Способ изготовления кварцевых заготовок волоконных световодов, устройство для его осуществления и заготовка, полученная данным способом

Изобретение относится к способу изготовления кварцевых заготовок волоконных световодов боковым плазмохимическим осаждением отражающей фторсиликатной оболочки из газовой фазы в плазме СВЧ-разряда пониженного давления на поверхность кварцевого стержня. СВЧ плазму вокруг стержня создают с помощью резонатора с видом колебаний Н011. Изобретение позволяет увеличить диаметр заготовки и скорость осаждения кварцевого стекла за счет увеличения диаметра кварцевого стержня до 60-70 мм. Плазмохимическое осаждение осуществляют устройством, содержащим генератор СВЧ колебаний на частоте 2,45 ГГц, волноводный тракт с волной H01 и резонатор вида колебаний Н011. Получают заготовки для изготовления двухслойных волоконных световодов с числовой апертурой в пределах 0,22-0,55. 6 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к СВЧ плазмохимическим способам и устройствам для нанесения покрытий на поверхности изделий из кварцевого стекла осаждением из газовой фазы.

В настоящее время в связи с созданием мощных лазеров в диапазоне 0,2-2,2 мкм и широким применением их в промышленности и медицине необходимо создание двухслойных, гибких, силовых и специальных для ряда применений радиационно стойких высокоапертурных волоконных световодов типа «кварц-кварц» как в качестве технологического инструмента, так и для накачки лазеров и усилителей, вывода и суммирования лазерной мощности, а также для волоконных датчиков, спектроанализаторов и других применений.

Световоды типа «кварц-полимер» имеют более высокие потери, быстро деградируют при пропускании ультрафиолетового излучения и начинают гореть на торцах при вводе инфракрасного излучения большой мощности.

Силовые и специальные световоды с сердцевиной из чистого кварцевого стекла или легированного германием или азотом и отражающей кварцевой оболочкой, легированной фтором, лучше всего подходят для этих целей. Числовая апертура NA в этом случае может достигать 0,35, 0,45, 0,55 соответственно.

При осаждении отражающей фторсиликатной оболочки на кварцевый стержень, легированный редкоземельными элементами РЗЭ и различными добавками Al, Р, Ge, F, N, К и др. в различных сочетаниях или в отдельности, например азотом и РЗЭ, можно изготавливать заготовки активных волоконных световодов для создания волоконных лазеров и усилителей.

Известен способ получения кварцевых заготовок двухслойных волоконных световодов с чистой кварцевой сердцевиной и фторсиликатной отражающей оболочкой боковым осаждением оболочки на поверхность кварцевого стержня в импульсной СВЧ плазме пониженного давления (RU №2036864, С03В 37/018, 1995-09-06).

Данный способ имеет существенные недостатки.

1. Неизотермическая СВЧ плазма пониженного давления обеспечивает осаждение кварцевого стекла с низкой скоростью осаждения (не более 0,2 г/мин).

2. Энергетический к.п.д. импульсного СВЧ плазмохимического метода осаждения не превышает 30%.

3. Проблематично равномерное осаждение отражающей фторсиликатной оболочки на большой (>50 см) длине кварцевого стержня.

4. Не описано устройство, с помощью которого осуществляется способ осаждения.

Известен способ и устройство для изготовления кварцевых заготовок методом бокового СВЧ плазмохимического осаждения фторсиликатной отражающей оболочки на поверхность кварцевого стержня с помощью плазменной поверхностной волны E01 или гибридной НЕ11 волны (US 5597624 A, С03В 37/018, 1997-01-28). Однако импульсных СВЧ генераторов с длительностью импульса т≈1 мсек и импульсной мощностью в десятки кВт при средней мощности несколько кВт промышленность в настоящее время не выпускает, и поэтому способ не может быть пока реализован.

К тому же энергетический к.п.д. этого способа и скорость осаждения также невелики (40% и 0,2 г/мин соответственно). Также проблематично равномерное осаждение стекла на длине стержня более 50 см.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату являются способ и устройство для изготовления кварцевых заготовок волоконных световодов методом бокового плазмохимического осаждения отражающей фторсиликатной оболочки на поверхность кварцевого стержня в плазме СВЧ-разряда пониженного давления, создаваемой и перемещаемой вокруг кварцевого стержня резонатором типа Е020 (US 6138478(A), С03В 37/014, 2000-10-31)), или способ, реализуемый с помощью резонатора Е010 типа, возбуждаемого плазменной поверхностной волной E01 (US 6988380(B2), C03B 37/018, 2006-01-24).

Оба способа имеют один существенный недостаток:

- в случае E020 резонатора максимальный диаметр кварцевого стержня, на поверхность которого осаждается фторсиликатная отражающая оболочка, не превышает 28 мм, а в случае Е010 резонатора диаметр стержня не превышает 35 мм.

В целом оба способа обладают существенным недостатком: невысокая производительность, связанная с небольшими габаритами (по диаметру) кварцевых стержней (соответственно заготовок).

Задачей настоящего изобретения является повышение производительности способа получения заготовок двухслойных волоконных световодов и увеличение размеров заготовок.

Для решения поставленной задачи предлагается способ изготовления кварцевых заготовок волоконных световодов боковым плазмохимическим осаждением из газовой фазы в плазме СВЧ разряда пониженного давления отражающей фторсиликатной оболочки на поверхность кварцевого стержня, отличающийся тем, что СВЧ плазму вокруг стержня, установленного симметрично кварцевому реактору, создают с помощью резонатора с видом колебаний Н011.

Существенным преимуществом применения в способе изготовления кварцевых заготовок резонатора Н011 (фиг.2) является то, что на оси резонатора напряженность электрического поля Е=0 и достигает максимального значения на расстоянии R/2, где R - радиус резонатора, что позволяет увеличить диаметр заготовки как минимум в 2,5 раза и в 2,5 раза скорость осаждения кварцевого стекла за счет увеличения диаметра кварцевого стержня до 60-70 мм.

Сущность настоящего изобретения поясняется на фиг.1 и 2.

На фиг.1 представлена схема устройства для осуществления способа изготовления кварцевых заготовок волоконных световодов, где 1 - кварцевый стержень, труба-реактор - 2, СВЧ плазма пониженного давления - 3, резонатор Н011 - 4, подача химических реагентов - 5, вакуумная система - 6, короткозамыкающий поршень - 7, волноводный тракт - 8, печь - 9, щель в печи - 10, защитный металлический кожух устройства - 11, генератор СВЧ колебаний - 12.

На фиг.2 показана структура и эпюры поля и тока в стенках цилиндрического резонатора при виде колебаний Н011, обеспечивающие возможность существенного увеличения кварцевого стержня до диаметра 60-70 мм.

Способ изготовления кварцевых заготовок осуществляется следующим образом.

Для изготовления кварцевых заготовок используются изготовленные в промышленности или лабораторных условиях готовые стержни, выполненные из чистого кварца, или кварцевые стержни, легированные германием или азотом или азотом и редкоземельными элементами с добавками из группы, включающей Аl, К, Р, Ge, F, взятыми в сочетании или по отдельности. В кварцевой трубе-реакторе 2 создают вокруг такого кварцевого стержня 1 СВЧ плазму пониженного давления 3 резонатором Н011 4, перемещаемым вместе с плазмой возвратно-поступательно через щель в печи 10 вдоль кварцевого стержня 1, затем пропускают в газовой фазе химические реагенты (SiCl4+O2+C3F8) 5 и осаждают на поверхность кварцевого стержня 1 оптически прозрачные плотные слои кварцевого стекла, легированного фтором, с толщиной каждого слоя 100-500 нм. В результате данного процесса гетерогенного осаждения слоев кварцевого стекла, легированного фтором, на поверхности кварцевого стержня (сердцевины) формируется многослойная фторсиликатная отражающая оболочка. Толщина фторсиликатной отражающей оболочки задается соотношением диаметра световода к диаметру сердцевины. Как правило, оно находится в пределах 1,05-1,2 и в отдельных случаях может достигать 1,4. После осаждения на кварцевый стержень отражающей фторсиликатной оболочки необходимой толщины кварцевый стержень вынимают из трубы и перетягивают как заготовку в волокно по обычной технологии, при этом исключается операция схлопывания. В качестве трубы-реактора используют техническое кварцевое стекло низкого качества, которое можно использовать несколько раз, что приводит к удешевлению себестоимости заготовки.

Устройства для изготовления кварцевых заготовок, содержащие СВЧ-генератор, волноводный тракт, плазмохимический реактор, СВЧ резонатор, печь нагрева стержня, систему подачи химических реагентов и вакуумную систему для откачки продуктов реакций описаны в приведенных выше патентах (US 6138478(А), С03В 37/014, 2000-10-31; US 6988380(B2), C03B 37/018, 2006-01-24).

Эти устройства не позволяют получать заготовки большого диаметра и высокую производительность процесса.

В случае Е020 резонатора максимальный диаметр кварцевого стержня, на поверхность которого осаждается фторсиликатная отражающая оболочка, не превышает 28 мм (US 6138478(A), C03B 37/014, 2000-10-31), а в случае Е010 резонатора (US 6988380(B2), C03B 37/018, 2006-01-24) диаметр стержня не превышает 35 мм.

Для решения поставленной задачи в настоящем изобретении предлагается для изготовления кварцевых заготовок устройство, содержащее СВЧ-генератор, волноводный тракт с волной Н10, плазмохимический реактор, СВЧ резонатор, печь нагрева стержня, систему подачи химических реагентов и вакуумную систему для откачки продуктов реакций, отличающееся тем, что в качестве основных узлов плазмохимического осаждения устройство содержит генератор СВЧ колебаний на частоте 2,45 ГГц, волноводный тракт с волной H01 и резонатор вида колебаний Н011.

СВЧ устройство иллюстрируется на фиг.1, где показаны: труба-реактор (2), генератор СВЧ колебаний на частоте 2,45 ГГц с выходной мощностью СВЧ 15 кВт (12), волноводный тракт с волной H01 (8) и резонатор вида колебаний H011 (4), возбуждаемый волной H01 и перемещаемый возвратно-поступательно через щель 10 в печи нагрева 9 кварцевого стержня 1.

Работа данного устройства осуществляется следующим образом.

В трубе-реакторе 2 вокруг кварцевого стержня 1, расположенного осесимметрично реактору 2, создают СВЧ плазму пониженного давления 3 и при подаче в реактор в газовой фазе химических реагентов (SiCl4+O2+C3F8) 5 и нагреве кварцевого стержня в печи 9 до температуры 1050-1200°С осаждают на поверхность кварцевого стержня 1 оптически прозрачные плотные слои кварцевого стекла, легированного фтором путем возвратно-поступательного перемещения вместе с СВЧ плазмой 3 резонатора вида колебаний Н11 4, возбуждаемого волной H01.

Резонансная длина волны вида Н011 определяется уравнением:

где 1,64R - λкp (критическая длина волны H01), l - высота резонатора.

С физической точки зрения этот резонанс соответствует короткозамкнутому с помощью КЗ поршня 7 круглому волноводу, возбужденному на волне H01, при длине , равной половине длины волны в данном волноводе (λв/2). Структура распределения электрического и магнитного полей при виде колебаний Н011 представлена на фиг.2.

Основным достоинством Н011 является очень высокая собственная добротность Qo, которая на практике составляет десятки тысяч (по этой причине нагруженная добротность Он резонатора Н011 будет также выше, чем при виде колебаний Е020010). Причина столь высоких значений Qo резонатора Н011 заключается в малой величине потерь в стенках резонатора (кольцевые токи) и отсутствии по этой же причине потерь на излучение. В конечном счете все это значительно повышает величину напряженности электрического поля Е в резонаторе, вследствие чего возрастает эффективность и скорость осаждения (фактор Е/р, где p - давление рабочего газа, торр).

Примеры технологических параметров процесса осаждения отражающей фторсиликатной оболочки на поверхность кварцевого стержня в СВЧ плазме пониженного давления, создаваемой резонатором с видом колебаний H011.

Пример 1

Диаметр кварцевой трубы-реактора, мм 82×78
Диаметр кварцевого стержня, мм 60
Длина кварцевого стержня, мм 1300
Длина зоны осаждения, мм 1000
Соотношение диаметра световода к диаметру сердцевины 1,2
Диаметр заготовки состава SiО2/SiО2-F, мм 72
Диаметр сердцевины волокна, мкм 600
Диаметр волокна без покрытия, мм 660
Длина, вытягиваемого волокна, м 7600

Режимы осаждения:

Расход SiCl4, см3/мин 2500
Расход C3F8, см3/мин 300
Расход O2, см3/мин 6000
Мощность СВЧ генератора, кВт 12,5
Давление рабочего газа, торр 9,0
Температура стержня, °С 1050
Скорость перемещения резонатора, м/мин 3,5

Пример 2

Диаметр кварцевой трубы-реактора, мм 92×88
Диаметр кварцевого стержня, мм 70
Длина кварцевого стержня, мм 1300
Длина зоны осаждения, мм 1000
Соотношение диаметра световода к диаметру сердцевины 1,05
Диаметр заготовки состава SiO2-GeO2/SiO2-F, мм 73,5
Диаметр сердцевины волокна, мкм 1000
Диаметр волокна без покрытия, мм 1100

Режимы осаждения:

Расход SiCl4, см3/мин 3000
Расход С3F8, см3/мин 350
Расход O2, см3/мин 7000
Мощность СВЧ генератора, кВт 13,6
Давление рабочего газа, торр 9,0
Температура стержня, °С 1050
Скорость перемещения резонатора, м/мин 3,5

Осуществление плазмохимического осаждения отражающей фторсиликатной оболочки предлагаемым в настоящем изобретении способом с применением устройства, содержащего генератор СВЧ колебаний на частоте 2,45 ГГц, волноводный тракт с волной H01 и резонатор вида колебаний Н011, позволяет:

- наносить фторсиликатную оболочку на диаметр кварцевого стержня размером 60-70 мм,

- увеличить скорость осаждения оболочки до 6,5 г/мин,

- повысить производительность процесса и снизить себестоимость изготовления заготовки,

- повысить размеры заготовок для изготовления двухслойных волоконных световодов с числовой апертурой в пределах 0,22-0,55.

1. Способ изготовления заготовок волоконных световодов боковым плазмохимическим осаждением из газовой фазы на поверхность кварцевого стержня, установленного соосно в кварцевый реактор, отражающей фторсиликатной оболочки в плазме СВЧ-разряда пониженного давления, создаваемой вокруг стержня резонатором, перемещаемым возвратно-поступательно вдоль кварцевого стержня, нагреваемого в печи сопротивления до 1000-1200°С, отличающийся тем, что плазмохимическое осаждение на поверхность кварцевого стержня отражающей фторсиликатной оболочки осуществляют в плазме СВЧ-разряда пониженного давления, создаваемой и перемещаемой возвратно-поступательно вокруг стержня с помощью резонатора вида колебаний Н011.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для изготовления заготовок волоконных световодов используют кварцевые стержни диаметром 60-70 мм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что отражающую фторсиликатную оболочку осаждают на боковую поверхность кварцевого стержня, легированного германием.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что отражающую фторсиликатную оболочку осаждают на боковую поверхность кварцевого стержня, легированного азотом.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что отражающую фторсиликатную оболочку осаждают на боковую поверхность кварцевого стержня, легированного азотом и редкоземельными элементами.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщина фторсиликатной оболочки, которую наносят на кварцевый стержень, находится в пределах отношения диаметра световода к его сердцевине, равном 1,05-1,2.

7. Устройство для изготовления кварцевых заготовок по п.1, содержащее СВЧ-генератор, волноводный тракт, СВЧ-резонатор, плазмохимический реактор, систему подачи химических реагентов и вакуумную систему для откачки продуктов реакций, отличающееся тем, что в нем использованы генератор СВЧ-колебаний на частоте 2,45 ГГц, волноводный тракт с волной H01 и резонатор вида колебаний Н011.

8. Заготовка, изготовленная по п.1, состоящая из кварцевого стержня диаметром 60-70 мм и отражающей фторсиликатной оболочки, обеспечивающей световоду числовую апертуру 0,22-0,35.

9. Заготовка, изготовленная по п.1, состоящая из кварцевого стержня диаметром 60-70 мм, легированного германием, и отражающей фторсиликатной оболочки, обеспечивающей световоду числовую апертуру 0,4-0,45.

10. Заготовка, изготовленная по п.1, состоящая из кварцевого стержня диаметром 60-70 мм, легированного азотом, и фторсиликатной отражающей оболочки, обеспечивающей световоду числовую апертуру 0,5-0,55.

11. Заготовка, изготовленная по п.1, состоящая из кварцевого стержня диаметром 60-70 мм, легированного азотом и редкоземельными элементами с добавками из группы, включающей Аl, К, Р, Ge, F, взятыми в сочетании или по отдельности.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к технологии изготовления точноразмерных труб из кварцевого стекла, необходимых для производства волоконных световодов (ВС), используемых в линиях дальней связи, волоконно-оптических датчиках и лазерной технике.

Изобретение относится к способу изготовления заготовок одномодовых и многомодовых волоконных световодов W-типа. .

Изобретение относится к СВЧ плазмохимической технологии изготовления заготовок активных световодов, используемых в производстве волоконных лазеров, усилителей и волоконно-оптических датчиков и может быть использовано для получения многослойных наностекол с уникальными свойствами.

Изобретение относится к способу изготовления оптического волокна путем выполнения одной или нескольких реакций химического осаждения из паровой фазы в трубке подложки.
Изобретение относится к области производства волоконных световодов. .

Изобретение относится к способам получения трубок, прутков для применений оптического волокна и заготовок для ультрафиолетпропускающих оптических компонентов из диоксида кремния методом плазменного напыления

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к технологии изготовления одномодовых волоконных световодов, сохраняющих состояние поляризации введенного в них излучения

Изобретение относится к способу изготовления заготовки оптического волокна

Изобретение относится к области нанотехнологий, предназначенных для производства оптического волокна (ОВ), используемого для различных целей, в том числе передачи информации, современной оптики, лазерной физики, фотоники

Изобретение относится к способу и установке для получения поликристаллического кремния и может найти применение при изготовлении солнечных элементов

Изобретение относится к способу изготовления заготовки оптического волокна

Изобретение относится к технологии изготовления трубчатых кварцевых заготовок высокоапертурных, многомодовых волоконных световодов Первоначально осаждают сердцевину из кварцевого стекла, легированную фтором (n1), а затем отражающую фторсиликатную оболочку с n2<n1

Изобретение относится к изготовлению кварцевых заготовок одномодовых волоконных световодов для волоконно-оптических линий связи, создания волоконных лазеров и усилителей, различных волоконно-оптических датчиков
Наверх