CC BY
24вкво-2019 -- вкво-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты
MCVD МЕТОД ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЕТОВОДОВ С ОДНОРОДНОЙ СЕРДЦЕВИНОЙ Yb2O3-Al2O3-P2O5-SiO2
1* 12 2 Липатов Д.С. , Гурьянов А.Н. , Бобков К.К. , Лихачев М.Е.
1ИХВВ РАН, г. Нижний Новгород t 2НЦВО РАН, г. Москва * E-mail: [email protected]
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16065
Высоколегированное Yb2O3 алюмофосфоросиликатное стекло (Yb-APS) представляет большой интерес в качестве материала сердцевины одномодового световода. Большой диаметр сердцевины (малая An) и короткая длина световода (эффективное поглощение накачки) обеспечивают высокий порог нелинейных эффектов и высокую выходную мощность источников излучения. Состав и однородность стекла определяют форму профиля показателя преломления (ППП) световода, которая в свою очередь влияет на качество выходного пучка и диаметр поля моды. Световоды изготовленные методом MCVD имеют наибольшее изменение состава стекла в центре сердцевины вследствие интенсивного нагрева открытой поверхности осевого слоя при схлопывании преформы. В случае APS стекла испарение P2O5 приводит к существенному изменению показателя преломления. В зависимости от соотношения Al2O3/P2O5 на ППП образуется либо "пик", что сужает диаметр поля моды и резко снижает порог нелинейных эффектов, либо "провал" - мода приобретает форму "бублик". В работе представлены результаты исследований по изготовлению Yb-APS световодов с ровным и строго ступенчатым ППП.
Yb-APS стекло изготавливалось полностью из газовой фазы с использованием SiCl4, POCl3, AlCl3 и Yb(thd)3. Вначале осаждался пористый слой APS матрицы. Далее в трубу поступали пары Yb(thd)3 и образующиеся в зоне нагрева частицы Yb2O3 осаждались на поверхности пористого слоя. Затем Yb2O3/Al2O3/P2O5/SiO2 слой сплавлялся в прозрачное стекло в атмосфере CCl4 для удаления водородсодержащих примесей. Изготовление сердцевины диаметром 2 мм происходило за счет осаждения 10 тонких слоев, каждый из которых пропитывался Yb2O3 в течении 2-4 проходов горелки. Для снижения испарения Р2О5 использовалась тонкостенная опорная труба (толщина стенки 1,3 мм), которая перед осаждением сердцевины сжималась до внутреннего диаметра 5-6 мм. Это позволило снизить температуру (на 200-250 °С) и время схлопывания (1 проход горелки), но даже в этих условиях происходило испарение Р2О5 из центра сердцевины.
Для компенсации количества испаренного Р2О5 последний слой изготавливался при увеличенном расходе POCl3 (рис. 1). Объем слоя, из которого испаряется Р2О5 меньше толщины осажденного слоя, в результате осевой слой имеет область с большей (H) и с меньшей (L) концентрацией фосфора относительно остальной сердцевины. Увеличение на 30 % расхода POCl3 (кривая 2) компенсирует потерю Р2О5 из области L, но повышает содержание Р2О5 в области H и показатель преломления. Уменьшение же толщины центрального слоя до размера области L не позволяет сохранить требуемое количество Р2О5 вследствие сложности удержания Р2О5 в тонком слое при его сплавлении.
Следующий подход заключался в удалении Yb-APS слоя, обедненного P2O5. Трубчатая преформа сжималась до предельно малого внутреннего диаметра ~1.5 мм и внутренний поверхностный слой стекла стравливался в потоке C2F3Cl3. Во время травления происходило помутнение осевого слоя сердцевины и в схлопнутой преформе центральная область становилась полностью непрозрачной. Обнаружено, что помутнение стекла обусловлено выделением Yb2O3 в отдельную фазу вследствие селективного травления Yb-APS стекла C2F3Cl3:
3SiO2 + 4C2F3Cl3 + 5O2| ^ 3SiF4| + 8CO2f + 6Cl2| (1)
2Al2O3 + 4C2F3Cl3 + 5O2| ^ 4MF3T + 8CO2| + 6Cl2|(2)
2Р2О5 + 4C2F3Cl3 + 5O2T ^ 4POF3| + 8CO2T + 6^(3)
Согласно термодинамическому расчету Yb2O3 не взаимодействует с C2F3Cl3. При температуре 1700-1900 °С иттербий может удаляться из стекла в виде YbF3 по реакции (4):
2Yb2O3 + 3SiF4| ~ 4YbF3| + 3SiO2 (6)
Однако YbF3 имеет низкую летучесть. В процессе травления поверхностный слой обедняется Al203 и Р2О5, в то время как концентрация Yb203 становится выше предела растворимости в APS стекле и происходит выделение Yb2O3 в виде отдельной фазы.
132 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
вкво-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты
Концентрация фосфора в стекле зависит не только от состава парогазовой смеси, толщины осаждаемого слоя и температуры его сплавления, но также определяется равновесием газ - твердая фаза. Для подавления испарения Р2О5 из стекла процесс схлопывания был проведен в направлении потока POCI3. Обнаружено, что в данном режиме схлопывания концентрация фосфора в осевом слое определяется концентрацией Р2О5 в атмосфере трубы, которая в свою очередь зависит от количества POCl3, пропускаемого через трубу до момента ее консолидации. В начале схлопывания происходит внедрение Р2О5 из атмосферы трубы в размягченное стекло и показатель преломления осевой области увеличивается относительно остальной сердцевины (рис. 2 точка 100 мм). Центральный участок преформы длиной ~ 100 мм имеет однородное стекло сердцевины (рис. 2 точка 200 мм), а в конце преформы концентрации пара Р2О5 в трубе становится недостаточной для подавления испарения Р2О5 из осажденного стекла, что приводит к снижению показателя преломления в центре преформы (рис. 2, точка 300 мм).
Рисунок 1. ППП в преформах, изготовленных при повышенном на 15 % (кривая 1) и 30 % (кривая 2) расходом РОС13 в последнем слое
Рисунок 2. ППП в преформе с Yb-APS сердцевиной, схлопывание проводилось в направлении потока POCl3
Размер центрального провала в фосфоросиликатных световодах не зависит от количества проходов сжатия трубы, поскольку основная доля Р2О5 испаряется в течении первого прохода сжатия, когда внутренний диаметр трубы максимален и высокотемпературной обработке подвергается большая площадь поверхности стекла. С целью снижения площади поверхности осевого слоя, труба с осажденным УЬ-ЛРБ стеклом сжималась до предельно малого внутреннего диаметра 1-2 мм. Чтобы исключить потерю Р2О5 в трубу поступал РОС13. Консолидация трубы проводилась при обратном проходе горелки и пониженном давлении в атмосфере кислорода для исключения внедрения Р2О5 в осевой слой сердцевины. На рисунке 3 представлены данные преформы с УЬ-ЛРБ сердцевиной, изготовленной с учетом всех особенностей разработанного метода. Одинаковая форма ППП (А), снятых по длине преформы и накладывающихся друг на друга, а также элементный анализ стекла (В) свидетельствуют об однородности УЬ-ЛРБ стекла на участке преформы 270 мм.
ю
§ s
Оч"
5 З1
<s а. н х о
X
о
- R .......pA -AIA -Y»A
..U п —— — Ь i i V;
-2000 -1000 0
Радиус, мкм
1000
2000
Рисунок 3. ППП (А) и анализ стекла сердцевины (В) в УЪ-АРБ преформе Работа выполнена в рамках госзадания ИХВВ РАН и программы президиума РАН №13
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»
