Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
Патент на изобретение №2462737

(19)

RU

(11)

2462737

(13)

C1

(51) МПК G02B6/24 (2006.01)

C03B37/018 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Статус: по данным на 17.09.2012 - нет данных Пошлина:

(21), (22) Заявка: 2011109134/28, 03.03.2011

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

03.03.2011

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 03.03.2011

(45) Опубликовано: 27.09.2012

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: RU 2370464 С2, 20.10.2009. RU 2357934 С2, 10.06.2009. US 2005000253 A1, 06.01.2005. EP 1010672 A1, 21.06.2000.

Адрес для переписки:

192171, Санкт-Петербург, ул. Бабушкина, 36, корп.1, ФГУП "НИТИОМ ВНЦ "ГОИ им. С.И. Вавилова", отдел ИС, пат.пов. Т.А. Репкиной, рег. 243

(72) Автор(ы):

Буреев Сергей Викторович (RU),

Дукельский Константин Владимирович (RU),

Ероньян Михаил Артемьевич (RU),

Комаров Александр Валентинович (RU),

Андреев Алексей Гурьевич (RU),

Ермаков Владимир Сергеевич (RU),

Крюков Игорь Иванович (RU),

Полосков Андрей Алексеевич (RU),

Цибиногина Марина Константиновна (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский и технологический институт оптического материаловедения Всероссийского научного центра "Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" (ФГУП "НИТИОМ ВНЦ "ГОИ им. С.И. Вавилова") (RU),

Открытое акционерное общество "Пермская научно-производственная приборостроительная компания" (ОАО "ПНППК") (RU)

(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЕТОВОДОВ НА ОСНОВЕ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА С МАЛЫМИ ОПТИЧЕСКИМИ ПОТЕРЯМИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к методам химического парофазного осаждения (MCVD) для изготовления оптических волокон с малым затуханием для систем связи, датчиков физических величин и передачи мощного светового излучения. Согласно способу производят легирование осаждаемых слоев стекла сердцевины малыми добавками оксидов водорода или дейтерия при содержании паров этих веществ в газовой фазе в пределах от 0,017 до 1 мол.%. Технический результат - снижение вязкости стекла сердцевины, предотвращение восстановления диоксида германия. 1 табл.

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к модифицированному методу химического парофазного осаждения (MCVD) для изготовления волоконных световодов с малым затуханием для систем связи, датчиков физических величин и передачи мощного светового излучения.

Световоды, получаемые предлагаемым способом, имеют в поперечном сечении круглую сердцевину и изолирующую оболочку, которые расположены соосно внутри наружного слоя из кварцевого стекла. Показатель преломления (ПП) сердцевины выше, чем ПП изолирующей оболочки, которая исполняет роль отражающей оболочки и изолирует сердцевину от примесей наружного слоя, формируемого из кварцевого стекла промышленного производства. Примесь водорода создает основные проблемы в технологии световодов, так как обладает наиболее высокой диффузионной подвижностью по сравнению с другими примесями. Когда водород проникает в германосиликатную сердцевину, происходит реакция восстановления GeO 2 . При этом увеличиваются оптические потери на всем участке спектра прозрачности стекла, особенно на длине волны 1.38 мкм из-за поглощения света ОН группами (Iino A., Kuwabara M., Kokura K. Mechanism of hydrogen-induced loss in silica-based optical fibers. - Journal of lightwave technology. 1990, v.8, No 11, p.1675-1679).

Обработка дейтерием исходных кварцевых труб, используемым в MCVD методе изготовления заготовок световодов, устраняет практически полностью поглощение на длине волны 1.38 мкм в оптических волокнах. Однако дейтерий, так же как и водород, при высокой температуре MCVD процесса диффундирует в германосиликатное стекло сердцевины и восстанавливает GeO 2 , что приводит к увеличению оптических потерь (Shang Н.Т., Stone J., Burrus С.A. Low - ОН MCVD fibers without a barrier layer using OH-OD exchange substrate tubes. - Electronics letters. 1983, v 19, No 3, p.95-96).

Устранить поглощение на длине волны 1.38 мкм в световодах с германосиликатной сердцевиной можно нагревом оптического волокна в атмосфере дейтерия при температуре не более 50°С, однако для достижения предельно малых оптических потерь необходимо согласовать по вязкости стекло оболочки и сердцевины (Xinwei QIAN, Deming LIU, Feng TU. Deuterium treatment of low water peak fiber. - Front. Optoelectron. China. 2009, v.2, No.2, p.178-181).

Резкое отличие вязкости сердцевины из чистого кварцевого стекла и отражающей фторсиликатной оболочки в одномодовых световодах (W типа) также приводит к увеличению оптических потерь с уменьшением температуры вытягивания волокна (Долгов И.И., Иванов Г.А., Чаморовский Ю.К., Яковлев М.Я. Радиационно-стойкие одномодовые оптические волокна с кварцевой сердцевиной. Фотон-экспресс, 2005, 6, с.4-10).

Наиболее близкий к предлагаемому техническому решению усовершенствованный способ изготовления волоконных световодов по патенту ЕР 0915065, опубликованный 05.21.2003 по индексу МПК СОЗС 13/04 и принятый нами за прототип. Этим способом изготавливаются световоды с ультранизкими оптическими потерями сердцевины на основе кварцевого стекла, дополнительно легированного малыми добавками оксидов натрия, калия или лития от 10 -4 до 0,05 мас. %, понижающими вязкость стекла. При этом на 15% можно снизить оптические потери, обусловленные рэлеевским рассеянием.

Использование этого технического решения для MCVD метода изготовления световодов связано с двумя принципиальными проблемами:

- рекомендуемые этим патентом добавки оксидов натрия, калия или лития трудно ввести в реакционную парогазовую смесь в газофазных методах получения заготовок световодов из-за отсутствия легколетучих соединений этих металлов,

- диффузией водорода (дейтерия) из кварцевой трубы в сердцевину при длительных высокотемпературных операциях MCVD процесса изготовления заготовки приводит к дополнительным оптическим потерям световодов из-за восстановления GeO 2 по реакции:

Задача настоящего изобретения заключается в упрощении технологии изготовления кварцевых волоконных световодов с малыми оптическими потерями.

Технический результат достигается за счет использования газообразных или легколетучих добавок, которые:

- снижают вязкость стекла сердцевины;

- предотвращают восстановление диоксида германия;

- вводятся в парогазовую смесь MCVD процесса в газообразном состоянии.

Поставленная задача решается новым способом изготовления волоконных световодов на основе кварцевого стекла с малыми оптическими потерями, включающим процессы изготовления заготовки световода методом газофазного осаждения на основе кварцевого стекла с использованием дополнительного легирования осаждаемых слоев стекла сердцевины малыми добавками оксидов и последующую вытяжку волоконного световода, в котором в отличие от прототипа осаждаемые слои стекла сердцевины легируют добавками оксидов водорода или дейтерия при содержании паров этих веществ в газовой фазе от 0,017 до 1 мол.%.

Введение таких добавок обеспечивает решение указанных проблем как в части упрощения технологического процесса, так и в части устранения дополнительных оптических потерь, обусловленных реакцией (1). Упрощение технологии изготовления световодов заключается в том, что исходными источниками этих добавок могут служить газы H 2 , D 2 , СН 4 , CD 4 и др., а также пары Н 2 О или D 2 O в смеси с кислородом.

В процессе высокотемпературного легирования кварцевого стекла этими добавками содержание ОН (OD) групп в поверхностном слое стекла определяется константой химического равновесия:

Образующиеся по реакции (2) OH(OD) группы понижают вязкость стекла и смещают реакцию (1) в левую сторону, снижая тем самым степень восстановления диоксида германия и дополнительные оптические потери. При введении дейтерийсодержащих веществ устраняется полоса поглощения на длине волны 1.38 мкм, обусловленная Si-OH группами. Исчезает также поглощение в области 1.6 мкм, обусловленное Р-ОН колебаниями стекла отражающей оболочки, часто содержащей малые добавки P 2 O 5 для понижения вязкости стекла. Содержание паров Н 2 О или D 2 O в газовой фазе от 0,017 до 1 мол.% определяется по нижнему уровню необходимостью ощутимого влияния на оптические потери, а верхний уровень ограничен упругостью паров воды при температуре транспортировки парогазовой смеси ( 20°С).

Совокупность изложенных признаков и анализ отличий от прототипа по существующему уровню техники позволяет сделать вывод о «новизне» и «изобретательском уровне» нового способа.

Предлагаемое новое техническое решение реализовано экспериментально в следующих примерах способа изготовления световодов.

Пример 1. По известной технологии (патент РФ 2155359 «Способ изготовления волоконных световодов, сохраняющих поляризацию излучения», опубликованный 27.08.2000 по индексу МПК G02B 6/17) изготовлен одномодовый световод с эллиптической германоборосиликатной напрягающей оболочкой. На внутреннюю поверхность метровой трубы из кварцевого стекла с наружным диаметром 20 мм, толщиной стенки 2 мм методом MCVD наносили 7 слоев защитной оболочки (0,963 SiO 2 - 0,03 P 2 O 5 - 0,007 F), 6 слоев германоборосиликатной оболочки (0,77 SiO 2 - 0,17 B 2 O 3 - 0,06 GeO 2 ), 4 слоя изолирующей оболочки (0,987 SiO 2 - 0,01 P 2 O 5 - 0,003 F) и 2 слоя сердцевины (0,95 SiO 2 - 0,05 GeO 2 ). Высокотемпературное сжатие трубки в штабик производили за два прохода горелки при температуре 2000°С и 2150°С. На первом проходе горелки во внутренний канал трубки с осажденными слоями вводили сухой кислород (с точкой росы -80°С) без каталитического дожигания в нем примесей водородсодержащих газов, концентрация которых в пересчете на H 2 O составляла 0.017 мол.%. На втором проходе горелки при 2150°С внутренний канал захлопывался при скорости перемещения горелки 10 мм/мин. По всей длине заготовки с диаметрально противоположных сторон нарезали две канавки шириной 1 мм. Заготовку подвергали высокотемпературному круглению. В поперечном сечении заготовка имела следующие размеры: диаметр сердцевины - 0.72 мм, диаметр изолирующей оболочки - 1.6 мм, величина малой и большой оси эллиптической оболочки 1.7 и 6.4 мм соответственно, наружный диаметр заготовки - 10,5 мм.

Из полученной таким образом заготовки вытягивали одномодовый световод 1 диаметром 125 мкм и длиной 2 км. В процессе вытягивания волокно покрывали слоем мягкого и жесткого эпоксиакрилатного полимера, отверждаемого ультрафиолетовым облучением. Диаметр световода в двойном покрытии составлял 250 мкм.

Пример 2. Аналогичным образом изготовлен образец световода 2, отличающийся от предыдущего способа тем, что высокотемпературное сжатие заготовки производили с продувкой кислорода, насыщенного парами D 2 O до 1 мол.%. Скорость перемещения горелки при схлопывании внутреннего канала в этом способе оказалась на 20% выше (12 вместо 10 мм/мин), чем в предыдущем случае. Это обусловлено снижением вязкости стекла сердцевины из-за повышенного содержания OD групп.

Пример 3. Аналогичным образом изготовлен контрольный образец световода 3, отличающийся от предыдущего способа тем, что высокотемпературное сжатие заготовки производили с кислородом, прошедшим каталитическое дожигание водородсодержащих примесей и сушку на молекулярном сите. Концентрация водородсодержащих примесей в кислороде, подвергнутом такой обработке, не превышала 10 -4 мол.%. Скорость перемещения горелки при схлопывании внутреннего канала в этом способе оказалась на 40% ниже (7 вместо 12 мм/мин), чем в предыдущем случае. Это обусловлено повышением вязкости стекла сердцевины из-за снижения содержания ОН групп.

В таблице сопоставлены оптические потери на длине волны 1,55 мкм для световодов, полученных при разных концентрациях Н 2 О (D 2 O) в газовой фазе при высокотемпературном сжатии заготовки.

световода

Содержание паров H 2 O (D 2 O) в кислороде, мол.%

Скорость горелки при коллапсировании заготовки, мм/мин

Оптические потери, дБ/км

1

0.017

10

0.6

2

1

12

0.45

3 (контрольный)

0.0001

7

2

По мере увеличения содержания паров Н 2 О (D 2 O) в кислороде оптические потери световодов снижаются, что обусловлено согласованием вязкости структурных элементов заготовки при вытягивании волокна, снижением величины рэлеевского рассеяния и степени восстановления диоксида германия в сердцевине световода.

Использование такого технического решения для световодов W типа с сердцевиной из чистого кварцевого стекла приведет к снижению ее вязкости, устранению в ней закалочных растягивающих напряжений, что обеспечит снижение оптических потерь.

Вышеизложенные сведения подтверждают очевидную промышленную применимость предлагаемого способа изготовления волоконных световодов для передачи как слабых сигналов в системах связи и волоконно-оптических датчиках, так и мощного лазерного излучения технологического назначения.

Формула изобретения

Способ изготовления волоконных световодов на основе кварцевого стекла с малыми оптическими потерями, включающий процессы изготовления заготовки световода методом газофазного осаждения на основе кварцевого стекла с использованием дополнительного легирования осаждаемых слоев стекла сердцевины малыми добавками оксидов и последующую вытяжку волоконного световода, отличающийся тем, что осаждаемые слои стекла сердцевины легируют добавками оксидов водорода или дейтерия при содержании паров этих веществ в газовой фазе от 0,017 до 1 мол.%.