Бубнов Михаил Михайлович. Физические основы процесса вытяжки волоконных световодов с малыми потерями

brief description

Бубнов Михаил Михайлович. Физические основы процесса вытяжки волоконных световодов с малыми потерями : диссертация ... доктора физико-математических наук : 01.04.07 / Бубнов Михаил Михайлович; [Место защиты: Ин-т общ. физики им. А.М. Прохорова РАН].- Москва, 2009.- 321 с.: ил. РГБ ОД, 71 10-1/130

Российская академия наук
Научный центр волоконной оптики
На правах рукописи
0520090145&/
Бубнов Михаил Михайлович
Физические основы процесса вытяжки волоконных световодов
с малыми потерями
Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния
Диссертация на соискание ученой степени
доктора физико-математических наук

Москва, 2009 г.
1. Общая характеристика работы
1.1. Предпосылки постановки работы и актуальность темы 4
1.2. Цель исследований 8
1.3. Научная новизна, практическая ценность и реализация результатов
работы 9
1.4. Основные защищаемые положения 11
1.5. Публикации и апробация работы. Объем и структура диссертации.
Личный вклад автора...; 12
2. Обзор литературы
2.1. Вытяжка волоконных световодов 14
2.2. Высокотемпературные источники нагрева заготовки 17
2.3. Управление процессом вытяжки световодов 23
2.4. Прочность волоконных световодов 30
2.5. Полимерные покрытия волоконных световодов 38
2.6. Световоды типа«стекло-полимер» 43
2.7. Оптические потери световодов при низких температурах 47
2.8. Фундаментальные механизмы оптических потерь 52'
2.9. Дополнительные оптические потери, возникающие в процессе
вытяжки волоконных световодов 60
2.10. Выводы к главе 2 63
3. Процесс перетяжки заготовки в световод
311. Установка для вытяжки волоконных световодов 67
3.2! Высокотемпературные нагреватели 68
3.3. Система автоматического управления процессом вытяжки 80
3.4. Нанесение первичных полимерных покрытий 88
3.5. Технология нанесения на световод защитных покрытий 96
3.6. Основные результаты главы 104
4. Прочность волоконных световодов
4.1. Прочность однородных кварцевых волокон 105
4.2. Прочность световодов, изготовленных MCVD методом 117
4.3. Прочность световодов большой длины 124
4.4. Влияние полимерных покрытий на прочность световодов 129
4.5. Основные результаты главы 136
5. Разработка и исследование кварц-полимерных световодов
5.1. Оптические потери 138
5.2. Оптические потери при низких температурах 147
5.3. Влияние воды на оптические характеристики кварц-полимерных
световодов 154
5.4. Разработка световодов с многоэлементной отражающей
оболочкой 161
5.5. Основные результаты главы 166
6. Влияние полимерных покрытий на оптические потери световодов на основе кварцевого стекла
6.1. Демпфирующие свойства полимерных покрытий 168
6.2. Влияние первичных полимерных покрытий на оптические потери
при изменении температуры 172
6.3. Влияние защитных полимерных покрытий на оптические потери
при изменении температуры 186
6.4. Морозостойкий волоконно-оптический кабель 205
6.5. Основные результаты главы 213
7. Дополнительные оптические потери, возникающие в процессе вытяжки в высоколегированных одномодовых световодах
7.1. Влияние легирования фтором сердцевины световодов на
дополнительные потери, возникающие в процессе вытяжки 215
7.2. Рэлеевское рассеяние в высоколегированных световодах 224
7.3. Пространственное распределение источников оптических потерь ■
по сечению световодов 235
7.4. Аномальное рассеяние оптического излучения в одномодовых
световодах и его связь с процессом вытяжки 247
7.5. Снижение оптических потерь в высоколегированных одномодовых
световодах, изготовленных MCVD методом 263
7.6. Основные результаты главы 275
8. Заключение 277
9. Список цитируемой литературы 281
10. Список цитируемой литературы с участием автора 304
11. Приложения 318
1.1.

bibliography

8. Заключение.
В настоящей работе было проведено исследование физических явлений и закономерностей, лежащих в основе процесса перетяжки заготовки в волоконный световод и определяющих оптические и механические свойства световодов. Для данной цели была разработана и создана автоматизированная установка для вытяжки волоконных световодов на основе кварцевого стекла, а также ряд уникальных измерительных установок. В результате проведенных исследований были разработаны методы повышения механической прочности и стабильности диаметра волоконных световодов, снижения оптических потерь, расширения температурного интервала работоспособности, и, кроме того, были созданы новые типы волоконных световодов. Основные результаты исследований могут быть кратко сформулированы следующим образом.
Основные результаты и выводы диссертационной работы.
1. Создана автоматизированная лабораторная установка для вытяжки волоконных световодов на основе кварцевого стекла, являющаяся экспериментальной основой для проведения исследований процессов перетяжки заготовки в волоконный световод и нанесения на световод различных защитных покрытий. Разработана цифровая система управления процессом вытяжки и соответствующие программные и аппаратные средства реального времени. Выявлены и устранены источники флуктуаций диаметра волоконных световодов, в результате чего среднеквадратичное отклонение диаметра световодов на длине 1-6 км было снижено до 0.2 мкм.
Предложена методика изготовления профилированных световодов, диаметр которых изменяется по длине в соответствии с заданным законом со среднеквадратичным отклонением от заданного не более 0.2 мкм. Разработанная методика позволила впервые получить одномодовые световоды длиной от сотен метров до нескольких километров с дисперсией,
изменяющейся по заданному закону, без увеличения оптических потерь и с повторяемостью дисперсионных характеристик не хуже 1%.
2. На основании систематических исследований мест разрушения волоконных световодов установлены и устранены основные технологические факторы, вызывающие снижение прочности волоконных световодов, изготовленных MCVD методом. Определена последовательность технологических операций, обеспечившая изготовление первых отечественных волоконных световодов с высокой (5.2-6.2 ГПа) разрывной прочностью. Комплексное исследование разрывной прочности волоконных световодов в совокупности с анализом причин, вызвавших их разрушение при перемотке с различным усилием натяжения, позволили в 2.5 раза увеличить среднюю длину световодов, прошедших перемотку под нагрузкой 5Н и выявить предельный уровень прочности световодов большой длины, изготавливаемых с использованием опорных труб отечественного производства.
3. Идентифицированы и экспериментально исследованы' механизмы
низкотемпературных потерь в волоконных световодах: микроизгибы
световода вследствие кристаллизации первичного покрытия, потеря устойчивости световода, вызываемая термоусадкой вторичного покрытия, микроизгибы световода из-за неконцентрического нанесения полимерных покрытий. Синтезированы некристаллизующиеся кремнийорганические и УФ-отверждаемые полиакрилатные полимерные покрытия, защищенные авторскими свидетельствами, для первичных покрытий волоконных световодов.
Разработан, изготовлен (совместно с предприятием Минэлектротехпрома) . и исследован опытный образец первого отечественного морозостойкого волоконно-оптического кабеля, уровень добавочных потерь в котором не превышает 1 дБ/км в температурном диапазоне от -120°С до 85°С.
4. В результате исследований, проведенных совместно с Институтом химии АН СССР, разработана технология изготовления световодов типа кварц- полимер и получены первые отечественные световоды с сердцевиной из кварцевого стекла диаметром 200 мкм и более, числовой апертурой 0.2-0.4 и оптическими потерями 6-8 дБ/км на длине волны 0.8 мкм.
Впервые установлено, что резкое возрастание оптических потерь в этих световодах при температурах ниже -40°С обусловлено кристаллизацией их кремнийорганической отражающей оболочки. Предложены и синтезированы некристаллизующиеся кремнийорганические композиции, защищенные авторскими свидетельствами, обеспечивающие работоспособность кварц- полимерных световодов до температуры -60°С.
5. Проведены комплексные исследования механизмов оптических потерь одномодовых световодов с высокой концентрацией оксида германия (15-30 мол.% Ge02) и оксида фосфора (10-13мол% Р205) в сердцевине. Экспериментально установлена линейная зависимость коэффициентов рэлеевского рассеяния в одномодовых волоконных световодах при увеличении концентрации оксида германия до 30 мол.%.
Измерения индикатрисы рассеянного в высоколегированных одномодовых световодах излучения показали, что оптические потери в этих световодах помимо фундаментальных механизмов обусловлены аномальным рассеянием. Идентифицирован механизм возникновения аномального рассеяния, заключающийся в рассеянии оптического излучения на возникающих в процессе вытяжки световода флуктуациях границы сердцевина-оболочка, а также флуктуациях поперечного сечения и положения центрального провала в профиле показателя преломления сердцевины по длине световода.
Предложены и реализованы методы снижения аномального рассеяния в высоколегированных одномодовых световодах за счет сглаживания профиля показателя преломления и устранения центрального провала в профиле показателя преломления. Получены образцы высоколегированных (20-30 мол% GeCb) и (10-13мол% Р2О5) одномодовых волоконных световодов, изготовленных MCVD методом и обладающих рекордно низкими оптическими потерями.
В заключение хочу выразить глубокую благодарность директору НЦВО РАН академику Е.М.Дианову за постоянную поддержку данного научного направления.
Я выражаю искреннюю признательность своим коллегам по лаборатории «Технология волоконных световодов» - нынешним и бывшим — А.А.Абрамову, В.А.Богатыреву, М.Е.Лихачеву, А.К.Михайлову, СЛ.Русанову, С.Л.Семенову, А.А.Сысолятину, А.Г.Щебуняеву, принимавшим непосредственное участие в создании аппаратуры, разработке технологии и проведении исследований. ,
Я глубоко благодарен сотрудникам ИХВВ РАН: члену-корреспонденту РАН А.Н.Гурьянову и сотрудникам руководимой им лаборатории Н.Н.Вечканову, А.Ю.Лаптеву, А.Е.Розенталю и В.Ф.Хопину, без которых решение многих рассмотренных проблем было бы невозможно, а также сотрудникам ИМС РАН В.Н.Мякову, Б.Б.Троицкому, Л.В.Хохловой
за многолетнее плодотворное сотрудничество по синтезу новых полимерных композиций.
Я также благодарю сотрудников НЦВО РАН и ИОФ РАН, а также многих других за полезные консультации и помощь в работе.