|
||||||||||||
|
||||||||||||
|
|||||||||
МЕНЮ
|
БОЛЬШАЯ ЛЕНИНГРАДСКАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - Разработка метода контроля качества оптоволоконных материалов при их изготовленииРазработка метода контроля качества оптоволоконных материалов при их изготовленииТема работы: «Разработка метода контроля качества оптоволоконных материалов при их изготовлении»
1. Введение…………………………………………………………………………. 6 ВВЕДЕНИЕ Оптическое волокно — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения. Волоконная оптика — раздел прикладной науки и машиностроения, описывающий такие волокна. Кабели на базе оптических волокон используются в волоконно-оптической связи, позволяющей передавать информацию на бо?льшие расстояния с более высокой скоростью передачи данных, чем в электронных средствах связи. В ряде случаев они также используются при создании датчиков. Технология оптоволоконных сред передачи является новой, быстро развивающейся и наиболее перспективной, и измерения в этой области наиболее важными. Волоконная оптика и ВОК обладают рядом безусловных преимуществ. 1. Широкополосность ВОЛС оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно высокой частотой несущей (F0=1014 Гц). Это означает, что по волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) можно передавать информацию со скоростью порядка 1012 бит/с. 2. Очень малое затухание ВОЛС светового сигнала в волокне, что позволяет строить волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) длиной до 100 км и более без регенерации сигналов. 3. Устойчивость ВОЛС к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем, электрического оборудования (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.) и погодных условий. 4. Защита волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) от несанкционированного доступа – информацию, передающуюся по волоконно-оптическим линиям связи, практически нельзя перехватить неразрушающим способом. 5. Электробезопасность волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает взрыво- и пожаробезопасность сети, что особенно актуально на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска. 6. Невысокая стоимость волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) – волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди. 7. Долговечность ВОЛС – срок службы волоконно-оптических линий связи составляет не менее 25 лет. К недостаткам можно отнести, пожалуй, только Относительно высокую стоимость активных элементов ВОЛС, преобразующих электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы. 2 ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ Технологии производства оптоволокна всего три десятка лет, если считать от момента появления первых теоретических работ, в которых была показана принципиальная возможность создания световодов с приемлемым, менее 20 дБ/км, затуханием. Первые образцы, соответствующие этому требованию, были созданы в начале 70-х годов. Ясности, из чего лучше всего делать световоды, не было. Ранее же ученые исследовали многокомпонентные составы стекла, предлагали даже использовать капилляры с жидкостью. В конце концов, основным материалом для изготовления оптического волокна выбрали кварцевое стекло. Технологический процесс изготовления световодов на основе кварцевого стекла делится на два этапа. Первый этап — получение заготовки, которая представляет собой стеклянный стержень длиной порядка метра и диаметром около 10-80 мм. Для этого существует несколько способов: —модифицированное химическое осаждение из газовой фазы на внутренней поверхности кварцевой трубки; —метод осаждения из газовой фазы, полученной путем плазменного распыления; —внешнее осаждение из газовой фазы на внешней поверхности стержня; —осевое осаждение из газовой фазы на торце стержня. На втором этапе конец заготовки размягчают в печи и тянут из него волокно. При вытяжке не происходит смешивания отдельных слоев — происходит, выражаясь математическим языком, преобразование подобия: если диаметры сердцевины и оболочки заготовки относились, как один к десяти, то так оно будет и в вытянутом волокне. Вытяжка световодов проводится в столь же чистых помещениях, как и при производстве микросхем: чтобы на их поверхность не попадали пылинки — те же самые включения. После того как волокно остынет, на него наносится защитная пленка полимера. Полимер призван защитить волокно от механических воздействий и от окружающей среды, прежде всего от водорода и воды. Дело в том, что вода ускоряет рост трещин, а водород, диффундируя вглубь волокна, повышает коэффициент затухания. Однако по-настоящему могут защитить стекло только два покрытия: металлическое и углеродное. И сейчас японские фирмы начинают покрывать стекловидным углеродом каждое волокно в отдельности. Пока же для достижения полной защиты лучше всего помещать уже готовый кабель в герметичную металлическую оболочку, но практически это реализуемо только в очень дорогих кабелях для трансокеанских линий. На рисунке 2.1 схематически изображен процесс получения оптоволокна методами осаждения из газовой фазы. Рисунок 2.1 - Получение оптоволокна методами осаждения из газовой фазы Перечисленные методы применимы к производству волокон из кварцевого стекла. Существуют также различные методы для производства оптоволокна из других материалов, наиболее часто встречаемые из них: — способ двойного тигля — для комбинированных стекол; — вытяжка с покрытием — для волокон с ядром из кварцевого стекла и оболочкой из пластика; —метод формирования выдавливанием — для получения пластиковых оптоволокон; —золь-гелевая технология; и др. Каждый из перечисленных методов имеет свои преимущества и недостатки. 2.1 Изготовление кварцевых стекол осаждением из газовой фазы Оптические волноводы для коммуникаций состоят главным образом из кварцевого стекла (двуокись кремния Si02), со светопроводящим ядром из волокна, легируемым прибавлениями германия и фосфора, чтобы увеличить показатель преломления и, возможно, бора или фтора, чтобы понизить коэффициент преломления. Уникальная пригодность Si02 для изготовления сверхчистого, сверхпрозрачного кварцевого стекла основывается не только на его низком внутреннем поглощении, но и на том, что кварцевое стекло, с примесями или без, может быть получено осаждением из чистой и однородной газовой смеси. Преимущество методов с осаждением из газовой фазы заключается в том, что упругость пара отличается от вещества к веществу, а материал из жидкого состояния выпаривается в почти постоянной температуре, побочные примеси, находящиеся в жидкости, не испаряются и только требуемый материал выпаривается. Поэтому материал становится намного чище в паровой, нежели в жидкой фазе, что делает этот эффект полезным для создания чистых слоев. Если материал выбран правильно, температура испарения может слегка варьироваться, и в этом случае парообразованием можно легко управлять. Этапы очистки натурального кремниевого песка схематически изображены на рисунке 2.1.1 Рисунок 2.1.1 – Очистка натурального кремниевого песка Поэтапная перегонка гарантирует, что кремниевые хлориды, выделяемые в процессе хлорирования, получены в сверхчистой форме. Они отделяются от металлических хлоридов типа хлористого железа. Кремниевые хлориды используются, например, для изготовления кремния с высокой чистотой для полупроводников. Чистая двуокись кремния восстанавливается из кремниевого тетрахлорида путем осаждения из газовой фазы. Индекс преломления чистого вещества равен 1458. Чтобы изменить индекс преломления до требуемого уровня, добавляются соответствующие примеси (GeCl4, РОС13 и т.д.). Хлорид или смесь хлорида могут быть гидролизованы в газовом пламени (рисунок 2.1.1, реакция 2) или окислены в потоке кислорода при 1300 °С (рисунок 2.1.1, реакция 3), где на соответствующем основании конденсируется мелкозернистый порошок Si02. Чтобы материал мог использоваться как легирующая примесь, он должен отвечать следующим требованиям: 1) иметь высокую чистоту и быть легко доступным, легко переходить в жидкое состояние, 2) отличаться от переходного металла давлением пара, 3) легко остекловываться с кварцем и давать требуемый коэффициент преломления, 4) иметь коэффициент теплового расширения после остекленения почти равным таковому у Si02, 5) обладать неизменными физическими свойствами после остекленения. Остаточная вода (например, от газов пламени) может быть эффективно удалена от полученной двуокиси кремния с помощью газа хлора, так как вода и хлор формируют летучий хлористый водород при температуре около 1000 °С (реакция 4, рисунок 2.1.1). Этот процесс просушивания значительно увеличивает световую проницаемость стекла. Пористая двуокись кремния спекается в температурах более 1200 °С и формирует твердое, свободное от включений кварцевое стекло. Происходит это в результате снижения энергии поверхности при переходе от гранулированного стекла к твердому. 2.2 Изготовление заготовки для оптоволокна методом химического осаждения из газовой фазы Впервые о методе химического осаждения из газовой фазы (ChemicalVaporDeposition— CVD) было сообщено научно-исследовательскими лабораториями CorningGlassWorksи BellTelephone(MCVD— modifiedchemicalvapordeposition— модифицированный метод химического осаждения из газовой фазы). В этом методе добавляемая примесь Si02 отложена слоями — начиная со слоя стекла для оболочки оптического стекловолокна и заканчивая слоем ядра волокна — на внутренней стороне вращающейся трубки (рис. 2.2.1), нагретой до 1600 °С внешней горелкой. Рисунок 2.2.1 – Процесс изготовления заготовки для оптоволокна методом осаждения из газовой фазы Поскольку каждый дискретный слой отложен друг на друга, то при нагревании они одновременно спекаются, чтобы сформироваться в твердое стекло. Это происходит под действием горелки, путем перемещения ее по трубе в направлении выброса газа, оплавляя слои кварца, отложенные перед горелкой. Представьте себе подобие токарного станка, в котором на место резца установлена кислородно-водородная горелка. В станок зажимается стеклянная трубка и через нее на первом этапе пропускается хлорид кремния и кислород (на самом деле состав смеси более сложен). В горячей зоне напротив горелки синтезируется оксид кремния. Образуются, фигурально выражаясь, пушинки окиси, которые дрейфуют из горячей области в более холодную и прилипают к стенке. Этот процесс называется термофорезом, он прекрасно описывается и объясняется кинетической теорией. Важно, что осаждение происходит не в месте нагрева пламенем, а перед ним — там, куда пламя еще не дошло. На поверхности трубки образуется пористый слой окиси, и, двигаясь дальше, горелка его проплавляет — остекловывает. Так получается слой чистого стекла. При следующих проходах через трубку пропускают еще и германий в виде хлорида. Таким образом, легируют материал световода, создавая в нем градиент коэффициента преломления. После того как необходимое число слоев осаждено, подачу хлоридов выключают, а температуру пламени увеличивают, в результате трубка плавится и схлопывается просто под действием сил поверхностного натяжения. Результатом этого процесса будет твердое тело, внутреннюю часть которого составляет чистый материал для формирования ядра оптоволокна, а внешняя часть из материала покрытия оптоволокна. Образцы, подготовленные этим методом, могут быть применены к различным типам оптоволокна в соответствии с отобранной толщиной, коэффициентом преломления и других характеристик. Размеры заготовок, полученных этим способом, позволяют изготавливать оптоволокно длиной до 10 км. Достижимые величины затухания 1 дБ/км при длине волны 1 = 1300 нм в настоящее время могут быть снижены до 0,5 дБ/км в высококачественных волокнах. Причиной этому кроме свойственных преимуществ осаждения из газовой фазы, является то, что во внутренней части трубы контакт синтезируемого стекла с пыльным или влажным воздухом полностью отсутствует.
В основном этот метод разрабатывался компанией AT&T, которая производит больше трети всего объема волокна в мире. Этот метод считается самым простым, и, кстати, в отечестве только он реально и работал. Однако для него нужна очень хорошая труба-заготовка без включений, так как включения — это центры напряжений, из которых может начать расти трещина. С этим довольно успешно борются путем химической или огневой полировки поверхности трубок.
Руководитель: Н.С. Забейворота
Полная версия работы со всеми рисунками, таблицами, приложениями и прочими метариалами находится в архиве, который можно бесплатно скачать с нашего сайта. |
РЕКЛАМА
|
|||||||||||||||||
|
БОЛЬШАЯ ЛЕНИНГРАДСКАЯ БИБЛИОТЕКА | ||
© 2010 |