Технология изготовления волоконнооптических световодов для передачи изображения - Технология - Скачать бесплатно
устойчивое бинарное стекло, тепловое расширение которого
сравнимо с тепловым расширением чистого кварца при молярных концентрациях
Р2О5 вплоть до 25%. Полученное стекло не проявляет почти никакой тенденции
к ликвации - разделению однородного жидкого расплава на составляющие при
остывании. Оно также устойчиво к воздействию воды (не гигроскопично).
Показатель преломления фосфоросиликатного стекла увеличивается линейно (во
всяком случае, для небольших содержаний оксида фосфора) с увеличением
концентрации Р2О5. Начальный прирост показателя преломления при изменении
молярной концентрации Р2О5 на 1% составляет 0,043%. Вязкость и
температурный коэффициент линейного расширения P2O5 и SiO2 различаются, и
это ограничивает количество фосфорного ангидрида, которое может быть
введено в плавленый кварц для изготовления оптоволокна. При добавлении в
массу кварца 1% TiO2 показатель преломления увеличивается почти на 0,026%.
Двойная стеклообразующая система с добавкой в плавленом кварце хороша тем,
что титан может входить в матрицу стекла с различными степенями ионизации.
Причем некоторые из них обладают заметным поглощением в спектральной
области, представляющей рабочий интервал оптоволокна. Добавка Ti3+ особо
сильный поглотитель, и ее трудно окислить полностью. Необходима специальная
термическая обработка титана при наличии воды и температуре ниже точки
плавления стекла, которая приводит к образованию двуокиси титана и
водорода.
Для повышения показателя преломления можно использовать оксид алюминия,
потери на рассеивание у которого ниже, чем у двуокиси германия. К тому же
оксид алюминия (Al2O3) очень стойкий в противоположность оксиду германия
GeO2, который может образовывать летучие продукты GeO и GeCl4.
Оксид алюминия весьма стабилен, поэтому высока эффективность введения его в
стекло. При изготовлении заготовки менее чувствительны к воздействию
парциального давления кислорода и хлора, нежели стекло с добавками GeO2.
Стекло, легированное Al2O3, обладает более низким значением вязкости, что
ускоряет процессы затвердевания.
Легирование кварцевого стекла оксидом сурьмы не только позволяет получить
большее возрастание показателя преломления на 1 моль легирующей добавки по
сравнению с GeO2. При этом также снижается возможность образования
кристаллической фазы, даже если относительный показатель преломления до и
после введения Sb2O3 отличается более чем на 1,6%. Для GeO2 это значение не
превышает 1,5%.
Чистота исходных веществ, применяемых для изготовления стекла, в
значительной степени определяет его высокое качество по всем контролируемым
параметрам. В случае с оксидными стеклами, к которым относится и кварцевое,
основные потери связаны с поглощением ионами переходных металлов (ванадия,
железа, хрома, меди, кобальта, никеля, марганца), а также гидроксильными
группами.
Гидроксильные группы OH являются основной примесью в кварцевых стеклах,
которая приводит к значительным потерям. Причина - реакция групп OH с
водородом, содержащимся в атмосфере. Особенно большие потери возникают на
длине волны 0,95 и 1,4 мкм, т.е. вне видимого спектра. Слабые полосы
поглощения появляются на длинах волн 0,725 и 0,825 мкм. Снижения потерь в
стекле можно добиться, уменьшая содержание гидроксильных групп до
нескольких десятков миллиграмм на килограмм.
Влияние гидроксильных групп особенно заметно в кварцевых стеклах,
легированных двуокисью германия, содержащих примеси алюминия и натрия,
достигающих в натуральном кварце 1015 частиц на миллион, а в синтетическом
менее 3 частиц на миллион. В кварцевом стекле, легированном P2O5 и GeO2,
присутствие группы OH приводит к увеличению потерь пропорционально
концентрации P2O5.
Тройные или более сложные стеклообразующие системы такие, как
натрийкальцийсиликатное и натрийборосиликатное стекло, имеют низкие
температуры плавления: натрийкальцийсиликатное стекло (Na2O, CaO, SiO2)
1400°C; щелочносвинцовое стекло (Na2O, PbO, SiO2) 1400°C;
натрийалюминийсиликатное стекло (Al2O3, Na2O, SiO2) 1450°C;
натрийборосиликатное стекло (Na2O, B2O3, SiO2) 1250°C. Эти стекла обладают
также более высоким показателем преломления и могут быть модифицированы для
получения материала с низким показателем преломления (для оптической
оболочки). Показатели преломления натрийборосиликатного стекла можно
уменьшить на 3%, натрийкальцийсиликатного на 4%, щелочносвинцового
силикатного почти на 10%. При этом все модификации согласуются между собой
по остальным свойствам и могут использоваться как материалы для сердцевины
и оптической оболочки волоконно - оптических световодов.
Недостаток низкоплавких многокомпонентных стекол - большая
вероятность загрязнения по сравнению с плавким кварцем. Это затрудняет их
очистку от примесей для снижения показателя поглощения и рассеивания. Из-за
низких температур при размягчении и плавлении возможно загрязнение стекла
на всех стадиях производства.
Для формирования многокомпонентных оптоволокон необходимо подобрать пару
стекол для сердцевины и оптической оболочки, которые удовлетворяли бы
следующим требованиям:
1) Минимальные диффузионные процессы на границе раздела пары стекол,
которые достигаются путем уравновешивания их состава по роду и концентрации
щелочных оксидов. Это позволит максимально сохранить исходные значения
показателя преломления каждого стекла из пары.
2) Максимальная совместимость пары стекол, когда на границе их раздела при
вытягивании волокна и возможных последующих термообработках не возникают
новообразования, газовые пузырьки и ликвация.
3) Низкотемпературное плавление при 1250-1350 С высокочистой гомогенной
шихты в тигле из чистого кварцевого стекла при минимальном его растворении
расплавом, особенно стекла сердцевины.
Итак, в большинстве случаев предпочтительно применять кварцевые
стекла, поскольку они обладают рядом преимуществ. При этом двуокись кремния
как составная часть может быть получена с очень высокой степенью чистоты.
Требуемые пары подбираются исходя из экспериментальных данных, условий
эксплуатации и конечной стоимости изделия.
Качество очистки силикатного стекла (SiO2), применяемого в настоящее
время в оптических волокнах с малыми потерями, приближается к
принципиальному пределу, обусловленному свойствами самого стекла. Этот
успех в результате выявления и устранения всех факторов, обусловливающих
оптические потери. Концентрации таких включений, как медь, железо и
ванадий, были снижены до нескольких долей на миллиард частиц. Концентрация
загрязнения водой и гидроксогруппой (ОН) были уменьшены почти до столь же
низкого уровня. Допуски сердцевины выпускаемых сейчас волокон на размеры и
степень отклонения от кругового сечения меньше, чем один микрон на многие
километры длины. Пузырьки и дефекты поверхности по существу устранены.
Существуют окислы, называемые структурными модификаторами, которые
необходимы для того, чтобы изменять основные свойства стекла, такие, как
показатель преломления, тепловое расширение, коэффициент абсорбции
(характеризует способность некоторого твердого вещества захватывать другое
вещество из раствора или смеси газов; захват производится во всем объеме
поглотителя - абсорбента) и точка плавления. Некоторые наиболее общие типы
стекол и их композиции представлены в таблице:
|Структурная форма |Структурный |Структурная форма |Структурный |
| |модификатор | |модификатор |
| |(легирующая | |(легирующая |
| |добавка) | |добавка) |
|SiO2 |K2O |Al2O3 |CaO |
|B2O3 |MgO |Na2O3 |PbO |
В следующей таблице представлены вещества, используемые в методах
осаждения, конечные продукты и соотношения между показателями преломления:
|Композиция (исх. в-ва) |Структура (состав стекла)|Показатель преломления |
|SiCl4, O2 |SiO2 |No |
|GeCl4, O2 |GeO2 |N>No |
|POCl3, O2 |P2O5 |N>No |
|BCl3,O2 |B2O3 |N
|
