CC BY
12DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-22-23
УСПЕХИ ХИМИИ В MCVD ТЕХНОЛОГИИ РАДИАЦИОННО-СТОЙКИХ ОДНОМОДОВЫХ ИЗОТРОПНЫХ И АНИЗОТРОПНЫХ СВЕТОВОДОВ
Ероньян М.А.1*, Деветьяров Д.Р.1, Кулеш А.Ю.1, Унтилов А.А.1, Дукельский К.В.2'3'4, Устинов С.В.2, Цибиногина М.К.5, Печенкин А.А.6, Кузуб С.Г.7
1АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», г. Санкт-Петербург 2АО «Научно-производственное объединение Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова»,
г. Санкт-Петербург 3Университет ИТМО, г. Санкт-Петербург 4Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича,
г. Санкт-Петербург
5Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь 6Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г. Москва 7ООО «НТЦ «Оптическое волокно», г. Санкт-Петербург E-mail: eronyan@mail.ru
Универсальность MCVD технологии позволяет реализовать самые разнообразные конструкции волоконных световодов на основе кварцевого стекла. Химическое парофазное осаждение слоев стекла из хлорсодержащих газообразных компонентов обеспечивает их высокую чистоту по красящим примесям. Этот факт обеспечивает минимальные оптические потери волоконных световодов. Однако при у-облучении в световодах возникает наведенное радиацией затухание (НРЗ) оптического сигнала из-за наличия примесного хлора и ОН-групп [1].
В докладе представлены результаты разработки и исследования химических процессов по повышению радиационной стойкости одномодовых волоконных световодов с сердцевиной из чистого и легированного диоксидом германия (GeO2) кварцевого стекла.
Световод с сердцевиной из кварцевого стекла
Сегодня наиболее радиационно-стойкими являются волоконные световоды с сердцевиной из чистого кварцевого стекла и фторсиликатной оболочкой.
В MCVD процессе легирование кварцевого стекла оболочки фтором не достигает равновесного состояния. В кварцевом стекле после длительной выдержки при 2100 °С в кислороде, содержащем 5 мол.% SiF4, содержание фтора оказывается на 60% больше, чем в MCVD методе. Аналогичные эксперименты в атмосфере SiF4 приводят к травлению стекла по реакции:
SiO2 (стекло) + SiF4 (газ) = 2SiOF2 (газ).
Работа РАН двадцатилетней давности [2] показала, что плазменный синтез стекла сердцевины в условиях дефицита кислорода обеспечивает повышенный уровень ее радиационной стойкости. Увеличение НРЗ в таких световодах обусловлено только примесью хлора.
Для изотропных одномодовых световодов, изготавливаемых MCVD методом, дефицит кислорода и устранение примесного хлора из сердцевины реализованы на этапах химического осаждения и высокотемпературного сжатия опорной трубки:
1. Слои наносят двухстадийным методом, при котором пористые слои из диоксида кремния (SiO2) спекают в газовой атмосфере, не содержащей хлор: (SiF4 + He) - для оболочки и О2 - для сердцевины.
2. Высокотемпературное сжатие опорной трубки с осажденными слоями осуществляют с продувкой внутреннего канала сухим азотом.
Такая химическая обработка эффективно удаляет хлор и водород, а также исключает возможность образования дефектов немостикового кислорода. Оптические потери волоконного световода с сердцевиной из чистого кварцевого стекла и фторсиликатной оболочкой составили 0,3 и 0,18 дБ/км на длине волны 1,31 и 1,55 мкм соответственно. Поглощение ОН-группами на длине волны 1,38 мкм не превышало 3 дБ/км.
Измерения НРЗ при дозе у-облучения 1 кГр и мощности 1 Гр/с показали, что по радиационной стойкости такие световоды превосходят мировые аналоги.
Световод с эллиптической сердцевиной, легированной 20 мол.% GeO2
Аномально высокие оптические потери высоколегированных GeO2 одномодовых световодов с эллиптической сердцевиной до настоящего времени исключали возможность изготовления MCVD методом анизотропных световодов с сохранением поляризации излучения [3]. Обусловлено это восстановлением германосиликатного стекла в процессе высокотемпературного сжатия заготовки. При этом образуются германиевые кислородно-дефицитные центры (ГКДЦ), вызывающие малоугловое рассеяние. Наличие таких дефектов также снижает радиационную стойкость германосиликатных световодов.
Решить эту проблему удалось с помощью высокотемпературного газофазного травления стекла сердцевины фторсодержащим газом SF6:
SiO 2 (стекло) + SF6 (газ) = SiF4 (газ) + SO2 (газ)
Предварительно высокотемпературным сжатием заготовки уменьшают ее внутренний канал до значения 2-3 мм. Газофазным травлением при температуре 1700-1800 °С удаляют до 30% сердцевины, содержащей ГКДЦ. Методом нарезания боковых канавок и пламенного кругления создают эллиптичную форму сердцевины в заготовке с осями размером 0,47 и 0,19 мм. Перетягивают заготовку в штабик диаметром 1,5 мм, и, сплавляя его с кварцевой трубой, вытягивают волоконный световод диаметром 125 мкм с эпоксиакрилатным защитным покрытием толщиной 60 мкм.
Разность показателей преломления германосиликатной сердцевины и оболочки из кварцевого стекла (0,003), измеренная на рефрактометре Р-101, свидетельствует о содержании GeO2 в сердцевине на уровне 20 мол.%.
Оптические потери на длине волны 1,31 и 1,55 мкм равны 4 и 2 дБ/км соответственно. Степень сохранения поляризации излучения (h-параметр) ~ 8-10-6 1/м, длина биений ~ 2 мм в спектральной области 1,5 мкм. Поляризационная устойчивость на 70% обеспечивается анизотропией напряженного состояния сердцевины и на 30 % ее формой.
Световод обладает уникальной устойчивостью при изгибе: оптический сигнал на длине волны 1,3 мкм не изменяется при изгибе световода на 180° на оправке диаметром 3 мм. В то же время коммерческий одномодовый световод SMF28 в аналогичных условиях, но с оправкой диаметром 6 мм приводит к ослаблению сигнала на 17 дБ.
Измерения НРЗ при дозе у-облучения 1 кГр и мощности 1 Гр/с показали, что по радиационной стойкости такие световоды при 25 °С сопоставимы с сохраняющими поляризацию излучения одномодовыми световодами типа «PANDA» с сердцевиной из чистого кварцевого стекла, а при температуре -60 °С существенно их превосходят.
Результаты исследований радиационной стойкости световодов дают основания считать, что:
1. НРЗ в области максимальной прозрачности кварцевого стекла (1,3-1,6 мкм) в значительной степени обусловлено рассеянием излучения и расширением фононного спектра колебаний сетки стекла.
2. Радиационная стойкость одномодовых световодов определяется материалом как сердцевины, так и оболочки.
Такие высокие характеристики по поляризационной, изгибной и радиационной стойкости получены впервые для одномодовых германосиликатных световодов.
Следует особо отметить высокую производительность комбинированного процесса изготовления анизотропных одномодовых световодов с эллиптической германосиликатной сердцевиной: за две смены можно изготовить более 50 метровых отрезков штабиков диаметром 1,5 мм. Последующее их вытягивание при сплавлении с кварцевой трубой дает более 500 км световодов диаметром 125 мкм.
Благодарности. Коллектив авторов выражает благодарность научному руководителю АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», академику РАН, доктору технических наук, профессору Пешехонову В.Г. за поддержку настоящей работы и генеральному директору ПАО «ПНППК», кандидату экономических наук Андрееву А.Г. за помощь в проведении настоящих исследований.
Литература
1. Nagasawa K., et al, Jpn. J. Appl. Phys. 23, 1608-1613 (1984)
2. Tomashuk A.L., et al, IEEE Trans. Nucl. Sci. 45, 1566-1569 (1998)
3. Dyott R.B., et al, Electron. Lett. 15, 380-382 (1979)
