Волоконно-оптическая техника

1.2.2. Оптическое волокно

Ведущая роль в разработке отечественного ОВ принадлежит АН СССР, и в первую оче­редь ФИАН, из которого в середине 80-х годов выделился ИОФАН под руководством А.М.Прохорова. Этот институт далее и занимался ОВ. Кроме того, разработкой техноло­гии ОВ занимался Институт химии - ИХАН и Институт радиотехники и электроники -ИРЭ АН СССР .

Под руководством Е.М.Дианова в ФИАН в 80-е годы в содружестве с ИХАН, где рабо­тами руководил Г. Г.Девятых, широко развернулись работы по созданию технологии ОМ во­локна и, кроме того, продолжались ранее начатые работы по усовершенствованию техно­логии градиентных ММ волокон [31, 39, 45, 46, 47, 48]. Направления работ по волокну оп­ределяли требования к ОК, основными из них были:

• 
  уменьшение и достижение предельно низких, близких к теоретическому минимуму, потерь в волокне;
  
• 
  увеличение ширины полосы пропускания или сведение к минимуму дисперсии;
  
• 
  увеличение прочности волокна;
  
• 
  снижение потерь, возникающих при использовании ОВ при отрицательных темпе­ратурах;
  
• 
  повышение радиационной стойкости волокна.
  

На конференции "СССПИ-84" в 1984 году ФИАН и ИХАН представили результаты раз­работки градиентных волокон, рекордные по тем временам: потери на длине волны 0,85 мкм составляли 2,45 дБ/км, на 1,3 мкм - 0,5 дБ/км, на 1,55 мкм - 0,25 дБ/км, широкополосность на длине волны 0,85 мкм составляла 900 МГц-км [31].
Для ОМ волокон, полученных методом химического осаждения из газовой фазы на внут­реннюю поверхность опорной трубки, к 1988 году были достигнуты потери, близкие к те­оретическому пределу: на длине волны 1,3 мкм - 0,37 дБ/км и на длине волны 1,55 мкм -0,21 дБ/км [39, 45].
Кроме стремления снизить до минимума потери, велись исследования в направлении уменьшения дисперсии и получения ОВ со смещенной в область 1,55 мкм нулевой хрома­тической дисперсией. Разрабатывалась технология получения ОМ волокна с сильным двойным лучепреломлением (с сохранением поляризации моды) за счет создания эллип­тической конфигурации сердцевины или специального покрытия ОВ. Наилучшие резуль­таты были получены для трехслойных эллиптических волокон [39, 48].
Проводились работы по изучению механизма возникновения добавочных потерь в ОВ при низких температурах. Было установлено, что увеличение потерь связано с фазовыми переходами в первичных кремнийорганических оболочках и с потерей устойчивости све­товода под действием осевого сжатия со стороны защитной вторичной оболочки. Велись работы по изучению образования радиационных центров окраски при воздействии на све­товод гамма-излучения [39].
В ИРЭ под руководством Ю.В.Гуляева проводились работы в различных направлениях тематики ВОЛС, в том числе и по созданию ОВ. В создании технологии получения волок­на принимали участие М.Е.Жаботинский, В.В.Григорьянц, А.А.Дьяченко, Ю.К.Чаморовский. Этим институтом в сотрудничестве с ИОФАН и НИИЭС была разработана плазма-химическая технология изготовления оптических заготовок. Технология имела 3 варианта получения плазмы:

• 
  ВЧ-разряд атмосферного давления (PMCVD),
  
• 
  СВЧ-разряд пониженного давления (PCVD),
  
• 
  импульсного СВЧ-разряда пониженного давления (PJCVD).
  

Методом PMCVD - внутреннего осаждения из газовой фазы с использованием изотер­мической плазмы были получены образцы ОМ- и ММ-волокон со ступенчатым профилем показателя преломления световодов состава SiO₂- F/SiO₂, была достигнута скорость осаж­дения 2,5 г/мин и получена длина световода 10 км (1988 год) [31, 43].
В ИРЭ проводились также работы по исследованию прочности ОВ с отверждаемыми с помощью УФ защитными полимерными покрытиями, разрабатывалась технология нане­сения этих покрытий, ставились работы по увеличению скорости нанесения УФ-ртверж-даемых покрытий [31, 38].
Промышленный выпуск опорных труб и заготовок для вытяжки ОВ был поручен Ми­нистерству промышленности строительных материалов. Членом МВКС был назначен пер­вый зам. министра Н.П.Кабанов.
Головным предприятием отрасли по разработке опорных труб и заготовок был ГОС-НИИ кварцевого стекла - ГОСНИИКС в Ленинграде, руководил работами В.С.Хотимчен-ко. Этим институтом были освоены и переданы в серийное производство технология по­лучения опорных труб из кварцевого стекла и технология получения заготовок градиент­ных и ОМ световодов методом газофазного осаждения и проплавления стеклообразующих окислов на внутреннюю поверхность кварцевой опорной трубки с последующим сжатием трубки в штабик. В 1983-84 годах ГОСНИИКС разработал кварцевые заготовки на дли­ну волны 0,85 мкм с затуханием до 10 дБ/км, в 1984-85 годах - заготовки на длину волны 1,3 мкм с затуханием до 5 дБ/км. В конце 80-х годов для заготовок ОМ волокна на длине волны 1,3 мкм был получен коэффициент затухания 0,7 дБ/км, дисперсия 3,5-6 пс/нм/км [31,38].
Серийный выпуск заготовок осуществлял завод им. Дзержинского в г. Гусь-Хрусталь­ный. В ГОСНИИКС было разработано и поставлено на серийное производство в 1987 го­ду технологическое оборудование для производства опорных труб и заготовок методом внутреннего газофазного осаждения. Исследовательские работы, которые проводились в ГОСНИИКС под руководством В.В.Жахова, были направлены на улучшение качества за­готовок ОВ. Особое внимание уделялось выявлению факторов, влияющих на прочность ОВ, в том числе зависящих от технологии получения опорных труб и от качества сырья. Было определено, что прочность волокна зависит от содержания внутренних включений в исходном сырье и наиболее пригодным сырьем является плазменное стекло. Кроме того, было установлено, что в значительной мере прочность ОВ определяется характеристиками эпоксиакрилатных покрытий [31, 38].
Головным предприятием по промышленному выпуску ОВ было назначено НИИЭС Минэлектронпрома, которым руководил В.М.Фирсов. До 1981 года НИИЭС специализи­ровался в основном на выпуске ОВ для внутриобъектовых ВОЛС с диаметром сердцевины 200-400 мкм и большой апертурой. Это направление сохранилось и впоследствии велось параллельно с разработкой кварцевых волокон диаметром 50/125 мкм и ОМ волокон.
В начале 80-х годов НИИЭС выпускал ОВ на длину волны 0,85 мкм с диаметром сердцевины 80, 100, 200, 400 мкм, с затуханием 10-20 дБ/км и широкополосностью 20-40 МГц-км. Апертура составляла 0,2-0,3. К концу 80-х годов НИИЭС освоил серийное производство:

• 
  градиентного волокна с диаметром 50/125 мкм на все три диапазона длин волн, кото­рое обеспечивало затухание менее 3 дБ/км на длине волны 0,85 мкм и менее 1 дБ/км в диапазоне 1,3 и 1,55 мкм, широкополосность составляла более 500 МГцхкм;
  
• 
  ОМ волокна на длины волн 0,85 и 1,3 мкм с затуханием 2,5 и 0,5 дБ/км соответствен­но (предусматривались 2 диапазона температур: от -60 до +80°С и от -40 до +80°С);
  
• 
  ОМ волокна, сохраняющего поляризацию света, имеющего эллиптическую сердцевину SiO₂+GeO₂, оболочку SiO₂ и эпоксиакрилатное покрытие (на длине волны 1,3 мкм затухание составляло 1-3 дБ/км, сохранение поляризации 95-98% на 1 км [31, 44].
  

В НИИЭС под руководством М.Д.Ходаковского был освоен метод изготовления квар­цевых заготовок путем внешнего парофазного осевого осаждения (VAD), который был при­влекательнее для промышленного выпуска заготовок, чем метод осаждения на внутрен­нюю поверхность трубки, т.к. имел большие скорости осаждения, более высокую произво­дительность и низкую себестоимость [31].
ГОИ также получил задания в соответствии с Постановлением 1981 года на разработку и выпуск оптических заготовок и волокна. Работами руководил Ю.Н.Кондратьев. Начатые еще до выхода Постановления, они касались в основном волокна из многокомпонентных стекол на длину волны 0,85 мкм с затуханием 20-60 дБ/км. Для выпуска кварцевых воло­кон было закуплено за рубежом технологическое оборудование для изготовления загото­вок методом внутреннего газофазного осаждения, оборудование для вытяжки волокна и экструзионная линия для нанесения вторичных оболочек на световоды, а также необходи­мое измерительное оборудование [39].
Закупленное оборудование позволило получать крупногабаритные заготовки, обеспе­чивающие увеличение строительной длины, затухание в волокне не более 4 дБ/км и широ­кополосность до 400 МГц-км (для ММ волокон). Для ОМ волокна оборудование давало возможность получить заготовки с несферическими оптическими оболочками и малыми диаметрами сердцевины. Кроме того, ГОИ проводил работы совместно со специалистами по химии полимеров по созданию гаммы отечественных эпоксиакрилатов, позволяющих получить при двухслойном покрытии высокопрочное волокно. Была разработана лабора­торная технология получения волокна с сохранением поляризации [39].
Минхимпрому, представленному в МВКС С.В.Голубковым, было поручено обеспече­ние производства химических продуктов для волоконной оптики. Предприятиями Мин-химпрома разрабатывались и поставлялись:

• 
  вещества особой чистоты для заготовок: тетрахлориды кремния и германия, хлороксид фосфора, трибромид бора, хлор, хладон-12;
  
• 
  композиции для покрытий оптических волокон: эпоксиакрилаты УФ-отверждения для защитных покрытий, кремнийорганические компаунды для светоотражающих буфер­ных и фильтрующих покрытий;
  
• 
  полимерные материалы для оптических кабелей: полиэтилен, поливинилхлорид, фто­ропласты, стеклопластики, армирующие композиционные материалы [43]. Кроме Минхимпрома, предприятия Минцветмета поставляли германий четыреххлористый особой чистоты для получения ОВ. Была разработана специальная тара, обеспечива­ющая герметичность и сохранность качества ОСЧ продукта при транспортировке [43].
  

Министерство нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, членом МВКС от которого был М.П.Парфенов, разрабатывало материалы для светоотражающих оболочек световодов.
Во ВНИИ синтетического каучука проводились работы по разработке и увеличению скоростей вулканизации кремнийорганических компаундов типа СИЭЛ, расширению ди­апазона отрицательных рабочих температур кремнийорганических эластомеров типа LTV, изучалась морозостойкость силаксановых композиций ЛОСК. В работах принимали учас­тие С.Р.Нанушьян, В.А.Высоцкий [31, 39].
Итак, к концу 80-х годов в стране была частично создана, а на 90% закуплена за рубе­жом технологическая база для выпуска ОВ. Разработки ведущих НИИ, а особенно АН СССР, отличались высокими характеристиками и неплохим качеством, но получить про­мышленное волокно с такими же характеристиками не удавалось.
Отечественное промышленное волокно серьезно уступало зарубежному по прочности и стабильности характеристик при эксплуатации. Причина тому видится в изначальном распылении средств на разработку и промышленный выпуск между предприятиями мно­гих министерств. Одного только оборудования было закуплено не менее чем для 10 инсти­тутов и стольких же заводов. Низкое качество отечественного волокна вынудило Минсвя­зи сделать ставку на импортное волокно при производстве отечественных ОК, так как это было экономически целесообразнее при прокладке ВОЛС, которые в то время начали ши­роко внедряться. Учитывая, что Министерство связи является самым мощным по объемам потребителем ОК, производство отечественного ОВ в начале 90-х годов было практически остановлено.