Анализ материалов для оптического волокна Текст научной статьи по специальности «Физика»

АНАЛИЗ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА

В.Г. Иванов Введение

Создание высоконадежных оптических кабельных систем связи стало возможным в результате разработки оптических волокон с малыми потерями. Важнейшим фактором в развитии оптических систем и кабелей связи явилось появление оптического квантового генератора - лазера.

Волоконная оптика в настоящее время получила широкое развитие и находит применение в различных областях науки и производства (связь, радиоэлектроника, энергетика, термоядерный синтез, медицина, машиностроение, вычислительные комплексы и т.д.). Темпы роста волоконной оптики и оптоэлектроники на мировом рынке составляют 40% в год. Технико-экономический анализ показал, что в перспективе при массовом производстве оптических кабелей они будут конкурентоспособными с электрическими при потребностях обеспечения передачи

7 9

сигналов в диапазонах частот 10-10 Гц.

Кабельная техника развивается в следующих направлениях:

• преимущественное развитие коаксиальных систем, позволяющих организовать мощные пучки связи и передачу программ телевидения на большие расстояния по однокабельной системе связи;

• создание и внедрение перспективных волоконно-оптических кабелей связи;

• широкое внедрение в кабельную технику пластмасс, обладающих хорошими электрическими и механическими характеристиками и позволяющих автоматизировать производство;

• внедрение алюминиевых, стальных и пластмассовых оболочек вместо свинцовых. Оболочки должны обладать герметичностьностью и обеспечивать стабильность электрических параметров кабеля в течение всего срока службы;

• разработка и внедрение в производство экономичных конструкций кабелей внутризоновой связи (однокоаксиальных, одночетверочных, безбронных).

• создание экранированных кабелей, надежно защищающих передаваемую по ним информацию от внешних электромагнитных влияний и грозы;

• повышение электрической прочности изоляции кабелей связи.

Все эти направления ставят перед собой цель - развитие линий связи до уровня требований, предъявляемых высокоразвитой современной техникой электросвязи:

• стабильность и устойчивость электрических параметров линии связи;

• осуществление внутригосударственной связи на расстояния до 12500 км;

• широкополосность и пригодность для передачи различных видов информации (телевидение, телефонирование и т.д.);

• экономичность системы в целом.

В первую очередь стоит обратить внимание на проблему стабильности работы ВОЛС. Неоспоримое преимущество волоконно-оптической связи - высокая скрытость (ответвление сигнала возможно только при непосредственном подсоединении к кабелю, что нередко весьма проблематично).

Изготовление стекла состоит из нескольких этапов, которые определяют условия получения высококачественного стекла, необходимого для волоконной и интегральной оптики. В этот процесс входят: выбор шихтных материалов, составление шихты, выбор печи и материала тигля, варка стекла, отжиг стекла, разделка и переработка стекла.

Химическая устойчивость стекол

Химическая устойчивость - сложное свойство поверхности стекла, отражающее степень ее химической активности при взаимодействии с водой или водными растворами.

Некоторые стекла отличаются химической устойчивостью. Так, например, кварцевое стекло не растворяется в растворах кислот.

Существует два показателя, основанных на химической устойчивости стекла: устойчивость к пятнающим реагентам или устойчивость к кислоте; устойчивость к действию влажной атмосферы.

Устойчивость к пятнающим реагентам (кислоте). Под действием пятнающих реагентов на поверхности стеклянных полированных деталей возникают пятна произвольной формы и разнообразной окраски. Пятна являются следствием локальных взаимодействий не по всей поверхности и, как правило, возникают при изготовлении оптических деталей. Цвет пятна колеблется от слабо-оранжевого до желтовато-коричневого. На пятнание влияет состав стекла и температура пятнающего агента. Оно также определяется концентрацией кремнезема и борного ангидрида. (Увеличение концентрации БЮг увеличивает стойкость стекла к пятнанию, а В203 -снижает). Щелочные стекла с большим радиусом ионов имеют особенно сильную склонность к пятнанию. С другой стороны, 2г, А1, Б и уменьшают склонность к пятнанию. Несиликатные стекла имеют две закономерности: у них чаще всего имеет место не пятнаемость, а нарушение поверхности; кроме того, на их устойчивость сильное влияние оказывает введение щелочных металлов.

Устойчивость к влажной атмосфере. Устойчивость к влажной атмосфере есть характеристика взаимодействия поверхности стекла исключительно с водяными парами при обязательном отсутствии выпадения на стекло капель воды (в противном случае начинается пятнание). Налетоопасность приносит больший вред, чем пятнаемость, так как поражает прибор в целом. Оценка качества поверхности налетоопасных стекол производится после пребывания во влажной атмосфере при следующих условиях: силикатных стекол - при 85%-ной влажности и Т = +50оС; для несиликатных стекол - при 85%-ной влажности и Т = +60оС.

Классификация оптических стекол

К стеклу, которое используются в ВОЛС, предъявляется целый комплекс требований. Их выполнение возможно при одновременном сочетании в стекле целого ряда свойств. В связи с этим оптическое стекло делится на несколько групп.

Оптическое бесцветное стекло. Группа этих стекол, разнообразных по двум основным параметрам - показателю преломления и коэффициенту дисперсии - служит для построения всей рефракционной оптики. Большое количество марок (эта группа насчитывает около 150 различных марок) стекла с различными комбинациями п^ и уе позволяет строить объективы, исправленные относительно хроматических и других аберраций.

Оптическое цветное стекло. Основной нормируемой характеристикой здесь является спектр поглощения в видимой области. Эти стекла используются в качестве фильтров для выделения той или иной области спектра.

Оптические активированные стекла - сравнительно новая группа. В эти стекла включаются специальные добавки элементов, придающих стеклу определенные спектральнолюминесцентные характеристики. Среди таких добавок можно встретить переходные металлы и лантаноиды, с помощью которых получают стекла с узкими полосами люминесценции, необходимыми для генерации света в стекле лазера.

Оптические стекла, прозрачные в особых областях спектра. Сюда относятся халькогенидные стекла, прозрачные в области 1,0-25 мкм. Эти стекла замечательны тем, что в их состав в достаточно большом количестве входят такие металлы, как германий и мышьяк.

Специальные оптические стекла. Особые спектральные характеристики этих стекол зависят от облучения светом и особых магнитооптических свойств.

Анализируя состав стекол, следует отметить, что чем выше содержание БЮ2, А120з и им подобных окислов, тем выше температура варки стекла. А такие окислы, как Ш2О, К2О, В2Оз, РЬО, наоборот, резко понижают температуру варки стекла.

Наиболее распространены в производстве оптического стекла такие окислы, как БЮ2, Ш2О, К2О, СаО, ВаО, РЬО, 2иО, М2О3, Ьа2Оз, В2О3. Этот факт благоприятен и с точки зрения производства стекол для волоконной оптики: подобные стекла необходимо изготавливать из сверхчистых материалов, следовательно, нет нужды добиваться очистки всех материалов, а достаточно иметь только перечисленные окислы в волоконном исполнении.

Силикатные стекла

Силикатные стекла представляют большой практический интерес. Среди используемых стекол их доля составляет около 95%.

Самым простым, однокомпонентным является кварцевое стекло. На практике часто используется многокомпонентное стекло, содержащее, помимо БЮ2,, добавки щелочных, щелочноземельных и других оксидов.

Структура щелочносиликатных стекол является результатом разрыва непрерывной трехмерной сетки тетраэдров [8Ю4]-Ме+. С точки зрения связи это -переход от чисто мостиковых (ковалентных) связей кислорода -БьО- Бь к появлению значительной концентрации немостиковых (ионных) связей типа -БьО-Ме-.

Таким образом, структура стекла в месте встраивания ионов Ме+ оказывается разорванной. Разрыв связей идет до тех пор, пока все тетраэдры не будут изолированы друг от друга. Это должно приводить к быстрой кристаллизации подобных расплавов, а по структуре соответствовать ортосиликату, в котором Ме2: БЮ2=2:1.

Начиная с 10 мол% №2О, склонность к стеклообразованию увеличивается и достигает максимума приблизительно при 23 мол% №2О. Такой состав практически соответствует эвтектике, образованной кремнеземом и дисиликатом натрия (Ка2О-28Ю2). Второй максимум наблюдается вблизи эвтектики, образованной дисиликатом натрия и метасиликатом натрия, Ка2О-8Ю2.

Таким образом, стеклоустойчивость зависит от положения кривой ликвидуса. Низким температурам ликвидуса соответствует большая стеклоустойчивость. При приближении к составу эвтектики скорость кристаллизации первично выделяющейся фазы (кристобалита) уменьшается; в то же время возрастает скорость кристаллизации вторично выделяющейся фазы (дисиликата). Аналогичная ситуация наблюдается и в литиевых стеклах. Скорость кристаллизации обратно пропорциональна вязкости стекла.

Катионы щелочноземельных элементов в структуре стекла выполняют роль модификаторов, т.е. они тоже способствуют образованию немостиковых ионов кислорода. Но степень связанности кремнекислородной сетки здесь падает слабее, чем при введении щелочных оксидов, так как щелочноземельные ионы, обладая более высоким зарядом, могут связывать отдельные кремнекислородные цепочки.

Таким образом, роль катионов в структуре стекла и их влияние на его свойства определяются следующими параметрами: зарядом и радиусом иона, координационным

числом, поляризуемостью и поляризующей способностью, силой поля катиона, степенью ионности-ковалентности, направленностью и прочностью химических связей.

В трехкомпонентных стеклах, в первую очередь содержащих одновременно оксиды щелочных и щелочноземельных элементов, их подобие и различия проявляются в полной мере. В частности, в системе Ка20-Са0-2БЮ2 наблюдаются те же структурные изменения, что и в простых (двойных) стеклах. Однако замена №20 на СаО приводит к увеличению степени связанности каркаса стекла, что отражается на его свойствах, в частности, на увеличении вязкости и химической стойкости.

Введение СаО и М§О повышает стабильность стекла с малым содержанием БЮ2 и позволяет получать стекла составов 0,84 №20-0,2 Са0-1,0 БЮ2 (49 мол% БЮ2); №-М§-БЮ2 (45,7 мол% БЮ2).

Многочисленные экспериментальные исследования показывают, что в стекле алюминий выполняет ту же структурную роль, что и в кристаллах. Поэтому при введении А12Оз в щелочносиликатное стекло происходит связывание немостиковых ионов кислорода в тетраэдры [А1О4]-, упрочение структуры стекла и увеличение его стабильности. Но так продолжается только до соотношения А12О3:Ме2О=1, после чего весь избыточный по отношению к щелочи алюминий переходит в октаэдрическую координацию, выступая в роли модификатора и ослабляя структуру стекла.

Боратные стекла

В отличие от чистого БЮ2, чистый В2О3 не представляет никакого практического интереса, что обусловлено, в первую очередь, его низкой химической устойчивостью (подобное стекло очень быстро разрушается атмосферной влагой). Поэтому в практике В2О3 обычно вводится в силикатные стекла. Сами боратные стекла используются редко.

Основное отличие чистого В2О3 от структуры БЮ2 - замена тетраэдров на треугольники. Закристаллизовать же В2О3 гораздо труднее, чем БЮ2. До сих пор никто не наблюдал непосредственно кристаллизацию В2О3 при атмосферном давлении. Это обстоятельство связывают с аномально высоким отношением прочности связи к температуре плавления В2О3. Действительно, чем прочнее связь и чем ниже температура плавления, тем легче образуется стекло. В случае В2О3 оба эти фактора одновременно способствуют стеклообразованию.

Структура боратных стекол в двойных системах также существенно отличается от структуры соответствующих силикатных стекол. При введении Ме0 в борный ангидрид происходит переход части треугольников в тетраэдры в соответствии с реакцией [В2О3] + Ме2О ^ [В04]-Ме.

Стекла от чистого В2О3 до состава с максимальным содержанием модифицирующего окисла образуются только со щелочными ионами. Но практически расплавы во многих случаях не способны образовывать стекла.

Стабильность стекол с высоким содержанием РЬ0 и ВеО3 объясняется особенностями строения ионов РЬ и Ве, которые имеют внешнюю электронную оболочку и 18 электронов и обладают большой поляризуемостью и направленностью своих связей с кислородом, что затрудняет перегруппировку не только В2О3, но и БЮ2.

Особый интерес представляют системы, содержащие два стеклообразователя -В2О3 и БЮ2, так как большинство практически важных стекол основано именно на этих системах.

Бор в щелочно-силикатных системах играет ту же роль, что и алюминий, но, в отличие от последнего, никогда не является модификатором, даже при избытке содержания по сравнению с Ме2О. В последнем случае стеклообразование осуществляется треугольниками [В2О3].

Особенности строения и свойств силикатных и боратных стекол используются для создания широкого набора различных сортов стекол - технических, оптических, специальных.

Германатные стекла

Эти стекла являются ближайшими аналогами силикатных стекол. В отличие от БЮ2, температура плавления кристаллических форм ОеО2 сравнительно низка (Тпл=1185 °С для рутилоподобной формы). Поэтому германатные стекла по сравнению с силикатными плавятся легче, отличаются меньшей химической стойкостью и, следовательно, практического применения почти не имеют.

Германатные стекла менее стабильны по сравнению с силикатными; их вязкость при температуре ликвидуса намного выше, чем у силикатных стекол.

В германатных стеклах германий может находиться как в тетраэдрической, так и в окраэдрической координации. Они похожи на боратные стекла в том смысле, что введение Ме2О не приводит первоначально к образованию немостиковых связей.

Фосфатные стекла

В основе фосфатных стекол лежит Р2О. Они построены из тетраэдров [РО4], причем один из атомов кислорода не может участвовать в образовании связи с другими полиэдрами, входящими в состав стекла, из-за наличия двойной связи Р=О. Мостиковыми могут быть только три атома кислорода тетраэдра [РО4], что является основным отличием от тетраэдрических группировок. Пространственная структура фосфатных стекол состоит из колец разного размера, образованных связями Р-О, лент или цепочек из тетраэдров [РО4].

Вследствие высокой летучести перевод Р2О5 в стеклообразное состояние возможен лишь в запаянном сосуде.

В двойных системах стекла образуются в широких концентрационных пределах. Зато при смешанных стелообразователях Р2О5-БЮ2 и Р2О5-В2О3 области стеклообразования практически отсутствуют.

Основными недостатками фосфатных стекол являются большая склонность к кристаллизации, малая химическая стойкость, сильная летучесть, резкий переход от жидкого состояния к твердому.

Фосфатные стекла находят применение при изготовлении оптических стекол, а также при получении цветных и специальных стекол. В частности, увиолевые стекла на основе системы Ы2О-ВеО-Р2О5 хорошо пропускают УФ-лучи вплоть до 195 нм. На их основе изготавливают теплозащитные очки.

Существует еще несколько классов оксидных стекол - теллуритные, ванадиевые и др. К ним применимы те же принципы стеклообразования, что и к рассмотренным выше. Частично практическое значение имеют только теллуритные стекла, обеспечивающие ид<2.

Галогенидные стекла

Наиболее известны стекла на основе ВеБ2, который в кристаллохимическом отношении похож на БЮ2, но обладает более ослабленной структурой.

Границы областей стеклообразования в двойных системах очень сильно различаются по сведениям различных авторов.

Стекла кристаллизуются и могут быть получены только в малых объемах. Следует отметить токсичность и летучесть ВеБ2, вследствие чего эти стекла

практически не находят применения, хотя и обладают рядом ценных свойств, например, повышенным пропусканием в УФ (185 нм) и ИК (5,5 мкм) областях спектра.

В последнее время большое внимание привлекли стекла на основе 2гБ4 и РЬБ2. Интерес к ним обусловлен тем, что в ИК-области спектра они могут обладать поглощением менее 0,01 дБ/км, что важно в линиях связи. Однако в силу их очень высокой кристаллизационной способности и из-за трудности полного избавления от кислорода в настоящее время их поглощение находится на уровне единиц дБ/км. Сюда же следует отнести трудности их переработки в волоконнооптические изделия из-за кристаллизации и необходимость полной их изоляции от атмосферы при перетяжке, чтобы не загрязнять их кислородом.

Халькогенидные стекла

Б и Бе в чистом виде дают стекла. Еще более сильно стеклообразование проявляется для таких соединений, как А12Б3. Сейчас этот класс стекол интенсивно изучается. Они значительно отличаются от родственных (та же группа) кислородных стекол. Если сравнить соединения А1203 и А12Б3, то они сходны по структуре, и оба являются стеклообразователями. Но в системе Аб-0 стекло образуется только для соединения Аб203, в то время как сплавы Аб-Б можно получить от чистого Аб до чистой Б, т.е. в любых соотношениях.

К халькогенидным стеклам, по-видимому, не применимы концепции модификатора, так как в стекло можно ввести МеБ или Ме2Б в очень малых концентрациях, и нельзя с уверенностью сказать, что они разрывают сетку.

Халькогенидные стекла образуются в широком интервале составов в системах с элементами IV и V групп (Ое, Б1, Р, Аб, БЬ, В1). Последние можно получить в аморфном состоянии, что подтверждается существованием стеклообразных СёВеАБ2 и СёОеР2. У всех этих элементов структура определяется преимущественно ковалентными связями.

Как в двух-, так и в трехвалентных системах, содержащих халькоген, получены обширные области стеклообразования. Это, в первую очередь, относится к системам А8-Б(8е)-Ое(Т1), но до некоторых пределов сюда входят Аи, А§, Си, Сё, М§, Оа, Ьп, Бп, РЬ.

Обширные области устойчивости обнаружены в системах Те-БьР, Бе-БЬ-Б^ Б-БЬ-Я Бе-Ое-Р, Ое-Р-Б, Те-БьАв.

Проблемы и перспективы

Высокая степень развития поверхности волоконных световодов в сочетании с их длинномерностью ставит проблему защиты поверхности в ранг самых актуальных. Важно уделить внимание следующим аспектам этой проблемы: защита световода от химических и механических повреждений; химическая защита от воды; механическая защита от климатических и технологических воздействий; защита от микроизгибов световода, приводящих к росту затухания.

Уже сегодня имеется большое количество методов определения, выявления, устранения множества повреждений, полученных как в процессе создания кабеля, так и в процессе работы.

Тщательно выбирая метод создания стекла (для конкретной задачи), можно не только производить ВОЛС с усиленной защитой от наиболее существенных проблем, улучшенными показателями передачи большего объема информации, но и предупреждать возможные повреждения.

Весьма перспективно применение оптических кабелей на высоковольтных линиях передачи (ЛЭП) для организации технологической связи и телемеханики.

Оптические волокна встраиваются в фазу или в торс. Здесь реализуется высокая защищенность каналов от электромагнитных воздействий ЛЭП и грозы.

Легкость, малогабаритность, невоспламеняемость оптических кабелей сделали их весьма полезными для монтажа и оборудования летательных, судов и других мобильных устройств.

Исследование фтористых и халькогенидных стекол с добавками циркония, бария и других соединений, обладающих сверхпрозрачностью в инфракрасном диапазоне волн, дает возможность еще больше увеличить длину регенерационного участка.

При построении абонентских сетей ВОЛС, кроме традиционной структуры телефонной сети радиально-узлового типа, предусматривается организация кольцевых сетей, обеспечивающих экономию кабеля.

Можно полагать, что в ВОЛС второго поколения усиление и преобразование сигналов в регенераторах будут происходить на оптических частотах с применением элементов и схем интегральной оптики. Это упростит схемы регенерационных усилителей, улучшит их экономичность и надежность, снизит стоимость.

В третьем поколении ВОЛС предполагается использовать преобразование речевых сигналов в оптические непосредственно с помощью акустических преобразователей. Уже разработан оптический телефон и проводятся работы по созданию принципиально новых АТС, коммутирующих световые, а не электрические сигналы. Имеются примеры создания многопозиционных быстродействующих оптических переключателей, которые могут использовать для оптической коммутации.

Литература

1. Берлин Б.З. Волоконно-оптическая связь на ГТС. / Справочник. М.: Радио и связь, 1994.

2. Гроднев И.И., Мурадян А.Г., Шарафутдинов Р.М. Волоконно-оптические системы передачи и кабели. Справочник. М.: Радио и связь, 1993.

3. Гроднев И.И. Оптические кабели. Конструкция, характеристики. М.: Энергоатомиздат, 1991

4. Данилов С.В. Основы материаловедения для волоконной оптики / Учебное пособие. СПб.: СПбГИТМО(ТУ), 1998

5. Скляров О. К. Современные волоконно-оптические системы передачи.

6. Стерлинг Д.Д. Техническое руководство по волоконной оптике. М.: Лори, 1998.

7. Убайдулбаев Р. Волоконно-оптические сети. М.: ЭпоТРЕНДЗ, 1998