Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Технологические и метрологические проблемы волоконной оптики и применение автоматизированных систем контроля для их решения (обор литературы) ... 9
1.1. Технология получения волоконных световодов методом MCVD с автоматизированными системами контроля их параметров 9
1.2. Воспроизводимость оптических характеристик волоконных световодов 18
1.3. Оптические характеристики заготовокиволоконных световодов.и -йётоды их исследования 22
ГЛАВА II. Методы и системы для исследования и контроля оптических характеристик волоконных световодов и технологического процесса их изготовления 33
2.1. Система для контроля диаметра опорной кварцевой трубки в процессе MCVD 33
2.2. Экспериментальная установка для анализа структурных характеристик волоконных световодов 40
2.3. Экспериментальная установка для измерения оптических потерь в волоконных световодах 48
2.4. Выводы 56
ГЛАВА III. Исследование оптических характеристик заготовок и волоконных световодов при автоматизированном контроле их изготовления 57
3.1. Исследование изменения диаметра и температуры опорной трубки в процессе MCVD 57
3.2. Анализ профилей показателя преломления волоконных световодов и заготовок 66
3.3. Исследование воспроизводимости профиля показателя преломления по длине заготовок и волоконных световодов 74
3.4. Расчет и калибровка процесса MCVD при изготовлении градиентных ВС и заготовок 84
3.5. Выводы 92
ГЛАВА ІV. Исследование оптических характеристик волоконных световодов и компонентов волоконно-оптических линий связи 94
4.1. Стационарное значение полных потерь ВС и межлабораторные эксперименты 94
4.2. Исследование спектров полных потерь в волоконных световодах 105
4.3. Потери на стыковку волоконных световодов 111
4.4. Исследование характеристик элементов распределителей мощности в волоконно-оптических системах связи 120
4.5. Выводы 131
Заключение 133
Литература 136
- Технология получения волоконных световодов методом MCVD с автоматизированными системами контроля их параметров
- Экспериментальная установка для анализа структурных характеристик волоконных световодов
- Исследование воспроизводимости профиля показателя преломления по длине заготовок и волоконных световодов
- Исследование характеристик элементов распределителей мощности в волоконно-оптических системах связи
Введение к работе
Возникновение и развитие квантовой электроники и все более растущие потребности передачи информации сильно стимулировали исследования в области оптической связи. После предложения о применении одномодовых волоконных световодов (ВС) в качестве передающей среды для излучения когерентных источников в 1966 г. [I] интенсивные работы по улучшению характеристик ВС на основе плавленого кварца на протяжении немногим более десяти лет позволили достигнуть практически фундаментальных пределов: оптические потери с 20 дБ/км [2] были уменьшены до 0,2-0,3 дБ/км на длине волны 1,55 мкм [3, 4] , были практически реализованы скорости передачи информации, соответствующие полосе пропускания 100 ГГц.км в одномодовых [5] и 10 ГГц.км в многомодовых градиентных ВС на длине волны 1,3 мкм [б] . Непрерывное усовершенствование всех остальных компонентов оптических систем связи [ 7 ] , в частности, полупроводниковых лазеров и фотодетекторов, позволило осуществить безретрансляторную передачу информации со скоростью 2 Гбит/с на 51 км и I Гбит/с на 120 км. Такая длина передачи далеко еще не является предельной [8] , в особенности с точки зрения освоения для оптической связи не только диапазонов 0,8-0,9 мкм [9] и 1,3-1,6 мкм [10-12] , но и еще более длинноволновых диапазонов 2-Ю мкм [ІЗ] на основе стекол других химических составов.
Благодаря успехам фундаментальных исследований волоконно-оптическая связь уже в начале восьмидесятых годов вступила в пору технической зрелости [14] , несомненно, столь быстрым темпам развития немало способствовала происходившая одновременно повсеместная автоматизация научного эксперимента и контроля технологических процессов с использованием вычислительной техники и усовершенствованных сен - 5 -соров. Все большее внимание уделяется технологическим и экономическим вопросам применения волоконно-оптической связи [15] и изготовлении ВС [іб] . В условиях промышленного производства необходим жесткий автоматизированный контроль технологических параметров на всех этапах получения ВС [l7] , разработка высокопроизводительных и точных методов измерения их оптических характеристик. Только достижение воспроизводимых результатов при изготовлении и метрике ВС позволит осуществить необходимую обратную связь для их усовершенствования.
Отметим, что в научной и патентной литературе очень мало данных о технологических режимах и используемом оборудовании и практически отсутствуют сообщения о методах и средствах улучшения воспроизводимости характеристик ВС. В связи с этим возникает задача о разработке стандартных методов и измерительных систем для контроля воспроизводимости технологического процесса и соответствии характеристик изготовленных ВС расчетным значениям.
В настоящее время известны несколько основных методов для производства ВС на основе плавленого кварца, среди которых метод модифицированного химического парофазового осаждения (MCVD ) обладает рядом преимуществ и нашел широкое распространение. Реакция окисления и осаждения происходит внутри опорной кварцевой трубки, что позволяет сравнительно легко получить низкие оптические потери, однако изменения температурного градиента в зоне реакции вследствие деформации трубки приводят к отклонениям профиля показателя преломления (ШШ) от расчетного. Поэтому, кроме жесткого контроля расходов газов и температуры, применяются и устройства контроля диаметра опорной трубки [19-24] .
Профиль показателя преломления и его распределение по длине предопределяет дисперсионные характеристики и, в значительной сте - 6 пени затухание, как одномодовых, так и многогодовых ВС [25-27] . Необходимо выяснение механизмов его формирования и разработка точных методов его измерения и анализа полученных результатов для расчета необходимых коррекций технологических программ изготовления заготовок.
Вопросы метрики волоконных световодов рассмотрены более детально в литературе. Наблюдается расхождение требований изготовителей и потребителей ВС к измерительным методам [28] : изготовителям необходима и дифференциальная информация - ППП и его распределение по длине заготовок и ВС, спектральная зависимость полных потерь и полосы пропускания и выявление вкладов отдельных механизмов потерь, дифференциальная временная задержка и затухание мод для многомодовых градиентных ВС [29, 30] . При этом, в особенности для дифференциальных методов, требования к точности сводятся прежде всего к воспроизводимости результатов измерений одного и того же ВС, а проектировщик систем заинтересован не только в абсолютной точности измерения "интегральных" характеристик - затухание, полоса пропускания, но и в том, насколько точно на основе результатов измерений и спецификаций изготовителя для поставляемых длин кабеля можно прогнозировать поведение всей линии. Для выяснения зависимости характеристик ВС от условий возбуждения проведены ряд межлабораторных экспериментов, но до сих пор отсутствуют общепринятые стандарты на методы измерения оптических характеристик ВС.
Одновременно с усовершенствованием характеристик ВС, необходимы исследования и остальных компонентов систем волоконно-оптической связи: излучатели, приемники, разъемы, распределители мощности, выясняя при этом связь параметров отдельных компонентов с параметрами системы в целом.
Целью диссертационной работы является изучение механизмов формирования профиля показателя преломления градиентных волоконных световодов в процессеМ СVD в зависимости от технологических параметров и повышение воспроизводимости ППП с целью создания широкополосных световодов; разработка измерительных методов, методов машинного анализа полученных результатов и базовых приборов для исследования структурных и передаточных характеристик световодов и сопрягаемых с ними элементов волоконно-оптических систем связи.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. В первой главе на основе литературных данных проводится анализ основных факторов, влияющих на качество изготовляемых методом MCVD световодов и оценка требуемой точности их контроля. Приводятся и данные о структуре и характеристиках автоматизированных систем управления технологическим процессом, о воспроизводимости характеристик ВС и факторах, ограничивающих выход ВС с заданными параметрами. Рассмотрены методы и автоматизированные системы для измерения параметров и заготовок.
Во второй главе диссертации описаны измерительные методы, базовые приборы и системы, разработанные для исследования и улучшения воспроизводимости технологических параметров процесса MCVD и структурных и передаточных характеристик изготовленных ВС. Широкие функциональные возможности и уникальные параметры разработанных устройств позволили сократить затраты времени при измерениях при одновременном повышении точности. Эти характеристики устройств удалось сохранить при их внедрении в опытное производство. Рассмотрены системы для контроля диаметра опорной трубки, для измерения ППП и спектральной зависимости оптических потерь волоконных световодов.
В третьей главе исследовались изменения диаметра и температуры опорной трубки в процессе MCVD и влияние этих параметров на ППП изготовленных ВС. С помощью машинного анализа показано, в частности, что при применении разработанной системы для контроля диаметра трубки, отклонения показателя преломления по длине заготовок и ВС уменьшаются в 1,5-2 раза. Предложена методика расчета коррекционных факторов технологической программы изготовления заготовок.
В четвертой главе даны основные результаты исследований возможности стандартизации условий измерения полных потерь и межлабораторных экспериментов. Исследована зависимость отдельных механизмов потерь ВС от типа легирующей добавки. Уточнены условия измерения потерь на стыковку ВС в зависимости от модового состава излучения. Показано, что несмотря на высокую оптическую изоляцию волоконных ответвителей -50-60 дБ, максимальная длина линий двух направленной связи при заданном отношении сигнал/шум ограничена рассеянием. Исследованы характеристики планарных микро линз, являющихся перспективными компонентами для много волоконных разъемов и распределителей мощности в системах волоконно-оптической связи.
В заключении кратко резюмируются основные результаты диссертационной работы.
Технология получения волоконных световодов методом MCVD с автоматизированными системами контроля их параметров
Описания различных технологий получения ВС даны в монографиях [37-39] , а также в обзорах [іб, 40] . Для производства световодов высокого качества для линий дальней связи в промышленности используются метод модифицированного химического парофазного осаждения (MCVD ) [18] , метод внешнего парофазного осаждения (OVPO ) [41] и метод осевого парофазного осаждения (VAD) [42] . Все три метода дают пока сравнимые результаты и каждый из них непрерывно совершенствуется, но метод MCVD » разработанный сотрудниками фирмы Белл [43] , нашел самое широкое распространение. Наиболее полно современное состояние технологии MCVD дано в обзоре и в патентах [43-45] , опубликованы и более ранние обзоры [46, 47] .
При традиционном химическом парофазном осаждении (CVD)» на - 10 -пример, в полупроводниковой промышленности, температура и расходы газов регулируются для получения гетерогенной реакции - слой выращивается непосредственно на разогретой подложке. Для указанных трех методов основной объем стекла формируется в результате гомогенной реакции, т.е. непосредственно из газовой фазы, что намного повышает производительность процесса, с последующим проплавлением порошкообразных частиц в монолитный слой. Для методов 0VP0 и VAD окисление происходит непосредственно в пламени горелки, а при методе М С VD внутри опорной кварцевой трубки.
Рассмотрим основные характеристики процесса MCVD с точки зрения требований к технологическим параметрам и требуемой точности их автоматического контроля.
Опорная трубка. Использование опорной трубки позволяет вести процесс MCVD в закрытой чистой среде, изоляция реакции окисления от пламени водородной горелки предотвращает включение ионов ОН и частиц в синтезированном стекле. Качество опорной трубки влияет на геометрию заготовки и ВС (эксцентричность, эллиптичность, отношение диаметров оболочки и сердцевины), оптические потери (диффузия СН и других примесей [48, 49] ), частотную полосу ВС (отклонения от оптимального ГШП) и прочность (газовые и другие включения [46] ).
Дополнительные потери уменьшают осаждением промежуточного слоя оболочки толщиной 10 мкм в волокне (для одномодовых ВС этот слой намного толще) [22, 48, 51] . Очень высокие требования к отклонениям от геометрии трубки из-за изменений температуры в зоне реакции. Дело в том, что оптическим пирометром контролируют температуру внешней стенки, из-за плохой теплопроводности кварца температура внутренней стенки на 200-300С ниже и разница зависит не только от толщины стенки, но и от ширины горячей зоны, скорости горелки и потоков газов. Промоделировано температурное распределение в полос -11-ти трубки [52] , от которого зависит эффективность осаждения.Наиболее точные данные о температурном распределении в стенках трубки приводятся в работе [53] , где температура наружной стенки измерялась пирометром, внутренней стенки термопарой. Для толщины стенки 2 мм (диаметры 20x16 мм), скорости горелки 10 см/мин и потока кислорода 1,5 л/мин измерялись эти температуры - соответственно 1850С и 1415С, что дает перепад порядка 220С/мм; при скорости горелки 20 см/мин получается перепад уже 300С/мм толщины стенки трубки. С этими данными хорошо согласуются и данные из работ [51] - температурный перепад 220С/мм при потоке 2,5 л/мин и скорости горелки 13 см/мин и [43] , где перепад 300С/мм при скорости горелки 45 см/мин и ширине горячей зоны 2 см.
Так как для контроля ППП с точностью 1x10 при 1500С необходимо контролировать температуру с точностью +5С [21] колебания толщины стенки по сечению и по длине трубки должны быть менее 20 30 мкм. Такие трубки являются очень дорогостоящими, поэтому проводились и эксперименты для их изготовления методом 0VP0 [40] .
Температура и состав стекла. Температуру внешней стенки трубки обычно измеряют пирометром на длине волны 5 мкм, где кварц является абсолютно черным телом [l7] . Лучшая точность контроля температуры достигнута в [18] +2С. В некоторых работах приводится и температура реакции газов внутри трубки [18, 22, 51-53] , при этом не всегда четко подчеркивается разница. Выбор легирующих элементов ограничен возможностью глубокой очистки их исходных соединений - галидов GeCl , ВВг » РОСЦ . Германий и фосфор повышают показатель преломления кварца, а бор его понижает. Оптимальная температура реакции для формирования GeOp I400-I500C [l8, 22] . Для одновременной консолидации осаждае - 12 -мых порошкообразных частиц обычно работают при температурах выше 1500С. Легирование фосфором и бором понижает температуру консолидации и уменьшает высокотемпературные деформации трубки, но повышаются потери в диапазоне 1,3 1,6 мкм [18, 22, 51] . При легировании фосфором уменьшается величина рэлеевского рассеяния на флу-ктуациях плотности материала ВС, так как понижается температура перехода, при которой тепловые флуктуации "замораживаются" в стекле [58] , кроме того, нет ярко выраженной зависимости полосы пропускания градиентных ВС от длины волны, как для световодов, легированных только германием [59] . Однако в последнее время появились работы [57] , показывающие увеличение потерь ВС, легированных фосфором, при длительном воздействии водорода за счет широкой полосы поглощения Р-О-Н, поэтому для большинства ВС с малыми потерями фосфором легируют до уровней не более 3-5%мол., тем самым ограничивая и отклонения от геометрии в процессе охлопывания заготовки [17, 18, 22] .
Таким образом, выбор состава стекла и концентраций компонентов всегда будет результатом компромисса. Ввиду высокой стоимости и малой эффективности осаждения германия продолжаются исследования новых составов. Перспективным элементом для понижения показателя преломления является фтор [іб] , в [55, 60] приводятся данные о легировании сурьмой, алюминием и другими элементами.
Экспериментальная установка для анализа структурных характеристик волоконных световодов
При исследовании и оптимизации работы автоматизированной установки в первую очередь определялись структурные характеристики изготовленных градиентных многомодовых световодов - профиль показателя преломления (ППП), числовая апертура, геометрические размеры. Эти характеристики измерялись и в заготовках до вытяжки ВС. Ряд методов определения структурных характеристик ВС, описанных в первой главе диссертации, требуют анализа распределения интенсивности света вдоль линейной координаты: измерение ППП и геометрических размеров ВС методом ближнего поля, определение числовой апертуры и модового состава анализом дальнего поля излучения ВС, измерение ППП методом фокусировки. Для этих исследований был разработан анализатор пространственного распределения интенсивности света - ПАРИС, структурная схема которого в принципе совпадает со структурной схемой контроллера диаметра, показанной на рис.3, отсутствуют только блоки 5 и 6. Однако минимальными схемными изменениями и переключением функциональных узлов осуществляется гораздо более детальный анализ изображения - вывод огибающей видеосигнала для непосредственной двухмерной визуализации на экран осциллографа или на самописец, отсчет от цифровой индикации анализатора числа элементов изображения при выбранном уровне освещенности или в участке, выбранном с помощью блока развертки осциллографа IPII, возможность стократного изменения чувствительности фотодиодной линейки видеокамеры регулировкой времени накопления.
Для получения и анализа ІШП в заготовках и ВС требуется непосредственный ввод данных в ЭВМ. Анализатор ПАРИС формирует соответствующие синхронизирующие сигналы для программной идентификации каждого элемента фотодиодной линейки и устранения влияния неравномерности чувствительности отдельных элементов посредством нормировки. Связь анализатора ПАРИС с ЭВМ Изот 0270, работающей в стандарте КАМАК, позволила создать полностью автоматизированную систему для визуализации, анализа и регистрации исследуемых распределений интенсивности света.
На рис. 4 показано применение системы для определения ППП и геометрических размеров ВС методом ближнего поля. В качестве источника излучения использовался модифицированный осветитель 0И-2І-- I, 2 и 3. Ирисовой диафрагмой 3 можно было контролировать апертуру возбуждения ВС 8. Микроманипулятор 7 обеспечивал точность позиционирования выходного торца ВС лучше 2 мкм и его вращение вокруг оси для регистрации изменения ППП по азимуту и измерения эллиптичности сердцевины. Для устранения хроматических аберраций и повышения разрешающей способности использовались светофильтры 9. Изображение выходного торца пооецировалось на фотодиодную линейку видеокамеры 10, с помощью анализатора ПАРИС II огибающая видеосигнала выводится на осциллограф 12, на двухкоординатный самописец 13 и на АЦП ЭВМ [127 , 132
Преимущество экспериментальной установки по сравнению с системами с механическим сканированием в плоскости изображения - возможность непосредственной двухмерной визуализации ППП на эк ран осциллографа, что облегчает существенно процесс юстировки при измерениях - сокращаются затраты времени, повышается качество фо кусировки. Электронное сканирование позволяет устранить шумы из-за вибраций. Необходимое время для ввода данных в ЭВМ менее 70 мс, для улучшения отношения сигнал/шум, которое составляло в видео сигнале 40 дБ, усреднялись результаты нескольких последователь ных циклов сканирования. Неравномерность чувствительности отдель ных элементов не превышала +2% и устранялась нормировкой сигнала с каждого элемента линейки масштабным коэффициентом, полученным при равномерном освещении всех элементов. Для питания лампы накаливания использовался стабилизированный выпрямитель, вариации регистрируемой мощности не превышали 1%, Размер изображения выбирался в зависимости от требуемого разрешения и уровня сигнала. Размер каждого фотодиода линейки 16x28 мкм с шагом расположения 28 мкм, общая длина всех 512 элементов - 14,2 мм. Для стандартных многомодовых ВС с диаметрами сердцеви ны и оболочки 50/125 мкм обычно выбиралось увеличение х 84, при этом одному микрону торца соответствовали 3 фотодиода линейки.При исследовании одномодовых ВС выбиралось увеличение до 200 раз. Известно, что оптимальная форма ППП, т.е. оптимальное значение параметра профиля g для получения широкой полосы пропускания в градиентных ВС заметно зависит от рабочей длины волны, особенно для германосиликатных ВС [59] . Однако в спектральном интервале 600-1600 нм числовая апертура ВС меняется не более 1% [27] и регистрируемая форма ППП практически не зависит от длины волны, на которой проводятся измерения, хотя с уменьшением длины волны увеличивается разрешение и можно точнее определить детали профиля [95] . Максимум регистрируемой мощности излучения при использовании галогенной лампы накаливания и кремниевого фотоприемника около 0,9 мкм, но для повышения разрешения измерения проводились обычно в интервале 0,55 0,75 мкм [127] . При этом светофильтрами 9 выбирался как можно более широкий спектральный диапазон не только из энергетических соображений, но также и для сглаживания модо-вых возмущений в плотности потока излучения в ближнем поле. В ряде измерений в качестве источника излучения использовался монохроматор МДР-2, при этом регистрация профиля в видимой части спектра производилась с помощью фотоэлектронного умножителя и синхронного детектирования. Согласно [39, 12 возбуждение световода осуществлялось с числовой апертурой примерно на 5 10% больше числовой апертуры исследуемых ВС, которая в большинстве случаев была около 0,2. Диаметр светового пучка в фокусе микрообъектива 4 выбирался порядка внешнего диаметра ВС (125 мкм).
Исследование воспроизводимости профиля показателя преломления по длине заготовок и волоконных световодов
После ввода значений Р(п) в ЭВМ, задача аппрксимации сводится к отыскиванию значения параметра профиля g , для которого минимизируется 2 . Однако более детальный анализ показывает, что неизвестной величиной в (13) является не только g - величины Р ах и а в большинстве случаев известны лишь приблизительно. На рис. 17 показан измеренный на описанной экспериментальной установке ППП волоконного световода CG5204, изготовленный фирмой Фурукава методом MCVD . Так как в (13) и (15) имеет значение не максимальной измеренной мощности, а мощности, для которой n(r)=n1 , т.е. при г/а =0, из-за наличия центрального провала ППП предел аппроксимирующей функцией нельзя определить непосредственно из экспериментальных результатов.
Больше затруднений вызывает факт, что в результате диффузии во время вытяжки ППП переходит в оболочку без излома. Кроме того, на границе сердцевины и оболочки вследствие малой числовой апертуры понижается разрешающая способность метода ближнего поля [27] « Класс профилей, переходящих в оболочку без излома, описан теоретически Унгером в [I20] , но эта аппроксимация не получила широкого распространения. Из рис. 17 видно, что определение радиуса ВС а как расстояние от оси ВС до точек достижения нулевого уровня кривой Р(г) сразу загрубило бы аппроксимацию. Для анализа ППП был принят следующий подход: на основе равноотстоящих значений Р(г) вблизи периферии сердцевины экстраполировалось значение г0 , при котором Р(г) = 0, радиус сердцевины а определялся как расстояние от точки г0 до ординатной оси, проводимой через "технологический" центр ППП, т.е. через минимум центрального провала; в полученной системе координат определялись значения Р(г) для двадцати равноотстоящих точек - шаг изменения нормированного радиуса г/а = 0,05. ЭВМ производилась двухпараметрическая минимизация отклонения S : менялись значения не только g но и Ртах На рисунке представлены результаты такой аппроксимации для световода СG5204. Рассчитаны и относительная глубина h и ширина w/a центрального провала согласно [17] .
При этом довольно симметричном профиле выигрыш в точности при применении двухпараметрической аппроксимации не столь очевидный. Однако при больших искажениях ППП или при необходимости провести аппроксимацию по участку ППП вблизи периферии световода, она является безусловно необходимой. Это иллюстрируется результатами на рис. 18, где построены два зеркальных изображения одного и того же крыла ППП волоконного световода N75h , производства ГДР.Наилучшая аппроксимация профиля в целом дает g =3,1 при большом отклонении S = 6,3%, в то же время осевая и периферийная части ППП хорошо аппроксимируются функциями с совершенно разными параметрами профиля g и значениями Pmax
Профили показателя преломления в заготовках исследовались лучевым методом совместно с АН ГДР на разработанной немецкими учеными экспериментальной установке с высоким пространстственным разрешением - б мкм [81] . На рис. 19 показаны для сравнения ППП заготовки - кривая I и волоконного световода, вытянутого из этой заготовки, измеренный методом ближнего поля - кривая 2, как и результаты аппроксимации обоих профилей. Кривая 3 - аппроксимация ППП заготовки с параметром профиля g = 2, т.е. с параметром, полученным при анализе световода. Кроме отличного совпадения результатов, отметим очень высокую точность аппроксимации - лучшие величины 2 , опубликованные в литературе - 0,78% [59] , что свидетельствует как о хорошем контроле технологического процесса, так и о высокой точности и надежности результатов измерения. Аналогичные эксперименты проводились еще для двух заготовок, результаты представлены в таблице на рис. 19. Среднеквадратичное значение разброса параметров g для трех пар заготовка-световод 0,06. Отметим, что возбуждение ВС при измерениях осуществлялось ограниченной апертурой и вклад вытекающих мод в распределении Р(г) не учитывался. Разброс может быть следствием как влияния условий возбуждения ВС, так и неполной воспроизводимости ППП по длине заготовок - на рис. 18 представлен ППП с другого конца заготовки N75h очевидны существенные искажения профиля по длине.
Машинный аппроксимационный анализ профилей показателя преломления ВС и заготовок является эффективным средством не только для оценки качества ППП с точки зрения широкополосности ВС (значение параметра профиля g ) но и для выявления особенностей и калибровки технологического процесса (отклонения ППП от расчетного). Двухпараметрическая минимизация отклонения 2 позволила анализ и более сложных ППП.
Исследование характеристик элементов распределителей мощности в волоконно-оптических системах связи
Положительный эффект контроля диаметра опорной трубки подтверждается и результатами в работе [131] , где исследовались изменения ІШП по длине волоконных световодов, вытянутых из заготовок с контролем и без контроля диаметра - рис. 22а и б. Измерения проводились методом ближнего поля при одинаковых условиях возбуждения при длинах ВС 0, 200, 500, 700 и 1000 м. Согласно результатам представленным на рис. 22а, амплитуда отклонения профиля ВС составляет +1,5% в центральной области сердцевины, если же контроль диаметра не применялся, то амплитуда отклонений доходит до 6-10% (рис. 22 б). Оба профиля, однако, имеют заметные искажения.
Оценим, на основе литературных и экспериментальных данных (рис. 15, табл. 4-7) влияние разбросов температур и диаметров опорных трубок на отклонения ППП по длине заготовок.
В [21] указано, что для выдерживания ППП с точностью I 10 необходимо контролировать температуру осаждения с точностью 5С, однако кроме германия, заготовки легировались и фосфором. В [І8] получено, что при изменении температуры от 1830 до 2050 К эффективность реакции окисления германия понижается примерно на 50% или для контроля ППП с точностью 1% от заданного значения необходимо контролировать температуру реакции с точностью 4,3. Примерно с такой точностью контролировалась температура для проходов 20-25 заготовки КГ65 - рис. 15. В предположении о постоянной толщине стенки опорной трубки разбросы сґт температур внутренней и внешней стенки опорной трубки будут примерно равными. Однако вследствие исходной неравномерности и неконтролируемых изменений внешнего диаметра, как и неравномерной по длине толщины осаждаемых слоев появляется дополнительный температурный градиент на толщине стенки опорной трубки. Согласно [53] , этот перепад температур примерно 200С/мм. В предположении о линейном изменении температур для малых изменений исходной толщины стенки t получаем, что требуемый допуск на разнотолщинность для отклонений ПП меньше 1% составляет 21 мкм.
Например, согласно данным таблицы 3 и рис. 15, не учитывая исходную неравномерность, для двадцатого прохода осаждения получаем следующие оценки разбросов показателей преломления СГ КГ64Д: сґ0 70 мкм о\ = 12 мкм, изменение сґп « 0,5% КГ65: сґр = 850 мкм di = 138 мкм,изменение &п « б,( Для того же прохода имеем: КГ64Д: (Ґхр = 22, соответствующее изменение ПП (Ґп КГ65: о ф = 4 , соответствующее изменение ПП сґ « 1% Из табл. б для двадцатого прохода получено среднеквадратичное отклонение сґп для заготовки КГ64Д сґп = 3,74%, для КГ65 &п =4,58% табл. б. Отметим, что среднеквадратичные отклонения диаметров tfD и температур tfT вычислялись для участка заготовки длиной 32 см, а разброс ПП СҐП вычислялся для участков длиной 18-22 см. Кроме того, меньшее значение экспериментально измеренных разбросов по сравнению с расчетными может быть следствием более слабой температурной зависимости эффективности реакции окисления GeCl ,чем цитируемой в [18] . Согласно измеренным в [52] температурным профилям,повышение максимальной температуры в горячей зоне лишь отодвигает зону реакции, где температура Т %; 1300С, против рабочего хода горелки. При осаждении SiO- -GeO- » хотя максимальная -температура не сказывается на эффективности осаждения чистого Si О-при прохождении частиц GeOn через горячую зону очевидно будет иметь место испарение с образованием GeCl/ , что в [52] не рассматривалось. Кроме того, изменения диаметра опорной трубки приводят к изменениям аксиальной скорости взвешенных частиц и соответствующим изменениям их траекторий.
Таким образом, точный анализ механизмов формирования ШШ в зависимости от температуры и геометрии опорной трубки требует моделирования температурного поля и расчета траекторий всех частиц, при этом для каждой температуры должна быть известна эффективность реакции окисления GeClz, Получение всей необходимой информации без нарушения динамики процесса представляет очень сложную проблему и в задачу диссертации не входило. Однако экспериментально измеренные отклонения качественно соответствуют расчетным и подтверждают, что температурный градиент в зоне реакции из--за изменений диаметра трубки является одним из основных дестабилизирующих факторов формирования ШШ в процессе MCVD . Достигнутая точность контроля диаметра обеспечивает точность выдерживания ШШ, без учета других факторов, 0,5% , или, согласно [21] 5-Ю"5
