Минимизация оптических потерь германосиликатных световодов, изготавливаемых MCVD методом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Минимизация оптических потерь германосиликатных световодов, изготавливаемых MCVD методом

С.В. Буреев

К.В. Дукельский

М.А. Ероньян

А.В. Комаров

Д. А.Тыщенко

А.Ю. Кулеш

А.Г. Андреев

И.И. Крюков

М.К. Цибиногина

Исследовано влияние специфики состояния ОН групп в сердцевине германосиликатных одномодовых анизотропных световодов на их оптические потери. Показано, что введение малого количества "воды" в стекло сердцевины приводит к снижению затухания на длине волны 1,55 мкм. германосиликатный анизотропный световод

В одномодовых волоконных световодах с германосиликатной сердцевиной, изготавливаемых MCVD методом, возникают дополнительные оптические потери. Это обусловлено появлением германиевых кислорододефицитных центров концентрация которых растет с увеличением температуры вытягивания волокна и внедрением водорода в сердцевину из опорной кварцевой трубы. Наряду с этим для анизотропных световодов с боросиликатной эллиптической напрягающей оболочкой повышенные оптические потери обусловлены спецификой ее конструктивных элементов. В настоящее время такие световоды существенно уступают анизотропным световодам типа "PANDA" по затуханию на длине волны 1.55 мкм.

Цель работы заключалась в разработке мер по снижению до предельно возможного уровня оптических потерь изготавливаемых MCVD методом анизотропных одномодовых германосиликатных световодов с эллиптической германоборосиликатной напрягающей оболочкой.

Заготовки световодов изготавливали известным методом, включающим абразивную обработку заготовки и ее высокотемпературное кругление 1. Относительная простота этой технологии, малозатратность и высокая производительность позволяют добиться высоких экономических показателей процесса. Конструкция световода включает оболочку, изолирующую сердцевину от борсодержащего стекла напрягающей зоны (рис. 1).

В спектральной области 1,55 мкм В 2О 3 обладает высоким уровнем поглощения, обусловленного колебаниями атомов бора и кислорода в стеклообразной сетке боросиликатного стекла 2. Поэтому для минимизации влияния оксида бора на оптические потери необходимо оптимизировать соотношение диаметров изолирующей оболочки и сердцевины. Для этой цели изготовлено несколько заготовок с разной толщиной изолирующей оболочки. Германосиликатная сердцевина содержала около 0,3 ат. % фтора. Напрягающая оболочка наряду с В 2О 3 легирована диоксидом германия, что обеспечивало в световоде постоянство значения показателей преломления всех оболочек, окружающих сердцевину. Разница показателей преломления сердцевины и оболочки была на уровне 0,006-0,007, что соответствует числовой апертуре 0,13-0,14. Из заготовки вытягивали волокно диаметром 125 мкм и покрывали его двойным (мягким и твердым) эпоксиакрилатным покрытием, отверждаемым ультрафиолетовым облучением.

Эксперименты показали, что увеличение диаметра изолирующей оболочки в 2-2,5 раза по сравнению с диаметром сердцевины не позволяет снизить оптические потери на длине волны 1,55 мкм ниже 1 дБ/км. Эта величина в 5 раз больше рэлеевского рассеяния фторгерманосиликатного стекла сердцевины.

Анализ спектральной зависимости оптических потерь световодов свидетельствует о наличии "серых" оптических потерь. Спектрально независимые потери могут быть следствием двух основных причин. Они могут иметь либо примесную природу, либо связанную с вариациями параметров световодов, усиливающих излучение на микроизгибах волокна.

Для выяснения влияния примесей необходимо измерить оптические потери на неизогнутом световоде, когда все излучение распространяется преимущественно в сердцевине. Такие эксперименты сделать довольно сложно, особенно для уровня оптических потерь менее 1 дБ/км, когда длина волокна должна быть более 1 км. Тем не менее, такую оценку можно сделать, исследуя зависимость оптических потерь от величины обратного диаметра катушки, на которую наматывалось волокно (рис. 2). Экстраполяция этой зависимости в 1/d = 0 дает значение 0,2-0,3 дБ/км, близкое к предельно малым оптическим потерям для фторгерманосиликатного стекла сердцевины на длине волны 1,55 мкм.

Рис. 2 Зависимость оптических потерь анизотропного световода на длине волны 1,55 мкм от диаметра намотки волокна.

Кружки представляют экспериментальные данные, а прямая линия их аппроксимацию.

Этот факт свидетельствует о том, что примесной природы оптических потерь нет. А, вот, факт существенной зависимости потерь от диаметра намотки волокна свидетельствует о микроизгибной природе "серых" оптических потерь.

Причиной такого явления может быть наличие неоднородностей на границе раздела высоковязкой изолирующей и низковязкой напрягающей оболочками. Такой факт уже был отмечен ранее, когда для уменьшения "серых" оптических потерь рекомендовали согласовывать по вязкости сердцевину и оболочку 3.

Спектрально независимые потери связаны, вероятно, так же с частичным восстановлением диоксида германия водородом, проникающим в сердцевину из опорной кварцевой трубы. Такое влияние водорода можно ослабить, проводя коллапсирование заготовки в хлорсодержащей среде. В этом случае, как показывает опыт, наряду с снижением содержания ОН групп исчезают "серые" потери 4.

На границе напрягающей и изолирующей оболочек возможно образование неоднородностей, которые могут быть причиной появления "серых" потерь. А диффузия водорода из опорной кварцевой трубы, вероятно, способствует этому явлению.

Таким образом, для снижения дополнительных потерь целесообразно согласовать вязкость слоев, то есть необходимо понизить вязкость изолирующей оболочки и сердцевины, а так же блокировать процесс восстановления стекла водородом.

Следуя таким рекомендациям, можно для понижения вязкости дополнительно легировать высоковязкие слои сердцевины и изолирующей оболочки "водой", но в таком количестве, чтобы поглощение ОН группами на длине волны 1,38 мкм не привело бы к увеличению затухания на длине волны 1,55 мкм.

При высоких температурах внедрение паров воды в расплав SiO2 происходит по реакции (1) с образованием гидроксильных групп. Повышение концентрации гидроксила снижает вязкость германосиликатного стекла и блокирует процесс восстановления диоксида германия водородом, смещая равновесие (2) в левую сторону.

2SiO1/2 + H2O = 2 SiOH (1)

Ge -O- Si + 0.5Н 2 = Ge + Si-OH (2)

Экспериментальные исследования в этом направлении показали, что намеренное введение водородсодержащих примесей в парогазовую смесь при осаждении слоев стекла и высокотемпературном сжатии заготовки дает положительный эффект (рис.3).

Рис. 6.18 Влияние введения паров воды в парогазовую смесь на оптические потери световодов: пунктирная и сплошная линии - до и после введения "воды", соответственно.

Поглощение света ОН группами в световодах является серьезной проблемой, однако при определённой их концентрации наличие пика поглощения в области 1,38 мкм не вносит существенный вклад в оптические потери на длине волны 1,55 мкм. Существует много оптических систем, работающих именно на этой длине волны, обеспечивающей наиболее низкие оптические потери.

Пунктирная и сплошная линии отражают оптические потери до и после введения "воды", соответственно.

Поглощение света ОН группами в световодах является серьезной проблемой, однако при определённой их концентрации поглощение в области 1,38 мкм не будет оказывать существенного влияния на оптические потери при длине волны 1,55 мкм. Для снижения затухания в германосиликатных одномодовых световодах в слой сердцевины при высокотемпературном сжатии заготовки намеренно вводили "воду". Поглощение на длине волны 1,38 мкм при этом увеличивалось, однако в области 1,5 мкм оптические потери снижались (приблизительно на 0,4 дБ/км).

Такой результат может быть обусловлен двумя причинами:

- Первая связана с ослаблением релеевского рассеяния из-за снижения вязкости и фиктивной температуры стекла сердцевины.

- Вторая обусловлена подавлением реакции восстановления диоксида германия водородом, диффундирующим из опорной кварцевой трубы.

Таким образом, результаты настоящей работы показали, что ведение ограниченного количества "воды" в германосиликатную сердцевину одномодовых световодов приводит к снижению оптических потерь на длине волны 1,55 мкм. Такое техническое решение целесообразно при изготовлении анизотропных одномодовых световодов, предназначенных для интерферометрических датчиков, когда нет необходимости передачи излучения в широкой спектральном диапазоне.

Литература

1. К.В. Дукельский, М.А. Ероньян, А.В. Комаров, Ю.Н. Кондратьев, Е.И. Ромашова, М.М. Серков, А.В. Хохлов. Тонкие анизотропные одномодовые волоконные световоды с эллиптической напрягающей оболочкой.- Оптический журнал, 2000, т. 57, № 10, с. 104. .

2. M. I. Cohen, C. M. Melliar-Smith Recent advance in the fabrication of silica optical fibers.- Int. Соnf. Communication, Seattl, Wash.1980, p. 55.1.1-55.1.7.

3. M. Ohashi, K. Shiraki, K. Tajima, M. Tateda Imperfection loss redaction viscosity-matched optical flbers.- IEEE Photonics Technol. Lett.., 1993, v. 5, p. 812-814.

4. B. J. Ainslie, K. J. Beales, C. R. Day, J. D. Rush The design and fabrication of monomode optical fiber.- IEEE J. Quantum Electronics, 1981, v. QE-18, No 4, p. 514-522.

Размещено на Allbest.ru