РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2009, том 54, № 7, с. 890-894
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ^^^^^^^^^^ В ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ
УДК 535.55;3.043
РАДИАЦИОННО-СТОЙКОЕ ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО С БОЛЬШИМ ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕМ
© 2009 г. В. В. Волошин, И. Л. Воробьев, Г. А. Иванов, А. О. Колосовский, Ю. К. Чаморовский, О. В. Бутов, К. М. Голант
Поступила в редакцию 06.10.2008 г.
На основе кварцевого стекла, легированного азотом, по технологии PANDA изготовлено и исследовано радиационно-стойкое оптическое волокно с большим двулучепреломлением. Потери в полученном волокне при дозе у-облучения 2...10 кГр не превышают 5...10 дБ/км, что на порядок ниже аналогичных показателей для стандартных телекоммуникационных волокон с германосиликатной сердцевиной.
ВВЕДЕНИЕ
Оптические волокна с большим линейным двулучепреломлением (ДЛПОВ) в последние годы нашли широкое применение в различных типах волоконно-оптических датчиков. Наиболее известным примером этого являются волоконно-оптические гироскопы, мировое производство которых уже превышает 105 шт/год [1]. Существует несколько основных конструкций ДЛПОВ, однако наибольшее распространение среди них получили волокна с термоупругим механизмом двулучепреломления, при котором анизотропные механические напряжения возникают за счет создания в волокнах областей со специальным легированием кварца [2]. Хорошо известны оптимальные формы и состав таких легированных областей [2]. На практике они могут формироваться, например, за счет вставления стержней из боросиликатного стекла в специально проделанные цилиндрические каналы в заготовке оптического волокна. При вытяжке такой структуры в тонкое оптическое волокно получается ДЛПОВ с двумя симметричными круглыми (или почти круглыми) областями, имеющими значительно больший по сравнению с остальными областями волокна коэффициент термоупругого напряжения, а значит, и "встроенное" линейное двулучепреломление. Такие ДЛПОВ принято на-зы-вать волокнами типа PANDA. Волокна PANDA получили широкое распространение благодаря высоким оптическим характеристикам. Однако подобные ДЛПОВ, как и все другие со схожим механизмом двулучепреломления, имеют два существенных недостатка. Во-первых, они принципиально термочувствительны, так как термоупругие напряжения, а значит, и величина двулучепреломления, зависят от температуры [3]. Во-вторых, ДЛПОВ обычно чувствительны к воздей-ствию ионизирующих излучений, что проявляется в возникновении дополнительного оптического поглощения. Величина последнего определяется главным образом составом стекла сердцевины, в кото-
рый для подавляющего большинства ДЛПОВ входит германий. Как хорошо известно (см., например [4, 5] и ссылки в них), присутствие германия и фосфора в кварцевом стекле сердцевины световода является одной из главных причин образования центров окраски под воздействием ионизирующих излучений, что и приводит к возникновению дополнительного оптического поглощения. Отклик ДЛПОВ с германосиликатной сердцевиной на воздействие ионизирующих излучений изучался и подробно описан в работе [6].
Целью настоящей работы является разработка технологии изготовления и исследование характеристик радиационно-стойких ДЛПОВ на основе кварцевого стекла, легированного азотом. В известном альтернативном подходе к решению проблемы радиационной стойкости ДЛПОВ используются структуры с чисто кварцевой сердцевиной и легированной фтором депрессированной, т.е. имеющий показатель преломления меньше, чем у чистого кварца, светоотражающей оболочкой с напрягающими боросиликатными областями. Такая конструкция хотя и позволяет существенно повысить радиационную стойкость, так как чистое кварцевое стекло по этой характеристике намного превосходит германосиликатное, однако имеет существенные недостатки. В частности, технология изготовления ДЛПОВ становится значительно сложнее, так как необходимо согласовывать несколько противоречивых требований по оптимальной структуре волокна. Нужно обеспечить, в частности, одновременно малый уровень потерь, (для чего требуется достаточно большая толщина депрессированной светоотражающей оболочки) и большое двулучепреломление (для получения которого напрягающие области должны располагаться близко к сердцевине волокна). Совмещение же этих областей и легированной фтором оболочки крайне нежелательно с технологической точки зрения, так как легированные фтором и бором стекла более ле-гоплавкие по сравнению с нелегированным кварце-
Рис. 1. Изображения поперечного среза волокна, полученные при помощи сканирующего электронного микроскопа с увеличением 750 (а) и 3000 (б).
вым стеклом и поэтому могут перемешиваться при высоких температурах, необходимых при изготовлении заготовки и вытяжке волокна. Другой существенный и, по-видимому, неустранимый недостаток ДЛПОВ с чисто кварцевой сердцевиной, - это само наличие депрессированной оболочки в структуре профиля показателя преломления. Такая оболочка делает невозможным изготовление на основе таких волокон целого ряда волоконных элементов, в первую очередь направленных ответвителей [7]. Этот же недостаток возникает и при использовании радиационно-стойких ДЛПОВ на основе микроструктурированных волокон с воздушной сердцевиной [8]. Кроме того, технология изготовления такого волокна много сложнее, а его стоимость значительно выше.
1. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЛПОВ
Для формирования структуры радиационно-стойких ДЛПОВ мы использовали в качестве материала сердцевины кварцевое стекло, легированное азотом. Как известно, радиационная стойкость световодов на основе этого стекла по сравнению с гер-маносиликатными много выше [9, 10]. Помимо этого легирование азотом стекла сердцевины позволяет избежать перечисленных выше недостатков, присущих ДЛПОВ с сердцевиной на основе нелегированного кварцевого стекла и фторсиликатной светоотражающей оболочкой.
Заготовка для вытяжки ДЛПОВ была изготовлена методом "сборки", успешно использованным нами ранее при получении микроструктурированных оптических волокон [11]. В данном случае метод сборки включал в себя следующие основные технологические этапы. Формирование структуры осуществляли в опорной трубе из высокочистого кварца марки Р-300, с внешним и внутренним диаметрами соответственно 20 и 15 мм. "Центральная" вставка представляла собой заготовку на основе кварцевого стекла с легированной азотом сердцеви-
ной диаметром ~1 мм, синтезированную плазмохи-мическим методом SPCVD [12]. Кроме нее внутрь опорной трубки вставляли два боросиликатных, "напрягающих" стержня. Для центровки и более полного заполнения пустот были вставлены дополнительно восемь стержней разного диаметра из чистого кварцевого стекла. Длина собранной структуры составила примерно 150 мм. Далее эта заготовка была перетянута в оптическое волокно диаметром 125 мкм в двухслойном уретан-акрилатном покрытии на вытяжной установке с контролируемым разрежением внутри трубы.
На рис. 1 показано изображение поперечного среза волокна, полученное на электронном микроскопе. Можно различить положение напрягающих боросиликатных вставок, а также сердцевину допи-рованную азотом. Следует отметить, что для достижения хороших оптических и прочностных характеристик волокна, все элементы структуры должны быть максимально очищены от поверхностных загрязнений, а для правильного сплавления структуры в монолитное волокно требуется аккуратный подбор разрежения, температуры и скорости вытяжки.
Спектральная зависимость затухания света в вытянутом ДЛПОВ представлена на рис 2. Начальный, до облучения, уровень потерь составил около 1.5 дБ/км на длине волны 1.56 мкм, и примерно 2.5 дБ/км на длине волны 1.3 мкм. Особенностью спектра затухания света в разработанном ДЛПОВ на основе легированного азотом кварцевого стекла является наличие пика с центром около 1.505 мкм, связанного с поглощением на обертоне Si-NH-групп. Этот пик достаточно узок и может быть уменьшен за счет использования более "сухих" реагентов в технологии SPCVD. Тем самым в спектральной области 1.55 мкм, где работают многие волоконные гироскопы и другие датчики, уровень потерь может быть понижен примерно до 1 дБ/км [12].
Важным достоинством ДЛПОВ с сердцевиной на основе кварцевого стекла, легированного азотом, является значительно меньший, по сравнению
Рис. 2. Спектры поглощения до у-облучения (1) и после при общей дозе 0.5 МГр (2). (Измерения облученного образца проведены спустя 53 сут. после снятия лучевой нагрузки при нахождении световода при комнатной температуре).
с германосиликатными аналогами уровень затухания в коротковолновой области спектра. Так, потери в полученных световодах на длине волны 0.4 мкм не превышают 250 дБ/км.
Величину двулучепреломления определяли известным спектральным методом [13], она составила около 5 х 10-4. Это соответствует длине биений ~2.6 мм на длине волны 1.3 мкм. Параметр сохранения поляризации, так называемый Л-параметр измерялся с использованием волоконного суперлюминесцентного Ег-источника на длине волны 1.55 мкм и составил 2 х 10-5 м-1.
2. ИЗМЕРЕНИЕ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ
Для исследования радиационной стойкости нового волокна нами был проведен ряд экспериментов по облучению световода на источнике у-излуче-ния Co60 со cредней энергией у-квантов 1.17 МэВ. Интенсивность источника в зоне облучения составляла 0.22 Гр/с. Температура в зоне облучения на протяжении всего эксперимента не превышала 26°С. На первом этапе катушку с отрезком световода длиной 108 м помещали в зону облучения, свободные концы световода выводили через специальные каналы к измерительной аппаратуре. Спектр поглощения световода периодически фиксировался непосредственно в процессе у-облучения в диапазоне длин волн 1.1___1.6 мкм с помощью оптического
анализатора спектра Agilent-86140B. В качестве источника света использовали галогенную лампу. Таким образом, была получена зависимость спектра поглощения от дозы (времени) облучения. Общая
доза облучения на первом этапе эксперимента составила 17.82 кГр (примерно 22 ч облучения).
На втором этапе эксперимента исследовали динамику релаксации наведенного поглощения, т.е. спектры поглощения образца
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.