RU2764038C1 - Способ изготовления радиационно-стойких волоконных световодов - Google Patents
Способ изготовления радиационно-стойких волоконных световодов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2764038C1 RU2764038C1 RU2021114225A RU2021114225A RU2764038C1 RU 2764038 C1 RU2764038 C1 RU 2764038C1 RU 2021114225 A RU2021114225 A RU 2021114225A RU 2021114225 A RU2021114225 A RU 2021114225A RU 2764038 C1 RU2764038 C1 RU 2764038C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- core
- layers
- radiation
- optical fibers
- deposition
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
- C03B37/00—Manufacture or treatment of flakes, fibres, or filaments from softened glass, minerals, or slags
- C03B37/01—Manufacture of glass fibres or filaments
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
- G02B6/024—Optical fibres with cladding with or without a coating with polarisation maintaining properties
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Manufacture, Treatment Of Glass Fibers (AREA)
Abstract
Изобретение относится к модифицированному методу химического парофазного осаждения для изготовления радиационно-стойких световодов с фторсиликатной оболочкой и сердцевиной из кварцевого стекла, обедненного кислородом. Заявленный способ изготовления радиационно-стойких волоконных световодов включает изготовление MCVD методом трубчатой заготовки, с осаждением слоев фторсиликатной оболочки и сердцевины из чистого кварцевого стекла, при высокотемпературном сжатии которой ее внутренний канал продувают сухим азотом или аргоном с содержанием примесного кислорода не более 10-4 об.%. При этом слои оболочки и сердцевины наносят двухстадийным способом, состоящим из осаждения пористого слоя при встречном направлении горелки и потока газовой смеси внутри трубки с последующим остекловыванием пористых слоев при попутном с движением горелки направлении потока газовой смеси, содержащей влагу, и кислорода не более 10-4 об.%. Технический результат - повышение радиационной стойкости кварцевых фторсиликатных волоконных световодов. 2 ил.
Description
Изобретение относится к волоконной оптике, в частности, к изготовлению радиационно-стойких волоконных световодов (ВС) для разного рода оптоэлектронных систем, работающих в условиях повышенного радиационного фона в атомной энергетике, космической и военной технике. Широко используемые для передачи информации волоконно-оптические системы используют сегодня кварцевые ВС, легированные диоксидом германия. Однако из-за наличия атомов германия под действием радиации в световодах возникает большое количество дефектов, приводящих к недопустимо высокому уровню оптических потерь как в видимой области спектра, так и в спектральном диапазоне особой прозрачности кварцевого стекла (1,3-1,6 мкм).
Из уровня техники известен фторсиликатный волоконный световод (ФВС) с повышенной радиационной стойкостью (РС), в котором сердцевина состоит из чистого кварцевого стекла, а оболочка легирована фтором с целью снижения величины показателя преломления [Аксенов В.А., Волошин В.В., 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. 51-56].
Наведенные радиацией оптические потери (НРОП) в ФВС существенно ниже, чем в германосиликатными аналогах. РС ВС с сердцевиной из чистого кварцевого стекла, зависит от содержания в ней примесного хлора и ОН-групп [Nagasawa K., Tanabe M., Yahagi K. Gamma-ray-induced absorption bands in pure-silica-core fibers // Jpn. J. Appl. Phys., 1984, vol. 23, pp. 1608–1613].
В методе модифицированного химического парофазного осаждения (MCVD) при изготовлении ФВС для повышения РС хлор можно нейтрализовать высокотемпературной обработкой стекла сердцевины в водородсодержащей среде [Okishev A.V., Boni R., Millechia M., Jaanimagi P.A., Donaldson W.R., Keck R.L., SekaW., Dukelsky K.V., Eronyan M.A., Shevandin V.S., Ermolaeva G.M., Nikolaev G.V., Shilov V.B. Unique High-Bandwidth, UV Fiber Delivery System for OMEGA Diagnostics Applications IEEE J. Select.Topics Quant. Electron., V. 7, p. 471, 2001]. Однако это техническое решение приводит к увеличению содержания ОН-групп, которые имеют полосы поглощения излучения с максимумами на длинах волн 0,95 и 1,38 мкм.
Уменьшить содержание примесного хлора в сердцевине ФВС без увеличения содержания ОН-групп можно посредством снижения давления паров тетрахлорида кремния (SiCl4) в реакционной парогазовой смеси при осаждении слоев чистого кварцевого стекла сердцевины при изготовлении ВС MCVD методом [патент РФ №2537523].
Однако такой технологический прием не устраняет другие наведенные радиацией дефекты, такие как немостиковый кислород (НК), которые поглощают излучение на длине волны 0,65 мкм. Образование таких дефектов приводит локально к деструкции кварцевого стекла, появлению оптических неоднородностей. Поэтому НРОП обусловлены как поглощением, так и рассеянием излучения [J. Wen, G.-D. Peng, W. Luo, Z. Xiao, Z. Chen and T. Wang, Gamma irradiation effect on Rayleigh scattering in low water peak single-mode optical fibers, (2011) V. 19, No. 23, Optics Express 23278].
Дефицит кислорода в кварцевом стекле сердцевины исключает возможность образования дефектов типа НК, обеспечивая тем самым высокий уровень РС ФВС [Tomashuk A. L., Dianov E. M., Golant K. M., Khrapko R. R., and Spinov D. E. “Performance of special radiation-hardened optical fibers intended for use in the telecom spectral windows at a megagray level,” IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 45, no. 3, pp. 1566–1569, Jun. 1998].
Дефицит кислорода в ФВС реализован в способе [патент РФ №2639560], включающем изготовление ФВС методом MCVD, в котором уменьшение содержания кислорода в сердцевине обеспечивается высокотемпературной обработкой стеклообразного ее слоя в атмосфере сухого азота или аргона.
Недостаток этого способа, принятого за прототип предлагаемого технического решения, заключается в том, что в процессе этой обработки примесный хлор полностью не устраняется даже из тонкой сердцевины одномодовых ФВС и, тем более, из фторсиликатной оболочки (далее - оболочки), что существенно снижает эффективность такого способа повышения РС световодов. Особо остро эта проблема проявляется для многомодовых ВС, в которых только центральная зона сердцевины очищается от хлора и обедняется кислородом.
Решаемая техническая проблема настоящего изобретения заключается в снижении содержания хлора и кислорода как в сердцевине, так и в оболочке оптического волокна.
Достигаемый технический результат - повышение радиационной стойкости кварцевых фторсиликатных волоконных световодов.
Поставленная задача решается предлагаемым способом изготовления ФВС, включающим изготовление MCVD методом трубчатой заготовки, с осаждением слоев фторсиликатной оболочки и сердцевины из чистого кварцевого стекла, при высокотемпературном сжатии которой ее внутренний канал продувают сухим азотом или аргоном с содержанием примесного кислорода не более 10-4 об. %, отличающимся от известного способа тем, что слои оболочки и сердцевины наносят двухстадийным методом, состоящим из осаждения пористого слоя при встречном направлении горелки и потока газовой смеси внутри трубки с последующим остекловыванием пористых слоев при попутном с движением горелки направлении потока газовой смеси, содержащей влагу и кислорода не более 10-4 об. %.
Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемый двухстадийный метод осаждения слоев оболочки и сердцевины исключает внедрение хлора в стекло, а процесс высокотемпературного остекловывания пористых слоев в газовой смеси, содержащей влагу и кислорода не более 10-4 об. %, обеспечивает необходимый дефицит кислорода в кварцевом стекле сердцевины и во фторсиликатной оболочке. Такой способ изготовления ФВС обеспечивает высокий уровень их РС за счет эффективного устранения приводящих к увеличению оптических потерь в световодах дефектов, возникающих в процессе радиационного воздействия.
Предлагаемое новое техническое решение реализовано экспериментально в следующих примерах MCVD способа изготовления световодов.
Пример № 1. MCVD методом изготовлена заготовка одномодового ФВС при нагреве исходной вращающейся трубки кислородно-водородной горелкой, совершающей возвратно-поступательные движения. На внутреннюю поверхность метровой трубы из кварцевого стекла марки F 300 с наружным диаметром 25 и толщиной стенки 3 мм наносили 40 слоев оболочки из кварцевого стекла, легированного фтором и 4 слоя сердцевины из чистого кварцевого стекла. Осаждение слоев осуществляли двухстадийным методом, состоящем из осаждения пористого слоя при встречном направлении горелки и потока газовой смеси внутри трубки с последующим остекловыванием пористых слоев при попутном с движением горелки направлении потока газовой смеси, не содержащей хлора и кислорода. Парогазовую смесь при осаждении слоев оболочки (0,2 SiCl4 + 0,7 O2 + 0,1 SiF4) нагревали до 1500°С при встречном направлении движения горелки и охлаждении потоком воздуха трубки в зоне осаждения частиц. Остекловывание слоев оболочки проводили при температуре 2100°С и попутном направлении движения горелки и потока газовой смеси (0,5 N2 + 0,5 SiF4) внутри трубки. Парогазовую смесь при осаждении пористых слоев сердцевины (0,2 SiCl4 + 0,7 O2) нагревали до 1700°С при встречном направлении движения горелки и охлаждении потоком воздуха трубки в зоне осаждения частиц. Остекловывание слоев сердцевины проводили при температуре 2150°С и попутном направлении движения горелки и потока азота внутри трубки. Процесс сжатия трубки производили за четыре прохода горелки при нагреве трубки до 2300°С. Во внутренний канал трубки в процессе этой операции подавали 300 мл/мин азота. В работе использовали азот высокой чистоты с содержанием основных примесей кислорода и влаги не более 10-4 об. % По данным радиального профиля показателя преломления (ПП), измеренного на рефрактометре Р-101, разность ПП оболочки и сердцевины из чистого кварцевого стекла равна 0,0085. Соотношение средних арифметических значений диаметров сердцевины и фторсиликатной оболочки равно 9, при диаметре сердцевины, равном 0,92 мм.
Из полученной таким образом заготовки вытягивали одномодовый ФВС № 1 диаметром 125 мкм и длиной 5 км. В процессе вытягивания волокно покрывали слоем эпоксиакрилатного полимера толщиной 60 мкм. Световод наматывали на катушку диаметром 160 мм.
Спектр исходных оптических потерь волокон (фиг. 1), измеренный методом обрыва с использованием анализатора оптического спектра марки «Yokogawa AQ6370C» показал, что поглощение ОН группами в ФВС на длине волны 1,38 мкм равно 1,9 дБ/км, а затухание на длинах волн 1,3 и 1,55 мкм, соответственно, 0,3 и 0,2 дБ/км. Длина волны отсечки высшей моды ≈ 1,2 мкм.
НРОП в световоде, измеренные прибором марки «FOD-1208 Optical Tester» на длине волны 1,3 и 1,55 мкм не превышали соответственно 0,7 и 0,4 дБ/км при облучении гамма-источником 60Со дозой 1 кГр и мощностью 1 Гр/с. Мощность зондирующего излучения была на уровне 5 мкВт. НРОП такого ФВС на длине волны 1,3 мкм (0,7 дБ/км) в два раза меньшие по сравнению с аналогичными ФВС фирмы «Fujikura», являющейся мировым лидером по производству радиационно-стойких световодов [T. Wijnands, L.K. De Jonge, J. Kuhnhenn, S.K. Hoeffgen, U. Weinand, Optical absorption in commercial single mode optical fibers in a high energy physics radiation field // IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 55, no. 4, pp. 2216-2222, 2008].
ФВС обладает хорошей способностью восстанавливать оптические потери после облучения. Световоды после облучения дозой 1 кГр при мощности в 3 Гр/с почти полностью восстанавливаются через 10 минут релаксации при комнатной температуре (фиг. 2).
Пример № 2. Методом MCVD изготовлен ФВС по аналогии с примером № 1. Оптические потери световода длиной 200 м измеряли в спектральной области видимого света на длине волны 0,65 мкм, при которой режим распространения излучения является маломодовым. При этом использовали источник лазерного излучения F2H VLS-8 и приемника излучения PD-300R фирмы «Ophir Optronics». Исходные оптические потери ФВС, измеренные методом обрыва, были на уровне 13 дБ/км.
ФВС облучали гамма-источником 60Со дозой 200 Гр при мощности 100 Гр/ч.
НРОП, измеренные по изменению мощности проходящего по ВС излучения в процессе облучения, не превышали 14 дБ/км., что в 2,5 раза меньше, чем у изготовленных по известной технологии ФВС [Sanada K, Shamoto T and Inada K. Radiation resistance characteristics of graded index fiber with a core of Ge-F-doped or B and F- codoped SiO2 glass. J. Non-Cryst. Solids, 1995, v. 189, pp. 283-290].
НРОП в ФВС на длине волны 0,65 мкм исчезают полностью за сутки при выдержке волокна при комнатной температуре.
Низкий уровень РС известных ФВС аналогов обусловлен возникновением дефектов в виде НК с полосой поглощения на длине волны 0,65 мкм. Предлагаемое техническое решение устраняет условия образования таких дефектов.
В отличие от известных ФВС изготовленные по новому техническому решению ВС хорошо восстанавливают оптические свойства после прекращения облучения, обеспечивая возможность их многократного использования.
Пример № 3. По аналогии с примером №1 изготовлен контрольный образец одномодового ФВС, отличающийся тем, что осаждения слоев оболочки и сердцевины осуществляли одностадийным методом, в котором происходили одновременно процессы осаждения частиц и их спекания.
Из полученной таким образом заготовки по аналогии с примером № 1 вытягивали 1 км одномодового световода с длиной волны отсечки, равной 1,2 мкм.
Свойства такого световода оказались хуже по сравнению с примером № 1. Исходные оптические потери, измеренные методом обрыва, показали поглощение ОН группами в ВС на длине волны 1,38 мкм, равное 15 дБ/км, а затухание на длине волны 1,3 и 1,55 мкм, соответственно, 0,9 и 0,5 дБ/км.
Радиационная стойкость такого ВС существенно уступала ФВС первого примера. При аналогичных условиях радиационного воздействия НРОП на длине волны 1,3 и 1,55 мкм были более, чем в 6 раз выше по сравнению с примером № 1 и равны 8 и 2,5 дБ/км. НРОП таких световодов соответствуют свойствам ФВС, полученных MCVD методом при одностадийном способе осаждения слоев стекла сердцевины и оболочки [A. L. Tomashuk, M. Yu. Salgansky, P. F. Kashaykin, V. F. Khopin, A. I. Sultangulova, K. N. Nishchev, S. E. Borisovsky, A. N. Guryanov, E. M. Dianov, “Enhanced radiation resistance of silica optical fibers fabricated in high O2 excess conditions,” J. Lightw. Technol., vol. 32, no. 2, pp 213-219, Jan 2014].
Таким образом заявленный технический результат достигнут.
Claims (1)
- Способ изготовления радиационно-стойких волоконных световодов, включающий изготовление MCVD методом трубчатой заготовки, с осаждением слоев фторсиликатной оболочки и сердцевины из чистого кварцевого стекла, при высокотемпературном сжатии которой ее внутренний канал продувают сухим азотом или аргоном с содержанием примесного кислорода не более 10-4 об.%, отличающийся тем, что слои оболочки и сердцевины наносят двухстадийным способом, состоящим из осаждения пористого слоя при встречном направлении горелки и потока газовой смеси внутри трубки с последующим остекловыванием пористых слоев при попутном с движением горелки направлении потока газовой смеси, содержащей влагу, и кислорода не более 10-4 об.%.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021114225A RU2764038C1 (ru) | 2021-05-20 | 2021-05-20 | Способ изготовления радиационно-стойких волоконных световодов |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021114225A RU2764038C1 (ru) | 2021-05-20 | 2021-05-20 | Способ изготовления радиационно-стойких волоконных световодов |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2764038C1 true RU2764038C1 (ru) | 2022-01-12 |
Family
ID=80040233
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021114225A RU2764038C1 (ru) | 2021-05-20 | 2021-05-20 | Способ изготовления радиационно-стойких волоконных световодов |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2764038C1 (ru) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2396580C1 (ru) * | 2009-03-20 | 2010-08-10 | 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") | Способ изготовления одномодовых волоконных световодов, сохраняющих поляризацию излучения |
RU2469363C2 (ru) * | 2009-04-08 | 2012-12-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Фиберус" | Радиационно стойкий волоконный световод с большим двулучепреломлением, поддерживающий линейную поляризацию (варианты) |
RU2511023C1 (ru) * | 2012-10-19 | 2014-04-10 | Михаил Артемьевич Ероньян | Способ изготовления анизотропных одномодовых волоконных световодов |
RU2537523C1 (ru) * | 2013-09-13 | 2015-01-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Радиационно-стойкий волоконный световод, способ его изготовления и способ повышения радиационной стойкости волоконного световода (варианты) |
RU2576686C1 (ru) * | 2015-03-02 | 2016-03-10 | Михаил Артемьевич Ероньян | Mcvd способ изготовления заготовок для одномодовых световодов |
RU2639560C1 (ru) * | 2017-02-16 | 2017-12-21 | Михаил Артемьевич Ероньян | MCVD способ изготовления одномодовых световодов с сердцевиной из чистого кварцевого стекла |
-
2021
- 2021-05-20 RU RU2021114225A patent/RU2764038C1/ru active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2396580C1 (ru) * | 2009-03-20 | 2010-08-10 | 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") | Способ изготовления одномодовых волоконных световодов, сохраняющих поляризацию излучения |
RU2469363C2 (ru) * | 2009-04-08 | 2012-12-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Фиберус" | Радиационно стойкий волоконный световод с большим двулучепреломлением, поддерживающий линейную поляризацию (варианты) |
RU2511023C1 (ru) * | 2012-10-19 | 2014-04-10 | Михаил Артемьевич Ероньян | Способ изготовления анизотропных одномодовых волоконных световодов |
RU2537523C1 (ru) * | 2013-09-13 | 2015-01-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Радиационно-стойкий волоконный световод, способ его изготовления и способ повышения радиационной стойкости волоконного световода (варианты) |
RU2576686C1 (ru) * | 2015-03-02 | 2016-03-10 | Михаил Артемьевич Ероньян | Mcvd способ изготовления заготовок для одномодовых световодов |
RU2639560C1 (ru) * | 2017-02-16 | 2017-12-21 | Михаил Артемьевич Ероньян | MCVD способ изготовления одномодовых световодов с сердцевиной из чистого кварцевого стекла |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CA2240220C (en) | Optical fiber having low loss at 1385 nm and method for making same | |
EP1845398B1 (en) | Radiation resistant single-mode optical fiber and method of manufacturing thereof | |
US5509101A (en) | Radiation resistant optical waveguide fiber and method of making same | |
EP1215179A2 (en) | Method of fabricating a preform and optical fiber | |
US20090208760A1 (en) | Energy-transmitting or ultraviolet light-transmitting optical fiber preform and production process thereof | |
US20120134376A1 (en) | Radiation-Insensitive Optical Fiber Doped with Rare Earths | |
US4335934A (en) | Single mode fibre and method of making | |
US20170203995A1 (en) | Method for producing a tubular semifinished product from quartz glass, method for producing an optical component using the semifinished product, and semifinished product consisting of quartz glass doped with fluorine | |
CN102149648A (zh) | 光纤母材的制造方法 | |
RU2764038C1 (ru) | Способ изготовления радиационно-стойких волоконных световодов | |
US8873915B2 (en) | Low-loss optical fiber over wide wavelength range and method of manufacturing the same | |
KR100445046B1 (ko) | 광섬유용 모재의 코어 유리, 코어 유리로부터 제조된 모재, 및 코어 유리와 광섬유의 제조 방법 | |
US20240069272A1 (en) | Microstructured optical fiber and preform for same | |
US9025922B2 (en) | Optical fiber and method for manufacturing silica glass | |
Kashaykin et al. | Gamma-radiation-induced attenuation of light in pure-silica core optical fiber in long-wavelength region | |
RU2462737C1 (ru) | Способ изготовления световодов на основе кварцевого стекла с малыми оптическими потерями | |
CN114040894A (zh) | 具有氢阻障层的石英光纤及其生产方法 | |
US20130291602A1 (en) | Optical fiber preform manufacturing method | |
US20150040616A1 (en) | Optical fiber glass base material manufacturing method and optical fiber glass base material | |
EP1179514B1 (en) | Silica optical fiber | |
JP2005181414A (ja) | 光ファイバの製造方法 | |
RU2537523C1 (ru) | Радиационно-стойкий волоконный световод, способ его изготовления и способ повышения радиационной стойкости волоконного световода (варианты) | |
CN118330809A (zh) | 新型的耐辐照光纤及其制备方法 | |
Kashaykin et al. | Drawing-and radiation-induced color centers in pure-silica-core optical fibers in the near-IR range | |
Zaurbekova | PF Kashaykin2, 3, EA Pospelova 2, IE Kenzhina1, 5, Zh. A. Zaurbekova, SK Askerbekov, M. Yu. Salgansky 4, AA Shaimerdenov, AU Tolenova1, 5, AL Tomashuk2 |