Оптические характеристики волоконных световодов при автоматизированном контроле их изготовления тема автореферата и диссертации по математике, 01.01.04 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ВОЛОКОННОЙ ОПТИКИ И ПРИМЕНЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ ДЛЯ ИХ РЕШЕНИЯ (ОБОР ЛИТЕРАТУРЫ).

1.1. Технология получения волоконных световодов методом MCVD с автоматизированными системами контроля их параметров

1.2. Воспроизводимость оптических характеристик волоконных световодов

1.3. Оптические характеристики заготовокиволоконных световодов.и -йётоды их исследования

ГЛАВА П. МЕТОДЫ И СИСТЕМЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

2.1. Система для контроля диаметра опорной кварцевой трубки в процессе MCVD

2.2. Экспериментальная установка для анализа структурных характеристик волоконных световодов.

2.3. Экспериментальная установка для измерения оптических потерь в волоконных световодах

2.4. Выводы

ГЛАВА Ш. ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАГОТОВОК

И ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ ПРИ АВТОМАТИЗИРОВАННОМ КОНТРОЛЕ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

3.1. Исследование изменения диаметра и температуры опорной трубки в процессе MCVD.

3.2. Анализ профилей показателя преломления волоконных световодов и заготовок

3.3. Исследование воспроизводимости профиля показателя преломления по длине заготовок и волоконных световодов

3.4. Расчет и калибровка процесса MCVD при изготовлении градиентных ВС и заготовок

3.5. Выводы

ГЛАВА IX. ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЛОКОННЫХ

СВЕТОВОДОВ И КОМПОНЕНТОВ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ

СВЯЗИ

4.1. Стационарное значение полных потерь ВС и межлабораторные эксперименты

4.2. Исследование спектров полных потерь в волоконных световодах.

4.3. Потери на стыковку волоконных световодов. III

4.4. Исследование характеристик элементов распределителей мощности в волоконно-оптических системах связи

4.5. Выводы

Возникновение и развитие квантовой электроники и все более растущие потребности передачи информации сильно стимулировали исследования в области оптической связи. После предложения о применении одномодовых волоконных световодов (ВС) в качестве передающей среды для излучения когерентных источников в 1966 г. [I] интенсивные работы по улучшению характеристик ВС на основе плавленого кварца на протяжении немногим более десяти лет позволили достигнуть практически фундаментальных пределов: оптические потери с 20 дБ/км [2] были уменьшены до 0,2-0,3 дБ/км на длине волны 1,55 мкм [3, 4] , были практически реализованы скорости передачи информации, соответствующие полосе пропускания 100 ГГц.км в одномодовых [5] и 10 ГГц.км в многомодовых градиентных ВС на длине волны 1,3 мкм [б] . Непрерывное усовершенствование всех остальных компонентов оптических систем связи [ 7 ] , в частности, полупроводниковых лазеров и фотодетекторов, позволило осуществить безретрансляторную передачу информации со скоростью 2 Гбит/с на 51 км и I Гбит/с на 120 км. Такая длина передачи далеко еще не является предельной [8] , в особенности с точки зрения освоения для оптической связи не только диапазонов 0,8-0,9 мкм [9] и 1,3-1,6 мкм [10-12] , но и еще более длинноволновых диапазонов 2-10 мкм [13] на основе стекол других химических составов.

Благодаря успехам фундаментальных исследований волоконно-оптическая связь уже в начале восьмидесятых годов вступила в пору технической зрелости [14] , несомненно, столь быстрым темпам развития немало способствовала происходившая одновременно повсеместная автоматизация научного эксперимента и контроля технологических процессов с использованием вычислительной техники и усовершенствованных сенсоров. Все большее внимание уделяется технологическим и экономическим вопросам применения волоконно-оптической связи [15] и изготовлении ВС [16] . В условиях промышленного производства необходим жесткий автоматизированный контроль технологических параметров на всех этапах получения ВС [17] , разработка высокопроизводительных и точных методов измерения их оптических характеристик. Только достижение воспроизводимых результатов при изготовлении и метрике ВС позволит осуществить необходимую обратную связь для их усовершенствования.

Отметим, что в научной и патентной литературе очень мало данных о технологических режимах и используемом оборудовании и практически отсутствуют сообщения о методах и средствах улучшения воспроизводимости характеристик ВС. В связи с этим возникает задача о разработке стандартных методов и измерительных систем для контроля воспроизводимости технологического процесса и соответствии характеристик изготовленных ВС расчетным значениям.

В настоящее время известны несколько основных методов для производства ВС на основе плавленого кварца, среди которых метод модифицированного химического парофазового осаждения (М С V Э ) обладает рядом преимуществ и нашел широкое распространение. Реакция окисления и осаждения происходит внутри опорной кварцевой трубки, что позволяет сравнительно легко получить низкие оптические потери, однако изменения температурного градиента в зоне реакции вследствие деформации трубки приводят к отклонениям профиля показателя преломления (ППП) от расчетного. Поэтому, кроме жесткого контроля расходов газов и температуры, применяются и устройства контроля диаметра опорной трубки [19-24] .

Профиль показателя преломления и его распределение по длине предопределяет дисперсионные характеристики и, в значительной степени затухание, как одномодовых, так и многомодовых ВС [25-27] . Необходимо выяснение механизмов его формирования и разработка точных методов его измерения и анализа полученных результатов для расчета необходимых коррекций технологических программ изготовления заготовок.

Вопросы метрики волоконных световодов рассмотрены более детально в литературе. Наблюдается расхождение требований изготовителей и потребителей ВС к измерительным методам [28] : изготовителям необходима и дифференциальная информация - ППП и его распределение по длине заготовок и ВС, спектральная зависимость полных потерь и полосы пропускания и выявление вкладов отдельных механизмов потерь, дифференциальная временная задержка и затухание мод для многомодовых градиентных ВС [29, 30] . При этом, в особенности для дифференциальных методов, требования к точности сводятся прежде всего к воспроизводимости результатов измерений одного и того же ВС, а проектировщик систем заинтересован не только в абсолютной точности измерения "интегральных" характеристик - затухание, полоса пропускания, но и в том, насколько точно на основе результатов измерений и спецификаций изготовителя для поставляемых длин кабеля можно прогнозировать поведение всей линии. Для выяснения зависимости характеристик ВС от условий возбуждения проведены ряд межлабораторных экспериментов, но до сих пор отсутствуют общепринятые стандарты на методы измерения оптических характеристик ВС.

Одновременно с усовершенствованием характеристик ВС, необходимы исследования и остальных компонентов систем волоконно-оптической связи: излучатели, приемники, разъемы, распределители мощности, выясняя при этом связь параметров отдельных компонентов с параметрами системы в целом.

Целью диссертационной работы является изучение механизмов формирования профиля показателя преломления градиентных волоконных световодов в процессе МС\Ю в зависимости от технологических параметров и повышение воспроизводимости ППП с целью создания широкополосных световодов; разработка измерительных методов, методов машинного анализа полученных результатов и базовых приборов для исследования структурных и передаточных характеристик световодов и сопрягаемых с ними элементов волоконно-оптических систем связи.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. В первой главе на основе литературных данных проводится анализ основных факторов, влияющих на качество изготовляемых методом МС\Ю световодов и оценка требуемой точности их контроля. Приводятся и данные о структуре и характеристиках автоматизированных систем управления технологическим процессом, о воспроизводлимости характеристик ВС и факторах, ограничивающих выход ВС с заданными параметрами. Рассмотрены методы и автоматизированные системы для измерения параметров и заготовок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ