Содержание к диссертации
Введение
1. Общая характеристика работы
1.1. Предпосылки постановки работы и актуальность темы 4
1.2. Цель исследований 8
1.3. Научная новизна, практическая ценность и реализация результатов работы 9
1.4. Основные защищаемые положения 11
1.5. Публикации и апробация работы. Объем и структура диссертации. Личный вклад автора . 12
2. Обзор литературы
2.1. Вытяжка волоконных световодов 14
2.2. Высокотемпературные источники нагрева заготовки 17
2.3. Управление процессом вытяжки световодов 23
2.4. Прочность волоконных световодов 30
2.5. Полимерные покрытия волоконных световодов 38
2.6. Световоды типа«стекло-полимер» 43
2.7. Оптические потери световодов при низких температурах 47
2.8. Фундаментальные механизмы оптических потерь 52
2.9. Дополнительные оптические потери, возникающие в процессе вытяжки волоконных световодов 60
2.10. Выводы к главе 2 63
3. Процесс перетяжки заготовки в световод
311. Установка для вытяжки волоконных световодов 67
3.2! Высокотемпературные нагреватели 68
3.3. Система автоматического управления процессом вытяжки 80
3.4. Нанесение первичных полимерных покрытий 88
3.5. Технология нанесения на световод защитных покрытий 96
3.6. Основные результаты главы 104
4. Прочность волоконных световодов
4.1. Прочность однородных кварцевых волокон 105
4.2. Прочность световодов, изготовленных MCVD методом 117
4.3. Прочность световодов большой длины 124
4.4. Влияние полимерных покрытий на прочность световодов 129
4.5. Основные результаты главы 136
5. Разработка и исследование кварц-полимерных световодов
5.1. Оптические потери 138
5.2. Оптические потери при низких температурах 147
5.3. Влияние воды на оптические характеристики кварц-полимерных световодов 154
5.4. Разработка световодов с многоэлементной отражающей оболочкой 161
5.5. Основные результаты главы 166
6. Влияние полимерных покрытий на оптические потери световодов на основе кварцевого стекла
6.1. Демпфирующие свойства полимерных покрытий 168
6.2. Влияние первичных полимерных покрытий на оптические потери при изменении температуры 172
6.3. Влияние защитных полимерных покрытий на оптические потери при изменении температуры 186
6.4. Морозостойкий волоконно-оптический кабель 205
6.5. Основные результаты главы 213
7. Дополнительные оптические потери, возникающие в процессе вытяжки в высоколегированных одномодовых световодах
7.1. Влияние легирования фтором сердцевины световодов на дополнительные потери, возникающие в процессе вытяжки 215
7.2. Рэлеевское рассеяние в высоколегированных световодах 224
7.3. Пространственное распределение источников оптических потерь по сечению световодов 235
7.4. Аномальное рассеяние оптического излучения в одномодовых световодах и его связь с процессом вытяжки 247
7.5. Снижение оптических потерь в высоколегированных одномодовых световодах, изготовленных MCVD методом 263
7.6. Основные результаты главы 275
8. Заключение 277
9. Список цитируемой литературы 281
10. Список цитируемой литературы с участием автора 304
11. Приложения 318
- Публикации и апробация работы. Объем и структура диссертации. Личный вклад автора
- Дополнительные оптические потери, возникающие в процессе вытяжки волоконных световодов
- Система автоматического управления процессом вытяжки
- Влияние полимерных покрытий на прочность световодов
Введение к работе
Создание в начале 70-х годов волоконных световодов с малыми потерями стало мощным стартовым импульсом для развития- на стыке физики конденсированного состояния и оптики нового научного направления — волоконной оптики. Первоначально это направление охватывало только разработку элементов, волоконно-оптических систем передачи информации (ВОСПИ). Однако очень быстро в рамках волоконной оптики стали развиваться» датчики различных физических полей, волоконные лазеры и усилители, различные нелинейные устройства, в том числе рамановские лазеры. и усилители, переключатели, а в последнее время мощные технологические волоконные лазеры, что потребовало создания волоконных световодов с принципиально новыми характеристиками.
Современная технология производства волоконных световодов, с малыми потерями на основе кварцевого стекла состоит из двух основных операций: изготовление заготовки и вытяжка из заготовки волоконного световода. Для изготовления заготовок разработано несколько методов, основанных на высокотемпературном парофазном осаждении с использованием летучих соединений исходных реагентов. Среди этих методов наибольшее распространение получили: модифицированный метод парофазного осаждения в опорной кварцевой трубе (MCVD), метод внешнего парофазного осаждения (OVD) и метод аксиального осаждения (VAD): Независимо от метода изготовления заготовки трансформация ее в волоконный световод происходит одинаково: из локально разогретого до размягчения конца заготовки под действием1 силы натяжения вытягивается геометрически подобный ей световод.
Большинство основных параметров волоконных световодов (оптические потери, полоса пропускания, числовая апертура, дисперсия, соотношение геометрических размеров сердцевины, отражающей оболочки и внешнего диаметра, состав легирующих добавок) полностью или в значительной степени обусловлены технологией изготовления заготовки. Тем не менее, процесс вытяжки также оказывает существенное влияние на многие характеристики световодов: вариации геометрических размеров по длине, оптические потери, механическую прочность, границы работоспособности (диапазон допустимых рабочих температур и сдавливающих напряжений).
Вариации диаметра сердцевины вызывают увеличение оптических потерь на рассеяние, а при соединении волоконных световодов могут привести к возрастанию потерь наї стыковку. Для- обеспечения постоянства диаметра, световода по всей многокилометровой длинен необходимо выявить и устранить источники возмущений процесса перетяжки заготовки? ві световод как характерные для данной вытяжной установки; так: и свойственные процессу вытяжки в целом;
Стабилизация геометрических параметров световода является: важной;, но не единственной задачей при совершенствовании процесса перетяжкш заготовки в световод. Процесс, вытяжки в значительной степени определяет прочность световода, которая? в отличие от большинства его основных параметров (оптических потерь, полосы пропускания, дисперсии и других),. определяется минимальным локальным значением.
Прочность кварцевого стекла на основании различных оценок величины, межатомной связи атомов, кремния= и кислорода составляет 10-25РПа. На коротких отрезках свежевытянутых кварцевых волокон удавалось достигнуть прочности, 1 ОГПа (в вакууме) и 14ГПа (в жидком азоте); в то время-как в лабораторных условиях максимальная прочность этих образцов: равнялась 5-7 ГПа. Любое- соприкосновение поверхности такого волокна с твердым предметом или даже частицами- пыли,, находящимися; в. воздухе, приводило: к катастрофическому падению прочности. Простейшие: оценки показывают, что для обеспечения минимально необходимой для изготовления оптического кабеля прочности" волоконного световода диаметром 125мкм и километровой длины на уровне всего лишь 0.35ГПа требуется, чтобы ни на его поверхности ( 0.4 м ), ни в объеме ( 12см ) не было ни одного дефекта или инородного включения размером больше -1-2 мкм. Таким образом, задача изготовления световодов даже с умеренной прочностью достаточно сложна, и для ее решения необходимо выяснить и устранить причины появления в заготовках объемных включений и поверхностных микротрещин, а также разработать технологию нанесения на световод в процессе вытяжки полимерного покрытия для защиты поверхности световода от последующих повреждений.
Помимо защиты поверхности световода от механических повреждений полимерное покрытие световода выполняет еще одну важную функцию: разгружает световод от боковых сдавливающих нагрузок в процессе , эксплуатации в оптическом кабеле. Расчеты показывают, что лучше всего такую защиту осуществляет двухслойное покрытие: мягкое демпфирущее первичное и жесткое, стойкое к истиранию вторичное. Однако, нанесение на световоды защитно-упрочняющих покрытий привело к возникновению новых проблем. Оптические потери собственно световодов, изготовленных на основе кварцевого, стекла, практически не меняются в широком температурном диапазоне от -196°С до 150°С. При охлаждении, вследствие большого различия коэффициентов линейного расширения, полимерных материалов и кварцевого стекла, происходит усадка полимерных оболочек, в результате чего возникают микроизгибы световода, вызывающие увеличение оптических потерь. Таким образом, выбор конструкции волоконно [ оптического модуля (световода с одной или несколькими полимерными оболочками) и полимеров для этих оболочек должны обеспечивать минимальные добавочные потери световода в рабочем интервале температур.
На ранних этапах развития волоконной оптики в нашей стране, когда производство большинства компонентов для ВОСПИ (непрерывных полупроводниковых лазеров с высокой яркостью излучения, суперлюминисцентных диодов, разветвителеи, разъемов и малошумящих высокочувствительных приемников) либо отсутствовало, либо только начинало создаваться, возникла острая потребность в световодах с умеренно низкими оптическими потерями ( 10-20 дБ/км), большим диаметром сердцевины (100-600мкм) и относительно высокой (0.2-0.4) числовой апертурой для моделирования первых отечественных ВОСПИ сравнительно небольшой длины. Такие световоды с сердцевиной из кварцевого стекла и полимерной отражающей оболочкой уже были разработаны за рубежом. Было понятно, что нанесение отражающей полимерной оболочки необходимо производить непосредственно в процессе вытяжки кварцевой сердцевины, однако ни подробности технологии, ни возможность использования отечественных исходных материалов известны не были. Кроме того, необходимо было установить механизмы, вызывающие потери кварц-полимерных световодов. Следует отметить, что кварц-полимерные световоды не потеряли своей актуальности и в настоящее время для использования в локальных и внутриобъектовых ВОСПИ, а также для передачи мощного оптического излучения для технологических целей.
Минимальный уровень оптических потерь в волоконных световодах, особенно одномодовых, зависит от условий вытяжки, Bv частности, от трех технологических параметров: температуры, скорости и натяжения, а также состава стекла сердцевины. Увеличение концентрации оксида германия в сердцевине приводит к увеличению степени влияния условий вытяжки на оптические потери. Особенно актуальным стал вопрос выяснения природы добавочных потерь, обусловленных вытяжкой, в последнее время, в связи с широким использованием высоколегированных (15-30 мол.% Ge02) одномодовых световодов в различных нелинейных устройствах: компенсаторах дисперсии, рамановских лазерах и усилителях, генераторах суперконтинуума. Однако низкий уровень оптических потерь, определяющих эффективность работы таких устройств, удалось достигнуть только в световодах, изготовленных методом VAD. Высоколегированые световоды, изготовленные методом MCVD, единственным методом, освоенным в нашей стране, имели значительно более высокий уровень оптических потерь, причем не был даже однозначно установлен их источник.
Все вышеперечисленные проблемы тесно связаны с процессом вытяжки волоконных световодов. За рубежом к решению этих проблем приступили в 1975-1977 годах, когда стали актуальными задачи практического использования волоконных световодов. В нашей стране первые световоды на основе кварцевого стекла с малыми потерями были изготовлены в 1975 году в результате тесного сотрудничества Института общей физики (ИОФАН) и Института химии (ИХАН), в настоящее время Института химии высокочистых веществ (ИХВВ РАН). Почти одновременно и независимо работы по разработке световодов с малыми потерями были начаты в Институте радиотехники и электроники (ИРЭАН) и в Государственном оптическом институте им. С.И.Вавилова (ГОИ).
Работы автора над решением вышеперечисленных проблем начались в 1977 году. Уже первые эксперименты по вытяжке волоконных световодов. показали, что исследование процесса вытяжки волоконных световодов и решение связанных с нею проблем невозможно без, создания современного автоматизированного оборудования для- вытяжки волоконных световодов и детального изучения физических закономерностей и явлений, которые лежат в основе исследуемых процессов. Следует отметить, что работы зарубежных авторов по данным вопросам были мало информативны, поскольку содержали в основном обсуждение достигнутых результатов. К тому же использовать зарубежные результаты было затруднительно вследствие различия технологического оборудования и исходных материалов:
Публикации и апробация работы. Объем и структура диссертации. Личный вклад автора
По теме диссертации, исследованию различных характеристик волоконных световодов и их применениям опубликовано более 200 работ, 8 авторских свидетельств на изобретение, 3 патента РФ и 2 патента США. Основные результаты диссертации содержатся в 83 работах, 5 авторских свидетельствах, 1 патенте США, приведенных в списке литературы с участием автора и отмеченных индексом «а». Ряд рассмотренных в настоящей диссертации вопросов был предметом научных исследований трех кандидатских диссертаций, выполненных под руководством автора.
Основные результаты исследований, представленных в диссертации, докладывались на следующих всесоюзных и международных конференциях: Всесоюзная конференция по проблеме «Волоконно-оптические линии связи» (Москва 1978, 1981, 1984, 1988 г.г., Киев 1983г.), Всесоюзная конференция-по методам получения и анализа высокочистых веществ (Горький 1981, 1985, 1988, 1992 г.г.), Всесоюзная конференция по технологии волоконных световодов (Горький 1982г.), Всесоюзная конференция «Состояние1 и перспектива развития кабелей связи в 12 пятилетке » (Бердянск, 1986г.), 13 конференция «Высокочистые вещества и материалы» (Нижний Новгород 2007 г.), Международная школа по когерентной оптике (Иена, ГДР, 1984 г.), Международная конференция по нелинейным волноводным эффектам (Хьюстон, США, 1989 г.), Международная конференция по лазерам и электрооптике CLEO (Анахейн, 1992г.; Лонг Бич, 2002, США), Международная конференция по волоконной оптике ISFOC (С.-Петербург, 1992" г.), Международная конференция по волоконно-оптической связи OFC (Сан-Хосе, 1994; Сан-Диего, 1995; Сан-Хосе, 1999, США), Международный конгресс по стеклу (Ленинград, 1989; Пекин, КНР, 1995), Европейская конференция по оптической связи ЕСОС (Флоренция, Италия, 1994; Брюссель, Бельгия, 1995; Ницца, Франция, 1999; Мюнхен, ФРГ 2000; Римини, Италия 2003; Стокгольм, Швеция, 2004), Международная конференция? инженеров-оптиков SPIE (Сан-Диего, 1987; Бостон, 2001; США), а также на научных семинарах ИОФ РАН; НЦВО РАН, МНТК.
Диссертация изложена на 321 странице, включая: список цитируемой, литературы. (221 наименование); список из; 89 публикаций; автора по теме диссертации; в том числе 35 публикаций; в ведущих; рецензируемых научных журналах; ш изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией; 4х приложений, содержит 10 таблиц и 88"рисунков.!
В1 первой; главе дается; общая характеристика работы, во? второю приведен обзор литературных данных, главы 3? — 7 содержат описание" проведенных исследований; их обсуждение и анализ; в заключении: сформулированы основные результаты, и выводы: диссертационной работы.
Диссертационная работа является: результатом многолетней? работы автора в: Научном? центре волоконной оптики PAffi (ранее: сектора лаборатория; отдел ИОФ РАН) и представляет собой обобщение работ автора, выполненных совместно; с сотрудниками НЦВО и ИХВВ; РАН; Коллективный характер экспериментальных и технологических, работ обусловил публикацию полученных результатов в соавторстве с коллегами; В работах, включенных в диссертацию, автор являлся инициатором (выдвигал идею, формулировал задачу, намечал пути ее решения),. разрабатывал методики исследований; участвовал в проектировании и изготовлении технологических и измерительных установок, проведении; экспериментов, осуществлял анализ, обобщение результатов и формулировал выводы на их основе.
Исходной предпосылкой для разработки технологии волоконных световодов с малыми потерями послужил анализ механизмов затухания оптического излучения в диэлектрических средах [1]. В этой работе было впервые показано, что высокие оптические потери в диэлектрических материалах обусловлены не фундаментальными механизмами, а поглощением различных примесей (в первую очередь, оксидов переходных металлов и гидроксильных групп). Решающий прогресс в, технологии волоконных cвeтoвoдoв с малыми1 потерями был достигнут в результате разработки принципиально новых методов их изготовления.
Технология изготовления современных волоконных световодов на основе кварцевого стекла с предельно- низкими потерями состоит из двух самостоятельных операций: изготовление заготовки и перетяжка заготовки в-волоконный световод. Для изготовления заготовок разработано- несколько. методов, основанных на высокотемпературном парофазном осаждении с использованием летучих соединений исходных реагентов. Среди этих. методов наибольшее распространение получили: модифицированный метод парофазного осаждения в опорной кварцевой трубе (MCVD. - Modified Chemical Vapor Deposition), парофазного осевого осаждения (VAD1— Vapor Phase Axial Deposition) и внешнего парофазного осаждения (OVD - Outside Vapor Deposition) [2,3]. Успех новых технологий был в первую очередь обусловлен тем; что в качестве исходных соединений в них использовались легко кипящие жидкости: SiCl4, GeCl4, РОС13, ВВг3 и другие, уровень поглощающих примесей в которых может быть снижен на несколько порядков ниже, чем в твердых исходных соединениях. Следует также отметить, что к началу разработки новых технологий изготовления волоконных световодов во многих странах мира имелось крупнотоннажное
Дополнительные оптические потери, возникающие в процессе вытяжки волоконных световодов
Полимерные покрытия используются не только для защиты световода от механических повреждений и микроизгибов, но и в качестве элемента световедущей структуры - отражающей оболочки световодов типа «стекло-полимер». Такие световоды с числовой апертурой 0.2-0.4 и сердцевиной в несколько сотен микрометров нашли широкое применение в системах локальной или внутриобъектовой связи. Полное1 затухание оптического сигнала в таких системах обычно определяется, не столько затуханием света в световоде, сколько потерями при стыковке световодов с источниками света и-потерями в оптических разъемах.
В качестве материала сердцевины световодов типа «стекло-полимер» наиболее широко используются различные типы синтетического кварцевого; стекла;, которые изготавливаются промышленностью во многих странах с потерями в ближней ИК-области спектра 5-10дБ/км [84, 85]. Кварцевое стекло превосходит многокомпонентные1 стекла не только по оптическим-потерям, но- и по механической- прочности, стойкости к химическим; воздействиям, и к, воздействию ионизирующих излучений. Недостатком кварцевого стекла- как материала сердцевины световода является его сравнительно низкий показатель преломления, поэтому в качестве отражающей оболочки кварц-полимерных световодов можно использовать ограниченное число полимерных материалов: некоторые типы фторполимеров и кремнийорганических эластомеров.
Из всех полимерных материалов фторполимеры обладают наиболее низким показателем преломления, однако оптические потери в них. составляют (1-5)-105дБ/км [86, 87]. Эти потери связаны как с поглощением на красящих примесях, так и с рассеянием на микрокристаллической структуре и микровключениях [87]. Тем не менее, было сделано несколько попыток использовать фторполимеры в качестве отражающей оболочки световода. В световоде с полимерной оболочкой, нанесенной из раствора сополимеров гексафторпропилена и винилиденфторида, оптические потери составили 70дБ/км (Х=0.63 мкм) [88]. При нанесении на кварцевую сердцевину дисперсии фторуглеродного каучука, оптические потери были снижены до 17дБ/км (Я,=1.07 мкм) [86].
Потери в кварц-полимерных световодах определяются как затуханием оптического излучения во фторполимерах, так и дополнительным рассеянием на. дефектах и воздушных пузырях на границе стекло-полимер, возникающих в- результате испарения растворителя: и вследствие плохой адгезии фторполимеров к кварцевому стеклу. Для уменьшения1 оптических потерь, обусловленных поглощением и" рассеянием света на- границе сердцевины и полимерной оболочки, было предложено укладывать кварцевую сердцевину во фторопластовую трубку с воздушным- зазором. Таким способом удалось снизить оптические потери сначала до. 10 дБ/км [87]i а. затем и до 2дБ/км [89]. Однако в дальнейшем было обнаружено сильное увеличение оптических потерь, при охлаждении световодов такой конструкции" вследствие возникновения микроизгибов сердцевины, обусловленных значительным, различием коэффициентов линейного расширения- кварцевого стекла w фторполимерной оболочки. Кроме того, свободная укладка, сердцевины оказалась, неудобной при стыковке световодов. Поэтому основное внимание в. дальнейшем было сосредоточено на кремнийорганических эластомерах, позволяющих изготавливать кварц-полимерные световоды с малыми потерями при плотном контакте сердцевины и отражающей оболочки.
Наибольшее распространение в качестве материала отражающей оболочки получили полидиметилсилоксановые эластомерьь с небольшим содержанием винильных групп [90, 91]. Эти полимеры, имеют сравнительно низкий показатель преломления (1.405) среди кремнийорганических эластомеров. В спектре такого полимера наблюдаются пики поглощения на длинах волн 0.74; 0.91; 1.02; 1.09 и 1.19 мкм, обусловленные обертонами полос поглощения СН-групп. Кроме того, оптические потери в кремнийорганическом эластомере могут быть связаны с поглощением и рассеянием света на различных неоднородностях: частицах пыли и других твердых включениях, остатках катализатора, воздушных пузырьках и различных специфических добавках. В специально приготовленных и очищенных кремнийорганических полимерах минимальные оптические потери составили (1-2)-10 дБ/км.[90, 91]. Световод с такой полимерной оболочкой имел оптические потери 3.2 дБ/км и 4 дБ/км на длинах волн 0.84 мкм и 1.06 мкм соответственно [90].
Важнейшей характеристикой многомодовых световодов является числовая; апертура NA, которая определяется как синус максимального угла падения луча, распространяющегося по световоду где пс и п0 показатели преломления материалов сердцевины и, отражающей оболочки, соответственно. В световодах со стеклянными сердцевиной и отражающей оболочкой, имеющими приблизительно. одинаковые оптические потери, числовая апертура, измеренная экспериментально, равна номинальной апертуре, определяемой соотношением (18).
В кварц-полимерных световодах характерной особенностью является сильное различие оптических потерь материалов» сердцевины (5-10) дБ/км и отражающей оболочки (103-104) дБ/км. Моды высших порядков в световодах данного типа затухают значительно быстрее, чем низшие, поскольку, чем выше номер моды, тем большая часть ее мощности сосредоточена в отражающей оболочке. Вследствие этого реальная (эффективная) апертура NA3(}, кварц-полимерных световодов меньше, чем номинальная числовая апертура, определяемая из соотношения (18). Уменьшение- эффективной числовой апертуры световода вследствие быстрого затухания высших мод может быть в некоторой степени скомпенсировано за счет передачи части мощности низших мод высшим. В конце концов, в световоде устанавливается динамическое равновесие, в результате которого большее затухание мод высших порядков компенсируется их подпиткой за счет мощности мод низших порядков. Характерная длина, на которой устанавливается это равновесие, называется длиной установления. Эта длина определяется особенностями технологии изготовления световода (вариациями диаметра сердцевины, способом наложения и характеристиками материалов полимерных покрытий) и может изменяться от 100м-до 2000м.
Различие коэффициентов затухания различных мод и обмен энергией между модами приводит к сложной зависимости оптических потерь кварц-полимерного световода от числовой апертуры возбуждающего света и длины световода [92, 93]. При возбуждении световода оптическим пучком с апертурой, равной эффективной апертуре световода, потери в световоде практически не зависят от его длины и только в этом случае являются аддитивной функцией длины. Значение NA3(j, для кварц-полимерных световодов с оболочкой из кремнийорганического эластомера колеблется у различных производителей от 0.2 до 0.27, в то время, как номинальное значение числовой апертуры равно 0.38-0.40.
Система автоматического управления процессом вытяжки
При исследовании характеристик волоконных световодов было обнаружено, что оптические потери зависят от условий их вытяжки, которые могут быть охарактеризованы тремя технологическими параметрами (температурой печи, скоростью вытяжки и натяжением световода в процессе вытяжки). Кроме того, степень влияния условий вытяжки на оптические потери зависела от типа исследуемого световода (одномодового или многомодового), формы профиля показателя преломления (111111) (градиентной или ступенчатой), уровня и состава легирующих оксидов. Вследствие большого количества имеющихся литературных данных приведем только несколько характерных примеров. Уменьшение обоих параметров А и В (34) было обнаружено при снижении температуры вытяжки от 2300С до 2100С, соответствующему увеличению натяжения от 5 г до 25 г и постоянной скорости вытяжки градиентного световода с сердцевиной (Ge02 - Р2О5 - Si02) [129]. В работе [130] наблюдалось уменьшение только параметра В при снижении температуры вытяжки многомодового световода от 2150С до 1900С. В то же время, при возрастании скорости вытяжки от 0.25 до 5м/с и натяжения- от 5 до 70 г изменения оптических потерь градиентного световода с сердцевиной (GeC 2 — SiCb) и боросиликатной отражающей оболочкой обнаружено не было [131]. Эти работы, также как и многие другие аналогичные им исследования, не носили системного характера и единого механизма, объясняющего наблюдаемые зависимости, в них предложено не было.
Интерес к механизмам увеличения оптических потерь в процессе вытяжки повысился в связи с разработкой одномодовых световодов со смещенной дисперсией. Согласно расчетам в этих световодах разность показателей преломления сердцевины и оболочки Дп«0.012 (8 мол% GeC ), то есть приблизительно в 2.5 раза больше, чем в стандартных одномодовых световодах с нулевой дисперсией на Л =1.3 мкм, а диаметр сердцевины мкм, приблизительно в два раза меньше. Первые экспериментальные образцы со смещенной дисперсией имели оптические потери 0.5-1.0 дБ/км (Я =1.55 мкм), то есть по оптическим потерям не давали выигрыша по сравнению со стандартными световодами. Исследования, проведенные в [132] показали, что при повышении уровня легирования сердцевины одномодового световода от 1.5 до 9 мол% Ge02 (0.0025 Дп 0.013) оптические потери увеличиваются во всем спектральном диапазоне 0.6 — 1.6 мкм приблизительно таким же образом, как при увеличении температуры вытяжки от 1940С до 2150С. Кроме того, было установлено, что дополнительные потери обусловлены поглощением, причем при уменьшении диаметра сердцевины от 35 мкм до 5 мкм (Дп=0.013), постоянных температуре печи2150С и скорости вытяжки 15 м/мин оптические потери возрастают в 10 раз до 5 дБ/км. Авторы [133] обнаружили область повышенных напряжений на границе сердцевина-оболочка световода и выдвинули гипотезу, что эти напряжения, вызывают образование германиевых кислороднодефицитных центров (ГКДЦ), облучение которых УФ излучением печи в процессе вытяжки световода приводит К формированию центров окраски (ЦО), имеющих поглощение в широком спектральном диапазоне. Дополнительных доказательств в пользу своей гипотезы авторы [133] не привели, тем не менее, им удалось значительно снизить оптические потери одномодовых световодов с повышенным до 14 мол% содержанием веОг (Дп=0.021) за счет изменения ступенчатого ПГШ на сглаженный (треугольный) ППП [134].
ЦО термически нестабильны и отжигаются при температурах ниже «700С Поэтому они не могут сохраняться в световоде при температуре печи. УФ излучение быстро затухает при распространении в германосиликатной сердцевине, однако вфаботе [135] были представлены экспериментальные доказательства возможности образования- ЦО в процессе вытяжки световодов с германосиликатной сердцевиной. Авторы этой работы показали, что УФ излучение зоны луковицы может распространяться по кварцевой оболочке световода, отражаясь от границы воздух-стекло, с относительно малым затуханием. На участке световода, температура которого становится ниже температуры отжига соответствующих ЦО, а интенсивность УФ излучения еще достаточно велика, происходит процесс инициирования ЦО. Предложенная модель позволила объяснить зависимость дополнительных потерь от температуры печи и скорости вытяжки. Для предотвращения образования ЦО авторы работы [135] предложили замедлить скорость остывания начального участка световода с помощью-дополнительной трубчатой печи. Однако дальнейшие исследования тех же авторов [116] показали, что добавочный нагрев не позволяет существенно снизить.оптические потери в.высоколегированных одномодовых световодах. Еще большие трудности возникли" при выяснении механизмов-добавочных потерь высоколегированных (20-30 мол% веОг) одномодовых световодов. Такие световоды представляют огромный интерес для использования в различных нелинейных устройствах: компенсаторах дисперсии, рамановских и параметрических лазерах и усилителях, генераторах суперконтинуума. Эффективность работы этих нелинейных устройств в значительной степени определяется оптическими потерями в высоколегированном световоде. Оценки теоретического минимума оптических потерь, определяемого фундаментальными механизмами (в линейном приближении зависимости релеевских, потерь, от концентрации веОг) для одномодовых световодов, с параболическим ГПШ и уровнем легирования сердцевины 20 мол% Ge02 (А=2%) и 30 мол% Ge02 (А=3%) соответственно составляют 0.22дБ/км и 0.3 дБ/км (А,=1.55 мкм) [127]. Однако в изготовленных методом VAD одномодовых световодах с близким к треугольному ППП оптические потери равнялись 0.8 и 1.0 дБ/км [127]. Еще больший уровень оптических потерь наблюдался в одномодовых световодах с градиентным 111111 и таким же уровнем легирования, изготовленных MCVD методом: 1 дБ/км и 3 дБ/км, соответственно [128].
Влияние полимерных покрытий на прочность световодов
Стабилизация и выбор оптимальных режимов работы отдельных узлов установки для вытяжки световодов позволили в значительной степени снизить флуктуации диаметра. Для дальнейшей стабилизации диаметра световода на большой длине применяются системы автоматического управления; в которых результаты измерений текущего диаметра световода сравниваются с заданным значением диаметра, а сигнал отклонения передается через цепь обратной связи для изменения скорости вытяжки. Обычно для управления процессом вытяжки применяются пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) регуляторы.[33, 39].
ЕГ стационарных условиях вытяжки» при неизменных технологических параметрах (диаметрах заготовки и световода, скорости подачи и вытяжки, температуры печи и газовых потоков) для конкретной?рабочей точки можно подобрать параметры ПИД-регулятора. Для другой рабочей- точки (другого сочетания технологических параметров) настройку такого1 регулятора необходимо производить заново [39]: Следует также отметить, что ПИД-регуляторы устойчиво работают при сравнительно небольших вариациях технологических параметров. Поэтому для управления- процессом вытяжки вместо ПИДтрегулятора с жестко заданными параметрами мы использовали управляющую ЭВМ;
В нашей установке для измерения диаметра световода в процессе вытяжки использовался оптический измеритель "Beta" (Великобитания). Этот прибор основан- на теневом принципе измерения диаметра световода (см. п. 213). Сканирование лазерного- луча осуществлялось вращающимся зеркалом с частотой 400 Гц. Блок цифровой обработки, на основании предыдущих 80 измерений диаметра, рассчитывал текущее значение диаметра с точностью 0.1 мкм и выдавал полученные данные с частотой 10 Гц. Такая частота была достаточна дляцелей контроля диаметра световода в процессе вытяжки, в нашем случае частота квантования в контуре обратной связи управления диаметром в процессе вытяжки составляла 5 Гц.
Для управления асинхронными двигателями в механизме подачи, тянущем ролике и приемном устройстве использовались глубоко регулируемые . электропривода «Размер 25-5-2Э», предназначенные для работы в станках с ЧПУ. Датчики угловой скорости, установленные на валах двигателей, с разрешением по угловой координате: не хуже, чем 4 10" оборота, позволяли регулировать скорость вращения с высокой точностью. Динамический диапазон по скорости вращения двигателей составлял 104, что позволило . нам отказаться от редукторов.. Относительная погрешность частоты вращения составляла не более, чем 0.001.
Управление установкой осуществлялось через; вычислительный комплекс на базе микро-ЭВМ «Электроника-60». В качестве приборного интерфейса использовался- «КАМАК». В", комплексе вытяжной установки использовались, как стандартные модули (АЦПІ, ЦАП, генераторы,, таймеры, мультиплексоры, порт RS232C, модуль управленижграфичёским терминалом и др.);. так; и специально разработанные устройства. Например; был разработан в стандарте «КАМАК» контроллер для связи с измерителем диаметра. "Beta", а также контроллер для блоков оптоволоконной развязки с. аналого-цифровыми преобразователями. Оптоволоконная; связь крейта КАМАК с; оконечными устройствами и датчиками помимо гальванической развязки облегчило решение проблемы, помехоустойчивости и проблемы больших размеров вытяжной установки.
Программное. обеспечение позволяло вести протокол процесса вытяжки (запись технологических параметров на машинный носитель); а также контролировать технологический процесс с помощью обратной связи. Информация о диаметре световода в цифровом виде через приборный; интерфейс «КАМАК» поступала в микро-ЭВМ. Поступающая информация подвергалась предварительной обработке, в которую входили исключение ложных выбросов и фильтрация. Далее текущее значение диаметра сравнивалось с заданным, и в соответствии с используемым алгоритмом рассчитывалась величина управляющего воздействия — скорости вытяжки.
Подбор-коэффициентов pi и qi , входящих в выражение (35), может быть, осуществлен на .основании физических моделей перетяжки заготовки в световод [33, 39,137-141]. Мы подбирали коэффициенты, описывающие процесс вытяжки, световода, экспериментально, изучая, отклик системы, нагаданные входные воздействия, то-есть, использовали процедуру идентификации с помощью рекуррентного метода наименьших квадратов. Для нахождения вектора параметров в — [р! р2 qi q2] использовался алгоритм. в следующем виде [1а, 5а, 6а]: где $(/+1) - новаяюценка, в (Г)- старая оценка, (3(/) - вектор коррекции, d(/+l) - новое измерение, у/т(1+\)ё(Г) — предсказанное значение нового измерения.
Программное обеспечение было реализовано на Паскале. Там, где требовался доступ ко- всем ресурсам системы, использовался- Ассемблер. Блок-схема управления процессом: вытяжки представлена на. Рис. 10: На первом этапе изучался, отклик величины диаметра световода на возмущающие сигналы изменения скорости вытяжки при разомкнутой цепи обратной связи. Через случайные временные интервалы скорость вытяжки принимала поочередно значения Vi и v2.
