RU2036864C1

RU2036864C1 - Method for production of mother rod of fiber-optic light conduits

Info

Publication number: RU2036864C1
Authority: RU
Inventors: Л.М. Блинов; А.Л. Блинов; В.В. Володько; А.М. Соломатин; В.М. Фирсов
Original assignee: Блинов Леонид Михайлович; Блинов Андрей Леонидович; Володько Владимир Васильевич; Соломатин Алексей Михайлович; Фирсов Виталий Михайлович
Priority date: 1991-09-23
Filing date: 1991-09-23
Publication date: 1995-06-09

Abstract

FIELD: production of fiber-optic light conduits. SUBSTANCE: method for production of mother rod of fiber-optic light conduits includes passage of reagents in gas phase through tube of quartz glass, and layers of quartz glass doped with fluorine are precipitated in nonisothermal pulse UHF-plasma. Installed in quartz tube is quartz rod on which layers of quartz glass doped with fluorine are precipitated, and then, rod is withdrawn from tube. EFFECT: higher efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к способам получения заготовок для создания гибких силовых световодов и световодов с тонкой отражающей оболочкой. The invention relates to fiber optics, in particular to methods for producing blanks for creating flexible power fibers and optical fibers with a thin reflective sheath.

В настоящее время в связи с созданием мощных лазеров с длинами волн испускания в пределах от 0,2 до 1,9 мкм и широким применением их в промышленности и медицине остро встал вопрос о способе передачи оптического излучения от источника к объекту, так как с помощью систем линз и зеркал не всегда удается создать гибкий технологический инструмент. Для этих целей применяются силовые волоконные световоды с диаметром сердцевины 600-1000 мкм. Currently, in connection with the creation of high-power lasers with emission wavelengths ranging from 0.2 to 1.9 μm and their widespread use in industry and medicine, the question of how to transfer optical radiation from a source to an object has arisen, since using systems lenses and mirrors are not always able to create a flexible technological tool. For these purposes, power fiber optics with a core diameter of 600-1000 microns are used.

Световоды типа "кварц-полимер" имеют высокие потери, быстро деградируют при пропускании ультрафиолетового излучения и начинают гореть на торцах при вводе инфракрасного излучения большой мощности. Световоды типа "кварц-кварц" с сердцевиной из чистого кварца и светоотражающей оболочкой, легированной фтором, лучше подходят для этой цели и успешно изготовляются методом РМС Д (осаждение из газовой фазы, активированное плазмой высокочастотного разряда атмосферного давления). Optical fibers of the “quartz-polymer” type have high losses, quickly degrade when transmitting ultraviolet radiation, and begin to burn at the ends when infrared radiation of high power is introduced. Quartz-quartz fibers with a core made of pure quartz and a fluorine-doped reflective cladding are better suited for this purpose and are successfully fabricated by PMC D (gas phase deposition activated by a high-frequency atmospheric-pressure plasma).

Силовые световоды, изготовленные таким способом, имеют диаметр сердцевины 600-1000 мкм и наружный диаметр (без покрытия) 750-1500 мкм соответственно, причем толщина фторированной отражающей оболочки составляет 25-30 мкм, а остальные 150-250 мкм наружной кварцевой оболочки световода образуются из-за присутствия стекла опорной кварцевой трубки (световоды получаются трехслойные: жила, отражающая оболочка и оболочка опорной кварцевой трубки). Для увеличения гибкости таких световодов необходимо удалить наружный кварцевый слой. Этого удается добиться путем испарения кварцевого стекла с заготовки волоконного световода. Но такая операция очень длительная (до 8 ч) и дорогостоящая (в отходы идет высококачественная опорная кварцевая труба). Power fibers made in this way have a core diameter of 600-1000 μm and an outer diameter (without coating) of 750-1500 μm, respectively, with the thickness of the fluorinated reflective sheath being 25-30 μm, and the remaining 150-250 μm of the outer quartz sheath of the optical fiber - due to the presence of glass supporting the quartz tube (the fibers are obtained as three-layer: core, reflective sheath and the sheath of the supporting quartz tube). To increase the flexibility of such fibers, it is necessary to remove the outer quartz layer. This can be achieved by evaporation of quartz glass from the workpiece of the fiber. But such an operation is very long (up to 8 hours) and expensive (a high-quality quartz support tube goes to waste).

К недостаткам данного способа следует также отнести наличие операции схлопывания; при необходимости получения малого соотношения между наружным диаметром световода и сердцевиной операции "обдирка" заготовки на водородно-кислородной горелке для уменьшения наружного диаметра; использование дорогостоящей опорной трубки из оптического кварца; использование только СВЧ-плазмы для нагрева опорной трубки ограничивает частоту посылок импульсов, и тем самым снижает скорость осаждения, кроме того, длительный импульс СВЧ-плазмы, необходимый для нагрева трубки, приводит к осаждению дополнительного количества кварцевого стекла в начале зоны осаждения. The disadvantages of this method should also include the presence of a collapse operation; if it is necessary to obtain a small ratio between the outer diameter of the fiber and the core of the operation, “stripping” the workpiece on a hydrogen-oxygen burner to reduce the outer diameter; the use of an expensive support tube made of optical quartz; the use of only microwave plasma to heat the support tube limits the frequency of pulse transmissions, and thereby reduces the deposition rate, in addition, the long microwave plasma pulse required to heat the tube leads to the deposition of additional quartz glass at the beginning of the deposition zone.

Целью изобретения является повышение производительности процесса изготовления заготовок волоконных световодов за счет сокращения числа технологических операций по изготовлению заготовки. The aim of the invention is to increase the productivity of the manufacturing process of preforms of optical fibers by reducing the number of technological operations for the manufacture of preforms.

Поставленная цель достигается тем, что в способе производства заготовок волоконных световодов путем пропускания через трубку из кварцевого стекла реагентов в газовой фазе и осаждения в неизотермической импульсной СВЧ-плазме слоев легированного фтором кварцевого стекла в кварцевую трубку вставляют кварцевый стержень, на поверхность которого осаждают слои кварцевого стекла, легированного фтором, затем стержень извлекают из трубки. This goal is achieved by the fact that in the method for producing fiber-optic fiber preforms by passing reagents in the gas phase through a quartz glass tube and depositing layers of fluorine-doped silica glass in a non-isothermal pulsed microwave plasma, a quartz rod is inserted into the quartz tube, onto which surface quartz glass layers are deposited doped with fluorine, then the rod is removed from the tube.

Поставленная цель достигается за счет того, что в способе производства заготовок волоконных световодов путем пропускания через трубку из кварцевого стекла реагентов в газовой фазе, осаждение в неизотермической импульсной СВЧ-плазме слоев легированного фтором кварцевого стекла идет на поверхность кварцевого стержня, расположенного соосно внутри кварцевой трубки, и тем самым исключается операция схлопывания и "обдирки" при необходимости. Использование печи сопротивления для поддержания необходимой температуры на поверхности кварцевой трубки дает возможность варьировать частотой посылок и длительностью СВЧ-импульсов, что, в свою очередь, позволяет оптимизировать процесс осаждения и тем самым увеличить скорость осаждения и улучшить качество осажденных слоев. This goal is achieved due to the fact that in the method for the production of fiber optic fiber blanks by passing reagents in the gas phase through a quartz glass tube, the deposition of layers of fluorine-doped silica glass in a nonisothermal pulsed microwave plasma goes to the surface of the quartz rod located coaxially inside the quartz tube, and thereby eliminates the operation of collapse and "peeling" if necessary. Using a resistance furnace to maintain the required temperature on the surface of the quartz tube makes it possible to vary the frequency of the packages and the duration of the microwave pulses, which, in turn, allows you to optimize the deposition process and thereby increase the deposition rate and improve the quality of the deposited layers.

Схема процесса представлена на чертеже. The process diagram is shown in the drawing.

Способ осуществляют следующим образом. The method is as follows.

Внутри опорной кварцевой трубки непрерывно прокачивают смесь реагентов О₂, SiCl₄ и фреон. Давление поддерживают 2-5 мм рт.ст. При подаче импульсов СВЧ-энергии зажигают плазму, и идет гетерогенный процесс осаждения слоев легированного кварцевого стекла на внутреннюю поверхность кварцевой трубки и на стержень, расположенный соосно внутри трубки. Во время процесса осаждения формируют светоотражающую оболочку из кварцевого стекла, легированного фтором. По достижении необходимой толщины оболочки (обеспечивающей заданное соотношение диаметра световода и сердцевины) стержень вынимают из трубки и вытягивают в волокно по обычной технологии, при этом исключают операцию схлопывания и "обдирки". Трубку используют из кварца низкого качества и, возможно, несколько раз, что приводит к удешевлению процесса.A mixture of O ₂ , SiCl ₄ reagents and Freon are continuously pumped inside the quartz support tube. Pressure support 2-5 mm RT.article When pulses of microwave energy are applied, the plasma is ignited, and a heterogeneous process of deposition of layers of doped quartz glass on the inner surface of the quartz tube and on the rod, located coaxially inside the tube. During the deposition process, a fluorine-doped quartz glass is formed. Upon reaching the required thickness of the sheath (providing a predetermined ratio of the diameter of the fiber to the core), the rod is removed from the tube and pulled into the fiber by conventional technology, while the operation of collapse and "peeling" is excluded. The tube is used from low quality quartz and, possibly, several times, which leads to a cheaper process.

СВЧ-устройство для осаждения заготовок волоконных световодов работает в режиме непрерывной прокачки реагентов. Поскольку время для прохождения химической реакции менее 1 м/с, то частота посылок импульсов составляет величину ≈100 Гц, а длительность 1-2 м/с. Это позволяет исключить процессы переосаждения и улучшить качество заготовок. При этом для поддержания температуры кварцевой трубки ≈1100^оС необходимо использовать печь сопротивления.The microwave device for the deposition of blanks of optical fibers operates in a continuous mode of pumping reagents. Since the time for a chemical reaction to pass is less than 1 m / s, the frequency of impulses is ≈100 Hz, and the duration is 1-2 m / s. This eliminates reprecipitation processes and improves the quality of the workpieces. In this case, to maintain the temperature of the quartz tube ≈1100 ^о С, it is necessary to use a resistance furnace.

Ниже даны примеры технологических параметров процесса. The following are examples of process parameters.

П р и м е р 1. Диаметр кварцевой трубки: наружный 20 мм; внутренний 16 мм; диаметр штабика 8 мм; длина зоны осаждения 600 мм; толщина осажденных слоев 400 мкм; время осаждения 2 ч; числовая апертура волокна с чисто кварцевой сердцевиной 0,28; наружный диаметр волокна (без покрытия) для λ= 1,06 мкм 660; диаметр сердцевины 600 мкм. PRI me R 1. The diameter of the quartz tube: outer 20 mm; inner 16 mm; diameter of a rack 8 mm; deposition zone length 600 mm; the thickness of the deposited layers is 400 microns; deposition time 2 hours; numerical aperture of a fiber with a pure quartz core 0.28; the outer diameter of the fiber (uncoated) for λ = 1.06 μm 660; core diameter 600 μm.

П р и м е р 2. Диаметр опорной кварцевой трубки: наружный 20 мм, внутренний 16 мм; диаметр штабика 8 мм; длина зоны осаждения 600 мм; толщина осажденных слоев 200 мкм; время осаждения 1 ч; числовая апертура волокон с чисто кварцевой сердцевиной 0,25; наружный диаметр волокна (без покрытия) для λ= 0,308 мкм 420; диаметр сердцевины 400 мкм. PRI me R 2. The diameter of the supporting quartz tube: outer 20 mm, inner 16 mm; diameter of a rack 8 mm; deposition zone length 600 mm; the thickness of the deposited layers 200 microns; deposition time 1 h; numerical aperture of fibers with a pure quartz core 0.25; the outer diameter of the fiber (uncoated) for λ = 0.308 μm 420; core diameter 400 μm.

Таким образом, осаждение кварцевого стекла, легированного фтором, на поверхность кварцевого стержня, расположенного соосно внутри кварцевой трубки в плазме импульсного СВЧ-разряда пониженного давления, позволяет исключить операцию схлопывания заготовки и при необходимости "обдирки" (для достижения необходимого соотношения между наружным диаметром световода и сердцевины), что приводит к повышению скорости и производительности процесса изготовления заготовок волоконных световодов. Thus, the deposition of fluorine-doped quartz glass on the surface of a quartz rod located coaxially inside a quartz tube in a plasma of a low-pressure microwave pulsed discharge eliminates the operation of collapse of the preform and, if necessary, “peeling” (to achieve the necessary ratio between the outer diameter of the fiber and core), which leads to an increase in the speed and productivity of the process of manufacturing blanks of optical fibers.

Применение печи для поддержания необходимой температуры на поверхности кварцевой трубки позволяет оптимизировать частоту и скважность подачи импульсов и тем самым повысить качество, увеличить скорость осаждения стекла и свести к минимуму излишнее осаждение кварца в начале осаждения. The use of the furnace to maintain the required temperature on the surface of the quartz tube allows us to optimize the frequency and duty cycle of the pulses and thereby improve the quality, increase the rate of deposition of glass and minimize excessive deposition of quartz at the beginning of deposition.

Claims

METHOD FOR PRODUCING FIBER FIBERguides by passing reagents in a gas phase through a quartz glass tube and depositing layers of fluorine-doped silica glass in a non-isothermal pulsed microwave plasma, characterized in that a quartz rod is inserted into the quartz tube, onto which a quartz glass is deposited, on which quartz glass layers are deposited fluorine, then the rod is removed from the tube.