close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

10579.Оптимизация оптических и прочностных свойств световодов изготавливаемых MCVD методом

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
КУЛЕШ Алексей Юрьевич
ОПТИМИЗАЦИЯ ОПТИЧЕСКИХ И ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ
СВЕТОВОДОВ, ИЗГОТАВЛИВАЕМЫХ MCVD МЕТОДОМ
Специальность 01.04.05 - Оптика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Санкт-Петербург - 2016
Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском
университете информационных технологий, механики и оптики
Научный руководитель:
Доктор технических наук,
Старший научный сотрудник
Ероньян Михаил Артемьевич
Официальные оппоненты: Боков Николай Александрович,
доктор физ.-мат. наук, доцент
Институт химии силикатов РАН
Ермолаева Галина Михайловна,
кандидат физ.-мат. наук,
Государственный
оптический
институт
имени С.И. Вавилова
Ведущая организация:
Федеральное государственное автономное
образовательное
учреждение
высшего
образования
«Санкт-Петербургский
политехнический
университет
Петра
Великого»
Защита состоится 19 декабря 2016 г. в 16 часов 50 минут часов на
заседании диссертационного совета Д 212.227.02 при Санкт-Петербургском
национальном исследовательском университете информационных технологий,
механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр.,
Д-49., ауд.331.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского
национального исследовательского университета информационных технологий,
механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49
и на сайте http://fppo.ifmo.ru/?pagel=16&page2=52&page_d=l&page_d2=142731
Автореферат разослан « ____»
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.227.02
доктор физико-математических наук, профессор
2016 года.
Федоров А.В.
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность Научно-технический прогресс конца 20 и начала 21 века в
значительной степени обязан успехам оптической науки и оптического
материаловедения в части высоких достижений, как в технологии световодов,
так и в разработке сопряженных с ними различных оптико-электронных систем.
Разветвленная международная телекоммуникационная сеть оптической связи
на основе кварцевых волоконных световодов (ВС) радикально повысила
уровень информационного обеспечения, раскрывая тем самым безграничные
возможности ускоренных темпов развития высоких технологий.
Другая не менее важная для научно-технического прогресса область
применения ВС - это создание на их основе оптико-электронных устройств
самого разнообразного назначения, как для гражданских, так и для военных
объектов.
Наиболее сложные конструкции оптических волокон реализуются
модифицированным методом химического парофазного осаждения (MCVD Modified Chemical Vapor Deposition)[l]. Его универсальность в отличие от
других методов химического парофазного осаждения позволяет производить
световоды всех типов.
Последнее время особо востребованы световоды с повышенным
содержанием диоксида германия (более 20 мол. %) для таких устройств как:
рамановские волоконные лазеры и усилители, анизотропные одномодовые
световоды с эллиптичной сердцевиной,
нелинейные переключатели и
волоконные брегговские решетки. Однако для высоколегированных GeO?
световодов MCVD способ
их изготовления обладает существенным
недостатком. В процессе высокотемпературного сжатия трубки с осажденными
слоями германосиликатное стекло сердцевины обедняется кислородом [2],
образуются кислородно-дефицитные германиевые центры. Это приводит к
возникновению избыточных оптических потерь, увеличивающихся с
содержанием Ge02 и температурой вытягивания [3]. Природа этого явления
окончательно не установлена. Устранение таких избыточных оптических
потерь возможно, если вытягивание волокна производить при температуре
ниже 1880°С [4], что, однако, приводит к резкому падению прочности ВС.
Температура вытягивания анизотропных одномодовых ВС (АОВС)
может влиять и на другие его оптические свойства такие как:
двулучепреломление (ДЛП), коэффициент связи поляризационных мод (hпараметр) [5], длину волны отсечки высшей моды (А^) и длину биений
ортогональных мод (Lb) [6].
Особое внимание уделяется разработке MCVD методом световодов W
типа с сердцевиной из кварцевого стекла и депрессированной фторсиликатной
оболочкой (ДФО). Эта технология исключает необходимость использования
дорогостоящих реагентов (GeCl4, * РОСЬ) и обеспечивает возможность
достижения особо малого коэффициента оптических потерь (а), равного
0,3 дБ/км, и высокой радиационно-оптической устойчивости (РОУ).
4
Повышение оптических свойств ВС диктует необходимость новых
подходов в обеспечении требуемого уровня их прочности, что можно достичь
как в процессе изготовления заготовок и вытягивания волокна, так и при
разработке методов упрочнения световодов, защищенных полимерным
покрытием.
Поэтому оптимизация
оптических и прочностных свойств ВС,
изготавливаемых MCVD методом, является актуальной проблемой,
необходимость
решения которой продиктована разработкой световодов,
востребованных развитием современных оптоэлектронных средств новой
техники гражданского и оборонного назначения.
Цель работы заключается в исследовании влияния конструктивных и
технологических параметров кварцевых световодов, изготавливаемых MCVD
методом, на их оптические и прочностные свойства.
Поставленная цель определяет необходимость решения следующих
задач:
1.Модификацию конструкции германосиликатных световодов и режимов
их вытягивания для направленного изменения величины дополнительных
оптических потерь, без деградации прочностных параметров ВС;
2. Исследование влияния конструктивных и технологических параметров
световодов W типа и АОВС, на оптические потери, радиационно-оптическую
устойчивость и h-параметр,
3. Изучение проблемы прочности ВС, связанной с влиянием на нее влаги
окружающей среды и кристаллизации кварцевых волокон с рекомендацией
улучшения их механических свойств.
Методы исследования, использованные в работе: MCVD метод
изготовления ВС с измерением их параметров: а, Хь, Lb, /7-параметра и
прочности. Радиальный профиль показателя преломления (ПП) заготовки
измеряли рефрактометром Р-101. Световоды исследовали также атомно­
силовой и электронной
микроскопией, подвергали термохимической
обработке.
Научная новизна работы:
1. Показана возможность устранения избыточных оптических потерь в
высоколегированных GeC>2 световодах при одновременном повышение их
прочности, что достигается формированием боросиликатной оболочки на
поверхности заготовки и снижением температуры вытягивания волокна.
2. Предложена математическая модель, позволяющая рассчитать
температурные режимы вытяжки германосиликатных световодов с заданным
распределением оптических потерь на рассеяние для изготовления равномерно
излучающих по длине ВС.
3. С увеличением температуры вытяжки АОВС с эллиптичной оболочкой
растет ДЛП и снижается /7-параметр, что обусловлено гидростатическим
механизмом формирования азимутальных напряжений в ВС.
4. Влага окружающей среды не влияет на прочность кварцевого стекла
при давлении паров воды менее 0.1 Па, при котором механически
5
стимулированный
процесс
роста
трещины
трансформируется
в
термофлуактационный.
5.
В процессе вытягивания кварцевого волокна на его поверхности
образуется слой кристобалита толщиной не менее 3 нм, что может являться
фактором, ограничивающим прочность ВС.
Практическая значимость работы:
1. Предложены конструктивные и технологические
решения для
устранения избыточных оптических потерь ВС, высоколегированных
германием.
2. Разработана технология излучающих протяженных германосиликатных
ВС с переменным по длине коэффициентом оптических потерь.
3. Рекомендованы многомодовые световоды W-типа для повышения
эффективности приборов и методов, использующих изгиб кварцевого
оптического волокна.
4. Показана возможность повышения оптических свойств одномодовых
радиационно-стойких ВС W типа с фторсиликатной оболочкой
при
легировании сердцевины дейтерием в процессе высокотемпературного сжатия
заготовки.
5. Достигнут высокий уровень ДЛП АОВС с эллиптичной германо­
силикатной сердцевиной, снижение оптических потерь которой можно
осуществить модификацией заготовки боросиликатной оболочкой и
вытягиванием волокна при низких температурах.
6. Предложен простой метод увеличения на 10 % долговечности ВС
посредством их обработки в парах тетрахлорида кремния или слабом растворе
соляной кислоты.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Избыточные оптические потери одномодовых ВС с повышенным
содержанием GeC>2 определяются концентрационной неоднородностью
состава сердцевины, а не состоянием границы ее раздела с оболочкой.
2. Вытяжка ВС при низких температурах и нанесение боросиликатной
оболочки на заготовку обеспечивает существенное снижение избыточных
оптических потерь германосиликатных световодов при одновременном
повышении их прочности.
3. Снижение вязкости при введении дейтерия в сердцевину из чистого
кварцевого стекла одномодовых световодов W типа устраняет влияние
температуры их вытягивания на длину волны отсечки высшей моды.
4. Коэффициент связи поляризационных мод в АОВС с эллиптичной
напрягающей оболочкой (ЭНО) снижается при увеличении ее эллиптичности
до 0,53, однако дальнейшее ее увеличение не приводит к улучшению hпараметра из-за искажения формы ЭНО.
5. Повышение
прочности ВС, обработанных в парах тетрахлорида
кремния или слабом растворе соляной кислоты обусловлено изменением
морфологии состояния поверхности кварцевых волокон.
6
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на конференциях и научных школах: XV
Всероссийской конференции и VIII школе молодых ученых “Высокочистые
вещества и материалы. Получение, анализ, применение” (Н.Новгород, Россия,
2015); 12th International Conference on Fundamental and Applied Aspects of
Physical Chemistry (Сербия, Белград, 2014); Международных конференциях
"Прикладная оптика-2010, 2014" (СПб, Россия, 2010, 2014), II Всероссийском
конгрессе молодых ученых (СПб, Россия, 2013); III, IV Международной
конференции по химии и химической технологии (г. Ереван, Армения, 2013,
2015); 5-ой Всероссийская конференция по волоконной оптике (Россия,
г. Пермь, 2015).
Личный вклад автора. Содержание диссертации и основные ее
положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора.
Автор сформулировал цель и задачи исследований, разрабатывал методы
исследований, анализировал их результаты и формировал выводы. Подготовка
к публикации результатов проводилась совместно с научным руководителем и
соавторами.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в
17 печатных работах, из которых 5 входят в перечень ВАК и 1 в списки Scopus
и Web of Science. Помимо научных статей и конференций, получено три
патента.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения,
четырёх глав и заключения. Общий объем диссертации - 134 страницы,
включая 46 рисунков, 5 таблиц и библиографию, содержащую 104
наименования.
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и
задачи диссертации, научная новизна, практическая значимость работы и
защищаемые положения, представлена структура диссертации.
В первой главе представлен обзор опубликованных результатов,
касающихся оптических и прочностных свойств волоконных кварцевых
световодов. Рассмотрен процесс изготовления кварцевых световодов MCVD
методом, включающий изготовление заготовок и вытяжку волокна.
Представлены результаты исследований по зависимости основных параметров
ВС от температуры их вытягивания.
Выявлению механизма избыточных оптических потерь с большой
концентрацией диоксида германия в сердцевине одномодовых ВС посвящено
много работ. Окончательно причина этого явления не установлена, что
затрудняет разработку технических решений по устранению этого дефекта.
Экспериментально установлено (рисунок 1), что снижение избыточных
оптических потерь достигается снижением температуры нагрева заготовки при
вытягивании волокна, однако, это приводит к резкому падению прочности ВС.
Снижение температуры вытяжки волокон благотворно влияет не только
на оптические потери германосиликатных ВС, но также и на РОУ ВС W
типа. Однако при этом также возникают проблемы с прочностью волокна.
7
Рисунок 1. Сравнение распределения Вейбулла
ВС, вытянутых при различных температурах [7].
(а)
и затухания
(5)
для
Для АОВС с ЭНО, наоборот, для повышения ДЛП целесообразно
увеличивать температуру их вытягивания, до уровня, определяемого
растущими при этом оптическими потерями.
Таким образом, результаты аналитического обзора источников
информации по проблеме получения MCVD методом световодов, с
улучшенными
оптическими
характеристиками
свидетельствуют
о
необходимости комплексного подхода, учитывающего специфику структуры
заготовок ВС и условия их вытягивания.
Поэтому для разработки научно-обоснованных технических решений в
части оптимизации оптических и прочностных свойств необходимо:
- модифицировать световоды с повышенным содержанием Ge02, для снижения
в них дополнительных оптических потерь,
- исследовать влияние конструктивных и технологических параметров
изготовления световодов W типа и АОВС, на оптические потери,
радиационно-оптическую и поляризационную устойчивость,
- провести исследования, направленные на повышение прочности ВС.
Во второй главе описаны используемые в работе методы изготовления
световодов, а также методы исследования их основных оптических
характеристик (а, Ац, Ьъ, /г-параметра) и прочностных свойств. Описаны
используемые в работе методы тепловой и химической обработки ВС и методы
электронной и атомно-силовой микроскопии.
В третьей главе представлены результаты исследований влияния
технологии ВС на их оптических и прочностных свойства. Объектом
исследований были: высоколегированные Ge02 ВС, оптические одномодовые
8
волокна W типа, АОВС с эллиптичной сердцевиной или с эллиптичной
напрягающей оболочкой.
Заготовка ВС с сердцевиной, легированной 8 мол. % GeC>2,
модифицированная нанесением на ее поверхность боросиликатной оболочки
(рисунок 2), позволяет
снижать температуру вытягивания до 1950 °С,
обеспечивая при этом увеличение прочности ВС и снижение оптических потерь
до минимально возможного уровня (таблице 1).
Рисунок 2. Радиальный профиль ПП заготовки, измеренный на
рефрактометре Р-101.
Таблица 1
Влияние температуры нагрева заготовки в печи вытягивания волокна на
коэффициент оптических потерь (при
1.55 мкм) и прочность ВС________
Температура, °С
2200
2100
2000
1950
Оптические
8.48
2.65
0.62
0.2
потери, дБ/км
Прочность, ГПа
6.66
6.9
6.97
7.16
Избыточные оптические потери, вероятно, связанны, как недавно было
показано [8], со степенью восстановленности веОг, что приводит к
концентрационному
разделению
на
германатную
и
силикатную
стеклообразную матрицы. При малых температурах вытяжки, повышенные
усилия вытяжки преобразуют связанные с этим разделением рассеивающие
свет неоднородности в игловидные элементы. Они по мере деформации
9
снижают величину рассеяния излучения, которое для таких игловидных
дефектов можно рассчитать по формуле [9]:
ССр
п 2 k 3 r 4L
8
/г Д е -х 2
(~ У п ,
ео
где a F - рассеяние на игловидных дефектах в сердцевине; к - волновое число; г
- радиус дефекта; L - его длина; £0 - диэлектрическая постоянная окружения
дефекта; Дб =
—е0, где е1 - диэлектрическая постоянная игловидного
дефекта; if - плотность игловидных дефектов с радиусом г.
Благодаря
избыточным
оптическим
потерям
на
рассеяние
высоколегированные Ge02 сетоводы могут служить излучательными
путепроводными линиями для ориентации в темном пространстве. В этом
случае, однако, необходимо направленно изменять коэффициент оптических
потерь, с тем, чтобы интенсивность излучения по длине волокна была бы
неизменной. В связи с этим разработана математическая модель для расчёта
параметров
вытяжки рассеивающих
германосиликатных световодов,
основанная за зависимости оптических потерь на излучение от температуры
вытягивания волокна. В результате этого получена следующая зависимость
температуры вытягивания ВС от его линейной координаты (z):
t = (А((Хо/А-1+ a0z)/(B(l- a0z)))0,5 + to
где a0 - уровень оптических потерь в месте ввода излучения.
Эта формула задает температурный режим вытяжки для ВС, равномерно
излучающих по всей длине. Коэффициенты А и В могут быть рассчитаны на
основе аппроксимации экспериментальных данных в первом приближении
зависимостью в виде:
a = A+B(t-t0)2,
где А и В - коэффициенты, зависящие от содержания Ge02 в стекле, t0 температура вытягивания волокна, не приводящая к избыточным оптическим
потерям (-1900 °С).
Исследования
одномодовых ВС W-типа с ДФО и сердцевиной из
кварцевого стекла показали, что наличие в сердцевине 15 ppm. OD и 7 ppm. ОН
не повышает его РОУ по сравнению с таким же ВС, не содержащим влагу [10].
Однако этого количества добавок оказалось достаточным для устранения
остаточных растягивающих напряжений в сердцевине, приводящих к
изменению А.с и увеличению оптических потерь.
10
Другое достоинство ВС W-типа заключается в зависимости
его
оптических потерь от изгиба (рисунок 3), что является основой для создания
разнообразных датчиков.
Для световодов с ДФО обнаружен монотонный характер изменения
мощности сигнала с изгибом волокна. Поэтому для практических целей
целесообразно применение многомодовых и одномодовых ВС с ДФО.
10
9
8
7
6
Диаметр изгиба, мм
5
Рисунок 3. Зависимость мощности сигнала от диаметра изгиба волокна:
(1) - одномодовый
ВС с компенсированной оболочкой, (2) и (3) многомодовый и одномодовый ВС с ДФО.
Исследования по повышению поляризационных свойств
АОВС
проводили для двух типов оптического волокна:
- световодов с эллиптичной германосиликатной сердцевиной и
эллиптичной ДФО,
- световодов с ЭНО.
АОВС первого типа имел Ап ~ 0,033. Изменение ПП при фторировании
ДФО составило - 0,0085. Эллиптичность сердцевины и ДФО = 0.33 и 0.13.
ВС имел достаточно высокий уровень ДЛП, который, однако, не обеспечил
необходимую поляризационную устойчивость (таблица 2).
Параметр
Величина
Таблица 2
Характеристики АОВС с эллиптичной сердцевиной
ддп
/г-параметр, 1/м
а, дБ/км
Ть> мм
7
4
10'3
0.00037
Повышенный коэффициент связи поляризационных мод обусловлен,
вероятно, концентрационной микронеоднородностью высоколегированного
веОг стекла сердцевины.
11
Изменение температуры вытягивания ВС на 150 °С не влияет на ДЛП.
Поэтому оптические потери ВС
при необходимости можно снизить
увеличением натяжения волокна при вытягивании.
Длина биений АОВС с ЭНО уменьшается с увеличением эллиптичности
оболочки до 0,53 (рисунок 4). При дальнейшем ее увеличение до 0,6 ДЛП
остается на постоянном уровне, равном 0,0006, соответствующем длине биений
2.6 мм. Исследование структуры АОВС на оптическом микроскопе показали,
что ограничение роста ДЛП связано с искажением формы ЭНО.
4
\ 9о
3,5
о
\
°
2,5
2
0,45
О ■ '\ 6 °
о •_
о
о
о
0,5
0,55
0,6
0,65
£
Рисунок 4. Влияние эллиптичности напрягающей оболочки (£) на длину
биений ортогональных мод (Lb).
Для определения влияния температуры вытягивания на поляризационные
свойства из одной заготовки АОВС с эллиптичной оболочкой вытянули три
отрезка волокна километровой длины в двухслойном покрытии. Результаты
исследования их свойств (таблица 3) свидетельствует о повышении ДЛП и
снижении h параметра с повышением температуры вытягивания волокна. Это
обусловлено, скорее всего, увеличением вклада гидростатического механизма в
ДЛП сердцевины ВС.
Таблица 3.
Влияние температуры вытягивания на поляризационные свойства АОВС
Температура
2000
2100
2200
вытягивания ВС, °С
ДЛП х 104
5.38
6.14
5.84
2.54
Длина биений, мм
2.9
2.66
17.7
1.8
h-параметр х 106, 1/м
3.9
12
В итоге, исследования в части повышения оптических характеристик ВС,
изготавливаемых MCVD методом, можно представить следующими
результатами.
1. Избыточные оптические потери ВС, высоко легированных германием,
можно устранить без потери его прочности, если на заготовку нанести
боросиликатный слой стекла и вытягивать волокно при низких температурах.
2. Высокий уровень оптических потерь высоко легированной германием
сердцевины при согласовании ее вязкости с фторсиликатной оболочкой
свидетельствует о неправомерности объяснения избыточных оптических потерь
гидродинамической природой.
3. Параметры вытяжки для создания протяженных излучательных линий
на основе рассеивающих высоко легированных германием ВС можно
определить на основании полученной в работе аналитической зависимости
изменения температуры вытягивания во времени.
4. Введение малых количеств дейтерия в сердцевину ВС W типа приводит
к улучшению его оптических свойств и не влияет на его РОУ.
5. Показана возможность использования ВС W типа в качестве разного
рода датчиков на основе его монотонной зависимости оптических потерь от
изгиба волокна.
6. Предложены рекомендации по повышению поляризационных
параметров АОВС. Увеличение температуры вытягивания ВС способствует
сохранению поляризации излучения.
В четвёртой главе развита механо-гидролитическая модель разрушения
кварцевых ВС с участием влаги окружающей среды.
Процесс разрушения кварцевого стекла под действием растягивающих
напряжений и в присутствие влаги вызван механически стимулированным
гидролизом. При этом молекула воды в несколько этапов встраивается в
напряженную связь Si-O-Si и обрывает её, замыкая новые связи водородом.
Этот процесс происходит в поверхностном слое кварцевого стекла и
инициируется растягивающими напряжениями.
Атмосферная влага, действуя как химический реагент, почти в два раза
снижает прочность КС, по сравнению с их испытаниями в условиях сухой
среды [11]. Статические испытания дают наиболее полное представление о
физике механогидролитического процесса разрушения КС, длительность
которого определяется следующим выражением, при условии, что порядок
реакции гидролиза равен 1 [12]:
1пт = 1пт0 - 1пР„2о + 1пР°н2о+ ((£/- Ко) /RT),
где: т - длительность процесса разрушения; То - период атомных колебаний
(10* с); К - константа, характеризующая дефектность образца; U - энергия
активации гидролитического разрыва связи Si-O; R - газовая постоянная; Т -
13
абсолютная температура; ст - растягивающее напряжение; Рщо — давление
паров воды, Р°н2о- давление насыщенного водяного пара.
Расчёт энергии химического взаимодействия при гидролизе при
минимальном давлении паров воды, достаточном для роста микротрещины,
даёт величину, равную 31,8 кДж/моль. При таком низком давлении паров воды
исчезают, установленные для процесса разрушения напряженного стекла зоны I
и II, характеризующие разный механизм роста трещины [13]. В первой зоне
влага полностью контролирует процесс разрушения, а вторая является
переходным
процессом
между
механогидролитическим
и
термофлуктуационным механизмами разрушения стекла.
Таким образом, прочность КС повышается с понижением влаги в
окружающей среде до определенного уровня давления паров воды (~10‘2 Па),
ниже которого повышение прочности не происходит. Результаты
экспериментов свидетельствуют о том, что влага контролирует процесс
разрушения КС даже при его длительности 10‘3 с.
Показана возможность кристаллизации заготовок ВС и световодов во
время вытяжки, рассчитана толщина слоя кристобалита на основании
экспериментальных данных по формуле:
где z = b/[exp(c-/a) +Z)] —\п а ; а - 2.78-1019, Ъ = 77617, с -7.464, *=2.61,
D = 273, г - время остывания, с.
Сопоставление ИК спектров отражения микронной пленки кристобалита
и поверхности исследуемого волокна подтверждает факт кристаллизации его
поверхности (рисунок 5). Характерный для кристобалита пик отражения на
620 см' (линия 1) исчезает поле травления волокна (линия 2), что
свидетельствует о кристаллизации тонкого поверхностного слоя волокна.
14
0,014
0,012
0,01
0,008
rt
<D
X
£
0,006
<\
&
0,004
0,002
0
Рисунок 5. Спектральная зависимость коэффициента отражения (R) ВС
без полимерной оболочки до (3) и после (2) травления и микронной плёнки акристобалита на поверхности чистого кварца (1).
Разработаны простые способы упрочнения готовых кварцевых ВС
посредством их обработки слабым раствором соляной кислоты или в атмосфере
паров тетрахлорида кремния.
В процессе обработки ВС, защищенных полимерным покрытием, в
растворе НС1 их прочность можно увеличить на 7 % (рисунок 6).
8
а?
it
Я
г>
,С
2 ,5
Рисунок 6. Зависимость упрочнения ВС от времени его выдержки в 5 %
растворе соляной кислоты.
15
После обработки волокон в растворе НС1 средняя шероховатость
поверхности уменьшается на порядок (рисунок 8), а также пропадают крупные
пики и провалы в сравнении с поверхностью исходного волокна (рисунок 7).
1Л
а\
О
С
о
со
U
1
Гч
о
Гч
О
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
0
0,5
1,0
1,5
ут
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
Plane,ут
Рисунок 7. Снимок поверхности исходного волокна на атомно-силовом
микроскопе (ACM) с профилем сечения.
0
1,0
2,0
3,0
ут
4,0
5,0
0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
Plane, (jm
Рисунок 8. Снимок на ACM с профилем сечения поверхности волокна,
обработанного в 5% растворе НС1.
Снимки на ACM ВС, обработанного в парах SiCU, также свидетельствуют
об
изменении морфологии
поверхности стекловолокна. Вероятно,
взаимодействие паров SiCU с влагой, адсорбированной микротрещинами,
«цементирует» их продуктами реакции. На поверхности волокна образуются
16
характерные бугорки. При этом прочность ВС увеличивается на 7-9 %, а
долговечность до 10 раз.
В заключении сформулированы основные результатам диссертационной
работы.
{.Избыточные оптические потери ВС, высоколегированных германием,
можно устранить без потери его прочности, если на заготовку нанести
боросиликатный слой стекла и вытягивать волокно при низких температурах.
2.
Предложена математическая модель для расчёта параметров вытяжки
рассеивающих германосиликатных световодов с переменным коэффициентом
оптических потерь для протяженных светящихся линий.
3.
Для приборов и методов, использующих изгиб кварцевого оптического
волокна целесообразно применение многомодовых ВС W-типа.
4.
Для повышения оптических свойств одномодовых ВС W типа с
фторсиликатной оболочкой целесообразно легировать сердцевину стабильными
OD группами.
5.Достигнутый высокий уровень ДЛП АОВС с эллиптичной
германосиликатной сердцевиной диктует необходимость снижения их
оптических потерь, что можно осуществить модификацией заготовки
боросиликатной оболочкой и вытягиванием волокна при низких температурах.
6.
Для повышения поляризационной устойчивости АОВС с эллиптичной
напрягающей оболочкой необходимо устранение искажений ее правильной
формы или увеличение температуры вытягивания ВС.
7.
Кристаллизация поверхности заготовки и волокна в процессе его
вытягивания может быть основным фактором, определяющим характер
прочности ВС, изготовленных на основе кварцевого стекла.
8.Обработка в парах тетрахлорида кремния или слабом растворе соляной
кислоты приводит к изменению морфологии поверхности кварцевых ВС и
повышает их прочностные характеристики.
9.Для радикального решения проблемы прочности ВС необходимо
уменьшить ширину зоны нагрева заготовки с целью создания в ней
радиального температурного градиента.
Результаты настоящего исследования используются в ОАО "Концерн
"ЦНИИ "Электроприбор" и лаборатории ОМ 64 АО "НИТИОМ ВИЦ "ГОИ им.
СИ. Вавилова" при создании специальных заготовок и вытяжке волоконных
световодов на их основе.
Опубликованные работы по теме диссертации:
Основные результаты диссертационной работы изложены в 17 печатных
работах, из которых 5 входят в перечень ВАК и 1 в списки Scopus и Web of
Science.
1.
Кулеш А.Ю., Кибинь Р.С., Цибиногина М.К., Ероньян М.А. Метод
измерения влажности газов на основе стекловолокна // Журнал «Заводская
лаборатория», 2013, № 12, том 79, стр. 37-39.
17
2. Кулеш А.Ю., Ероньян М.А., Мешковский И.К. Кратковременная
потеря прочности кварцевых волоконных световодов после их вытяжки //
Журнал «Письма в журнал технической физики», 2014, т. 40, №6, стр. 5 9-63.
3. Бисярин М.А., Буреев С.В., Ероньян М А., Комаров А.В.; Кулеш А.Ю.,
Левит Л.Г., Мешковский И.К., Уткин Е.Ю.; Хохлов А.В. Анизотропный
одномодовый световод с эллиптичной германосиликатной сердцевиной и
депрессированной оболочкой // Оптический журнал, 2014, т.82, №2, стр. 85-87.
4. Буреев С.В., Ероньян М.А., Кулеш А.Ю., Мешковский И.К.,
Ромашова Е.И. , Цибиногина М.К. Калибровка труб из кварцевого стекла
методом парофазного осаждения // Стекло и Керамика, 2014, № 5, стр. 118-121.
5. Дукельский К.В., Ероньян М.А., Комаров А.В., Кулеш А.Ю.,
Ломасов В.Н., Мешковский И.К., Хохлов А.В. Радиационно-оптическая
устойчивость одномодовых световодов w-типа с депрессированной
фторсиликатной оболочкой // Оптический журнал, 82, 2, 2015, с. 64-66.
6. Aleksey Kulesh, Mikhail Eronyan, Igor Meshkovskii, Vladimir Zolotarev,
Mikhail Bisyarin, Marina Tsibinogina. Crystallization of Quartz Glass Fibers during
the Drawing Process // Crystal Growth & Design, 15, 2015, DOI:
10.102l/acs.cgd.5b00253, pp. 2831-2834.
Другие публикации автора, не входящие в перечень ВАК:
7. Буреев С.В., Дукельский К.В., Ероньян М.А., Комаров А.В.,
Тыщенко Д.А., Кулеш А.Ю., Андреев А.Г., Крюков И.И., Цибиногина М.К.
Минимизация оптических
потерь
германо-силикатных
световодов,
изготавливаемых MCVD методом // Сборник трудов Международной
конференции «Прикладная оптика 2010», Т.2., стр. 121-122.
8. Буреев С. В., Дукельский К. В., Ероньян М. А., Левит Л. Г., Тыщенко
Д. А., Кулеш А. Ю., Кораблева Н. Ю. Влияние физико-химических процессов в
поверхностном слое кварцевых волокон на их прочность // Сборник трудов
Международной конференции «Прикладная оптика 2010», Т.2., стр. 183-184.
9. Кулеш А.Ю. Кратковременная потеря прочности кварцевого волокна
после вытяжки. Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых, вып.2. СПб: НИУ ИТМО, 2013, стр. 88-89.
Ю.Кулеш А.Ю., Ероньян М.А., Мешковский И.К. Кристаллизация
кварцевого стекла при изготовлении волоконных световодов методом MCVD //
Труды 3-ей Международная конференции по химии и химической технологии.
-2013, стр. 310-312.
11. Kulesh A.Y., Eronyan М.А., Meshkovskiy I.K., Zolotarev V.M and
Tomkovich M.V. Crystallization of the silica fibers during its drawing // Proceedings
of 12th International Conference on Fundamental and Applied Aspects of Physical
Chemistry, pp. 612-614.
12. Мешковский И. К.,Дукельский К.В., Ероньян М. А., Кулеш А. Ю.,
Лавров В.С. Оптические потери при изгибе многомодового световода с
депрессированной оболочкой // Сборник трудов «Прикладная оптика-2014»,
Т.З, с.101-103.
18
13. Мешковский И. К., Ероньян М. А., Кулеш А. Ю., Томкович М.В.
Исследование кристаллизации кварцевого волокна // Сборник трудов
«Прикладная оптика-2014», Т.З, с.223-227.
14. Кулеш А.Ю., Ероньян М.А., Мешковский И.К., Безбородкин П.В.
Калибровка опорных кварцевых труб в MCVD процессе методом раздутия с
термо-оптическим мониторингом // Сборник трудов XV Всероссийской
конференции «Высокочистые вещества и материалы. Получение, анализ,
применение», с. 135.
15. Демидов В.В., Кулеш А.Ю., Пасишник А.С., Тер-Нерсесянц Е.В.,
Хохлов А.В. Исследование прочностных характеристик кварцевых световодов с
микроструктурированной оболочкой в эпоксиакрилатном и металлическом
покрытиях // Фотон-Экспресс. - № 6, -2015, с. 119-120.
16. Кулеш А. Ю., Ероньян М. А., Мешковский И. К., Парфенов П. С.
Влияние термохимической обработки на прочность кварцевых световодов //
Труды 4-ой Международная конференции по химии и химической технологии.
Ереван, 2015, с. 156-157.
17. Устинов С.В., Кулеш А.Ю., Ероньян М. А., Безбородкин П.В.
Исследование газофазных процессов фторирования кварцевого стекла // Труды
4-ой Международная конференции по химии и химической технологии. Ереван, 2015, с. 198.
СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Nagel S.R., MacCesney J.B., Walker K.L. Modified Chemical vapor
deposition // Optical Fiber Communic. 1985. Academic press, JNC, v.l, p. 1-65.
2. Ероньян M.A., Комаров AB., Кондратьев Ю.Н., Ромашова Е.И.,
Серков М.М., Хохлов А.В. Тонкие анизотропные одномодовые волоконные
световоды с эллиптической напрягающей оболочкой // Оптический журнал,
2000, т.57, № 10, с. 104-105.
3. Anslie B.J. Beales K.J., Cooper D.M., Day C.R., Rush J.D. Drawing dependent transmission loss in germania-doped silica optical fibres // J. noncryst.
solids. 1982, v. 47, № 2, p. 243-245.
4. Лихачев M.E., Бубнов M.M., Семенов С.Л., Хопин В.Ф.,
Салганский М.Ю., Гурьянов А.Н., Дианов Е.М. Оптические потери в
одномодовых и многомодовых световодах с высокой концентрацией Ge0 2 и
Р20 5 // Квант, электрон. 2004. Т. 34. № 3. С. 241-246.
5. Andreev A.G., Kryukov I.I., Mazunina T.V., Poloskov A.A.,
Tsibinogina M.K., Bureev S.V., Eronyan M.A., Komarov A.V., Ter-Nersesyants E.V.
Journal of Optical Technology. 2012. T. 79. № 9.C. 608-609.
6. Hibino Y., Hanawa F., Hariquchi M. Drawing-induced residual stress effect
on optical characteristics in pure-silica-core single mode fibers // Appl. Phys. 1989.
V. 65. № l.P. 30-34.
7. Дукельский K.B., Ероньян M.A., Комаров A.B., Кондратьев Ю.Н.,
Левит Л.Г., Ромашова Е.И., Серков М.М., Хохлов А.В., Шевандин В.С. MCVD
19
технология устойчивых к микроизгибам одномодовых волоконных световодов
с малым затуханием // Оптический журнал, 2002, т. 69, № 11, с. 72-73.
8. Ероньян М.А., Комаров А.В., Хохлов А.В., Безбородкин П.В. Природа
избыточных оптических потерь одномодовых волокон, легированных Ge
MCVD методом // Труды XI международной конференции «Прикладная
оптика-2014», т. 3, с. 105-109.
9. Rawson E.G. Measurement of the Angular Distribution of Light Scattered
from a Glass Fiber Optical Waveguide // Appl. Optics, 1972, v. 11 № 11, p. 24772481.
10. Аксенов В.А., Волошин B.B., Воробьев И.Л., Долгов И.И.,
Иванов Г.А., Исаев В.А., Колосовский А.О., Моршнев С.К., Чаморовский Ю.К.,
Яковлев М.Я. Одномодовые оптические волокна с кварцевой сердцевиной и
фторсиликатной оболочкой, обладающие повышенной радиационной
стойкостью // Радиотехника. 2005. № 12. С. 51-58.
11. Proctor, В.А.; Whitney, I.; Johnson, J.W. Strength of fused silica // Proc. R.
Soc. London, Ser. A, Math. Phys. Sci., 1967, 297, 534-538.
12. Scholz, H. Geophys. Static fatigue of quartz // J. Res. 1972, 77, 21042114.
13. Baikova, L.G.; Pesina, T.I.; Kurkjian, C.R.; Tang, Zh.; Kireenko, M.F.;
Tikhonova, L.V.; Pukh, V.P. // Journal of Applied Physics, 2013, 83, 55-63.
14. Золотарев B.M. Методы исследования материалов фотоники изд.
ИТМО, 2008 г.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
26
Размер файла
826 Кб
Теги
методов, оптимизация, оптические, прочностной, свойства, световодов, изготавливаемых, 10579, mcvd
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа