СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КВАРЦЕВЫХ ЗАГОТОВОК ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ И ЗАГОТОВКА, ПОЛУЧЕННАЯ ДАННЫМ СПОСОБОМ Российский патент 2010 года по МПК C03B37/18 

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 - λ_кp (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 Q_o, которая на практике составляет десятки тысяч (по этой причине нагруженная добротность О_н резонатора Н₀₁₁ будет также выше, чем при виде колебаний Е₀₂₀ (Е₀₁₀). Причина столь высоких значений Q_o 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.

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.

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.