RU2462737C1 - Method of making light guides based on low-optical loss quartz glass - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to methods of method chemical vapour deposition (MCVD) for making low-attenuation optical fibres for communication systems, sensors for physical quantities and transmission of powerful optical radiation. According to the method, the deposited glass layers of the core are doped with small additives of hydrogen or deuterium oxides with content of vapour of said substances in the gas phase from 0.017 to 1 mol %.

EFFECT: reduced viscosity of the glass of the core, preventing reduction of germanium dioxide.

1 tbl

Description

Translated fromRussian

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к модифицированному методу химического парофазного осаждения (MCVD) для изготовления волоконных световодов с малым затуханием для систем связи, датчиков физических величин и передачи мощного светового излучения.The invention relates to fiber optics, in particular to a modified method of chemical vapor-phase deposition (MCVD) for the manufacture of low-attenuation fiber optical fibers for communication systems, sensors of physical quantities and transmission of high-power light radiation.

Световоды, получаемые предлагаемым способом, имеют в поперечном сечении круглую сердцевину и изолирующую оболочку, которые расположены соосно внутри наружного слоя из кварцевого стекла. Показатель преломления (ПП) сердцевины выше, чем ПП изолирующей оболочки, которая исполняет роль отражающей оболочки и изолирует сердцевину от примесей наружного слоя, формируемого из кварцевого стекла промышленного производства. Примесь водорода создает основные проблемы в технологии световодов, так как обладает наиболее высокой диффузионной подвижностью по сравнению с другими примесями. Когда водород проникает в германосиликатную сердцевину, происходит реакция восстановления GeO₂. При этом увеличиваются оптические потери на всем участке спектра прозрачности стекла, особенно на длине волны 1.38 мкм из-за поглощения света ОН группами (Iino A., Kuwabara M., Kokura K. Mechanism of hydrogen-induced loss in silica-based optical fibers. - Journal of lightwave technology. 1990, v.8, No 11, p.1675-1679).The optical fibers obtained by the proposed method have in cross section a round core and an insulating sheath, which are located coaxially inside the outer layer of quartz glass. The refractive index (PP) of the core is higher than the PP of the insulating shell, which acts as a reflective shell and isolates the core from the impurities of the outer layer formed from industrial quartz glass. An admixture of hydrogen creates the main problems in the technology of optical fibers, since it has the highest diffusion mobility in comparison with other impurities. When hydrogen penetrates the germanosilicate core, a reduction reaction of GeO₂ occurs. In this case, optical losses increase over the entire portion of the transparency spectrum of glass, especially at a wavelength of 1.38 μm due to light absorption by OH groups (Iino A., Kuwabara M., Kokura K. Mechanism of hydrogen-induced loss in silica-based optical fibers. - Journal of lightwave technology. 1990, v. 8, No. 11, p. 1675-1679).

Обработка дейтерием исходных кварцевых труб, используемым в MCVD методе изготовления заготовок световодов, устраняет практически полностью поглощение на длине волны 1.38 мкм в оптических волокнах. Однако дейтерий, так же как и водород, при высокой температуре MCVD процесса диффундирует в германосиликатное стекло сердцевины и восстанавливает GeO₂, что приводит к увеличению оптических потерь (Shang Н.Т., Stone J., Burrus С.A. Low - ОН MCVD fibers without a barrier layer using OH-OD exchange substrate tubes. - Electronics letters. 1983, v 19, No 3, p.95-96).The deuterium treatment of the original quartz tubes used in the MCVD method for the manufacture of optical fiber blanks eliminates almost completely absorption at a wavelength of 1.38 μm in optical fibers. However, deuterium, like hydrogen, diffuses into the germanosilicate glass of the core and restores GeO₂ at high temperature MCVD of the process and reduces GeO₂ , which leads to an increase in optical losses (Shang N.T., Stone J., Burrus C.A. Low - OH MCVD fibers without a barrier layer using OH-OD exchange substrate tubes. - Electronics letters. 1983, v 19, No. 3, p. 95-96).

Устранить поглощение на длине волны 1.38 мкм в световодах с германосиликатной сердцевиной можно нагревом оптического волокна в атмосфере дейтерия при температуре не более 50°С, однако для достижения предельно малых оптических потерь необходимо согласовать по вязкости стекло оболочки и сердцевины (Xinwei QIAN, Deming LIU, Feng TU. Deuterium treatment of low water peak fiber. - Front. Optoelectron. China. 2009, v.2, No.2, p.178-181).Absorption at a wavelength of 1.38 μm in fibers with a germanosilicate core can be eliminated by heating the optical fiber in a deuterium atmosphere at a temperature of no more than 50 ° С; however, to achieve extremely low optical losses, it is necessary to match the viscosity of the cladding and core glass (Xinwei QIAN, Deming LIU, Feng TU, Deuterium treatment of low water peak fiber. - Front. Optoelectron. China. 2009, v.2, No.2, p. 178-181).

Резкое отличие вязкости сердцевины из чистого кварцевого стекла и отражающей фторсиликатной оболочки в одномодовых световодах (W типа) также приводит к увеличению оптических потерь с уменьшением температуры вытягивания волокна (Долгов И.И., Иванов Г.А., Чаморовский Ю.К., Яковлев М.Я. Радиационно-стойкие одномодовые оптические волокна с кварцевой сердцевиной. Фотон-экспресс, 2005, №6, с.4-10).A sharp difference in the viscosity of the core of pure silica glass and the reflecting fluorosilicate cladding in single-mode fibers (W type) also leads to an increase in optical losses with a decrease in the temperature of fiber drawing (Dolgov I.I., Ivanov G.A., Chamorovsky Yu.K., Yakovlev M.Ya. Radiation-resistant single-mode optical fibers with a quartz core (Photon Express, 2005, No. 6, pp. 4-10).

Наиболее близкий к предлагаемому техническому решению усовершенствованный способ изготовления волоконных световодов по патенту ЕР №0915065, опубликованный 05.21.2003 по индексу МПК СОЗС 13/04 и принятый нами за прототип. Этим способом изготавливаются световоды с ультранизкими оптическими потерями сердцевины на основе кварцевого стекла, дополнительно легированного малыми добавками оксидов натрия, калия или лития от 10^-4 до 0,05 мас. %, понижающими вязкость стекла. При этом на 15% можно снизить оптические потери, обусловленные рэлеевским рассеянием.Closest to the proposed technical solution, an improved method for the manufacture of optical fibers according to the patent EP No. 0915065, published 05.21.2003 on the IPC index SOZS 13/04 and adopted by us as a prototype. In this way, optical fibers with ultra-low optical loss of the core are made on the basis of silica glass, additionally doped with small additives of sodium, potassium or lithium oxides from 10^-4 to 0.05 wt. % lowering the viscosity of the glass. In this case, optical losses due to Rayleigh scattering can be reduced by 15%.

Использование этого технического решения для MCVD метода изготовления световодов связано с двумя принципиальными проблемами:The use of this technical solution for the MCVD method of manufacturing optical fibers is associated with two fundamental problems:

- рекомендуемые этим патентом добавки оксидов натрия, калия или лития трудно ввести в реакционную парогазовую смесь в газофазных методах получения заготовок световодов из-за отсутствия легколетучих соединений этих металлов,- the additives of sodium, potassium or lithium oxides recommended by this patent are difficult to introduce into the reaction gas-vapor mixture in gas-phase methods for the preparation of optical fiber blanks due to the absence of volatile compounds of these metals,

- диффузией водорода (дейтерия) из кварцевой трубы в сердцевину при длительных высокотемпературных операциях MCVD процесса изготовления заготовки приводит к дополнительным оптическим потерям световодов из-за восстановления GeO₂ по реакции:- diffusion of hydrogen (deuterium) from the quartz tube to the core during long-term high-temperature operations MCVD of the preform manufacturing process leads to additional optical losses of the optical fibers due to the reduction of GeO₂ by the reaction:

Задача настоящего изобретения заключается в упрощении технологии изготовления кварцевых волоконных световодов с малыми оптическими потерями.The objective of the present invention is to simplify the manufacturing technology of quartz fiber optical fibers with low optical loss.

Технический результат достигается за счет использования газообразных или легколетучих добавок, которые:The technical result is achieved through the use of gaseous or volatile additives, which:

- снижают вязкость стекла сердцевины;- reduce the viscosity of the glass core;

- предотвращают восстановление диоксида германия;- prevent the recovery of germanium dioxide;

- вводятся в парогазовую смесь MCVD процесса в газообразном состоянии.- are introduced into the gas-vapor mixture of the MCVD process in a gaseous state.

Поставленная задача решается новым способом изготовления волоконных световодов на основе кварцевого стекла с малыми оптическими потерями, включающим процессы изготовления заготовки световода методом газофазного осаждения на основе кварцевого стекла с использованием дополнительного легирования осаждаемых слоев стекла сердцевины малыми добавками оксидов и последующую вытяжку волоконного световода, в котором в отличие от прототипа осаждаемые слои стекла сердцевины легируют добавками оксидов водорода или дейтерия при содержании паров этих веществ в газовой фазе от 0,017 до 1 мол.%.The problem is solved by a new method for manufacturing optical fibers based on silica glass with low optical losses, including processes for fabricating a fiber blank by gas phase deposition on the basis of silica glass using additional doping of the deposited layers of the core glass with small additives of oxides and subsequent drawing of the optical fiber, in which from the prototype, the deposited layers of the glass core are alloyed with additives of hydrogen or deuterium oxides at a content of the mass of these substances in the gas phase is from 0.017 to 1 mol%.

Введение таких добавок обеспечивает решение указанных проблем как в части упрощения технологического процесса, так и в части устранения дополнительных оптических потерь, обусловленных реакцией (1). Упрощение технологии изготовления световодов заключается в том, что исходными источниками этих добавок могут служить газы H₂, D₂, СН₄, CD₄ и др., а также пары Н₂О или D₂O в смеси с кислородом.The introduction of such additives provides a solution to these problems both in terms of simplifying the process and in eliminating additional optical losses caused by the reaction (1). A simplification of the manufacturing technology of optical fibers is that the source of these additives can be gases H₂ , D₂ , CH₄ , CD₄ , etc., as well as H₂ O or D₂ O vapors mixed with oxygen.

В процессе высокотемпературного легирования кварцевого стекла этими добавками содержание ОН (OD) групп в поверхностном слое стекла определяется константой химического равновесия:In the process of high-temperature doping of quartz glass with these additives, the content of OH (OD) groups in the surface layer of glass is determined by the chemical equilibrium constant:

Образующиеся по реакции (2) OH(OD) группы понижают вязкость стекла и смещают реакцию (1) в левую сторону, снижая тем самым степень восстановления диоксида германия и дополнительные оптические потери. При введении дейтерийсодержащих веществ устраняется полоса поглощения на длине волны 1.38 мкм, обусловленная Si-OH группами. Исчезает также поглощение в области 1.6 мкм, обусловленное Р-ОН колебаниями стекла отражающей оболочки, часто содержащей малые добавки P₂O₅ для понижения вязкости стекла. Содержание паров Н₂О или D₂O в газовой фазе от 0,017 до 1 мол.% определяется по нижнему уровню необходимостью ощутимого влияния на оптические потери, а верхний уровень ограничен упругостью паров воды при температуре транспортировки парогазовой смеси (≈20°С).The groups formed by reaction (2) OH (OD) lower the viscosity of the glass and shift reaction (1) to the left, thereby reducing the degree of reduction of germanium dioxide and additional optical loss. With the introduction of deuterium-containing substances, the absorption band at a wavelength of 1.38 μm due to Si-OH groups is eliminated. Absorption in the region of 1.6 μm due to P-OH vibrations of the glass of the reflecting shell, often containing small P₂ O₅ additives to decrease the viscosity of the glass, also disappears. The vapor content of H₂ O or D₂ O in the gas phase from 0.017 to 1 mol.% Is determined by the lower level of the need for a tangible effect on optical losses, and the upper level is limited by the vapor pressure of the water at the temperature of transporting the gas-vapor mixture (≈20 ° С).

Совокупность изложенных признаков и анализ отличий от прототипа по существующему уровню техники позволяет сделать вывод о «новизне» и «изобретательском уровне» нового способа.The combination of the above features and analysis of differences from the prototype according to the existing level of technology allows us to conclude about the "novelty" and "inventive step" of the new method.

Предлагаемое новое техническое решение реализовано экспериментально в следующих примерах способа изготовления световодов.The proposed new technical solution is experimentally implemented in the following examples of a method for manufacturing optical fibers.

Пример 1. По известной технологии (патент РФ №2155359 «Способ изготовления волоконных световодов, сохраняющих поляризацию излучения», опубликованный 27.08.2000 по индексу МПК G02B 6/17) изготовлен одномодовый световод с эллиптической германоборосиликатной напрягающей оболочкой. На внутреннюю поверхность метровой трубы из кварцевого стекла с наружным диаметром 20 мм, толщиной стенки 2 мм методом MCVD наносили 7 слоев защитной оболочки (0,963 SiO₂- 0,03 P₂O₅ - 0,007 F), 6 слоев германоборосиликатной оболочки (0,77 SiO₂- 0,17 B₂O₃- 0,06 GeO₂), 4 слоя изолирующей оболочки (0,987 SiO₂- 0,01 P₂O₅ - 0,003 F) и 2 слоя сердцевины (0,95 SiO₂- 0,05 GeO₂). Высокотемпературное сжатие трубки в штабик производили за два прохода горелки при температуре 2000°С и 2150°С. На первом проходе горелки во внутренний канал трубки с осажденными слоями вводили сухой кислород (с точкой росы -80°С) без каталитического дожигания в нем примесей водородсодержащих газов, концентрация которых в пересчете на H₂O составляла 0.017 мол.%. На втором проходе горелки при 2150°С внутренний канал захлопывался при скорости перемещения горелки 10 мм/мин. По всей длине заготовки с диаметрально противоположных сторон нарезали две канавки шириной ≈1 мм. Заготовку подвергали высокотемпературному круглению. В поперечном сечении заготовка имела следующие размеры: диаметр сердцевины - 0.72 мм, диаметр изолирующей оболочки - 1.6 мм, величина малой и большой оси эллиптической оболочки 1.7 и 6.4 мм соответственно, наружный диаметр заготовки - 10,5 мм.Example 1. By a known technology (RF patent No. 2155359 "Method for the manufacture of optical fibers that preserve the polarization of radiation", published on 08.27.2000 by the IPC index G02B 6/17) a single-mode optical fiber with an elliptical germanosilicate tensile sheath was manufactured. On the inner surface of a meter-long quartz glass pipe with an outer diameter of 20 mm, a wall thickness of 2 mm, 7 layers of a protective shell (0.963 SiO₂ - 0.03 P₂ O₅ - 0.007 F), 6 layers of a germanoborosilicate shell were applied by MCVD method SiO₂ - 0.17 B₂ O₃ - 0.06 GeO₂ ), 4 layers of the insulating shell (0.987 SiO₂ - 0.01 P₂ O₅ - 0.003 F) and 2 layers of the core (0.95 SiO₂ - 0 05 GeO₂ ). High-temperature compression of the tube into the head was performed in two passes of the burner at a temperature of 2000 ° C and 2150 ° C. At the first burner pass, dry oxygen (with a dew point of -80 ° C) was introduced into the inner channel of the tube with the deposited layers without catalytic afterburning of hydrogen-containing gas impurities in it, the concentration of which in terms of H₂ O was 0.017 mol%. In the second pass of the burner at 2150 ° С, the internal channel was slammed at a burner moving speed of 10 mm / min. Two grooves ≈1 mm wide were cut from the diametrically opposite sides along the entire length of the workpiece. The workpiece was subjected to high temperature rounding. In cross section, the workpiece had the following dimensions: core diameter 0.72 mm, insulating shell diameter 1.6 mm, the small and large axis of the elliptical shell 1.7 and 6.4 mm, respectively, and the outer diameter of the workpiece 10.5 mm.

Из полученной таким образом заготовки вытягивали одномодовый световод №1 диаметром 125 мкм и длиной 2 км. В процессе вытягивания волокно покрывали слоем мягкого и жесткого эпоксиакрилатного полимера, отверждаемого ультрафиолетовым облучением. Диаметр световода в двойном покрытии составлял 250 мкм.A single-mode fiber No. 1 with a diameter of 125 μm and a length of 2 km was drawn from the preform thus obtained. During the drawing process, the fiber was coated with a layer of soft and hard epoxy acrylate polymer, cured by ultraviolet radiation. The diameter of the fiber in the double coating was 250 μm.

Пример 2. Аналогичным образом изготовлен образец световода №2, отличающийся от предыдущего способа тем, что высокотемпературное сжатие заготовки производили с продувкой кислорода, насыщенного парами D₂O до 1 мол.%. Скорость перемещения горелки при схлопывании внутреннего канала в этом способе оказалась на 20% выше (12 вместо 10 мм/мин), чем в предыдущем случае. Это обусловлено снижением вязкости стекла сердцевины из-за повышенного содержания OD групп.Example 2. In a similar manner, a sample of fiber No. 2 was made, which differs from the previous method in that the high-temperature compression of the preform was carried out with a purge of oxygen saturated with D₂ O vapor up to 1 mol%. The speed of movement of the burner during the collapse of the internal channel in this method was 20% higher (12 instead of 10 mm / min) than in the previous case. This is due to a decrease in the viscosity of the glass core due to the increased content of OD groups.

Пример 3. Аналогичным образом изготовлен контрольный образец световода №3, отличающийся от предыдущего способа тем, что высокотемпературное сжатие заготовки производили с кислородом, прошедшим каталитическое дожигание водородсодержащих примесей и сушку на молекулярном сите. Концентрация водородсодержащих примесей в кислороде, подвергнутом такой обработке, не превышала 10^-4 мол.%. Скорость перемещения горелки при схлопывании внутреннего канала в этом способе оказалась на 40% ниже (7 вместо 12 мм/мин), чем в предыдущем случае. Это обусловлено повышением вязкости стекла сердцевины из-за снижения содержания ОН групп.Example 3. In a similar manner, a control sample of fiber No. 3 was made, which differs from the previous method in that the billet was subjected to high-temperature compression with oxygen that underwent catalytic afterburning of hydrogen-containing impurities and drying on a molecular sieve. The concentration of hydrogen-containing impurities in oxygen subjected to such a treatment did not exceed 10^-4 mol%. The speed of movement of the burner during the collapse of the internal channel in this method was 40% lower (7 instead of 12 mm / min) than in the previous case. This is due to an increase in the viscosity of the glass core due to a decrease in the content of OH groups.

В таблице сопоставлены оптические потери на длине волны 1,55 мкм для световодов, полученных при разных концентрациях Н₂О (D₂O) в газовой фазе при высокотемпературном сжатии заготовки.The table compares the optical loss at a wavelength of 1.55 μm for optical fibers obtained at different concentrations of H₂ O (D₂ O) in the gas phase during high-temperature compression of the workpiece.

№ световодаFiber numberСодержание паров H₂O (D₂O) в кислороде, мол.%The vapor content of H₂ O (D₂ O) in oxygen, mol.%Скорость горелки при коллапсировании заготовки, мм/минBurner speed during workpiece collapse, mm / minОптические потери, дБ/кмOptical loss, dB / km1one0.0170.01710100.60.6221one12120.450.453 (контрольный)3 (control)0.00010.00017722

По мере увеличения содержания паров Н₂О (D₂O) в кислороде оптические потери световодов снижаются, что обусловлено согласованием вязкости структурных элементов заготовки при вытягивании волокна, снижением величины рэлеевского рассеяния и степени восстановления диоксида германия в сердцевине световода.As the content of H₂ O (D₂ O) vapors in oxygen increases, the optical loss of the optical fibers decreases, due to the matching of the viscosity of the structural elements of the preform when the fiber is drawn, a decrease in the Rayleigh scattering and the degree of reduction of germanium dioxide in the core of the fiber.

Использование такого технического решения для световодов W типа с сердцевиной из чистого кварцевого стекла приведет к снижению ее вязкости, устранению в ней закалочных растягивающих напряжений, что обеспечит снижение оптических потерь.The use of such a technical solution for W type fibers with a core made of pure quartz glass will reduce its viscosity, eliminate quenching tensile stresses in it, which will reduce optical losses.

Вышеизложенные сведения подтверждают очевидную промышленную применимость предлагаемого способа изготовления волоконных световодов для передачи как слабых сигналов в системах связи и волоконно-оптических датчиках, так и мощного лазерного излучения технологического назначения.The above information confirms the obvious industrial applicability of the proposed method for the manufacture of optical fibers for transmitting both weak signals in communication systems and fiber-optic sensors, and powerful laser radiation for technological purposes.

Claims (1)

Translated fromRussian

Способ изготовления волоконных световодов на основе кварцевого стекла с малыми оптическими потерями, включающий процессы изготовления заготовки световода методом газофазного осаждения на основе кварцевого стекла с использованием дополнительного легирования осаждаемых слоев стекла сердцевины малыми добавками оксидов и последующую вытяжку волоконного световода, отличающийся тем, что осаждаемые слои стекла сердцевины легируют добавками оксидов водорода или дейтерия при содержании паров этих веществ в газовой фазе от 0,017 до 1 мол.%.A method of manufacturing silica glass fibers with low optical losses, including processes for fabricating a fiber blank by gas phase deposition on silica glass using additional doping of the deposited layers of the core glass with small additives of oxides and the subsequent drawing of the optical fiber, characterized in that the deposited layers of the core glass alloyed with additives of hydrogen or deuterium oxides when the vapor content of these substances in the gas phase is from 0.017 to 1 mol.%.