Технология изготовления волоконнооптических световодов для передачи изображения

образом, что бы они были строго параллельны между собой и параллельны

любому сечению распрямленного жгута. Жгут свободных гибких волокон может

иметь торцы различной конфигурации. Конфигурация одного торца жгута может

быть преобразована в любую другую на другом конце (можно преобразовать круг

в линию и наоборот).

Если жгут не предназначен для передачи идентичного изображения, то

целесообразно применять жгут с произвольной укладкой волокон из-за их

значительно меньшей стоимости. При необходимости входной торец жгута может

быть отшлифован по форме неплоской поверхности, изображение которой желаем

передать. Противоположный конец жгута можно при этом оставить плоским.

В тех случаях, когда внешний рассеянный свет (“шум”) вреден, можно

применять поглощающие красители, веденные в оболочку волокон. Естественно,

что ведение светопоглощающего красителя ухудшает светопропускание

световода.

Порядок укладки волокон может быть различным (рис.7): гексагональная

укладка, квадратная укладка, ромбическая укладка, укладка волокон в ряд,

либо несколько рядов. Порядок укладки на входе и выходе может не совпадать.

При получении изображения наблюдаемого предмета порядок укладки

определяется требуемой разрешающей способностью прибора. Максимальному

разрешению соответствует максимальная плотность укладки волокон.

3.Поэтапное описание технологии.

3.1Выбор и описание материалов

3.1.1 Выбор материала сердечника и прозрачной оболочки волокна.

Рис. 8 Зависимость показателя преломления бинарной стеклообразующей системы

В2О3 - SiO2 от молярной доли оксида кремния М(SiO2):

Рис. 9 Зависимость показателя преломления плавленого кварца от молярной

доли оксида германия М(GeO2):

Из большинства видов стекол самым низким поглощением в видимой области

спектра обладает плавленый кварц - при условии высокой степени очистки и

гомогенности (однородности по составу). Значительные преимущества кварца

обусловлены малыми внутренними потерями на рассеивание. Высокая температура

плавления кварца (1610 С при быстром нагреве, 1720 С при медленном), с

одной стороны, требует специальной технологии для изготовления оптического

волокна, а с другой - помогает избавиться от различных примесей, которые

испаряются при более низких температурах. Стекла, применяемые для

изготовления световодов (сердцевины и оптической оболочки), различаются

показателями преломления n. В кварц (показатель преломления n = 1,4585 на

длине волны 0,589 мкм) добавляется оксид бора (n = 1,4585 на длине волны

0,589 мкм), снижающий показатель преломления (рис.8). Полученный материал

может быть применен в качестве оболочки оптоволокна. Длительный отжиг

(термическая обработка стекла, придающая необходимые свойства)

боросиликатного стекла приводит к увеличению n. Этот материал используется

для изготовления сердечника. Другой способ понизить показатель преломления

плавленого кварца - добавить в него фтор. В отличие от метастабильного

характера изменения этого показателя у чистого боросиликата, снижение его у

боросиликатного стекла с добавкой фтора - внутреннее свойство атомов фтора

в матрице SiO2. Разность показателей преломления чистого SiO2 и материала с

добавкой фтора увеличивается линейно с повышением молярной концентрации

фтора вплоть до нескольких процентов. Показатель преломления кварца

уменьшается на 0,2% при изменении молярной концентрации фтора на 1%. При

этом оптические свойства кварца не ухудшаются. Фторирование кварца

позволяет уменьшить рассеивание Рэлея и минимизировать волновые потери.

Однако легирование фтором увеличивает вероятность возникновения трещин и

уменьшает прочность стекла, а, кроме того, делает кварц более

чувствительным к диффузии водорода.

Все другие добавки к плавленому кварцу - такие, как GeO2 (рис.9), P2O5,

TiO2, Al2O3, Sb2O3 приводят к увеличению показателя преломления по

сравнению с чистым кварцем без ухудшения его оптических свойств. Молярные

доли этих оксидов в кварце могут меняться в пределах от 1 до 15%.

Показатель преломления увеличивается на 0,001 при увеличении молярной доли

GeO2 на 1%. При 20-процентной молярной концентрации двуокиси германия

показатель преломления увеличивается на 1,5%.

Кварц с добавкой германия, который может быть использован в качестве

материала сердцевины оптоволокна , имеет широкое окно прозрачности почти до

1,7мкм (рис.5).

Более предпочтительным в качестве легирующего материала (как более

дешевого) является фосфорный ангидрид Р2О5. При добавлении к плавленому

кварцу Р2О5 для образования бинарного стекла внутреннее поглощение

материала и рэлеевское рассеяние увеличиваются весьма незначительно.

Фосфорный ангидрид сублимируется (переходит из твердого состояния в

газообразное, минуя жидкое) при температуре 300 С , гигроскопичен (способен

поглощать влагу из воздуха) и имеет температурный коэффициент линейного

расширения почти в 25 раз больше, чем у плавленого кварца. Однако он

образует с кварцем 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

Материалы, используемые при производстве волокон с кварцевой

легированной сердцевиной и оптической оболочкой из боросиликатного стекла,

а так же типичные значения (n (в относительных единицах) между сердцевиной

и оболочкой даны в следующей таблице (точные значения (n зависят от режима

термообработки и мольной концентрации легирующих веществ )

|Сердцевина |Оболочка |(n, |

|Добавка |Структура |Добавка |Структура |% |

|P2O5 |SiO2 |B2O3 |SiO2 |0.8 |

|GeO2 |SiO2 |B2O3 |SiO2 |1.2 |

|GeO2, B2O3 |SiO2 |B2O3 |SiO2 |1.3 |

Стекла - не единственный прозрачный материал в видимой и инфракрасной

области, прозрачны и многие полимеры. Полимеры имеют следующие

преимущества: из них легко формировать элементы, в том числе и волоконные,

они дешевле, при их изготовлении используются меньшие температуры, чем для

стекла. Однако до недавнего времени оптические потери в полимерах были

гораздо выше, чем в стекле. Тем не менее потери в полимерах могут быть

уменьшены за счет сдвига полосы поглощения, связанной с колебаниями C-H

(полимер в основном состоит из связей углерод-водород). Для этого

необходимо заменить водород на фтор и из-за увеличения эффективной массы

колебательной системы поглощение сдвинется в инфракрасную область, не

используемою при передачи изображений. Таким образом, можно получить

маленькое поглощение вплоть до длин волн 1,3 мкм. Подобная замена не

связана с большими затратами. Стекла и полимеры - аморфные материалы;

бывают волокна поликристаллические, их получают с помощью выдавливания из

кристаллического стерженька на специальной машине - экструдере.

Поликристаллические волокна делают обычно небольшой длины - метры-десятки

метров и, как правило, используют для передачи мощного лазерного излучения.

Стекол, из которых делают стеклянные волокна, очень много, это

кварцевые стекла (из оксида кремния), фторидные стекла - фториды тяжелых

металлов и халькогенидные стекла. Все они работают в видимом диапазоне или

в ближнем ИК и в далеком ИК (максимум до 10 микрон). Полимерные световоды -

это видимый и ближний ИК-диапазоны.

Кварцевое стекло является очень хорошим материалом. Одна из причин,

почему сейчас фторидные полимерные стекла не разрабатывают, хотя там

потенциально возможны более низкие потери, состоит в том, что эти стекла

более низкого качества. Менее стабильны, гигроскопичны. Кварцевое стекло -

это материал, близкий к идеалу. Оно механически прочно, очень стабильно -

может лежать десятилетиями и столетиями без изменения молекулярной

структуры.

Пластиковое, или полимерное, оптическое волокно опережает

стекловолокно по соотношению цена-производительность. Пластиковые световоды

способны работать в широком температурном режиме - от – 40С до + 85C. Без

ущерба для оптических характеристик они могут выдерживать радиус изгиба до

20 мм и не ломаются даже при радиусе изгиба в 1 мм. Такая гибкость

позволяет пластиковому световоду с легкостью достигать труднодоступных

мест, проникая сквозь большое количество достаточно крутых перегибов. Но

пластиковое волокно имеет один существенный недостаток: сравнительно

большая дисперсия светового импульса, поданного на вход. Это обстоятельство

и ограничивает максимальную длину пролета сотней метров, что вполне

достаточно для передачи изображения на расстояние всего нескольких метров.

3.1.2 Выбор материала внешней оболочки жгута.

Материалы внешней оболочки подбираются исходя из условий эксплуатации

и назначения устройства, в состав которого входит светопроводящий жгут.

Типичными материалами являются: резина, пластик, нержавеющая сталь,

полиэтилен. При необходимости все "пустоты" кабеля заполняются гидрофобным

материалом - в таком случае оптические волокна будут находиться внутри

жгута в зафиксированном состоянии. Добавление гидрофобных материалов

увеличит прочность жгута, уменьшив при этом его подвижность. Заполнение

кабеля изнутри предотвратит попадание водяных паров на поверхность

световодов. На входной и выходной торцы жгута после плавления и шлифовки

помещаются стальные или пластиковые кольца. Кольца придают торцам

прочность. Кроме того, на кольце для удобства монтажа может быть нарезана

резьба требуемого диаметра.

3.2 Выбор и описание оборудования.

3.2.1 Приготовление шихты и плавка стекла.

Существуют разные методы изготовления стекловолокна. Одной из наиболее

эффективных и распространенных является технология изготовления волокна из

кварцевого стекла по методу химического осаждения из газовой фазы. При

изготовлении необходимо решить по крайней мере две центральные задачи. Во-

первых, обеспечить чрезвычайно высокую химическую чистоту материала,

составляющего сердцевину, и, во-вторых, обеспечить высокую однородность

вытягиваемого волокна. Делается это следующим образом. Сначала

изготавливают заготовку стеклянный стержень диаметром 5 - 15 мм, имеющий

распределение показателя преломления в поперечном сечении такое же, как у

будущего световода. Для получения заготовки берут вначале кварцевую трубку

из высококачественного стекла. Через трубку продувают смесь газообразного

тетрахлорида кремния SiCl4 и кислорода, а трубку прогревают газовой

горелкой до высоких температур (вплоть до 1500 С). Тогда в результате

химической реакции на внутренней поверхности трубки осаждается чистый кварц

SiO2 . Высокая степень химической чистоты этого кварца обеспечивается

высокой чистотой газовых компонент SiCl4 и O2 . Полученный тонкий слой

будет служить составной частью в будущей оболочке. Затем процесс нанесения

слоев на внутреннюю поверхность повторяется, но в состав газовой смеси

добавляется еще тетрахлорид германия GeCl4 . Тогда в осажденном слое кварца

содержится некоторое количество германия, что обеспечивает более высокий

показатель преломления в этом слое, который служит основой будущей

сердцевины.

Затем полую стеклянную трубку с нанесенными на внутреннюю поверхность

слоями кварца прогревают до размягчения, и она за счет сил поверхностного

натяжения сжимается в стержень. Заготовка готова. Для того чтобы из нее

получить волокно, заготовку помещают в устройство для вытяжки, где она

устанавливается вертикально, и нижний конец нагревают до плавления. За этот

конец производится вытяжка. Для обеспечения нужной толщины производится

регулировка скорости вытяжки и температуры нагревания. Правильный подбор и

поддержание нужной скорости вытяжки важны для получения волокна высокой

однородности. Вытягиваемое волокно покрывают защитной оболочкой и

наматывают на барабан. Если в процессе изготовления заготовки производится

нагрев до более высоких температур и выбирается более высокое давление

газовой фазы, так что химическая реакция происходит не только на внутренней

поверхности трубки, но и в газовом потоке, то указанный метод называют

модифицированным способом осаждения из газовой фазы. Если слои с примесью

германия наносятся так, что показатель преломления n1 в сердцевине

постоянен по сечению сердцевины, то тогда распределение показателя

преломления в волокне называется ступенчатым. Если концентрация германия

изменяется так, что показатель преломления сердцевины плавно уменьшается

вдоль радиуса, проведенного от центральной оси к оболочке, то такое волокно

называется градиентным. Градиентное волокно не применяется при изготовлении

световодов для передачи изображения. Из отдельных волокон могут быть

изготовлены кабели различного сечения, содержащие до нескольких тысяч

отдельных волокон.

Метод изготовления оптоволокна независимо от целей его использования

должен обеспечивать малые потери в волокне. Процесс приготовления из

выбранных ранее материалов готового к использованию волокна должен быть

разделен на несколько стадий, для того чтобы обеспечить поэтапные контроль

хода процесса. В процессе, относящемуся к многокомпонентным стеклам с

низкой температурой плавления, стекло готовят в большой плавке, а

Страницы: 1, 2, 3, 4