Прохождения излучения через световоды с градиентными профилямо показателя преломления

На рисунке показана центральная часть СВ с плавным симметричным распределением профиля АПП. На оси симметрии волокна АПП максимален и плавно убывает к краям центральной части СВ. Здесь же показаны направления векторов — градиентов АПП, каждый из которых направлен от периферии к оси симметрии СВ. Такой тип СВ получил название градиентных.

Назовем луч АС, распространяющейся вдоль оси симметрии волокна, центральным и обозначим отрезок АС = l_c (см. рис. 3.14). Для луча АС АПП = n_c. Для луча АВ длина траектории l> 1_c, а среднее значение АПП = n < n_c.

Скорость распространения луча AC V_c = с/n_c. Среднее значение скорости света вдоль АВ = l, V = с/n. Поскольку n_c > n, V_c < V. Время распространения света по траектории АС t_c= l_c /V_c - Время распространения света по траектории АВ составляет t =l/V.

Поскольку выполняется система неравенств l_c <l, V_c < V , подбором профиля распределения АПП n(х) в соответствии с рис. 3.15 можно добиться выполнения равенства t_c=t и свести к минимуму межмодовую дисперсию τ_мм, определяемую формулой (3.25).

Следует, однако, заметить, что приведенные в п. 3.6-3.8 рассуждения справедливы лишь для «прямых» лучей, распространяющихся в плоскости ABCD, проходящей через ось симметрии волокна и его диаметр (рис. 3.15. а).

Для «косых» лучей, не лежащих в вышеуказанной плоскости, траектория представляет собой винтовую линию (см. рис. 3.15, б). Это значительно увеличивает длину траектории l и равенство t_c = t перестает выполняться, а величина τ_мм начинает возрастать.

Формы распределения профиля абсолютного показателя преломления в стекловолокнах

Форма распределения профиля АПП в градиентных СВ достаточно хорошо может быть представлена формулой общего вида:

где R — радиус СВ; n_с — АПП на оси симметрии СВ; r = A2/(2n_c².); а — радиус центральной части СВ; —номинальная числовая апертура; n₀ – АПП оболочки СВ; g – показатель степени функции;

При R= 0, n(R) = n_c. При 0<R<a, значения n(R) определяются коэффициентом g, который задает форму профиля АПП.

Основные методы изготовления световодов и жгутов световодов. Применение световодов в ВОЛС и медицине, обработке информации. Интегральная оптика функциональные и прикладные аспекты.

Волокна из смешанного стекла. Первые оптические волокна изготавливались из стекла (сердечника), покрытого полимерной оболочкой, и обладали большими потерями. Затем оболочку стали изготавливать из другого стекла с меньшим показателем преломления.

Материалы для изготовления стекла (заготовки) подбираются таким образом, чтобы оптимально удовлетворять оптическим параметрам будущего световода и требованиям технологического процесса. Показатель преломления стекла зависит от его предварительной тепловой обработки. С изменением химической композиции стекла (при введении в его структуру легирующих примесей) могут меняться также показатель преломления и температурный коэффициент расширения. Разница в показателях преломления сердцевины и оболочки обычно контролируется. Для получения очень большой разницы в показателях преломления в качестве легирующей берётся силикатная группа. Однако такое стекло имеет большое затухание. Важнейшим фактором, определяющим потери в кварцевом световоде, является количественное содержание в нём гидроксильных групп ОН^-, то есть непрозрачной компоненты стекла.

Исходным компонентом для изготовления кварцевых заготовок являются так называемые опорные кварцевые трубы. Они изготавливаются из различных видов сырья по одностадийной или двухстадийной технологии (рисунок).

Контактные одностадийные и двух стадийные процессы не обеспечивают высокой прочности кварцевого стекла и поэтому не применялись на практике для производства ОВ. Двухстадийный бесконтактный процесс обеспечивает более лучшее качество и дает возможность получать заготовки для производства ОВ.

Метод стержня и трубки /метод тигля/. Стеклянный стержень с более высоким показателем преломления помещается внутри стеклянной трубки с более низким показателем преломления. Далее система нагревается, стекло размягчается и начинается вытяжка оптического волокна. Типичные размеры для стержня - около 1 м в длину и 30 мм в диаметре. Обязательным условием для получения волокна данным способом является близость температуры плавления материалов стержня и трубки.

Рисунок - Метод стержня и трубки

Этот метод относительно прост в реализации, необходимо только приобрести соответствующие стержень и трубку, однако важно удалить всю грязь с поверхностей стержня и трубки, чтобы в волокне не возникло очагов поглощения сигнала.

Метод двойных тиглей. Два тигля помещаются на печь. Внутренний тигель содержит стекло с более высоким показателем преломления, чем внешний тигель. После вытекания стекла из сопла тиглей его быстро остужают, получая волокно, т.е. в традиционном понимании это беззаготовочный способ изготовления волокон.

Рисунок - Двойные тигли /платиновые/

К достоинствам данного метода можно отнести тот факт, что волокна могут быть сколь угодно большой длины.

При использовании установки с двойным тиглем, исходные материалы могут загружаться либо в виде порошков, либо в виде высокоочищенных цилиндрических заготовок. Двойной тигель помещают внутрь вертикальной облицованной кварцем печи, способной нагревать расплав до 1000 – 1200 ^oС. внутри печи поддерживается атмосфера из инертного газа. Внутренний тигель заполнен материалом сердцевины, а внешний – материалом оболочки. Тигли заполняются небольшим количеством стекла, которое медленно разогревается, чтобы пузырьки газа имели время улетучиться.

Управление диаметрами сердцевины и оболочки осуществляется путём поддержания соответствующих скоростей вытягивания волокна и напора расплавленного стекла в сопле каждого из тиглей. Метод двойного тигля можно использовать также для вытяжки градиентных волокон. В этом случае выбираются две композиции стекла, при наличии которых возможна взаимная диффузия. В частности, таллий (Tl) хорошо подходит в качестве легирующей добавки сердцевины, так как он значительно увеличивает показатель преломления и способен легко диффундировать. Диффузия происходит сразу же, как только материал сердцевины входит в расплавленный материал, из которого образуется оболочка. Было установлено, что аналогичный эффект наблюдается при изготовлении волокон из боросиликатных стёкол, содержащих натрий и кальций. Различия в показателе преломления получаются из-за изменения концентрации компонентов (SiO₂, B₂O₃, Na₂O, Ca₂O), а диффузия сквозь границу сердцевина – оболочка в расплаве приводит к изменению показателя преломления, достаточному для уменьшения межмодовой дисперсии до 1 – 5 нс/км.

Волокна, произведенные из смешанного стекла, имеют ограниченное применение из-за того, что при производстве таких волокон не удается обеспечить низкое затухание, как в других методах, не достигается чистота исходных материалов. Область применения таких волокон - передача информации на короткие расстояния (до нескольких сотен метров) в первом окне прозрачности 800-900 нм.

Температура плавления стёкол с высоким содержанием кремния оказывается слишком высокой для использования тиглевых методов, а это способствует повышению потерь. Профиль показателя преломления можно задать только на этапе производства заготовки. Основным материалом для изготовления оптического волокна для систем связи является чистый синтетический кварц SiO₂ и для изменения показателя преломления в кварц вводятся добавки.

Показатель преломления изменяется в большую сторону с помощью добавки германия или фосфора в виде оксидов GeO₂ и Р₂О₅ соответственно, а в меньшую сторону с помощью добавки бора в виде оксида В₂О₃ и (или) фтора F.

Метод MCVD стал одним из наиболее испытанных и проверенных способов получения заготовок. Сам процесс довольно прост, гибок и поэтому нетруден для освоения. При использовании этого метода возможно изменение целого ряда параметров, например, вида волокна (одномодовое или многомодовое), окончательного диаметра волокна, числовой апертуры и профиля показателя преломления. Эти параметры изменяются посредством регулирования (с помощью компьютера) расхода паров двуокиси кремния и различных примесей. Благодаря этому можно изготавливать оптическое волокно, соответствующее определенным техническим условиям.

Описание процесса. При использовании метода MCVD происходит осаждение сверхчистой двуокиси кремния (при изготовлении сердцевины всегда добавляются определенные примеси) на внутренней стороне стеклянной трубки, а затем - усаживание трубки, вызываемое повышением температуры (с помощью пламени газа или токов сверхвысокой частоты). В результате этого трубка сжимается и превращается в сплошной стеклянный стержень диаметром 30 - 40 мм и длиной около 1000 мм. Таким образом, этот стеклянный стержень получает окончательный профиль, который будет иметь и готовое волокно.

Процесс осаждения основан на высокотемпературном окислении SiCl₄ и веществ, используемых в качестве примеси. Он занимает, в зависимости от размера заготовки, от четырех до восьми часов, в течение которых происходит осаждение и того стекла, которое станет оболочкой волокна, и того, которое превратится в светопроводящую сердцевину. Процесс осаждения одинаковый и для одномодовых, и для многомодовых волокон.

В качестве примесей к сердцевине волокна чаще всего используется германий, способствующий увеличению показателя преломления. Окись фосфора применяется для снижения требующейся температуры процесса, а фтор - прежде всего для уменьшения показателя преломления оболочки волокна.

Наращивание заготовок. Просто сказать, что волокно было изготовлено с помощью процесса MCVD или PCVD, было бы недостаточно. При производстве волокон методом MCVD или PCVD, особенно одномодовых, крайне нерациональным является использование полноразмерной трубки - т.е. трубки из которой производится полная заготовка для оптического волокна. Все процессы получения заготовок путем осаждения из газовой фазы являются сегодня двухэтапными.

На первом этапе производятся сердечник и часть оболочки, нужная для обеспечения оптических свойств изготавливаемого волокна. Назовем ее для простоты заготовка сердечника. Из заготовки сердечника, в зависимости от ее размера, может быть получено несколько стержней, на которые потом наращивается оболочка. Затем заготовка с наложенной оболочкой вытягивается в волокно. Различают несколько различных способов изготовления такой оболочки: жакетирование, золь-гель, плазма, кварцевый порошок Способ жакетирования представляет собой обжимание кремнеземной трубки вокруг заготовки сердечника; это самый популярный процесс для изготовления оболочки сердечников, полученных способами MCVD и PCVD. Однако надеваемые наружные трубки весьма дороги.

Две компании - Alcatel и Lucent - изготавливающие заготовки сердечников в основном способом MCVD, организовали - в качестве альтернативы жакетированию - серийное производство с получением оболочки волокна путем плазменного распыления и с помощью золь геля. Большинство производителей сердечников волокна, пользующиеся процессами OVD и VAD, получают оболочку волокна с помощью кварцевого порошка.

PCVD - метод. Если в зоне реакции создать СВЧ-плазму, то есть так называемый плазменный PCVD – метод - разновидность метода MCVD.

В конце рассматриваемого процесса трубка превращается в стержень диаметром 4 – 5 мм, вследствие повышения её температуры до 1780 ^oС из-за более медленного перемещения пламени горелки.

Вытяжка волокна.

Готовая стержневая заготовка (независимо от способа ее изготовления) вытягивается в волокно. Это происходит в специальной вытяжной башне высотой около 12 м. Процесс вытягивания начинается наверху башни, где стержневая заготовка зажимается в центрирующем патроне. Нижний конец заготовки подается в электрическую печь, где он нагревается до температуры чуть больше 2000 ^oС. Графитовый нагревательный элемент защищен средой из инертного газа аргона. Заготовка медленно опускается в печь, а в это же самое время из нее вниз выходит вытягиваемое из заготовки волокно. Скорость вытягивания и скорость подачи автоматически контролируются с помощью компьютера.

Вытяжка волокна непосредственно из заготовки является несложным процессом.

Рисунок - Вытяжка волокна непосредственно из заготовки

Профиль показателя преломления волокна предопределяется профилем заготовки. Для получения однородного волокна необходимо контролировать как скорость вытяжки, так и скорость подачи заготовки. Разумеется, операция вытяжки волокна должна быть объединена с остальными процессами. В зоне нагрева должна поддерживаться температура 1900 – 2000 ^oС, обычно обеспечиваемая небольшими электрическими печами, облицованными цирконием.

Однако, как показала практика, эффективно использование и других нагревательных систем, например, излучение лазера на углекислом газе.

Скорость намотки волокна контролируется с помощью высокопрецизионного привода, согласованного с системой контроля за диаметром вытягиваемого волокна. Система контроля за диаметром состоит из лазера, освещающего волокно, и фотодетектора, находящегося в дальней зоне дифракционной картины, образуемой лучом лазера. Изменение дифракционной картины действует как сигнал, который управляет скоростью намотки волокна. Таким образом достигается нестабильность диаметра менее 0,1%. Скорость намотки волокна изменяется от 0,2 до 5 м/с. То есть, на вытягивание 5 – 10 км волокна требуется 5 – 10 часов.

Диаметр волокна проверяется находящимся сразу же под печью измерительным прибором с лазерным управлением. Полученные значения передаются в систему контроля, которая и регулирует скорость вытяжной шпилевой лебедки, находящейся в нижней части башни. Увеличение диаметра волокна приводит к увеличению скорости вытягивания, и наоборот. Обычно диаметр волокна составляет 125±2 мкм, а скорость вытягивания 3 - 10 м/с.

Затем волокно покрывается защитным слоем акрилата. Таким образом волокно получает первичное покрытие. Это происходит в то время, когда волокно все еще находится в башне. Первичное покрытие состоит из двух слоев акрилата - более мягкого внутреннего слоя и более жесткого наружного. Некоторые производители (в основном японского происхождения) используют для тех же целей силикон – кремнийорганические полимеры.

Сразу после наложения первичное покрытие подвергают УФ облучению. УФ-печь применяют для отверждения эпоксиакрилатов, кремний органических компаундов, уретанакрилатов. Полимеризация осуществляется в атмосфере азота, что ускоряет весь процесс.

Первичная оболочка из акрилата обеспечивает следующие преимущества:

Увеличивает прочность волокна

Защищает волокно от влаги

Предотвращает микроизгибы волокна

Облегчает работу с волокном.

Сразу после наложения первичное покрытие подвергают УФ облучению. УФ-печь применяют для отверждения эпоксиакрилатов, кремний органических компаундов, уретанакрилатов. Полимеризация осуществляется в атмосфере азота, что ускоряет весь процесс.

При второй проверке диаметра волокна проверяется диаметр первичного покрытия, а также его соосность с волокном.

Непрерывный процесс изготовления оптоволокна значительно дешевле, однако, оптические параметры этих волокон гораздо уступают соответствующим параметрам волокон, вытянутых из предварительной сверхчистой заготовки.

Из одной заготовки обычно получают 50 -150 км волокна.

Интегральная оптика – это технология, которая занимается исследованием, разработкой и производством миниатюрных оптических систем.

Интегрально-оптическое устройство может содержать несколько объединенных в едином конструкции оптических компонентов. Например, тонкопленочные диэлектрические световоды, генераторы лазерного излучения, дисперсионные элементы. Такие системы осуществляют преобразование, усиление и передачу световых сигналов, подобно электрическим сигналам в интегральных схемах. Сама идея интегральной оптики родилась как аналог технологии электронных интегральных схем.