Глава 2 Оптические волокна

2.1. Структура, технология изготовления и типы оптических волокон

2.1.1. Общие положения

Оптическое волокно (ОВ) представляет собой коаксиальную структуру и состоит из сердце­вины, оболочки и защитного покрытия. Сердцевина и оболочка ОВ изготавливаются из про­зрачных материалов с показателями преломления и , соответственно, где . Общие принципы распространения излучения по оптическому волокну проще всего рассмотреть на примере ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления, где — показатель пре­ломления сердцевины является постоянной величиной. Профиль показателя преломления характеризует изменение показателя преломления вдоль радиуса ОВ.

Из представлений геометрической оптики известно, что луч света, падающий под углом φ на границу раздела двух сред с различными показателями преломления и , испытыва­ет явления преломления и отражения (рис. 2.1). Луч 1, падающий на границу раздела «серд­цевина-оболочка» под углом , преломляется на границе раздела и покидает сердцевину (уходит в оболочку) под углом

Рис. 2.1. Схема распространения излучения в ступенчатом многомодовом

оптическом волокне

В соответствии с законом Снеллиуса при угол . При увеличении угла падения возможна ситуация, когда угол преломления становится равным _90° (луч 2, рис. 2.1). В этом случае угол падения носит название критического угла и . Если угол падения луча превышает критический угол , то луч полностью отразится от границы раздела, т.е. будет наблюдаться эффект полного внутреннего от­ражения (луч 3).

_{Этот эффект возникает в оптическом волокне при определенных условиях ввода излу­чения в сердцевину волокна, где границей раздела двух сред «воздух-сердцевина» является плоский полированный торец волокна. В этом случае угол падения луча 2, который прелом­ляется на границе раздела «воздух-сердцевина» и падает на границу раздела «сердцевина-оболочка» под критическим углом , может быть определен как максимальный угол паде­ния в соответствии с выражением:}

_.

Таким образом, луч света, введенный в сердцевину волокна под углом, меньшим макси­мального (луч 3), больше не покинет ОВ, и будет распространяться по всей длине волокна. Величина получила название числовой апертуры волокна, а разница пока­зателей преломления сердцевины и оболочки характеризуется величиной — нормализо­ванной разностью показателей преломления:

Значение для большинства оптических волокон находится в пределах 0,3.. .2,1 %.

2.1.2. Материалы для изготовления оптических волокон

Оптическое волокно должно изготовляться, по крайней мере, из двух материалов, разли­чающихся показателем преломления. В мировой практике нашли применение следующие виды ОВ, отличающиеся материалами, из которых они изготовлены.

Полимерные оптические волокна (ПОВ). Изготавливаются на основе целого ряда поли­мерных материалов, из которых наиболее распространены полиметилметакрилат (сердцеви­на) и фторполимеры (оболочка). Лидером в исследованиях ПОВ является Япония, где этими вопросами занимаются не менее 30 лет, однако только в последние годы появились сообще­ния о получении образцов длиной 50... 100 м с затуханием менее 50 дБ/км в области длин волн 850... 1300 нм. В 2001 г. было достигнуто затухание ~15 дБ/км с использованием ново­го химического процесса и создана экспериментальная локальная система связи в г. Кейо, Япония [2.1, 2.2]. Производители ПОВ декларируют его низкую стоимость и легкость мон­тажа в будущем, однако остальные характеристики, соответствующие требованиям техники связи, пока не реализованы.

Перспективная область применения ПОВ — линии длиной 10... 100 м с большим коли­чеством подключений при отсутствии высоких требований к надежности и емкости сетей, в том числе локальные сети, сети доступа, датчики в автомобилях и военная техника (борто­вые линии связи).

Кварц-полимерные оптические волокна. Имеют сердцевину из кварцевого стекла и обо­лочку из полимерных материалов (кремний-органические компаунды, тефлоны). Коэффици­ент затухания равен 5...8 дБ/км на длине волны 850 нм. Преимуществом этих ОВ является сердцевина большого диаметра (200... 1000 мкм), высокая механическая прочность, малая чувствительность к изгибам и повышенная стойкость к ионизирующим излучениям. Об­ласть применения — линии длиной несколько сотен метров.

Волокна из многокомпонентных силикатных стекол. Разрабатывались для первых поко­лений линий связи, и их достоинством являлась возможность получения высокой числовой апертуры (до 0,6). Однако эти волокна не нашли применения в технике связи из-за невоз­можности получения высокого уровня параметров, в том числе коэффициента затухания, при промышленном производстве.

Волокна, прозрачные в среднем инфракрасном диапазоне. Теоретические оценки пока­зали, что существуют стеклообразные и кристаллические материалы, позволяющие созда­вать оптические волокна в среднем инфракрасном (ИК) диапазоне (2 ... 11 мкм) с ультраниз­кими потерями дБ/км [2.3].

Материалы для ОВ среднего ИК-диапазона можно разделить на три группы:

• галогениды (стеклообразные и кристаллические);

• халькогениды;

• оксиды тяжелых металлов.

Несмотря на очень интенсивные исследования, развернутые в 80-е годы в этом направ­лении, практически значимых результатов в разработке оптических волокон, прозрачных в среднем ИК-диапазоне, до настоящего времени не достигнуто. Это связано с крайне слож­ными проблемами создания технологии получения таких волокон.

Кварцевые оптические волокна. Имеют сердцевину из кварцевого стекла, легированно­го малыми добавками стеклообразующих компонентов (оксидов германия и фосфора, фто­ра) для изменения показателя преломления, и оболочку из кварцевого стекла.

Благодаря уникальному комплексу свойств, таких как прозрачность, в ближней ИК-области спектра, высокая механическая прочность, вязкостные характеристики, обеспечиваю­щие хорошую формуемость стекла, высокая химическая стойкость и стабильность характе­ристик, кварцевое стекло остается единственной средой передачи современных сетей связи. Именно на основе кварцевого стекла была создана высокопроизводительная, широкомас­штабная и экономически выгодная промышленная технология производства оптического волокна с комплексом свойств, полностью отвечающих требованиям техники связи.

Оценка предельно достижимой скорости передачи по кварцевому оптическому волокну (10...30 Тбит/с) и сравнение ее с имеющими место в настоящее время скоростями передачи показывает, что полоса пропускания ОВ действующих линий используется менее чем на 1%.

Защитные полимерные покрытия кварцевых ОВ. Несмотря на то, что предел прочности массивного кварцевого стекла очень высок (~ 20ГПа), волокно, имеющее развитую поверх­ность по отношению к малому объёму стекла, крайне чувствительно к поверхностным де­фектам (микротрещинам, пылинкам), которые резко снижают его прочность, особенно в присутствии влаги и под действием высоких температур и напряжений. Для сохранения ме­ханической прочности и защиты поверхности ОВ наносятся полимерные покрытия.

Защитные полимерные покрытия ОВ имеют, как правило, двухслойную структуру, что обеспечивает также защиту ОВ от внешних воздействий, которые могут привести к возрас­танию оптических потерь. Причиной роста оптических потерь в ОВ являются микроизгибы, возникающие при каблировании ОВ или изменениях температуры как следствие напряже­ний в конструкции «ОВ - покрытия - кабельные компоненты».

Материалом современных покрытий ОВ являются уретанакрилаты двух типов, отвер-адаемые под действием ультрафиолетового излучения. Первый тип имеет модуль упруго­сти, равный ~ 0,7 МПа, образует мягкий внутренний слой поверх кварцевой оболочки ОВ, защищающий ОВ от внешних сжимающих усилий. Второй тип имеет модуль упругости почти на три порядка выше, образует твердый наружный слой, который обеспечивает проч­ность ОВ, его стойкость к абразивным воздействиям и влагозащиту.

Основными требованиями к защитным покрытиям ОВ являются стабильность характе­ристик в интервале рабочих температур и отсутствие химического взаимодействия с мате­риалами кабеля (например, гидрофобным заполнителем и др.). Кроме того, покрытие долж­но обеспечивать стабильную адгезию к ОВ в течение всего срока службы и в то же время должно легко механически удаляться с помощью стриппера. Обычно усилие стягивания по­крытий составляет 1,3... 8,9 Н.

2.1.3. Основные технологические процессы изготовления кварцевого оптического волокна

Качество и характеристики оптического волокна определяются, в первую очередь, техноло­гическим процессом его изготовления, который включает две основные стадии:

• первая стадия — изготовление заготовок — является процессом, при котором фор­мируется базовая структура оптического волокна (сердцевина — оболочка). На этой стадии происходит синтез кварцевого стекла сердцевины и оболочки заготовки, ко­торая затем на второй стадии перетягивается в волокно. Этот процесс является са­мым ответственным в производстве волокна, поскольку именно он определяет ос­новные технические параметры ОВ: геометрические, оптические, передаточные, ме­ханические;

• вторая стадия — вытягивание ОВ и нанесение защитных покрытий — является об­щим процессом независимо от метода изготовления заготовок.

Рассмотрим кратко особенности методов производства заготовок, которые используют ведущие фирмы [2.4].

Основой всех современных промышленных методов производства заготовок является процесс парофазного осаждения — формирование структуры заготовки путем осаждения частиц, полученных в результате реакции окисления паров хлоридов кремния, германия и других компонентов, за которым следует процесс спекания и получения стекла.

Наибольшее распространение в мировой практике получили три метода изготовления заготовок, которые можно объединить по типу процесса в две группы:

• метод модифицированного химического парофазного осаждения слоев внутри квар­цевой трубки (MCVD — modified chemical vapor deposition);

• методы наружного (OVD — outside vapor deposition) и осевого (VAD — vapor-axial deposition) парофазного осаждения.

Схемы изготовления заготовок представлены на рис. 2.2.

В методе MCVD (впервые разработан фирмой Bell Laboratories) используется кварце­вая опорная трубка, в которую подаются хлориды компонентов (кремния, германия, фос­фора) и кислород, продукты реакции осаждаются в виде пористых слоев на стенках труб­ки, где они спекаются, образуя тонкие слои стекла. Горелка в этом процессе совершает возвратно-поступательные движения и нагревает вращающуюся кварцевую трубку снару­жи. Сначала формируется оболочка на стенках опорной трубки, затем сердцевина и на ко­нечном этапе под действием сил поверхностного натяжения происходит так называемое «схлопывание», в результате образуется твердая стеклянная заготовка, которая затем пе­ретягивается в волокно.

Вариантом этого метода является использование вместо кислородоводородной горелки микроволнового плазменного нагрева — метод плазменного химического парофазного оса­ждения (PCVD — plasma-activated chemical vapor deposition), впервые разработанный фир­мой Philip

Рис. 2.2. Схемы изготовления заготовок ОВ методами MCVD,OVD, VAD

По методу OVD (впервые разработан и промышленно освоен на фирме Corning) про­дукты реакции осаждаются на вращающемся стержне в пламени горелки. Первые слои осажденного материала образуют сердцевину, затем осаждаются слои оболочки, а стержень удаляется.

В соответствии с методом VAD (впервые разработан фирмой NTT, основной метод производства японских фирм) происходит осевое осаждение продуктов реакции на торец вращающейся насадки, причем одновременно осаждаются частицы, образующие сердце­вину и — в пламени дополнительной боковой горелки — оболочку.

Оба процесса имеют общий второй этап — дегидратацию и спекание пористой заготов­ки в твердую стеклянную заготовку.

Современные технологии производства заготовок предусматривают еще одну дополни­тельную стадию — наращивание размера заготовок, поскольку объем заготовки определяет то количество волокна, которое из заготовки вытягивается, а, следовательно, влияет на про­изводительность процесса и стоимость волокна. Особенно это критично для процессов, ис­пользующих внутреннее парофазное осаждение (методы MCVD и PCVD). На стадии изго­товления заготовки осаждается, в основном, стекло сердцевины и тонкая оболочка, которая затем наращивается снаружи так, чтобы обеспечить необходимое соотношение диаметров сердцевины и оболочки. Обычно используются два метода увеличения объема заготовки:

• стержень в трубке — заготовка помещается внутри кварцевой трубки;

• наружное плазменное наплавление кварцевого стекла.

Вторая стадия — вытягивание ОВ и нанесение защитных покрытий — является общим процессом независимо от метода изготовления заготовок. Этот процесс существенно влияет на оптические, механические и геометрические параметры ОВ.

С помощью механизма подачи заготовка поступает в высокотемпературную печь, где нижняя часть заготовки нагревается до температуры размягчения кварцевого стекла и пере­тягивается в волокно, которое на выходе из высокотемпературной зоны быстро охлаждается и затвердевает (рис. 2.3).

В печи при температуре свыше 2000°С стекло находится в состоянии, близком к рав­новесному (расплав), затем при резком охлаждении происходит стеклование — переход из расплавленного состояния в стеклообразное вследствие «замораживания» структурных изменений, сопровождающих снижение температуры. В результате этого в стекле «замо­раживаются» дефекты, концентрация которых связана со скоростью вытягивания волокна и температурой в зоне формования волокна. Наличие дефектных центров различного рода сказывается на величине коэффициента затухания оптического волокна, а также на ста­бильности коэффициента затухания при воздействии ионизирующих излучений и водородсодержащей среды.

Далее на волокно нано­сится покрытие, которое полимеризуется под действием ультрафиолетового излуче­ния. Обычно наносят два слоя покрытия из уретанакрилатов, отличающихся величиной мо­дуля упругости. Вытягивает волокно тяговое устройство, затем в приемном устройстве волокно наматывается на ка­тушку.

Установка обеспечивает­ся системой контроля и авто­матического регулирования параметров процесса вытяги­вания. Производство ОВ ве­дущих фирм отличает одина­ково высокое совершенство технологии изготовления за­готовок и вытягивания волок­на и, соответственно, одина ково высокие технические па­раметры волокна.­

Рис. 2.3. Схема установки вытягивания оптического волокна