Одномодовые световоды. Многомодовые световоды с и ступенчатым профилем. Волоконные световоды со специальными свойствами. Полимерные световоды.

По назначению волоконные световоды можно разделить на пять основных групп:

1.Одномодовые световоды для скоростных систем передачи и фазовых волоконно-оптических датчиков (ВОД). Эти световоды отличаются предельно низкими потерями (0,2 ... 1 дБ/км) и широкой полосой пропускания (1 ...100 ГГц-км).Сюда же можно отнести волокна с сохранением поляризации, необходимые для целого ряда датчиков и перспективных систем передачи с когерентным приемом. Типичные размеры световодов первой группы: диаметр сердцевины 5... 10 мкм, оболочки 125 мкм, числовая апертура 0,15 ... 0,2.

2.Многомодовые световоды с градиентным профилем показателя преломления, предназначенные для использования в системах передачи нарасстояния в несколько километров с полосой пропускания 100 ... 1000 МГц-км. Потери в таких волокнах лежат в пределах 0,5 ... 5 дБ/км, стандартные размеры: диаметр сердцевины 50 мкм, оболочки 125 мкм, типичное значение числовой апертуры около 0,2.

3.Многомодовые световоды со ступенчатым профилем показателя преломления, предназначенные для использования в локальных сетях, объек­товых системах передачи и различных ВОД, с весьма умеренной полосой пропускания (10... 100МГц-км) и потерями 3 ... 10 дБ/км. Такие световоды имеют повышенную числовую апертуру (0,3 ... 0,6) и диаметр сердцевины 80 ... 400 мк, допускающие эффективное сопряжение с дешевыми и надежными источниками излучения.

4.Волоконные световоды со специальными свойствами, к которым относятся волокна целевого назначения для датчиков и других волоконно-оптических функциональных устройств: лазерные волокна (см. гл. 5), активированные редкоземельными ионами, волокна с пьезоэлектрической или магнитострикционной оболочкой и т. п.

5.Полимерные световоды со ступенчатым или градиентным профилем показателя преломления, отличающиеся высокой гибкостью, прочностью и низкой стоимостью. Область их применения ограничивается высокими потерями (100…500 дБ/км), поэтому используются они для передачи данных внутри ЭВМ, в роботах,в автомобильных датчиках и т. п.

6. Волокна для среднего ИК диапазона (Х — 2 ... 50 мкм) со сверхнизкими потерями.

Световоды первой, второй и отчасти третьей групп имеют одинаковую композицию и изготавливаются из кварцевого стекла, легированного различными добавками, изменяющими показатель преломления в нужную сторону. Кварцевое стекло имеет высокие однородность и чистоту, что обусловливает малые потери на рассеяние и поглощение (см. § 4.6), отличается высокой температурой плавления, химической и радиационной стойкостью. Технология производства высококачественных кварцевых во­локон, как будет видно ниже, достаточно сложна, но доведена до промышленного уровня, обеспечивающего массовый выпуск без снижения качества.

Требования к характеристикам световодов третьей и четвертой групп не являются предельно жесткими, поэтому они изготавливаются из более дешевых материалов (многокомпонентные стекла) и по более простой технологии. Производство полимерных волокон является самым простым и дешевым в рассматриваемом ряду. Производство волокон шестой группы требует освоения новых материалов и технологий и находится в лабораторной стадии.

Наиболее распространенные в мировой практике способы изготовления высококачественных кварцевых волоконных световодов являются разновидности процесса химического осаждения основного стеклообразующего окисла SiO₂ и легирующих окислов из парогазовой смеси CVD процесса (Chemical Vapour Deposition). Галоиды кремния, германия, бора, фосфора и т. п., входящие в состав парогазовой смеси, при высокой температуре реагируют с кислородом:

SiCl₄ + O₂ => SiO₂ + 2Cl₂

GeCl₄ + O₂ => GeO₂ +2Cl₂ (1)

4BBr₃ + 3O₂ => 2B₂O₃ + 6Br₃

4POCl₃ + 3O2₂ => 2P₂O₅ + 6Cl₂

В результате реакции образуется мелкодисперсная масса, напоминающая белую сажу, которая после прославления превращается в прозрачное стекло, содержащее около 90 % SiO₂. Добавки легирующих окислов меняют коэффициент преломления в нужную сторону в соответствии с зависимостями. Содержание добавок в стекле регулируется в ходе процесса путем изменения состава парогазовой смеси галоидов, концентрации ее компонентов. Из рисунка 1 видно, что добавки окислов германия и фосфора повышают показатель преломления стекла, а добавка окиси бора снижает его.

Рисунок 1. Влияние легирующих окислов на коэффициент преломления

Минимальными потерями в области 1,3 и 1,5 мкм обладают кварцевые стекла, не содержащие бора, поэтому в последние годы в качестве присадки, снижающей показатель преломления, используется фтор, образующийся при окислении фреона CCl₂F₂ или фтористого углерода СF₄. Естественно, что исходные компоненты процесса CVD должны быть высокой химической чистоты.

Во всех разновидностях процесса CVD производство волоконных световодов разделяется на две основные стадии. В первой стадии — изготовлении заготовки для вытяжки волокна — проявляются различия перечисленных вариантов, тогда как вторая стадия — вытяжка волокна из заготовки — одинакова по технологии и оборудованию для всех вариантов. Параметры заготовки во многом определяют характеристики волоконного световода, вытянутого из нее. Тип световода — одномодовый, многомодовый градиентный или ступенчатый — полностью определяется профилем показа­теля преломления заготовки. Все варианты процесса CVD позволяют организовать гибкое производство с быстрой перестройкой с одного типа световода на другой. Рассмотрим подробнее наиболее распространенный в настоящее время технологический метод.