Microsoft Word doc

раздела
между
сердцевиной
и
оболочкой
световода
(
рис
. 11.19, 
а
). 
Рас
-
пространяющийся
свет
содержит
два
типа
мод
: 
моду
, 
которая
распространяется
почти
вдоль
оптической
оси
1 
и
группу
мод
2, 
которые
распространяются
под
углом
к
оптической
оси
, 
много
-
кратно
отражаясь
от
границы
раздела
. 
Эти
моды
имеют
различ
-
ную
групповую
скорость
, 
поэтому
, 
возбуждаясь
одновременно
на
входе
, 
они
разделяются
так
, 
что
на
выходе
между
ними
образует
-
ся
временной
сдвиг
. 
Следовательно
, 
при
распространении
ко
-
роткого
светового
импульса
в
таком
световоде
ширина
импульса

---

293 
Рис
. 11.19. 
Распространение
света
:
а
– 
в
волоконном
световоде
со
ступенчатым
профилем
показателя
преломления
;
б
 –
в
градиентном
световоде
; 
в
 –
в
одномодовом
световоде
возрастает
. 
Межмодовая
дисперсия
практически
отсутствует
в
гра
-
диентном
световоде
(
рис
. 11.19, 
б
). 
В
одномодовом
световоде
им
-
пульс
передается
без
искажения
(
рис
. 11.19, 
в
). 
11.3. 
Материалы
 
для
 
изготовления
оптических
 
волокон
 
В
настоящее
время
ВС
изготавливают
главным
образом
из
кварцевого
стекла
(
волокна
«
кварц
– 
кварц
») 
и
многокомпонент
-
ных
стекол
соответствующего
состава
(
волокна
«
стекло
– 
стекло
»). 
В
некоторых
случаях
применяют
полимерные
ОВ
. 
Иногда
серд
-
цевину
выполняют
из
кварцевого
или
многокомпонентного
стек
-

---

294 
ла
, 
а
оболочку
из
полимера
(
например
, 
волокна
«
кварц
– 
поли
-
мер
»). 
Из
кварцевого
стекла
изготавливают
ВС
высокого
качест
-
ва
. 
Достоинство
его
перед
другими
видами
оптически
прозрач
-
ных
диэлектриков
состоит
в
том
, 
что
он
обладает
наименьшими
потерями
на
поглощение
. 
Для
создания
необходимой
разности
показателей
прелом
-
ления
сердцевины
и
оболочки
ОВ
кварцевое
стекло
легируют
соответствующими
веществами
, 
например
оксидами
германия
, 
фосфора
, 
бора
и
др
. 
Так
, 
для
увеличения
показателя
преломле
-
ния
сердцевины
двухслойного
ОВ
в
состав
SiO
2
вводят
такие
легирующие
добавки
, 
как
окислы
GeO
2
, P
2
O
5
и
TiO
2
. 
Требуемую
разность
показателей
преломления
сердцевины
и
оболочки
ОВ
можно
обеспечить
, 
уменьшая
показатель
прелом
-
ления
кварца
путем
легирования
его
веществами
, 
понижающими
показатель
преломления
, 
например
двуокисью
бора
В
2
О
3
. 
Другая
возможность
понижения
показателя
преломления
заключается
в
добавлении
фтора
в
плавленый
кварц
. 
Разность
показателей
преломления
чистого
SiO
2
и
материала
с
добавкой
фтора
увели
-
чивается
линейно
с
увеличением
концентрации
фтора
. 
Высокая
температура
плавления
кварца
затрудняет
произ
-
водство
ОВ
. 
Для
облегчения
технологического
процесса
применя
-
ют
различные
добавки
к
SiO
2
, 
позволяющие
не
только
варьировать
показатель
преломления
, 
но
и
снижать
температуру
плавления
. 
ОВ
становится
световодом
только
в
том
случае
, 
если
сердцевина
имеет
более
высокий
показатель
преломления
, 
чем
окружающая
область
. 
Поэтому
большинство
ОВ
изготавливают
с
оболочкой
из
чистого
SiO
2
, 
а
показатель
преломления
сердце
-
вины
повышают
присадкой
оксида
германия
или
фосфора
. 
Ино
-
гда
делают
наоборот
: 
из
чистого
кварца
изготавливают
сердце
-
вину
, 
а
снижение
показателя
преломления
оболочки
достигают
легированием
оксидом
бора
. 
В
последнее
время
все
более
широ
-
кое
применение
находят
ОВ
из
многокомпонентных
стекол
и
полимеров
. 
Многокомпонентные
стекла
(
натрий
-
боросиликаты
, 
силикаты
калия
, 
алюмосиликаты
натрия
) 
имеют
значительно

---

295 
более
низкую
температуру
плавления
, 
чем
кварцевое
стекло
, 
что
существенно
упрощает
процесс
вытяжки
ОВ
. 
Однако
при
существующей
технологии
изготовления
таких
стекол
, 
связанной
с
плавлением
исходных
материалов
, 
невоз
-
можно
обеспечить
высокую
чистоту
стекломассы
. 
Поэтому
мно
-
гокомпонентные
стекла
целесообразно
использовать
при
деше
-
вом
массовом
производстве
ОВ
среднего
качества
, 
например
для
обеспечения
связи
на
короткие
расстояния
на
внутренних
сетях
. 
Полимерные
ВС
имеют
также
значительно
более
высокие
потери
, 
чем
стеклянные
. 
Например
, 
в
лучших
ВС
из
полиме
-
тилметакрилата
затухание
составляет
около
20 
дБ
/
км
. 
Однако
полимерные
ОВ
очень
дешевы
и
отличаются
высокими
механи
-
ческими
характеристиками
. 
Это
позволяет
широко
использовать
полимерные
ОВ
в
оптических
линиях
протяженностью
в
сотни
метров
, 
где
они
способны
успешно
конкурировать
с
ОВ
из
мно
-
гокомпонентного
стекла
. 
11.4. 
Технология
 
изготовления
 
оптических
 
волокон
 
Одним
из
начальных
этапов
технологического
процесса
производства
ОВ
является
изготовление
из
стекла
заготовки
, 
ко
-
торой
придают
в
поперечном
сечении
нужную
геометрию
волок
-
на
. 
Поэтому
заготовку
, 
позволяющую
получать
ОВ
длиной
более
10 
км
при
диаметре
125 
мкм
, 
достаточно
подвергнуть
вытяжке
. 
Технологический
процесс
изготовления
заготовок
для
квар
-
цевых
ОВ
может
базироваться
на
методе
 
парофазного
 
осаждения
. 
В
основе
этого
метода
лежит
реакция
окисления
высокочистых
компонентов
(
например
, SiCl
4
, GeCl
4
), 
в
результате
которой
обра
-
зуются
частицы
SiO
2 
и
GeO
2
. 
В
зависимости
от
того
, 
где
обра
-
зуются
частицы
стекла
– 
на
внешней
или
внутренней
поверхно
-
сти
исходной
трубки
– 
при
указанном
методе
происходит
внеш
-
нее
и
внутреннее
осаждение
. 
Процесс
внешнего
 
парофазного
 
осаждения
осуществляет
-
ся
горелкой
, 
в
которую
подают
смесь
примесей
в
виде
хлоридов
с
чистым
кислородом
и
горючим
газом
. 
Образующиеся
пары

---

296 
гидролизуются
в
пламени
, 
образуя
малые
порошкообразные
частицы
высокочистого
стекла
. 
Поток
этих
частиц
стекла
осаж
-
дается
со
скоростью
0,5...1,0 
г
/
мин
на
вращающемся
стержне
, 
образуя
пористую
заготовку
со
средним
размером
пор
прибли
-
зительно
0,3 
мкм
, 
общей
пористостью
около
75 %. 
Полученную
пористую
заготовку
после
зонного
стеклова
-
ния
при
прохождении
через
горячую
зону
печи
(1500 °
С
) 
превра
-
щают
в
сплошную
заготовку
, 
т
.
е
. 
стеклянный
стержень
с
сечени
-
ем
, 
подобным
сечению
будущего
ОВ
. 
Рассмотренным
методом
можно
изготавливать
ОВ
как
со
ступенчатым
, 
так
и
с
градиент
-
ным
профилем
показателя
преломления
. 
Метод
внутреннего
 
парофазного
 
осаждения
базируется
на
реакциях
окисления
галогенидов
(SiCl
4
, GeCl
4
, BC1
3
) 
в
паровой
фазе
с
последующим
осаждением
на
внутренней
стенке
стеклян
-
ной
трубки
, 
находящейся
в
высокотемпературной
зоне
. 
В
трубку
вводится
смесь
необходимых
газов
(SiCl
4
, O
2
и
примеси
), 
и
реакция
происходит
на
стенках
, 
нагретых
до
1300...1600 °
С
, 
что
вызывает
осаждение
стекла
на
внутренней
поверхности
. 
За
один
оборот
трубки
над
горелкой
наращивает
-
ся
слой
толщиной
в
несколько
микрометров
. 
Изменяя
концен
-
трацию
основных
добавок
(
германий
, 
бор
, 
фосфор
и
др
.), 
можно
варьировать
показатель
преломления
от
слоя
к
слою
и
получать
не
только
двухслойные
, 
но
и
градиентные
ОВ
. 
После
того
как
тол
-
щина
слоев
стекла
достигнет
требуемого
размера
, 
процесс
хими
-
ческого
осаждения
прекращается
. 
По
окончании
процесса
осаждения
стекла
на
внутреннюю
поверхность
опорной
трубки
полученную
трубчатую
заготовку
видоизменяют
в
стержневую
. 
Для
этого
ее
конец
нагревают
до
1900 °
С
, 
за
счет
чего
он
размягчается
и
под
действием
сил
по
-
верхностного
натяжения
расплава
сжимается
в
сплошной
стер
-
жень
, 
из
которого
в
дальнейшем
получают
ОВ
. 
Метод
внутреннего
парофазного
осаждения
является
более
чистым
по
сравнению
с
методом
внешнего
парофазного
осажде
-
ния
и
позволяет
получать
ОВ
с
затуханием
менее
0,5 
дБ
/
км
. 

---

297 
Принцип
вытяжки
волокон
из
заготовки
(
преформы
) 
доста
-
точно
прост
– 
конец
заготовки
нагревают
до
температуры
плав
-
ления
кварцевого
стекла
, 
а
затем
из
него
вытягивают
тонкую
нить
. 
Охлаждаясь
на
воздухе
, 
тонкая
кварцевая
нить
быстро
стек
-
луется
и
перестает
удлиняться
, 
что
и
обеспечивает
возможность
получения
волокон
с
постоянным
по
длине
диаметром
. 
Темпера
-
тура
подбирается
так
, 
чтобы
можно
было
производить
принуди
-
тельную
вытяжку
. 
В
этом
случае
форма
профиля
показателя
пре
-
ломления
волокна
получается
близкой
к
форме
профиля
показа
-
теля
преломления
исходной
заготовки
. 
Для
нагревания
конца
заготовки
в
настоящее
время
при
-
меняются
в
основном
циркониевые
печи
с
индукционным
на
-
гревателем
. 
Нагреть
конец
кварцевой
заготовки
до
нужной
тем
-
пературы
можно
также
с
помощью
более
доступных
источников
тепла
: 
кислородно
-
водородного
пламени
или
графитовой
печи
. 
Однако
при
нагреве
с
помощью
кислородно
-
водородного
пла
-
мени
нестабильность
пламени
увеличивает
флуктуации
диамет
-
ра
оболочки
волокна
, 
а
образующаяся
как
побочный
продукт
вода
ухудшает
состояние
поверхности
волокна
. 
Нагрев
кварцевых
заготовок
с
помощью
графитовой
печи
также
может
приводить
к
их
загрязнению
, 
так
как
температура
, 
необходимая
для
размягчения
кварца
, 
настолько
высока
, 
что
спо
-
собна
вызвать
взаимодействие
SiO
2
с
углеродом
. 
Циркониевые
же
печи
с
индукционным
нагревателем
, 
как
и
графитовые
печи
, 
обла
-
дают
теплотворной
способностью
, 
достаточной
для
вытягивания
волокон
из
больших
заготовок
, 
но
приводят
к
меньшему
загрязне
-
нию
волокон
. 
Преформа
устанавливается
на
вершине
колонки
для
вы
-
тяжки
волокон
и
медленно
вдвигается
в
печку
, 
разогретую
до
температуры
порядка
2100 °
С
. 
Нижний
конец
преформы
раз
-
мягчается
так
, 
что
из
него
можно
вытягивать
нити
нужного
диаметра
. 
При
этом
форма
профиля
показателя
преломления
сохраняется
, 
несмотря
на
огромное
изменение
масштаба
в
попе
-
речном
направлении
. 

---

298 
На
выходе
из
печки
установлено
лазерное
устройство
, 
с
по
-
мощью
которого
измеряется
диаметр
кварцевой
оболочки
волокна
(
рис
. 11.20). 
Сигнал
с
выхода
этого
устройства
используется
для
коррекции
скорости
вытяжки
волокна
. 
Рис
. 11.20. 
Схема
установки
для
вытяжки
волокон
Сразу
после
измерения
диаметра
кварцевой
оболочки
на
во
-
локно
наносится
двухслойное
покрытие
, 
отверждаемое
ультрафио
-
летовым
излучением
. 
Первый
слой
покрытия
мягкий
, 
а
второй
бо
-
лее
твердый
. 
Назначение
покрытия
состоит
в
механическом
запол
-
нении
микротрещин
и
предохранении
ОВ
от
влаги
. 
В
результате
наложения
покрытия
прочность
ОВ
на
разрыв
повышается
, 
что
имеет
первостепенную
важность
для
дальнейших
технологических
операций
(
нанесение
защитной
оболочки
, 
сборка
кабеля
). 
Концен
-
тричность
наносимых
на
волокно
покрытий
контролируется
по
картине
дифракции
излучения
He-Ne 
лазера
.