по
Меню журнала
> Архив номеров > Рубрики > О журнале > Авторы > О журнале > Требования к статьям > Редакция и редакционный совет > Рецензенты > Порядок рецензирования статей > Политика издания > Ретракция статей > Этические принципы > Правовая информация
Журналы индексируются
Реквизиты журнала

В погоне за двумя зайцами поймай обоих сразу!
34 журнала издательства NOTA BENE входят одновременно и в ERIH PLUS, и в перечень изданий ВАК
При необходимости автору может быть предоставлена услуга срочной или сверхсрочной публикации!
ГЛАВНАЯ > Вернуться к содержанию
Совместимость фторсиликатных и боросиликатных слоев стекла при изготовлении оптического волокна
Коробейников Анатолий Григорьевич

доктор технических наук

профессор, Санкт-Петербургский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В.Пушкова Российской академии наук.

199034, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Менделеевская, 1

Korobeinikov Anatolii Grigor'evich

Doctor of Technical Science

professor, Pushkov institute of terrestrial magnetism, ionosphere and radio wave propagation of the Russian Academy of Sciences St.-Petersburg Filial

199034, Russia, g. Saint Petersburg, ul. Mendeleevskaya, 1

Korobeynikov_A_G@mail.ru
Другие публикации этого автора
 

 
Гатчин Юрий Арменакович

доктор технических наук

доцент, кафедра Проектирования и безопасности компьютерных систем, Санкт-Петербургский национальный исследовательский универси-тет информационных технологий, механики и оптики

197101, Россия, г. Санкт-Петербург, Кронверкский просп., 49

Gatchin Yurii Armenakovich

Doctor of Technical Science

associate professor of the Department of Computing Systems Design and Safety at Saint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics

197101, Russia, Saint Petersburg, Kronverkskii prosp., 49

gatchin@mail.ifmo.ru
Другие публикации этого автора
 

 
Дукельский Константин Владимирович

кандидат технических наук

доцент, Санкт-петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

197101, Россия, г. Санкт-Петербург, Кронверкский проспект, 49

Dukel'skii Konstantin Vladimirovich

PhD in Technical Science

Associate Professor, St. Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics

197101, Russia, g. Saint Petersburg, Kronverkskii prosp., 49

kdukel@mail.ru
Другие публикации этого автора
 

 
Тер-Нерсесянц Егише Вавикович

кандидат технических наук

доцент, кафедра Проектирования и безопасности компьютерных систем, Санкт-Петербургский национальный исследовательский универси-тет информационных технологий, механики и оптики

197101, Россия, Санкт-Петербург, ул. Кронверкский Просп., 49

Ter-Nersesyants Egishe Vavikovich

PhD in Technical Science

197101, Russia, Saint Petersburg, ul. Kronverkskii Prosp., 49

volokno@goi.ru

Аннотация.

Производители отечественных волоконных световодов (ВС) столкнулись с проблемой приобретения исходных материалов и реактивов за рубежом, которая с каждым годом становится все острее – цена на них растет, а таможенные процедуры не способствуют возрождению отечественного производства ВС из кварцевого стекла. Потребление ВС в России превышает отметку 3,5 млн. км в год, в то время как потребление 1 млн. км в год является «критической точкой», после которой экономически целесообразно производить ВС на собственных заводах. Такая ситуация заставила вернуться к вопросу создания производства ВС в России. Отсюда следует актуальность разработок таких технологий изготовления кварцевых ВС, которые реализуются с минимальным ассортиментом используемых реагентов. Решение указанной проблемы возможно только лишь на основе существенной модернизации и упрощения технологического процесса изготовления ВС с тем, чтобы на основе ограниченного количества отечественных материалов и реактивов изготавливать световоды, не уступающие аналогам ведущих зарубежных производителей по качеству, но выгодно отличающиеся стоимостью.

Ключевые слова: волоконные световоды, критическая точка, оптическое волокно, кварцевое стекло, метод парофазного синтеза, стекло, оптоволокно, сигнал, модернизация, световод

Дата направления в редакцию:

01-12-2014


Дата рецензирования:

02-12-2014


Дата публикации:

04-12-2014


Abstract.

Domestic manufacturers of optical fibers are facing the problem of acquisition of raw materials and reagents abroad, which becomes more and more acute - the price is rising, and customs procedures do not contribute to the revival of domestic production of optical fibers made of quartz glass. Consumption of fibers in Russia exceeds the 3.5 million km per year, while the consumption of 1 million km per year is a "critical point" after which is economically feasible to produce the optical fibers at its own factories. This situation has forced to go back to the establishment of the optical fiber production in Russia. Hence the importance of the finding a ways to manufacture quartz optical fiber with a minimum range of reagents used is hight. The solution of this problem is possible only on the basis of substantial modernization and simplification of technological process of manufacturing the optical fiber, so that on the basis of a limited number of domestic materials and reagents to produce fibers that are not inferior counterparts of leading foreign manufacturers of quality, but differ with advantageous cost.

Keywords:

signal, optical fiber, glass, vapor phase synthesis, quartz glass, fiber, critical point, optical fibers, modernization, optical fiber

Введение

Потребление ВС в России превышает отметку 3,5 млн. км в год, в то время как потребление 1 млн. км в год является «критической точкой», после которой экономически целесообразно производить ВС на собственных заводах. Такая ситуация заставила вернуться к вопросу создания производства ВС в России. Отсюда следует актуальность разработок таких технологий изготовления кварцевых ВС, которые реализуются с минимальным ассортиментом используемых реагентов. Наиболее перспективными направлениями в этом отношении являются:

- световоды с фторсиликатной оболочкой и сердцевиной из чистого кварцевого стекла;

- микроструктурированные световоды (МС – световоды) [1].

Прорыв в области изготовления световодов был совершён в семидесятых годах прошлого века. Он был связан с освоением методов парофазного синтеза при высокотемпературном взаимодействии SiCl4 c О2 или Н2О. Не прошло и десяти лет, как темп разработок позволил освоить их производство и использование в волоконно-оптических линиях связи. Методология производства кварцевых световодов путём химического парогазового осаждения подробно освещена в [2].

Уникальность стеклообразного SiO2 для производства оптического волокна определяется его высокой прозрачностью, а также тем, что чистота кварцевого стекла достигается за счет синтеза его из газовой фазы, удаление примесей из которой не составляет особого труда.

Производство ВС на основе кварцевого стекла можно разделить на два основных этапа.

Первый - это получение заготовки, представляющей собой стержень длиной порядка метра, а в диаметре около 10-80 мм.

На втором этапе заготовки помещаются в плавильные печи, и из них тянут стеклянное волокно с нанесением защитного полимерного покрытия. При этом соотношение диаметров внутренних слоёв в полученном волокне остаётся таким же, как в заготовке.

Вытяжка волокна происходит в чистых помещениях, исключающих осаждение мелких частиц пыли из окружающей среды на поверхность заготовки или стекловолокна. Обычно защитной оболочкой ВС служит слой полимера, но для эффективной защиты от влаги и других воздействий на волокно применяются также металлическое и углеродное покрытия.

Существует три основных парофазных метода изготовления заготовок световодов, одним из которых является модифицированное химическое осаждение из газовой фазы на внутреннюю поверхность кварцевой трубки (MCVD).

В работе рассмотрены результаты исследований MCVD процесса получения фторсодержащих кварцевых световодов.

Легирование кварцевого стекла фтором совместно с B2O3

В модифицированном методе MCVD при изготовлении кварцевых ВС с целью направленного изменения их свойств широко используются различные легирующие компоненты. Они, в основном, приводят к увеличению показателя преломления (ПП) стеклообразного диоксида кремния. И только две добавки приводят к его понижению: B2O3 и фтор.

Боросиликатное стекло существенно отличается от фторсиликатного как по вязкости, так и по коэффициенту термического расширения. В зависимости от функционального назначения ВС эти добавки могут использоваться как индивидуально, так и совместно. Кварцевое стекло с низким показателем преломления, разными оптическими, вязкостными, и теплофизическими свойствами необходимо для разработки ВС, обладающих особыми свойствами: малыми оптическими потерями в коротковолновой области спектра, повышенной надежностью, и поляризационной устойчивостью.

Отличительной особенностью боросиликатного стекла, так же как и фторсиликатного, является его радиационно-оптическая устойчивость [3,4]. Обусловлено это тем, что в отличие от других стеклообразующих оксидов (SiО2, Р2О5, GеО2) химическая связь атомов бора с кислородом много прочнее. Поэтому радиационное воздействие на В-О связи в меньшей степени, чем для других стеклообразующих элементов приводит к его разрыву и образованию оптически активных дефектов

Расчеты равновесного давления кислорода при образовании этих оксидов на основании справочных данных [5-7] подтверждает высокую прочность связи бора с кислородом по сравнению с другими стеклообразующими оксидами (SiO2 и GeO2). Поэтому введение оксида бора в матрицу из кварцевого стекла не должно привести к ослаблению радиационно-оптической устойчивости.

Известно, что попытки уменьшения ПП при совместном легировании кварцевого стекла этими компонентами не дают ожидаемого суммарного эффекта [8], а совместимость фторсиликатных и боросиликатных слоев стекла до настоящего времени не исследовалась. В связи с этим проведены исследование MCVD процесса получения фторбороосиликатного стекла и совместимости слоев кварцевого стекла легированного фтором и B2O3.

Для этого методом равновесной химической термодинамики были рассчитаны давления для реакции:

3SiF4 (г . ) + 2B2O3(тв . ) = 4BF3(г . ) + 3SiO2 (тв .), (1)

где: (г. ) и (тв. ) обозначает, соответственно, газообразное и твердое состояние вещества.

Проведены так же экспериментальные исследования по совместному легированию кварцевого стекла F и B2O3. Практически весь оксид бора превращается в BF3. Причем степень этого превращения увеличивается с температурой и уменьшением фторсодержащего реагента в газовой фазе (Рис. 1).

Результаты исследований свидетельствуют о взаимной несовместимости этих добавок. Введение фторирующего реагента в парогазовую смесь снижает степень превращения исходного борсодержащего вещества (BBr3) в B2O3 из-за образования BF3, (рис. 1)

k3

Рис. 1. Соотношение равновесных давлений газообразных фторидов для реакции:
3SiF4 +2B2O3 = 4BF3 + 3SiO2

в то время как образующийся оксид бора снижает температуру спекания пористого слоя на 100 - 250оС, блокируя тем самым процесс диффузионного насыщения частиц кремнезема фтором.

Превращение тетрафторида кремния в трифторид бора по реакции (1) свидетельствует о более высокой прочности связи фтора с бором, чем с кремнием. Поэтому равновесное давление атомов фтора в реакционной смеси с увеличением содержания бора будет уменьшаться, что приведет к снижению содержания фтора в стекле. Поэтому эффекта от вклада фтора в изменение показателя преломления боросиликатного стекла на Рис. 2 не наблюдается. Однако добавка бромида бора в парогазовую смесь при осаждении фторсиликатного стекла, если и не влияет на величину ПП, то имеет другой положительный результат, заключающийся в снижении температуры спекания пористого слоя.

k4

Рис. 2. Изменение ПП при легировании кварцевого стекла В2О3 без фреона -12 и при его расходе 35 мл/мин. Пунктирная линия соответствует предполагаемому суммарному вкладу легирующих компонентов.

Второй полезный практический вывод из расчетных результатов (рис. 1) заключается в том, что на границе боросиликатного и фторсиликатного стекла равновесное давление BF3 не должно превышать 10 атм. В этом случае сферическая пора диаметром менее 1 мкм будет сжиматься за счет сил поверхностного натяжения:

`P_(sigma) = (4 sigma )/ d `

где: `P sigma` – давление, создаваемое силами поверхностного натяжения, d – диаметр пузыря, - `sigma` поверхностное натяжение.

Средний размер пор в газофазно осажденных слоях стекла не превышает 100 нм. Поэтому, как показали наши эксперименты, пузыри на границе слоев фторсиликатного и боросиликатного стекла не образуются. Такой результат свидетельствует о возможности изготовления радиационно-стойких анизотропных одномодовых ВС с сердцевиной из чистого кварцевого стекла, конструктивной фторсиликатной матрицы и боросиликатной эллиптической напрягающей оболочки.

Таким образом, исследования процесса получения фторборосиликатного стекла свидетельствуют о несовместимости бора и фтора в качестве легирующих добавок для кварцевого стекла.

Заключение

Таким образом, на основании результатов исследования физико-химических основ MCVD процесса получения фторсодержащих кварцевых световодов можно сделать вывод, что наличие фтора в парогазовой смеси слабо препятствует легированию кварцевого стекла фосфором, в то время как исследования процесса получения фторборосиликатного стекла свидетельствуют о несовместимости бора и фтора в качестве легирующих добавок.

Полученные результаты, однако, имеют практическое значение для случаев сопряжения фторсиликатного и боросиликатного стекла, в частности, для технологии радиационно-стойких анизотропных ВС.

Библиография
1.
Коробейников А.Г., Дукельский К.В., Тер-Нерсесянц Е. В. Методы уменьшения оптических потерь в фотонно-кристаллическом оптическом волокне//Научно-технический вестник СПб ГУ ИТМО-СПб: СПбГУ ИТМО, 2010, 3(67)-с.5-11.
2.
Beales K. J. Day C. R. A review of glass fibers for optical commynications.-Physics and Chemistry of Glass, v. 21, No 1, 1980, p. 6-21.
3.
Сamlibel I., Pinnow D. A., Dabby F. W. Optical aging characteristics of borosilicate clad fused silica core fiber optical waveguides/-Appl. Phys. Lett.1975, v. 26, No 4, p. 185-187.
4.
Дианов Е. М., Корниенко Л. С., Никитин Е. П., Рыбалтовский А. О., Сулимов В. Б. и Чернов П. В. Радиационно-оптические свойства волоконных световодов на основе кварцевого стекла (обзор) – Квантовая электроника, 1983, т. 10, № 3, стр. 473-496.
5.
Гурвич Л. В., Вейц И. В., Медведев В. А. и др. Термодинамические свойства индивидуальных веществ, т. 1, кн. 2. //под ред. Глушко В. П., М., Наука, 1978. с 326.
6.
Уикс К.Е., Блок Е. Термодинамические свойства 65 элементов, их окислов, галогенидов, карбидов и нитридов. М. “Металлургия”, 1965, 240 с.
7.
Гурвич Л. В., Вейц И. В., Медведев В. А. и др. Термодинамические свойства индивидуальных веществ, т. 2, кн. 2. // под ред. Глушко В. П., М., Наука, 1979, c 340.
8.
Ероньян М. А., Кузуб С. Г., Жахов В. В., Иванцовский П. П., Карпов Л. Г., Хотимченко В. С., Лукин А. Ф. Легирование кварцевого стекла фтором методом газофазного осаждения-Тезисы III Всес. конф. по технологии волоконных световодов, Горький, 1982, с. 51.
References (transliterated)
1.
Korobeinikov A.G., Dukel'skii K.V., Ter-Nersesyants E. V. Metody umen'sheniya opticheskikh poter' v fotonno-kristallicheskom opticheskom volokne//Nauchno-tekhnicheskii vestnik SPb GU ITMO-SPb: SPbGU ITMO, 2010, 3(67)-s.5-11.
2.
Beales K. J. Day C. R. A review of glass fibers for optical commynications.-Physics and Chemistry of Glass, v. 21, No 1, 1980, p. 6-21.
3.
Samlibel I., Pinnow D. A., Dabby F. W. Optical aging characteristics of borosilicate clad fused silica core fiber optical waveguides/-Appl. Phys. Lett.1975, v. 26, No 4, p. 185-187.
4.
Dianov E. M., Kornienko L. S., Nikitin E. P., Rybaltovskii A. O., Sulimov V. B. i Chernov P. V. Radiatsionno-opticheskie svoistva volokonnykh svetovodov na osnove kvartsevogo stekla (obzor) – Kvantovaya elektronika, 1983, t. 10, № 3, str. 473-496.
5.
Gurvich L. V., Veits I. V., Medvedev V. A. i dr. Termodinamicheskie svoistva individual'nykh veshchestv, t. 1, kn. 2. //pod red. Glushko V. P., M., Nauka, 1978. s 326.
6.
Uiks K.E., Blok E. Termodinamicheskie svoistva 65 elementov, ikh okislov, galogenidov, karbidov i nitridov. M. “Metallurgiya”, 1965, 240 s.
7.
Gurvich L. V., Veits I. V., Medvedev V. A. i dr. Termodinamicheskie svoistva individual'nykh veshchestv, t. 2, kn. 2. // pod red. Glushko V. P., M., Nauka, 1979, c 340.
8.
Eron'yan M. A., Kuzub S. G., Zhakhov V. V., Ivantsovskii P. P., Karpov L. G., Khotimchenko V. S., Lukin A. F. Legirovanie kvartsevogo stekla ftorom metodom gazofaznogo osazhdeniya-Tezisy III Vses. konf. po tekhnologii volokonnykh svetovodov, Gor'kii, 1982, s. 51.
Ссылка на эту статью

Просто выделите и скопируйте ссылку на эту статью в буфер обмена. Вы можете также попробовать найти похожие статьи


Другие сайты издательства:
Официальный сайт издательства NotaBene / Aurora Group s.r.o.
Сайт исторического журнала "History Illustrated"