Введение к работе
Кварцевое стекло стало наиболее важным и широко используемым материалом для изготовления волоконных световодов из-за его высокой прозрачности в широком диапазоне длин волн и особенно в телекомігуникациоїшьгх окнах в районе 1.3 и 1.55 мкм, благодаря его высокой техно логичности и превосходным физическим и механическим свойствам. В настоящее время в световодах с сердцевиной из чистого кварцевого стекча достигнуты минимальные потери, равные 0.153 дБ/км на длине волны 1.55 мкм, что почти соответствует теоретическому пределу. Световедущие свойства волокна достигаются превышением показателя преломления (Лп) стекла, из которого изготовлена сердцевина световода, над показателем преломления окружающего стекла оболочки.
К легирующим добавкам, применяемым для модификации показателя преломления кварцевого стекла, предъявляются очень жесткие требования: они должны возможно меньше ухудшать свойства чистого кварцевого стекла и иметь высокую технологичность при введении. Поэтому в настоящее время для массового производства телекоммуішкацтгонньїх световодов удается использовать всего два легирующих элемента - германий и фтор. Основным достижением данной работы является разработка технологии введения новой легирующей примеси в кварцевое стекло, с помощью которой создается профиль показателя преломления в световоде.
В сетке кварцевого стекла германий замещает часть атомов кремния, повышая показатель преломления стекла SiOj/GeOj. Германий используется при легировании сердцевины практически во всех одномодовых световодах для систем оптической связи, притом что этот материал относительно дорог и существенно изменяет оптические и нелинейно-оптические свойства кварцевого стекла. Примесь германия более чем на порядок величины увеличивает оптические потери в световоде, наведенные ионизирующим излучением.
Фтор, являясь сильнейшим окислителем, замещает часть атомов кислорода в сетке Si02, понижая показатель преломления стекла. Это позволяет
конструировать световоды с сердцевиной из чистого кварцевого стекла и отражающей оболочкой, легированной фтором. Однако для одномодовых световодов, из-за значительного выхода поля моды в оболочку, требуется создавать толстый слой фторсиликатного стекла. Таким образом, масса стекла, образующего оболочку, оказывается в десятки раз больше, чем масса стекла сердцевины. Кроме того, создание Ал более 0.005 за счет фтора приводит к резкому ускорению образования газообразного тетрафторида кремния, что создает большие физические и технологические проблемы. Это огршшчивает использование одномодовых световодов с оболочкой, легированной фтором, для оптической связи.
Вместе с тем известно, что азот, замещая кислород в сетке SiC>2, эффективно повышает показатель преломления стекла Пленки оксинитрида кремния (SiOxNy) давно используются в микроэлектронике и начинают использоваться для изготовления планарных волноводов. Однако отсутствие успешных экспериментов по созданию заготовок волоконных световодов на основе кварцевого стекла, легированного азотом, не позволяло использовать эту добавку в волоконной оптике. Кроме того, из-за небольшого размера и плохого качества планарных образцов многие оптические характеристики оксинитрида кремния оставались неизученными.
Легирование кварцевого стекла азотом в высокотемпературных технологиях волоконной оптики, типа MCVD, представляется невозможным по химическим и термодинамическим соображениям. В то же время плазменная технология осаждения стекла при пониженном давлении представляет хорошие возможности для такого синтеза. Она позволяет варьировать химические условия осаждения в широких пределах, а также сочетать химическое возбуждение газовых компонентов "горячими" электронами плазмы и осаждение на относительно холодной подложке.
В связи с этим целью работы было:
1. Используя возможности плазмохимической технологии, разработать оптимальный режим для синтеза заготовок волоконных световодов, на основе кварцевого стекла, легированного азотом.
2. Получить световоды с низкими потерями и исследовать оптическое
поглощение кварцевого стекла, легированного азотом.
3. Исследовать преимущества световодов с азотом и найти возможности
для их специальных применений.
Практическая ценность
В данной работе решена задача модификации плазмохимической технологии, позволившей использовать азот в качестве легирующей добавки, формирующей профиль показателя преломления в заготовках кварцевых волоконных световодов. Проведенные исследования показали перспективность применения световодов этого нового типа для записи брэгговских решеток и при использовании в условиях повышенного радиационного фона
Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на 17-ом международном конгрессе по стеклу (Пекин 1995); международной конференции сообщества исследователей материалов (MRS'96 Spring Meeting, Сан-Франциско); европейской (ЕСОС'95, Брюссель) и американских (OFC95, Сан-Диего, OFC'96, Сан-Хосе, OFC'97, Dallas) международных конференциях по волоконной оптике; международном симпозиуме по радиационной стойкости (RADECS'95, Франция).
Основные результаты диссертации представлены в 9 публикациях, указанных в списке литературы.