о стойкости - Кабели и провода

НАУКА И ТЕХНИКА
И.И. Долгов, генеральный директор ЗАО «ЛИД»;
Ю.Т. Ларин, д-р техн. наук, генеральный директор ООО «ВНИИКП-Оптик»
О СТОЙКОСТИ
ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
К ВОЗДЕЙСТВИЮ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Отечественные оптические волокна (ОВ) были
разработаны в 1984–1986 годах и выпускались
вплоть до 1990 года по ТУ 16.705.452–86 (табл. 1) рядом предприятий (Опытный завод ВНИИКП, завод
«Электропровод», завод «Одескабель», ОКБ кабельной промышленности и др.). ОВ вытягивали из заготовок, полученных методом MCVD. Основой волокна
являлось синтетическое кварцевое стекло. Заготовки
изготавливались ГосНИИ кварцевого стекла, НИИЭС
и другими предприятиями.
Поскольку первые образцы ОВ, выпускавшиеся
в СССР, были рассчитаны на применение в специальной технике, то и предъявлявшиеся к ним требования (не по сравнению с оптическими параметрами сегодняшнего уровня, а в отношении механических и климатических воздействий) вполне
соответствуют нынешним представлениям. Поэтому вопрос об их воспроизводстве на начальном
уровне организации производства ОВ в России был
бы достаточно актуален.
Ниже приведены данные испытаний ОВ этих типов, проводившиеся в 90-х годах, что позволяет реально оценить их пригодность к применению в нынешних условиях и наметить пути по доработке.
блоке, который вырабатывал также опорный сигнал
для схемы синхронного детектирования. Оптическое излучение модулировали с частотой до 20 кГц
при воздействии статического и импульсного ионизирующего излучения, вводили в ОВ либо посредством оптических разъемов, либо с помощью трехкоординатного стыковочного устройства. Для вывода
оболочечных мод на выходном конце исследуемого
образца ОВ использовали кювету с иммерсионной
жидкостью (глицерином).
Оптическое излучение, прошедшее через ОВ, регистрировали кремниевым или германиевым фотодиодом, сигнал с которых поступал на вход нановольтметра со встроенным синхронным детектором,
а затем на регистрирующий прибор.
Длина облучаемой части образцов ОВ составляла ~ 50–100 м в зоне облучения, подводящие концы
были длиной не более 3 м, а полная длина ОВ доходила до ~ 150 м, что позволяло регистрировать изменение оптических потерь ОВ на уровне ~ 1 дБ/км
и проводить измерения РНП в диапазоне экспозици-
Методы испытания однои многомодовых оптических волокон
Измерения радиационно-наведенных потерь
(РНП) проводили в условиях статического облучения (источник γ-излучения 60Со) и импульсного гамма-нейтронного облучения.
До облучения проводили измерение спектров начальных оптических потерь ОВ в диапазоне длин
волн 0,85–1,55 мкм.
Облучение ОВ осуществляли при температурах
от –50 до 200 °С на источнике γ-излучения 60Со при
мощности экспозиционной дозы (далее – доза) излучения 45 Р/с.
Для измерения РНП непосредственно во время
облучения и спада этого параметра после окончания облучения использовали установку, структурная
схема которой представлена на рис. 1. В качестве
источников зондирующего излучения применяли полупроводниковые лазеры и светоизлучающие диоды; длины волн составляли 0,85–1,55 мкм при мощности ~ 1 мВт. Излучатели монтировали в едином
10
Рис. 1. Структурная схема установки
` зависимостей
для исследования временных
радиационно-наведенных потерь во время и после
окончания облучения:
1 – образец оптического волокна в зоне облучения;
2 – блок полупроводниковых лазеров (0,85 и 1,33 мкм);
3 – устройство ввода излучения в оптическое волокно;
4 – кювета с глицерином; 5 – фотоприемник; 6 – нановольтметр; 7 – регистрирующий прибор
№ 2 (303), 2007
500
—
—
—
5
—
900 ± 100
600 ± 50
—
400 ± 15
ОВ-МС02-2
2200
—
—
—
—
1,0
250 ± 20
—
125 ± 3
50 ± 3
ОВ-МГ01-1
25
25
КУ-1
—
Гамма-процентный срок сохраняемости в условиях отапливаемых
хранилищ, лет, не менее
Легирующие добавки
– в кварцевой сердцевине
– в кварцевой оптической оболочке
200 000
10 000
60
КУВИ-1
—
25
25
200 000
10 000
60
КУ-1
F
25
25
200 000
10 000
20
От –60 до 200 От –60 до 200 От –60 до 85
Срок службы, лет, не менее
Гамма-процентная наработка до отказа в типовом режиме эксплуатации,
ч, не менее:
– при температуре 55 °С
– при температуре 85 °С
Прочность на разрыв, Н, не менее
Диапазон температур при эксплуатации, °С
1200
—
Хроматическая дисперсия, пс/(нм·км), не более:
– на длине волны 0,85 мкм
Строительная длина, м
—
—
Диаметр модового поля, мкм:
– на длине волны 0,85 мкм
– на длине волны 1,31 мкм
600±100
Диаметр защитной оболочки, мкм
5
—
360 ± 40
Диаметр полимерной оболочки, мкм
Коэффициент затухания, дБ/км, не более:
– на длине волны 0,85 мкм
– на длине волны 1,31 мкм
—
200 ± 10
ОВ-МС01-2,
Диаметр кварцевой оболочки, мкм
Диаметр сердцевины, мкм
Характеристика
Таблица 1
КУВИ-1
F
25
25
200 000
10 000
20
От –60 до 85
2200
─
—
—
—
1,5
230 ± 20
—
125 ± 3
50 ± 3
ОВ-МГ02-1
25
25
200 000
10 000
20
От –40 до 85
2200
8
—
10±1
—
1,5
230 ± 20
—
125 ± 3
10 ±1
ОВ-ЕС02-1
GeO2
GeO2
F, GeO2, P2O5 F, GeO2, P2O5
25
25
20 0000
10 000
20
От –40 до 85
2200
8
—
10±1
—
1,0
250 ±2 0
—
125 ± 3
10 ±1
ОВ-ЕС01-1
Волокно оптическое
Волокно оптическое
Волокно оптическое
многомодовое ступенчатое многомодовое градиентное одномодовое ступенчатое
Характеристика оптических волокон по ТУ 16.705.452─86
НАУКА И ТЕХНИКА
11
НАУКА И ТЕХНИКА
Рис. 2. Структурная схема измерения величины РНП в оптическом волокне при испытаниях на воздействие
импульсного гамма-нейтронного излучения:
1 – полупроводниковый лазер; 2 – источник питания; 3 – усилитель тока; 4 – задающий генератор; 5 – юстировочный столик; 6 – исследуемый образец; 7 – фотоприемное устройство; 8 – источник питания; 9 – осциллограф с запоминающей трубкой
дБ/км
онных доз ≈ 1·102 ÷ 1·106 Р. РНП после окончания облучения регистрировали в течение ~ 1 ч.
Для измерения величины РНП в ОВ при испытаниях на воздействие импульсного гамма-излучения
использовали схему, представленную на рис. 2.
Uф(τ1) – падение напряжения на нагрузке фотоприемного устройства при включенном источнике
оптического сигнала, обусловленное темновым то-
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
ком, помехами и люминесцентным свечением материала волокна в момент времени τ1.
По результатам измерений значений РНП в процессе воздействия каждого импульса гамма-излучения строили аппроксимированные зависимости:
а) величины максимального значения (пика) наведенного поглощения ΔDн(τ0) от дозы гамма-излучения ΔDн(τ0) = ƒ(Dγ);
–60 °C
–40 °C
25 °C
50 °C
70 °C
100 °C
150 °C
200 °C
1·10 4
2·10 4
5·10 4 1·10 5
Д, Р
2·10 5
5·10 5
Рис. 3. Зависимость приращения коэффициента затухания от экспозиционной дозы излучения
при различных температурах. Оптическое волокно одномодовое ОВ ЕС 01-1-10-1/6,
исходный коэффициент затухания 2,9 дБ/км (ТУ 16.705.452–86); длина волны 0,85 мкм
12
НАУКА И ТЕХНИКА
3500
3000
–60 °C
–40 °C
70 °C
200 °C
50 °C
25 °C
100 °C
150 °C
дБ/км
2500
2000
1500
1000
500
0
1·10 4
2·10 4
5·10 4 1·10 5 2·10 5 5·10 5
Д, Р
1·10 6
Рис. 4. Зависимость приращения коэффициента затухания от экспозиционной дозы излучения
при различных температурах. Оптическое волокно многомодовое ОВ МГ 01-1-50-5/250,
исходный коэффициент затухания 2,9 дБ/км (ТУ 16.705.452–86); длина волны 0,85 мкм
600
200 °C
150 °C
100 °C
70 °C
50 °C
20 °C
–40 °C
–60 °C
500
дБ/км
400
300
200
100
0
1·104
2·104
5·104
1·105
2·105
5·105
1·106
Д, Р
Рис. 5. Зависимость приращения коэффициента затухания от экспозиционной дозы излучения при различных
температурах. Оптическое волокно «кварц-полимер» марки ОВ МС 02-2-200, исходный коэффициент затухания
4 дБ/км (ТУ 16.705.452–86); длина волны 0,85 мкм
№ 2 (303), 2007
13
НАУКА И ТЕХНИКА
1600
1400
200 °C
120 °C
150 °C
50 °C
100 °C
70 °C
25 °C
–40 °C
–60 °C
1200
дБ/км
1000
800
600
400
200
0
1·104
2·104
5·104
1·105
2·105
5·105 1·106
Д, Р
Рис. 6. Зависимость приращения коэффициента затухания от экспозиционной дозы излучения
при различных температурах. Оптическое волокно «кварц-полимер» марки КП 600,
исходный коэффициент затухания 6,3 дБ/км; длина волны 0,85 мкм
2500
1·104
2000
2·104
дБ/км
1500
5·104
1·105
1000
500
0
–100
0
100
200
300
Т, °С
Рис. 7. Зависимость приращения коэффициента затухания от температуры
при облучении для различных экспозиционных доз излучения.
Оптическое волокно одномодовое марки ОВ ЕС 01-1-10-1/6, исходный коэффициент затухания 2,9 дБ/км
(ТУ 16.705.452–86); длина волны 0,85 мкм
14
НАУКА И ТЕХНИКА
б) величины наведенного поглощения ΔDнι
от времени после воздействия каждого импульса
гамма-излучения (отжиг наведенного поглощения)
ΔDнι = ƒ(τι);
в) производной величины максимального значения (пика) РНП от дозы гамма-излучения
Значения производной
определяли графически путем проведения касательных к зависимостям ΔDнι = ƒ(τι) в точках, соответствующих значениям ΔDн = ΔDн(τ0).
Значения производной
;
г) производной дозы гамма-излучения от дозы
.
опреде-
ляли графически путем проведения касательных
к зависимости ΔDн(τ0) = ƒ(Dγ).
По данным зависимостей ΔD н(τ 0) = ƒ(D γ)
и D’γ = ƒ(Dγ) рассчитывали значения РНП в ОВ.
20000
18000
16000
1·104
2·104
дБ/км
14000
5·104
12000
1·105
10000
5·105
2·105
8000
6000
4000
2000
0
–100
–50
0
50
100
150
200
250
Т, °С
Рис. 8. Зависимость приращения коэффициента затухания от температуры при облучении для различных
экспозиционных доз излучения. Оптическое волокно многомодовое ОВ МГ 01-1-50-5/250, исходный коэффициент
затухания 2,9 дБ/км (ТУ16.705.452–86); длина волны 0,85 мкм
№ 2 (303), 2007
15
НАУКА И ТЕХНИКА
Дозовые и температурные зависимости
радиационно-наведенного поглощения
Рассмотрим зависимости приращения РНП в ОВ
от величины дозы излучения (рис. 3–10). Величина
РНП характеризуется приращением затухания, выраженного в дБ/км.
Общая тенденция демонстрирует увеличение
РНП для одно- и многомодовых ОВ с кварцевыми
сердцевиной и отражающей оболочкой.
Для одно- и многомодовых ОВ эти зависимости
близки к линейным. Некоторое замедление в РНП
отмечено в диапазоне 2∙105 – 106 P (рис. 3 и 4). При
этом четко просматривается зависимость уменьшения РНП при увеличении температуры. Явно сказывается эффект термоотжига.
Для ОВ с кварцевой сердцевиной и полимерной
оболочкой поведение РНП зависит от диаметра сердцевины (геометрических размеров ОВ).
Кроме того, заметно влияние температуры образца (Т) на поведение РНП с ростом дозы излучения.
При низких значениях Т (–40…–60 °С) увеличение РНП с ростом дозы излучения явное и достаточно ощутимое.
Но для ОВ МС 02-2-200 (диаметр сердцевины
200 мкм) дальнейший рост температуры при облучении приводит к изменению характера зависимостей (рис. 5). При Т = 20 °С изменение РНП
в диапазоне (1∙10 4 – 5∙10 5) Р не превышает 20 %,
в то время как при Т = 50 °С значения РНП в том
же диапазоне доз почти одинаковы. Максимум
РНП приходится на дозу 1∙10 5 Р и не превышает
300 дБ/км. В диапазоне Т = (70 – 200) °С эта тенденция сохраняется. Явление термоотжига чрезвычайно заметно.
Оптическое волокно МС 02-2-600 (диаметр сердцевины 600 мкм – опытная конструкция) ведет себя
почти так же, как ОВ с кварцевыми сердцевиной
и отражающей оболочкой, но с некоторыми отличиями (рис. 6).
Температурные зависимости РНП идут значительно выше, чем аналогичные кривые для ОВ
900
800
700
1·104р
600
2·104р
5·104р
дБ/км
500
1·105р
2·105р
400
1·106р
300
1·107р
200
100
0
–100
–50
0
50
100
150
200
250
Т, °С
Рис. 9. Зависимость приращения коэффициента затухания от температуры
при облучении для различных экспозиционных доз излучения. Оптическое волокно «кварц-полимер»
марки ОВ МС 02-2-200, исходное затухание 4 дБ/км (ТУ16.705.452–86); длина волны 0,85 мкм
16
НАУКА И ТЕХНИКА
4000
3500
1·104р
3000
5·104р
2·104р
1·105р
дБ/км
2500
2·105р
2000
5·105р
1500
1000
500
0
–100
–50
0
50
100
150
200
250
Т, °С
Рис. 10. Зависимость приращения коэффициента затухания от температуры при облучении
для различных экспозиционных доз излучения. Оптическое волокно «кварц-полимер» марки КП-600,
исходный коэффициент затухания 6,3 дБ/км; длина волны 0,85 мкм
с диаметром сердцевины 200 мкм. В абсолютном
значении эффект термоотжига очень велик. Поскольку аналогичные явления для ОВ с диаметром
сердцевины 200 мкм не наблюдались, следует
в дальнейшем более тщательно исследовать эти
результаты.
Перестроение кривых дозовой зависимости
[РНП = ƒ(Д)] (рис. 3–6) в кривые зависимости РНП
от температуры [РНП = ƒ(Т)] (рис. 7–10) позволяет
сделать следующие дополнительные выводы:
1. Для одномодовых ОВ зависимость РНП от температуры практически линейная в диапазоне температур от –60 до +200 °С (рис. 7).
2. Для многомодовых ОВ зависимость РНП от
температуры носит линейный характер в диапазоне
Т = (–60…+100) °С для различных значений экспозиционных доз и затем характеризуется увеличением
РНП с максимумом при Т ≈ 150 °С с последующим
термоотжигом до почти первоначального значения
РНП. Абсолютная величина РНП для многомодового ОВ значительно больше РНП для одномодового
ОВ (рис. 8).
№ 2 (303), 2007
3. Увеличение воздействующей на образцы ОВ
экспозиционной дозы (Д) на 1–1,5 порядка вызывает:
– для одномодового ОВ при Т = 200 °С увеличение РНП почти в 10 раз;
– для многомодового ОВ в экстремальной точке
(Т = 120 – 140 °С) увеличение РНП почти в 20 раз.
Для отечественного ОВ с полимерной отражающей оболочкой и беспримесной сердцевиной РНП
в значительной степени зависит от диаметра сердцевины. Различен прежде всего характер кривых.
Если для ОВ с диаметром сердцевины 200 мкм
на длине волны 0,85 мкм (рис. 9) свойственно практически для всех доз монотонное убывание РНП, то
для ОВ с диаметром сердцевины 600 мкм (рис. 10)
эти зависимости носят сложный характер. При температурах от –60 до +20 °С величина РНП практически стабильна для доз от 1∙104 до 2∙105 Р, и лишь
для Д = 5∙105 Р наблюдается снижение РНП от 3300
до 2900 дБ/км.
Следующий интервал температур 20 ÷ 120 °С характеризуется резким падением величины РНП до
минимального уровня.
17
НАУКА И ТЕХНИКА
Третий интервал температур 120÷200 °С характеризуется возрастанием РНП почти до исходного уровня.
Заключение
1. Приведенные в данной статье данные по РНП
для различных ОВ могут служить справочным материалом для разработчиков волоконно-оптических
линий связи.
2. Впервые в научной печати приводятся достаточно полные данные по исследованию радиационной стойкости отечественных оптических волокон
различных типов.
3. Представляет значительный интерес проведение сравнительных испытаний отечественных и зарубежных оптических волокон, так как почти все оптические кабельные изделия выполняются на импортных ОВ.