Физические процессы определяющие прочность и долговечность волоконных световодов

Семенов, Сергей Львович

Физические процессы определяющие прочность и долговечность волоконных световодов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Семенов, Сергей Львович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

1997 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.10 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Физические процессы определяющие прочность и долговечность волоконных световодов»

Автореферат диссертации на тему "Физические процессы определяющие прочность и долговечность волоконных световодов"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ^ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ВОЛОКОННОЙ оптики

^ при ИНСТИТУТЕ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

«"V

На правах рукописи УДК 681.7.068.4.08

СЕМЕНОВ СЕРГЕИ ЛЬВОВИЧ

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ПРОЧНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ

Специальность: 01.04.10 - Физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1997

Работа выполнена в Научном центре волоконной оптики при Институте общей физики Российской Академии Наук.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук БУБНОВ М.М.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Сулимов В.Б.

кандидат физико-математических наук Никитин Е.П.

Ведущая организация: ИРЭ РАН, Москва

Защита состоится " " 1997 г. в (¿'"часов на заседании

Диссертационного совета Д.003.49.03 при Институте общей физики РАН по адресу: 117942, ГСП-1, Москва, В-333, ул. Вавилова, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики РАН.

Автореферат разослан " ^ " ¡<-0 ^ 1997 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д.003.49.03 М/ А / /

д. ф.-м. н., профессор ' Н.А.Ирисова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Широкое использование волоконных световодов в системах оптической связи и разнообразных датчиках физических полей обусловило повышенный интерес к их долговечности. Существует ряд причин, приводящих к ухудшению работоспособности волоконных световодов, например, увеличение оптических потерь из-за микроизгибов при изменении температуры окружающей среды [1], рост потерь под действием ионизирующих излучений [2] или из-за диффузии водорода в сердцевину световода в подводном кабеле [3]. Однако, наиболее катастрофические последствия для волоконно-оптических систем и устройств происходят при разрушении световода в процессе эксплуатации. Поэтому именно изучению физических процессов, определяющих прочность и долговечность волоконных световодов и посвящена настоящая работа.

Прочность бездефектного кварцевого волокна выше прочности стальной проволоки такого же диаметра [4,5], однако любое соприкосновение поверхности волокна с твердым предметом или даже частицей пыли, находящейся в воздухе приводит к появлению на поверхности стекла микротрещин, которые при приложении растягивающей нагрузки начинают быстро расти. В результате разрывная прочность кварцевых волокон оказывается намного ниже теоретического предела прочности кварцевого стекла.

Первые волоконные световоды из кварцевого стекла изготавливались без полимерных оболочек и имели поэтому очень низкую прочность. Вскоре проблема повреждения световодов при вытяжке была решена путем использования защитных полимерных покрытий различных типов, которые наносились на световод прямо в процессе вытяжки и затвердевали до момента первого контакта световода с каким-либо твердым телом (ролики, катушка) [4]. Следует отметить, что дефекты, вызывающие уменьшение прочности световода, могут возникать не только вследствие контакта световода с твёрдыми телами в процессе вытяжки, но и на более ранних стадиях его изготовления. В частности к снижению прочности световода могут приводить инородные частицы, которые могут находиться в опорных кварцевых трубах, используемых при изготовлении заготовок световодов, микротрещины в заготовках, которые при вытягивании световода

трансформируются в поверхностные дефекты световода, частицы пыли в печи для вытяжки световодов [5].

В результате анализа причин, вызывающих разрушение световодов, были выработаны некоторые общие технологические требования (изготовление заготовок из материала без внутренних включений, химическая и огневая полировка заготовки перед вытяжкой, контроль атмосферы в зоне нагрева, работа в обеспыленном помещении, очистка от пыли полимерных материалов для покрытия) [5,6], которые позволяют получать "бездефектные" световоды с высокой прочностью на разрыв на коротких кусках (~1 м, ~5 ГПа) и ее узким разбросом. Следует отметить, что малый разброс разрывной прочности на коротких кусках не позволяет гарантировать отсутствие одной или нескольких слабых точек на длине световода в несколько километров. Даже при соблюдении всех вышеупомянутых технологических требований, на большой длине световода возможно появление редких дефектов, которые отбраковываются с помощью перемотки под нагрузкой уже после вытяжки световода. Рекордным по литературным данным является результат, когда световод длиной 15,6 км проходил без обрыва перемотку с нагрузкой 3,5 ГПа [7]. При промышленном производстве световоды перематываются обычно под нагрузкой 0,3-1,4 ГПа. При этом один обрыв (дефект) приходится на километры и даже десятки километров перемотанных световодов [7-9].

Успешное решение проблем, связанных с получением высокопрочных световодов большой длины выдвинуло в середине 80-х годов на первый план новые задачи. Основное внимание стало уделяться долговечности таких световодов. Уже было известно, что световоды в полимерных оболочках подвержены статической усталости [10], то есть световоды под нагрузкой постепенно снижают свою прочность вплоть до разрушения из-за медленного роста дефектов на их поверхности. Известно было и то, что главным фактором, определяющим скорость статической усталости кварцевого стекла является присутствие паров воды [11], однако данные, приводимые разными исследователями были неполны и противоречивы. Всвязи с этим актуальной задачей стало исследование влияния различных условий окружающей среды на рост дефектов в световодах с полимерными покрытиями.

Кроме того, оказалось, что для прогнозирования срока службы световода под нагрузкой, которая в виде растяжения или изгиба всегда

присутствует при эксплуатации, невозможно использовать простую формулу для времени жизни световода под нагрузкой, так как для этого должна быть известна прочность световода после перемотки, а дефекты в процессе перемотки успевают подрасти из-за той же статической усталости [12]. Вследствие этого представлялось важным исследовать, как влияет процесс перемотки под нагрузкой на прочность световода и каким образом можно прогнозировать срок службы световода, зная параметры статической усталости при перемотке и в условиях эксплуатации .

Как уже указывалось выше, главной причиной, вызывающей рост дефектов в стекле, является присутствие паров воды, поэтому одним из направлений дальнейшего развития технологии изготовления волоконных световодов явилось создание на поверхности световода герметичного покрытия, исключающего действие на световод влаги из атмосферы [13-14]. Однако, к началу работы над диссертацией не только не было ясности ни с предельной прочностью таких световодов, ни с их статической усталостью, но и отсутствовали отечественные технологии нанесения на световоды герметичных покрытий...

Всвязи с этим целью работы было:

1. Исследование влияния различных условий окружающей среды на рост дефектов в световодах с полимерными покрытиями.

2. Исследование процесса роста дефектов в световодах с герметичными покрытиями;

3. Исследование влияния процесса перемотки под нагрузкой на исходные дефекты и прогнозирование срока службы световодов с учетом параметров статической усталости при перемотке и в условиях эксплуатации, а также оценка срока службы световодов в герметичных покрытиях.

Практическими результатами исследований являются:

1. Усовершенствована технология нанесения металлического покрытия на световод за счет снижения возможности попадания влаги под покрытие;

2. Впервые разработана отечественная технология получения световодов с углеродным покрытием;

3. Для определения параметра Вейбулла т распределения прочности световода на уровне нагрузки при перемотке, необходимого при оценке срока службы, предложены простые методики, позволяющие оказаться от

повторной перемотки части световодов под нагрузкой, большей, чем стандартное натяжение перемотки.

Апробация работы.

Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на 15, 16 и 17 Международных конгрессах по стеклу (Ленинград, 1989 г.; Мадрид, Испания, 1992г., Пекин, 1995 г., Китай), на Международных конференциях по оптической связи (Сан Хосе, США, 1992 и 1993 гг.), по кабелям и проводам (Рино, США, 1992 г.) и по подводным кабелям (Париж, Франция, 1993г.), на симпозиумах Международного общества исследования материалов (Бостон, США, 1992 г.), Международного общества ЕВРОПТО (Берлин, Германия, 1993г.), Американского керамического общества (Индианаполис, США, 1993 г.) и Международного общества оптического конструирования SPIE (Бостон, США, 1993 г., Сан Диего, США, 1994 г. и Филадельфия, США, 1995 г.), а также на семинарах отделов колебаний и волоконной оптики ИОФ РАН.

Публикации

Основные результаты диссертации представлены 17 публикациях и докладах в трудах конференций, указанных в списке литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показаны роль и место проведенных исследований в изучении свойств кварцевого стекла и волоконных световодов на его основе, представлена актуальность настоящей работы, изложено ее основное содержание.

Первая глава имеет обзорный характер. В ней приводятся общие сведения о росте дефектов в кварцевом стекле, вводятся основные понятия и формулы, используемые в дальнейшем. В частности, приводится выражение, связывающее время до разрушения световода с приложенной нагрузкой:

t = B~'~, (1)

„ ч /

где t - время до разрушения световода, а - приложенное напряжение, пи В -параметры статической усталости, S, -инертная прочность, то есть прочность

световода, полученная в инертных условиях, когда исключается ускоряющее действие воды* на рост дефектов (вакуум, жидкий азот). Приводится обзор литературных данных по статической усталости стекла, по влиянию окружающей среды на параметры статической усталости световодов в полимерных покрытиях, по прогнозированию срока службы световодов после перемотки под нагрузкой.. Приводятся основные результаты разработок и исследований в области световодов с герметичными покрытиями.

Во второй главе представлены результаты исследований влияния условий окружающей среды (влажность, кислотность, температура) на параметры, определяющие скорость роста дефектов в световодах с различными полимерными покрытиями. Описаны методы измерения этих параметров и возможные причины, приводящие к разбросу литературных данных.

Особое внимание уделено воздействию влажности и кислотности на параметр статической усталости п, так как изменение этого параметра оказывает наибольшее влияние на рост дефектов и, соответственно, время до разрушения световода, а количество воды в атмосфере и ее кислотность являются основными факторами, ускоряющими рост дефектов.

Установлено, что при комнатной температуре, при изменении относительной влажности от 30% до 100% параметр п в пределах 10%-ой экспериментальной ошибки не изменяется (Таблица 1). Уменьшение времени до разрушения при увеличении влажности обусловлено уменьшением значения параметра В. Получена зависимость времени до разрушения / при фиксированной нагрузке от относительной влажности (ЯН):

1~В~(11Н)-12. (2)

Показано, что изменения кислотности среды приводят к изменению параметра п (Рис.1) при практически неизменном параметре В, что говорит о качественных изменениях в механизме роста дефектов при изменении кислотности в диапазоне рН=6-10 и существенном снижении надежности световодов в щелочной среде. При исследовании старения световодов в щелочной среде (влажный аммиак) обнаружено медленное разупрочнение световодов за счет неравномерного растворения поверхности кварцевого стекла.

Исследовано также влияние горячей воды (85°С) на прочность и статическую усталость. Показано, что в этих условиях, в отличие от комнатной температуры, механические свойства световодов определяются действием двух различных механизмов - неравномерным растворением поверхности кварцевого стекла в воде, не связанным с действием растягивающих напряжений, и ростом дефектов под нагрузкой (статической усталостью).

Третья глава посвящена теоретическому и экспериментальному изучению свойств световодов с герметичнми покрытиями, не позволяющими молекулам воды из окружающей среды воздействовать на поверхность световода.

Проведены теоретические оценки процесса роста дефектов в кварцевом стекле в отсутствие влаги за счет разрыва перенапряженных 81-0 связей под действием флуктуации тепловых колебаний атомов в стекле. Получено выражение для времени до разрушения:

'='0ехр

и0

и т

(3)

где / - время до разрушения, ст - приложенное напряжение, /0 - величина, приблизительно равная периоду тепловых колебаний атомов (~ 10'13 сек.), Ш - энергия ненагруженной 81-0-связи (~110 ккал/моль), II - газовая постоянная, Т - температура, - прочность в отсутствие

термофлуктуационного роста дефектов. Построены графики зависимости времени до разрушения световода от приложенной нагрузки (Рис.2) и показано, что параметр статической усталости п в этом случае должен находиться в диапазоне 135-155, а прочность при комнатной температуре отличается от прочности в жидком азоте приблизительно на 10%.

Исследована долговечность находящихся под нагрузкой световодов с герметичными металлическими покрытиями. Показано, что при оптимальных условиях нанесения покрытия уровень прочности световода и параметр статической усталости и=135±15 соответствуют теоретическим оценкам. Обнаружено (Рис.3), что атмосферная влага может адсорбироваться на поверхности кварцевого стекла в процессе вытяжки световода до нанесения покрытия, в результате чего уменьшается в 1,5-2 раза прочность световода и возрастает его статическая усталость (значение параметра статической усталости п снижается с 135 до 30).

Разработана отечественная технология нанесения на световоды герметичного углеродного покрытия (Рис.4). Достигнуто рекордное для данного типа световодов значение прочности 6,1 ГПа. Показано, что максимальная прочность световодов с углеродным покрытием определяется предельным удлинением покрытия. Получено, что прочность таких световодов в жидком азоте снижается при увеличении температуры нанесения углерода, в то время как при комнатной температуре прочность остается неизменной (Рис.5), а добавление хлора в реакторную смесь приводт к некоторому повышению прочности за счет увеличения предельного удлинения углеродной пленки. Таким образом, механические свойства "бездефектных" световодов в углеродном покрытии при комнатной температуре определяются в первую очередь свойствами покрытия. Его предельное удлинение ограничивает прочность световода, а наблюдаемая статическая усталость оказывается статической усталостью материала покрытия, а не кварцевого стекла.

Исследована также прочность световодов с углеродным покрытием и вплавленными частицами двуокиси циркония. Обнаружено, что прочность таких световодов сначала повышается при увеличении толщины углеродного покрытия, а затем при большой толщине покрытия достигает стационарного значения. Результаты проведенных экспериментов показали, что при толщине углеродного покрытия, характерной для световодов, изготавливаемых зарубежной промышленностью, при стандартных усилиях перемотки (0,3-1,3 Г'Па) покрытие может растрескиваться в окрестности дефекта типа вплавленной частицы. В результате на световодах, прошедших перемотку, могут оказаться участки с негерметичным в области дефекта углеродным покрытием, что резко снижает реальную надежность таких световодов. Выработаны требования к толщине углеродного покрытия при которой не происходит растрескивания на дефектах такого типа.

В четвертой главе приведены результаты расчетов влияния перемотки под нагрузкой на размер исходных дефектов в световодах и проведены оценки срока службы волоконных световодов с полимерными и герметичными покрытиями.

Показано, что оценки срока службы световодов с полимерными покрытиями существенно изменяются, если условия эксплуатации отличны от условий перемотки под нагрузкой. Получено выражение для оценки срока службы волоконных световодов, позволяющие учитывать изменения

параметров статической усталости пп В при переходе от условий перемотки к условиям эксплуатации:

СТ

и п 1п

(пп-2)/т

>ЧГ2 яп- 2

(4)

где

пэ —2

Рю = *э/*п"п~% (5)

Оэ и - эксплуатационная нагрузка и время до разрушения; стп и ^ - нагрузка и время ее действия при испытательной перемотке; В3 и пэ - параметры статической усталости в условиях эксплуатации; В„ и па - параметры статической усталости во время испытательной перемотки; ЬГП - среднее число обрывов световодов при испытательной перемотке на единицу длины световода; Ь - длина световода, для которого делается оценка; Р -вероятность досрочного разрушения; т - параметр Вейбулла статистического распределения на световоде дефектов по величине.

Предложена методика для определения параметра 0Ю, без измерений инертной прочности и вычисления параметров В„ и Вэ, а также способы получения параметра Вейбулла т для распределения прочности световода на уровне нагрузки перемотки, позволяющие отказаться от повторной перемотки части световодов.

Проведены оценки срока службы волоконных световодов с полимерными и герметичными покрытиями, учитывающие изменения параметров статической усталости п и В при переходе от условий испытательной перемотки к условиям эксплуатации. Рассчитано, что для обеспечения 25-летнего срока службы световодов с герметичными покрытиями необходимо, чтобы нагрузка при перемотке превышала эксплуатационную нагрузку в 1,25-1,30 раза, в то время как для световодов с полимерным покрытием необходим запас в 3-6 раз (в зависимости от условий эксплуатации).

В заключении сформулированы основные результаты диссертации: 1. Проведено экспериментальное изучение влияния условий окружающей среды на параметры, определяющие скорость роста дефектов в световодах на основе кварцевого стекла в различных полимерных

покрытиях. Показано, что изменения влажности влияют в большей степени на параметр статической усталости В (при увеличении относительной влажности в два раза он уменьшается более, чем в четыре раза), а изменения кислотности - на параметр статической усталости п (при увеличении рН раствора с 2 до 12, он снижается с 24 до 15).

2. Проведены теоретические оценки процесса роста дефектов в кварцевом стекле в отсутствие влаги за счет разрыва перенапряженных 81-0 связей под действием флуктуаций тепловых колебаний атомов в стекле. Показано, что параметр статической усталости п в этом случае должен находиться в диапазоне 135-155, а прочность при комнатной температуре отличается от прочности в жидком азоте приблизительно на 10%.

3. Исследована долговечность находящихся под нагрузкой световодов с герметичными металлическими покрытиями. Показано; что при оптимальных условиях нанесения покрытия уровень прочности световода и параметр статической усталости и=135±15 соответствуют теоретическим оценкам. Обнаружено, что атмосферная влага может адсорбироваться на поверхности кварцевого стекла в процессе вытяжки световода до нанесения покрытия, в результате чего уменьшается в 1,5-2 раза прочность световода и возрастает его статическая усталость (значение параметра п снижается с 135 до 30).

4. Разработана технология нанесения на световоды герметичного углеродного покрытия. Достигнуто рекордное для данного типа световодов значение прочности 6,1 ГПа при сохранении герметичных свойств покрытия. Показано, что пониженный уровень прочности световодов с герметичным углеродным покрытием (по сравнению с прочностью езетоводов в герметичном металлическом покрытии) определяется растрескиванием углеродного покрытия при высоких значениях удлинения (5-8%). Выработаны дополнительные требования к толщине углеродного покрытия, гарантирующие герметизацию дефектных мест на поверхности световода.

5. Проведены оценки срока службы волоконных световодов с полимерными и герметичными покрытиями, учитывающие изменения параметров статической усталости п и В при переходе от условий испытательной перемотки к условиям эксплуатации. Рассчитано, что для обеспечения 25-летнего срока службы световодов с герметичными покрытиями необходимо, чтобы нагрузка при перемотке превышала эксплуатационную нагрузку в 1,25-1,30 раза, в то время как для световодов с

полимерным покрытием необходим запас в 3-6 раз (в зависимости от

условий эксплуатации).

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. А.А.Абрамов, М.М.Бубнов, Н.Н.Вечканов, А.Н.Гурьянов, А.С.Конов, В.Н.Мяков, Б.Б.Троицкий, А.Г.Щебуняев. Температуростойкие волоконно-оптические модули,- Сб. Труды ИОФАН СССР, т.5 // М.: Наука, 1987, с. 72-82.

2. Е.М.Дианов, Л.С.Корниенко, Е.П.Никитин и др. Радиационно-оптические свойства волоконных световодов на основе кварцевого стекла // Квантовая электроника, 1983, т. 10, с. 473-496.

3. J.Stone. Interaction of hydrogen and deuterium with silica optical fibers: a review// J. Lightwave Technology, 1987, v. S, No. 5, pp. 712-733.

4. P.W.France, P.L.Dunn, M.H.Reeve. Plastic coating of glass fibers and its influence on strength // Fiber and Integrated Optics, 1979, v. 2, No. 3-4, pp.267-286.

5. F.V.DiMarcello, A.C.Hart, J.C.Williams, C.R.Kurkjian. High strength furnace-drawn optical fibers // in Fiber optics: advances in research and development, ed. by B.Bendow and S.S.Mitra, New York: Plenum Publ. Corp., 1979, pp.125-135.

6. K.Inada. High strength fiber and its proof test. Proc // 4th Integr. Optics and Optical Commun. Conf. (IOOC'83), Tokyo, 1983, pp.84-85.

7. S.Ito, H.Sato, F.Mizutani, K.Tsuneishi, H.Kanamori. High-Strength Long-Length Single-Mode Fiber Syntesized by the VAD Method // J. Lightwave Technology, 1986, v. LT-4, № 8, pp. 1067-1070.

8. F.V.DiMarcello, J.T.Krause. Advances in high-strength fiber fabrication // Proc. Optical Fiber Commun. Conf. (OFC'86), paper TUE-1, 1986, pp. 28-29.

9. S.Sakaguchi. Drawing of high-strength long-length optical fibers for submarine cables // J. Lightwave Techn., 1984,v. LT-2, №6, 808-815.

10. R.J.Charles. Static fatigue of glass // J. Applied Physics, 1958, v. 29, No. 11, pp. 1549-1560.

11. Б.Проктор, И.Уитни, Д.Джонсон. Прочность плавленного кварца // Прочность стекла, - М.: Мир, 1969, с. 176-206.

12. Y.Mitsunaga, Y.Katsuyama, ILKobayashi, Y.Ishida. Failure prediction for long length optical fiber based on proof testing // J. Applied Phys., 1982, v. 53, No. 7, pp.4847-4853.

13. D.A.Pinnow, G.D.Robertson, J.A.Wysocki. Reductions in static fatigue of silica fibers by hermetic jacketing // Appl. Phys. Lett., 1979, v. 34, № 1, pp. 1719.

14. WJ.Duncan, K.J.Beales, D.M.Cooper, P.L.Dunn, M.Herman, J.D.Rush, G.R.Thomas. Silicon oxinitride coatings to reduce mechanical fatigue and hydogen induced optical aging in silica fibers // Proc. SPIE, 1984, v.506, pp. 134-138.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. В.А.Богатырев, М.М.Бубнов, Н.Н.Вечканов, А.Н.Гурьянов, Е.М.Дианов, С.Л.Семенов. Влияние воды на прочность волоконных световодов // Квантовая электроника, 1984, т. 11, № 7, с. 1467-1469.

2. V.A.Bogatyrjov, M.M.Bubnov, A.N.Guryanov, N.N.Vechkanov, G.G.Devyatykh, E.MJDianov, S.L.Semjonov. Influence of various pH solutions on strength and dynamic fatigue of silicone-resin-coated optical fibers // Electronics letters, 1986, v. 22, No. 19, pp. 1013-1014.

3. В.А.Богатырев, М.М.Бубнов, Н.Н.Вечканов, А.Н.Гурьянов, Е.М.Дианов, С.Л.Семенов. Прочность стеклянных волоконных световодов большой длины // Сб. Труды ИОФАН СССР, т.5, - М.: Наука, 1987, с. 60-72.

4. В.А.Богатырев, М.М.Бубнов, С.Д.Румянцев, С.Л.Семенов. Механическая прочность и надежность волоконных световодов для систем оптической связи // Proc. XV International Congress on Glass, Leningrad, 1989, v.2b, pp. 295-298.

5. В.А.Богатырев, М.М.Бубнов, С.Д.Румянцев, С.Л.Семенов. Механическая надежность волоконных световодов // Сб. Труды ИОФАН СССР, т.23, -М.: Наука, 1990, с. 66-93.

6. M.M.Bubnov, E.M.Dianov, S.L.Semjonov. The effect of ammonia on the strength of polymer-coated fibres // Soviet Lightwave Communications, 1993, v. 3, No. 2, pp. 119-123.

7. V.A.Bogatyrev, M.M. Bubnov, E.M.Dianov, S.D.Rumyantsev, S.L.Semjonov.

Mechanical reliability of polymer-coated and hermetically coated optical fibers based on proof testing // Optical Engineering, 1991, v.30, No.6 , pp. 690-699.

8. M.M.Bubnov, E.M.Dianov, S.L.Semjonov. Maximum value of fatigue parameter n for hermetically coated silica glass fibers // Proc. Optical Fiber Commun. Conf. (OFC'92), paper ThF-2,1992, p. 216.

9. M.M.Bubnov, E.M.Dianov, S.L.Semjonov. Maximum values of strength and

fatigue parameter n for hermetically coated optical fibers // Proc. 41st Int. Wire & Cable Symp., 1992, pp. 629-636.

10. M.M.Bubnov, E.M.Dianov, S.L.Semjonov. Influence of residual water on the strength of metal coated optical fibers // Material Research Soc. Symp., 1992, v. 244, 97-101.

11. M.MJBubnov, E.M.Dianov, S.L.Semjonov, A.N.Guryanov, G.G.Devjatykh. Static fatigue of metal-coated fibers // Proc. XVI International Congress on Glass, Madrid, 1992, v.4, pp. 21-26.

12. M.MJBubnov, E.M.Dianov, A.M.Prokhorov, S.L.Semjonov, C.R.Kurkjian. Dual hermetically coated optical fibers with strength of 9 GPa // Proc. Optical Fiber Commun. Conf. (OFC'92), postdeadline paper PD-22,1992.

13. M.M.Bubnov, E.M.Dianov, A.M.Prokhorov, S.L.Semjonov, A.G.Shchebunyaev, C.R.Kurkjian. High-strength carbon-coated optical fibre // Soviet Lightwave Communications, 1992, v. 2, No. 3, pp. 245-250.

14. M.M.Bubnov, S.L.Semjonov. Strength of carbon and dual hermetically coated fibers at ambient and high (>400°C) temperatures // Proc. EUROPTO, v. 1973, Berlin 1993, pp. 244-249.

15. S.L.Semjonov, M.M.Bubnov, E.M.Dianov, C.R.Kurkjian, A.Breuls. Mechanical behaviour of low- and high-strength carbon-coated fibers // Proc. SPIE, 1994, v. 2290, pp.74-78.

16. A.Abramov, M.Bubnov, E.Dianov, S.Semjonov. Prospects in application of hermetically coated fibers in submarine optical cables // Proc. Conference on Submarine Cables (SUBOPTIC'93), Versaille, France, 1993, pp.315-319.

17. S.L.Semjonov, M.M.Bubnov, O.V.Khleskova. Susceptibility of static fatigue parameters of optical fibers to environmental conditions // Proc. SPIE, 1995, v. 2611, pp.49-54.

Таблица 1.

Результаты измерений параметров п и В для световодов, изготовленных в ИОФ РАН.

Покрытие Метод нанесения Прочность, ГПа п в, ГПа2-сек Влажность, %

КЭ ДН 5.5 21.5 - 60

ЭА ДН 5.5 20.5 - 60

ЭА йен 5.45 20.5 2.3Х10"8 100

ЭА ИСН 6.2 20.5 1.4ХЮ"7 45

ЭА ИСН 6.7 20.5 4.2Х10'7 30

КЭ ИСН 5.7 20.0 2.5Х10-8 100

КЭ ИСН 5.95 20.0 1.2Х10'7 45

КЭ ИСН 6.7 20.0 4.5Х10'7 30

Обозначения: КЭ - кремнийорганический эластомер (силиконовая резина); ЭА - эпоксиакрилат; ДН - динамическое нагружение; ИСН - изгибное статическое нагружение (двухточечный изгиб).

Рисунок 1. Зависимости времени до разрушения от приложенной нагрузки (статическая усталость) для световодов, покрытых кремнийорганическим эластомером (а) и без покрытия (б), в растворах различной кислотности.

Рисунок 2. Зависимости времени до разрушения световода от величины приложенной нагрузки при комнатной температуре и в жидком азоте при условии отсутствия влаги на поверхности стекла (герметичная оболочка).

о ю

8 О.

80.8

э*

о.

§0.6

и й о с: к

0.01

' ' "1..1 114 чи! ......... I I I .41.1 I 1 I ll.nl

1 100 10000 ВРЕМЯ ДО РАЗРУШЕНИЯ, СЕК.

1000000

Рисунок 3. Статическая усталость световодов в оловянном покрытии, измеренная динамическим (•) и статическим (о) методами. Кривые (1), (2) и (3) - испытания поврежденных световодов, вытянутых при 60%, 1% и 0,1% относительной влажности над металлизатором соответственно; кривая (3') -испытания на изгиб бездефектного световода, полученного в условиях 3.

шЛ_' ' м I

Рисунок 4. Схема установки для вытяжки световодов в углеродном покрытии.

скорость вытяжки, м/мин

Рисунок 5. Зависимость прочности на изгиб световодов в углеродном покрытии от скорости вытяжки и диаметра световода при одном и том же составе реагентов в реакторе. Штриховые линии - прочность на изгиб световода с полимерным покрытием в жидком азоте и в лабораторных условиях.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Семенов, Сергей Львович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СВЕТОВОДОВ НА ОСНОВЕ

КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

§1.1. Рост трещин в кварцевом стекле

§ 1.2. Влияние условий окружающей среды на параметры статической усталости кварцевого стекла

§ 1.3. Световоды с герметичными покрытиями

§ 1.4. Прогнозирование срока службы световодов.

Перемотка под нагрузкой

ГЛАВА 2. ВОЗДЕЙСТВИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА ПАРАМЕТРЫ

СТАТИЧЕСКОЙ УСТАЛОСТИ СВЕТОВОДОВ В ПОЛИМЕРНОМ

ПОКРЫТИИ

§ 2.1. Методики измерения параметров статической усталости.

Экспериментальные установки

§ 2.2. Влияние влажности на параметры статической усталости

§ 2.3. Влияние химических реагентов на параметры статической усталости

§ 2.4. Стрение и статическая усталость световодов в горячей воде

ГЛАВА 3. СВЕТОВОДЫ В ГЕРМЕТИЧНЫХ ОБОЛОЧКАХ

§ 3.1. Термофлуктуационный механизм статической усталости кварцевого стекла в отсутствие влаги

§ 3.2. Световоды с металлическими покрытиями, нанесенными методом намораживания

§ 3.3. Световоды с углеродным покрытием

3.3.1. Экспериментальная установка . . .,.

3.3.2. Предельная прочность световодов в углеродном покрытии

3.3.3. Поврежденные световоды в углеродном покрытии

ГЛАВА 4. СРОК СЛУЖБЫ СВЕТОВОДА ПОСЛЕ ПЕРЕМОТКИ

ПОД НАГРУЗКОЙ

§4.1. Прочность световода после перемотки под нагрузкой

§ 4.2. Срок службы световодов в полимерном покрытии

§ 4.3. Методы определения параметра т

§ 4.4. Срок службы световодов в герметичных покрытиях

Введение диссертация по физике, на тему "Физические процессы определяющие прочность и долговечность волоконных световодов"

Первые волоконные световоды из кварцевого стекла изготавливались без полимерных оболочек и имели поэтому очень низкую прочность. Вскоре проблема повреждения световодов при вытяжке была решена путем использования защитных полимерных покрытий различных типов, которые наносились на световод прямо в процессе вытяжки и затвердевали до момента первого контакта световода с каким-либо твердым телом (ролики, катушка) [4]. Следует отметить, что дефекты, вызывающие уменьшение прочности световода, могут возникать не только вследствие контакта световода с твердыми телами в процессе вытяжки, но и на более ранних стадиях его изготовления. В частности к снижению прочности световода могут приводить инородные частицы, которые могут находиться в опорных кварцевых трубах, используемых при изготовлении заготовок световодов, микротрещины в заготовках, которые при вытягивании световода трансформируются в поверхностные дефекты световода, частицы пыли в печи для вытяжки световодов [5].

В результате анализа причин, вызывающих разрушение световодов, были выработаны некоторые общие технологические требования (изготовление заготовок из материала без внутренних включений, химическая и огневая полировка заготовки перед вытяжкой, контроль атмосферы в зоне нагрева, работа в обеспыленном помещении, очистка от пыли полимерных материалов для покрытия) [5,6], которые позволяют получать "бездефектные" световоды с высокой прочностью на разрыв на коротких кусках (~1 м, ~5 ГПа) и ее узким разбросом. Следует отметить, что малый разброс разрывной прочности на коротких кусках не позволяет гарантировать отсутствие одной или нескольких слабых точек на длине световода в несколько километров. Даже при соблюдении всех вышеупомянутых технологических требований, на большой длине световода возможно появление редких дефектов, которые отбраковываются с помощью перемотки под нагрузкой уже после вытяжки световода. Рекордным по литературным данным является результат, когда световод длиной 15,6 км прошел без обрыва перемотку с нагрузкой 3,5 ГПа [7]. При промышленном производстве световоды перематываются обычно под нагрузкой 0,31,4 ГПа. При этом один обрыв (дефект) приходится на километры и даже десятки километров перемотанных световодов [7,8,9].

Кроме того, оказалось, что для прогнозирования срока службы световода под нагрузкой, которая в виде растяжения или изгиба всегда присутствует при эксплуатации, невозможно использовать простую формулу для времени жизни световода под нагрузкой, так как для этого должна быть известна прочность световода после перемотки, а дефекты в процессе перемотки успевают подрасти из-за той же статической усталости [18]. Вследствие этого представлялось важным исследовать, как влияет процесс перемотки под нагрузкой на прочность световода и каким образом можно прогнозировать срок службы световода, зная параметры статической усталости при перемотке и в условиях эксплуатации [14-16,19].

Как уже указывалось выше, главной причиной, вызывающей рост дефектов в стекле, является присутствие паров воды, поэтому одним из направлений дальнейшего развития технологии изготовления волоконных световодов явилось создание на поверхности световода герметичного покрытия, исключающего действие на световод влаги из атмосферы [20,21]. Однако, к началу работы над диссертацией не только не было ясности ни с предельной прочностью таких световодов, ни с их статической усталостью, но и отсутствовали отечественные технологии нанесения на световоды герметичных покрытий.

Приведенные выше соображения послужили основанием для проведения настоящей работы, цели которой можно сформулировать следующим образом:

- исследование влияния условий окружающей среды на рост дефектов в световодах с полимерными покрытиями;

- исследование процесса роста дефектов в световодах с герметичными покрытиями;

- исследование влияния процесса перемотки под нагрузкой на исходные дефекты и прогнозирование срока службы световодов с учетом параметров статической усталости при перемотке и в условиях эксплуатации, а также оценка срока службы световодов в герметичных покрытиях.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы.

Заключение диссертации по теме "Физика полупроводников"

Основные результаты главы.

1. На основании анализа изменения прочности световода в процессе перемотки под нагрузкой показано, что для повышения уровня минимальной инертной прочности световода после перемотки Sf min до уровня усилия перемотки стп необходимо уменьшить время разгрузки до 10"5сек, то есть при перемотке со скоростью 2-3 м/сек разгрузка должна происходить на 20-30 мкм длины световода, что многократно усложняет и удорожает оборудование для перемотки под нагрузкой.

2. Проведены расчеты вероятности увеличения размеров дефектов световода в процессе перемотки. Доказана приемлемость как для производителей, так и для потребителей введения в оценки срока службы световодов после перемотки под нагрузкой вероятности разрушения, что резко снижает требования к конструкции оптических кабелей и условиям эксплуатации, обеспечивая при этом высокую надежность линий связи.

3. Показано, что оценки срока службы световодов существенно изменяются, если условия эксплуатации отличны от условий перемотки под нагрузкой. Получены простые выражения для оценки срока службы волоконных световодов, позволяющие учитывать изменения параметров статической усталости п и В при переходе от условий перемотки к условиям эксплуатации.

4. Предложены методики для определения необходимого при оценке срока службы параметра Вейбулла т для распределения прочности световода на уровне нагрузки перемотки, позволяющие оказаться от повторной перемотки части световодов под нагрузкой, большей, чем стандартное натяжение перемотки.

5. Проведены оценки сроков службы волоконных световодов с герметичными покрытиями. Показано, что рост дефектов в процессе разгрузки при перемотке под нагрузкой так же, как и у световодов с полимерным покрытии, приводит к существенному снижению минимальной инертной прочности световода после перемотки Sf mjn. Тем не менее, учет конечной вероятности разрушения позволяет гарантировать 30-летний срок службы световода с герметичным покрытии при допустимой вероятности разрушения F=0,01 , если запас по перемотке Р ~ 1,27, то есть допустимая эксплуатационная нагрузка для таких световодов может составлять до 78% от уровня перемотки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведено экспериментальное изучение влияния условий окружающей среды на параметры, определяющие скорость роста дефектов в световодах на основе кварцевого стекла в различных полимерных покрытиях. Показано, что изменения влажности влияют в большей степени на параметр статической усталости В (при увеличении относительной влажности в два раза он уменьшается более, чем в четыре раза), а изменения кислотности - на параметр статической усталости п (при увеличении рН раствора с 2 до 12, он снижается с 24 до 15).

3. Исследована долговечность находящихся под нагрузкой световодов с герметичными металлическими покрытиями. Показано, что при оптимальных условиях нанесения покрытия уровень прочности световода и параметр статической усталости я=135±15 соответствуют теоретическим оценкам. Обнаружено, что атмосферная влага может адсорбироваться на поверхности кварцевого стекла в процессе вытяжки световода до нанесения покрытия, в результате чего уменьшается в 1,5-2 раза прочность световода и возрастает его статическая усталость (значение параметра п снижается с 135 до 30).

4. Разработана технология нанесения на световоды герметичного углеродного покрытия. Достигнуто рекордное для данного типа световодов значение прочности 6,1 ГПа при сохранении герметичных свойств покрытия. Показано, что пониженный уровень прочности световодов с герметичным углеродным покрытием (по сравнению с прочностью световодов в герметичном металлическом покрытии) определяется растрескиванием углеродного покрытия при высоких значениях удлинения (5-8%).

Выработаны дополнительные требования к толщине углеродного покрытия, гарантирующие герметизацию дефектных мест на поверхности световода.

В заключение автор выражает глубокую признательность научному руководителю к.ф.-м.н. М.М.Бубнову за постановку задач и неоценимую помощь, оказанную в процессе их решения, академику Е.М.Дианову за интерес и внимание к работе, а также всем сотрудникам Научного центра волоконной оптики за помощь и поддержку.