БІЛОРУСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІНФОРМАТИКИ І РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ
кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ на тему:
В« O сновним методи виробництва волоконних світловодів В»
МІНСЬК, 2008
Одномодові світлопроводи. Багатомодові світловоди з і ступінчастим профілем. Волоконні світловоди зі спеціальними властивостями. Полімерні світловоди.
За призначенням волоконні світловоди можна розділити на п'ять основних груп:
1.Одномодовие світловоди для швидкісних систем передачі та фазових волоконно-оптичних датчиків (ВОД). Ці світловоди відрізняються гранично низькими втратами (0,2 ... 1 дБ/км) і широкою смугою пропускання (1 ... 100 ГГц-км). Сюди ж можна віднести волокна із збереженням поляризації, необхідні для цілого ряду датчиків та перспективних систем передачі з когерентним прийомом. Типові розміри світловодів першої групи: діаметр серцевини 5 ... 10 мкм, оболонки 125 мкм, числова апертура 0,15 ... 0,2.
2.Многомодовие світловоди з градієнтним профілем показника заломлення, призначені для використання в системах передачі нарасстоянія в кілька кілометрів із смугою пропускання 100 ... 1000 МГц-км. Втрати в таких волокнах лежать в межах 0,5 ... 5 дБ/км, стандартні розміри: діаметр серцевини 50 мкм, оболонки 125 мкм, типове значення числової апертури близько 0,2.
3.Многомодовие світловоди зі східчастим профілем показника заломлення, призначені для використання в локальних мережах, об'єктових системах передачі і різних ВОД, з досить помірною смугою пропускання (10 ... 100МГц-км) і втратами 3 ... 10 дБ/км. Такі світловоди мають підвищену числову апертуру (0,3 ... 0,6) і діаметр серцевини 80 ... 400 мк, що допускають ефективне поєднання з дешевими і надійними джерелами випромінювання.
4.Волоконние світловоди із спеціальними властивостями, до яких відносяться волокна цільового призначення для датчиків і інших волоконно-оптичних функціональних пристроїв: лазерні волокна (див. гл. 5), активовані рідкісноземельними іонами, волокна з п'єзоелектричної або магнітострикційних оболонкою і т. п.
5.Полімерние світловоди із ступінчастим або градієнтним профілем показника заломлення, що відрізняються високою гнучкістю, міцністю і низькою вартістю. Область їх застосування обмежується високими втратами (100 ... 500 дБ/км), тому використовуються вони для передачі даних всередині ЕОМ, в роботах, в автомобільних датчиках і т. п.
6. Волокна для середнього ІЧ діапазону (Х - 2 ... 50 мкм) з наднизькими втратами.
Світловоди першої, другої та частково третьої груп мають однакову композицію і виготовляються із кварцового скла, легованого різними добавками, змінюють показник заломлення в потрібну сторону. Кварцове скло має високі однорідність і чистоту, що обумовлює малі втрати на розсіювання та поглинання (див. В§ 4.6), відрізняється високою температурою плавлення, хімічної та радіаційною стійкістю. Технологія виробництва високоякісних кварцових волокон, як буде видно нижче, досить складна, але доведена до промислового рівня, що забезпечує масовий випуск без зниження якості.
Вимоги до характеристик світловодів третьої та четвертої груп не є гранично жорсткими, тому вони виготовляються з більш дешевих матеріалів (Багатокомпонентні скла) і по більш простої технології. Виробництво полімерних волокон є найбільш простим і дешевим в розглянутому ряду. Виробництво волокон шостої групи вимагає освоєння нових матеріалів і технологій і знаходиться в лабораторній стадії.
Найбільш поширені в світовій практиці способи виготовлення високоякісних кварцових волоконних світловодів є різновиди процесу хімічного осадження основного стеклообразующих окисла SiO 2 і легуючих окислів з парогазової суміші CVD процесу (Chemical Vapour Deposition). Галоіди кремнію, германію, бору, фосфору і т. п., що входять до складу парогазової суміші, при високій температурі реагують з киснем:
SiCl 4 + O 2 => SiO 2 + 2Cl 2
GeCl 4 + O 2 => GeO 2 +2 Cl 2 (1)
4BBr 3 + 3O 2 => 2B 2 O 3 + 6Br 3
4POCl 3 + 3O2 2 => 2P 2 O 5 + 6Cl 2
В результаті реакції утворюється мелкодисперсная маса, що нагадує білу сажу, яка після прославлення перетворюється на прозоре скло, що містить близько 90% SiO 2 . Добавки легуючих окислів міняють коефіцієнт заломлення в потрібну сторону відповідно до залежностями. Вміст добавок в склі регулюється в ході процесу шляхом зміни складу парогазової суміші галоідов, концентрації її компонентів. З малюнка 1 видно, що добавки оксидів германію та фосфору підвищують показник заломлення скла, а добавка окису бору знижує його.
Малюнок 1. Вплив легуючих окислів на коефіцієнт заломлення
Мінімальними втратами в області 1,3 і 1,5 мкм володіють кварцові скла, не містять бора, тому в останні роки в якості присадки, що знижує показник заломлення, використовується фтор, утворюється при окисленні фреону CCl 2 F 2 або фтористого вуглецю СF 4 . Природно, що вихідні компоненти процесу CVD повинні бути високої хімічної чистоти.
У всіх різновидах процесу CVD виробництво волоконних світловодів розділяється на дві основні стадії. У першій стадії - виготовленні заготовки для витяжки волокна - проявляються відмінності перерахованих варіантів, тоді як друга стадія - витяжка волокна з заготівлі - Однакова з технології та обладнання для всіх варіантів. Параметри заготовки в чому визначають характеристики волоконного світловода, витягнутого з неї. Тип світловода - одномодовий, багатомодовий градієнтний або ступінчастий - повністю визначається профілем показника заломлення заготовки. Всі варіанти процесу CVD дозволяють організувати гнучке виробництво з швидкою перебудовою з одного типу світловода на інший. Розглянемо докладніше найбільш поширений в даний час технологічний метод.
Модифікований процес EVD ( MCVD )
У цьому способі заготівля виготовляється осадженням стеклообразующих оксидів на внутрішню поверхню кварцовою опорної труби. Установка для виробництва заготовок методом MCVD схематично зображена на малюнку 2. У ній можна виділити три основних функціональних блоки: блок формування парогазової суміші, тепломеханічного верстат, систему управління і контролю параметрів процесу. Першими операціями при виробництві є контроль і відбір опорних кварцових труб, які при витяжці трансформуються в оболонку волоконного світловода. Типові розміри опорних труб: зовнішній діаметр 20 ... 25 мм, внутрішній діаметр 16 ... 20 мм, довжина близько 1 м.
Опорна труба поміщається в тепломеханічного верстат, в якому вона обертається навколо поздовжньої осі зі швидкістю близько 60 об/хв. Уздовж обертової опорної труби зі швидкістю 20 см/хв переміщається киснево-воднева пальник. На початку процесу проводиться полірування труби в полум'ї пальника при температурі близько 1600 "С, при якій оплавляються наявні мікротріщини. Парогазова суміш утворюється при прокачуванні газу - носія (кисню або інертних газів) через змішувачі, заповнені рідкими галоідамі кремнію, германію і т. п. Склад суміші і закон застосування складу в часі в ході процесу MCVD залежать від типу изготавливаемого світловода (одномодовий, градієнтний, ступінчастий) і формується під управлінням ЕОМ за заданою програмою
Малюнок 2. Установка для виробництва заготовок методом MCVD:
1 - змішувач із рідким SiСl 2 ; 2 - один з змішувачів з легуючим Галоід; 3-вентилі; 4-опорна трубка; 5-обертові патрони, б-киснево-воднева пальник; 7-система відкачування т...
