО световодов следует кинетике второго порядка. Поэтому кинетику роста концентрации РЦО n(t) можно описать скоростным уравнением вида
п= gx 1~гх Г?
(2)
где I - мощность дозы облучения (рад/с), § - скорость генерации РЦО (см 3/рад), г -скорость рекомбинации РЦО (с |см3). Используя связь между величиной НП а(Дб/км) и концентрацией РЦО п: а — схп
(3)
где с - сечение поглощения РЦО ((Дб/км) смЗ), можно получить скоростное уравнение для определения а(£):
а ~ С х I - Кх а2
(4)
где = сх ё — скорость роста НП или радиационная чувствительность световода (Дб/км рад), Я-с^г — скорость спала НП (с-1 (Дб/км)-1).
Решение скоростного уравнения (3) при нулевом начальном условии имеет вид:
а ([) _ -- — х (У х I х /?х I)
А
(4)
При ненулевом начальном условии а (0) = а0 имеет вид:
Ох I
а - ------ — х ^Ох I X Кх I)
к.
(5)
С7х 1/К+ а0
где 2Ь= 1п
Ох I х К- а0
Спад НП световода после окончания облучения описывается решением уравнения (3) при 1=0 и начальном условии а(Т), где Т— длительность облучения. Это решение имеет вид гиперболы:
- - — .. Ях — Т)
а (Г) а (0) ' у
(6)
Сравнивая экспериментальную зависимость а (с) с формулой (6), можно определить скорость спада Я. Скорость роста НП б определяется при известном Я из уравнения
ажп(Т)~а(Т)
где а(Т) вычисляется по формуле (4) для первого зонда или по формуле (5) для последующих зондов (т.е. если к началу зондирующего облучения НП от предыдущих облучений не успело упасть до нуля). Уравнение (7) решалось численно методом итераций.
Таким образом, анализ кинетики роста и спада НП во время зондирующего облучения и после его окончания позволяет однозначно определить величины скоростей роста и спада НП световода.
3. Результаты эксперимента
3.1. Эффекты радиационной закалки и антизакалки световодов
На рисунках 2 и 3 представлены кинетики типичных опытов по изучению влияния предварительного высокодозно-го облучения на РОУ световодов. В начале опыта проводилось зондирующее облучение с целью определения параметров РОУ световодов, затем — высокодозное облучение, далее снова зондирующее облучение.
Рис. 2 Реакции сиетоноля КУ-1 на эошшруюшес оОлучение
(0.84 рад/с*5 мин.) до и послсвыооколозного облучений-
300
200
а, Дб/ю*
/ч
УЛА'
SJ
f-обл.
,12 р*д/с
у-обл.
0.84 ред/с
о \ Ю « ]00 ПО 120 130 140 150 I. мин.
if - обл.
0.84 рад/с
Рис.З Реакция световода UI19 на яонлируюшес облучение
(0.84 рад/с:*5 мин.) ЛО и после высокоимного облучения.
В световоде типа КУ-1 (см. рис. 4) во время высокодозного облучения (“удар”) наблюдался эффект радиационного просветления, при котором происходит рост, а затем спад НИ в момент облучения. Обычно уровень в максимуме не превышал 100-150 Дб/км. Такой эффект описан в литературе [11, 12], но удовлетворительного объяснения ему еще не найдено. В данном типе световодов “удар” вызывает значительное повышение РОУ: реакция на последующее зондирующее облучение в несколько раз ниже, чем до удара (см. рис. 5). Данный эффект получил название эффекта радиационной закалки [12]. Но, вместе с тем, нами впервые обнаружено ранее нигде не описанное явление “старения” радиационной закалки (см. рис. 6), которое состоит в следующем. Если проследить за уровнем НП в последовательной серии зондов, следующих после удара с интервалом в несколько десятков часов, то оказывается, что со временем уменьшается РОУ световода. Приблизительно через 350-400 часов после удара старение прекращается и рост НП останавливается на уровне 25-30% от уровня НП до удара.
На рисунках 7 и 8 представлено поведение НП в двух световодах типа РСУО
при последовательной серии зондов и ударов. Как видно из рисунков, световод типа Ш19 оказался приблизительно на порядок более радиационно стойким, чем С37, Если взять для примера уровень НП в первом ударе (12 рад/с * 2.5 мин) у обоих световодов, то в этом случае уровень НП у С37 2500 Дб/км, а у Ш19 450
Дб/км.
U, Дб/км
Ри1'. А Эффект радиационною просветления с вето вола из стекла КУ-1.
В отличие от световода КУ-1 у РСУИ световодов виден эффект обратного знака по отношению к радиационной закалке (эффект радиационной антизакал-ки, см. рис. 9): высокодозное облучение вызывает понижение РОУ световодов в несколько раз.
На рисунках 10-12 представлены зависимости параметров РОУ световодов от времени в опытах по радиационной закалке и антизакалке световодов. В качестве параметров РОУ мы выбрали следующие:
(*, Дб/км
Рис. 7 Кішстичссміс НМ нсисімхик' шш ШН
ЩЩ КОЧШТЖНІ 1СМИС|і;ііу|К < ^„.м^ пьмі.
12 рл^/с
Иис 5 і>;>л» ии
» сисі» -ко.іс и ' <
а, Дб/*м
Рис. 6 Зфф<£1 стареним |>лліі;)ліц?нм<)іі
івдалкм л снстонолс ш стсклл КУ-І.
Рш:,Й К.икстії'чсскшг к|іииь»' МИ К с-І«гсою.\:к* тип і <'17 нрм кикіштной ісч*ііі‘рлі\|Ч' І міи|
ї'мс V 1*фф?гг радилпио*гігом лгтгикдлк*
о саєтмод* типа Сі?.
О 100 200 300 400 I, час.
ударе 9.4*10 рад
Рис. 10 Кривые поведения основных кинетических величин РСУЭ-ВЧ (11119) световода: 1 — коэффициент НП, Ц— скорость генерации РЦО, 111 — скорость рекомбинации РЦО.
удар = 2.95 ХЮ4 рад
Рис. 11 Кривые поведения основных кинетических величи РСУО-СВЧ (С37) световода: 1 — коэффициент Н1 Н— скорость генерации РЦО, III — скорость рекомбинации РЦО.
а, Дб/км
20 А
КН
G, ДбДкм»рад)
о.Н
10-,
G, Дб/(км«рал)
о.Н
10-М
500 t, час.
D, рал
улар = 4x10 рал
Рис. 12 Кривые поведения основных кинетических величин световода КУ-1: I — коэффициент НП,
11 — скорость генерации PliO. Ill — скорость рекомбинации РЦО
Рис. 13 Доэовоя зависимость основных кинетических
величии в трех типам световодов: I — коэффициент НП, 11 — скорость генерации PUO. Ill — скорость рекомбинации РЦО.
0.15-
0.054
КУ-1
0.01
10*
4
J
J
10
I0
I о
• уровень НП световода в конце зондирующего облучения (5 мин. * 84 рад/с = 252 рад);
• скорость роста НП С;
• скорость спада НП Я;
Последние два параметра вычислились методом, изложенным в предыдущем параграфе.
Анализ графиков, представленных на рис. 10-12 позволил выделить следующие закономерности:
• эффект радиационной закалки (антизакалки) световодов вызван как падением (ростом) скорости роста НП, так и ростом (падением) скорости его спада. При этом вклад в эффект второго механизма резко доминирует: скорость роста НП изменяется от предварительного облучения в 2-3 раза, а скорость спада НП — более, чем в 10 раз;
• все параметры РОУ изменяются скачкообразно в момент высокодозного облучения, а затем медленно меняются в сторону исходного значения в течение десятков и сотен часов (“старение” эффекта), но не достигают его;
Исключение из второй закономерности составляет динамика изменения скорости спада НП Я у световода КУ-1 в первые часы после закалки: этот параметр скачком падает до половины исходного значения, а затем растет, достигая максимального значения (в 8 раз выше исходного) между 0 и 19 часами и затем плавно уменьшается до трехкратного исходного значения.
На рисунке 13 представлена зависимость параметров РОУ от дозы предварительного облучения. Параметры РОУ оп-
Список литературы
ределялись через 5.5-19 часов после закаливающего облучения (по-видимому, именно эта разница во времени старения определяет разброс точек на графиках). Из рисунка видно, что эффект радиационной закалки (антизакалки) монотонно растет с дозой закаливающего облучения в диапазоне доз 103-106 рад.
Из представленных рисунков может быть видно, что РСУО световоды резко уступают по РОУ световоду КУ-1. Анализ рисунка 13 показывает, что это верно только для высоких доз облучения (свыше 104 рад), а при низких дозах (менее 104 рад) параметры РОУ световодов КУ-1 и РС\Т) почти одинаковы. Таким образом, значительная разница РОУ световодов КУ-1 и РСУО вызвана не столько разницей исходных параметров РОУ, сколько их изменением от радиационной закалки (антизакалки) при высокодозном облучении.
4. Выводы и рекомендации
В результате проведенной серии экспериментов по исследованию кинетик наведенного поглощения (НП) световодов на длине волны 0.85 микрон, синтезированных различными методами, установлено влияние гамма-облучения на уровень НГ1 в световодах и на их радиационно-оптическую устойчивость (РОУ). Полученные результаты с уверенностью позволяют рекомендовать для работы в качестве устойчивых линий связи на горно-добычных предприятиях с повышенным радиационным фоном световоды, содержащие повышенную концентрацию ОН-групп (КУ-1, 1200 ррш ОН).
И.К.Верещагин и др., “'Введение в оитоилектроиику”, 1991 г.
Р Тидеккен, “Волоконная оптика и ее применения", 1975 г.
Н.Канани, “Волоконная оптика”, 1969 г.
В.Глиэер, “Световодная техника”, 1985 г.
H.Bauch, J.Opt.comm., 1987, 8(4).
H.Modone, J.Opt.comm., 1987,8(3).
E.J.Friebele, Appl.Opt., 1984.
Bruce D. Evans, IEEE, 35(6), 1988.
Bruce D. Evans, SPIE, v,992, 1988.
Дианов E.M., Корниенко Л.С., Никитин Е.Г1. и др., Квантовая электроника, т.8, №9, с. 1935-1944, 1981. M.Rurcharsky, Radiat.Pyis.Chem., v.28, №516, 1986.
