Легирование кварцевого стекла азотом в технологии волоконных световодов

• Автор: Левит, Леонид Григорьевич
• Шифр специальности: 05.17.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 126 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1 Способы изготовления световодов с предельно низкими оптическими потерями
1.2 Патентный поиск
1.2.1 Общие данные об объекте исследования
1.2.2 Краткое обоснование регламента поиска
1.2.3 Выводы о выполнении регламента поиска
1.2.4 Выводы по патентному поиску
1.3 Анализ модельных представлений о растворении газов
в кварцевом стекле
1.4 Термодинамические аспекты внедрения азота в кварцевое стекло
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ В ПРОЦЕССАХ АЗОТИРОВАНИЯ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА
3. РАЗРАБОТКА СПОСОБА КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ АЗОТА В КВАРЦЕВОМ СТЕКЛЕ
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
4.1 Обработка пористых структур БЮг азотирующей газовой смесью
4.2 Легирование кварцевого стекла азотом методом СУО
4.3 Легирование кварцевого стекла азотом методом МСУБ
4.4 Исследование влияния легирования световодов из кварцевого стекла азотом на их прочность и влагостойкость
4.5 Использование результатов работы для решения практических
задач
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
Литература
Приложения

ВВЕДЕНИЕ
Очевидные преимущества волоконных линий связи, по сравнению с линиями, использующими другие передающие среды, такие как широкополосность, низкая материалоемкость, малое затухание сигнала, низкая себестоимость, отсутствие проблем заземления, коррозии, повреждений ударами молнии и т.д., привели к их широкому внедрению.
Для производства оптического волокна с предельно низким уровнем потерь большое распространение получили промышленные методы химического парофазного осаждения. Несмотря на достигнутые успехи, продолжается совершенствование технологии. Согласно последним публикациям, ученым Академии Наук России удалось получить оптическое волокно, легированное азотом, плазменным методом (ЗРСУБ). Перспектива использования азота в качестве легирующей добавки вызвала широкий интерес, вследствие его доступности и безвредности, что может привести к существенному упрощению технологического процесса и снижению себестоимости продукции. Полученные данные о высокой радиационной стойкости таких световодов открывают возможность их использования в атомной технике. Согласно опубликованным данным, легирование кварцевого стекла азотом в небольшом количестве методом химического парофазного осаждения ранее использовали для формирования специального барьерного слоя, предотвращающего диффузию гидроксильных групп в световедущие слои стекла. Азотсодержащие стекла обладают повышенной прочностью. Однако механизм введения азота в кварцевое стекло остается неизученным, а отрывочные и неподтвержденные другими работами сведения о влагостойкости и повышенной прочности диктуют необходимость проведения дополнительных исследований. Определение физико-химических основ введения азота в кварцевое стекло позволит существенно расширить технологические возможности реализации данного процесса методами, альтернативными плазменному. Таким образом, разработка теории этого вопроса, в совокупности с поиском более простых методов получения оптического волокна, легированного азотом, представляются актуальными.

Цель работы - разработка основ процесса легирования кварцевого стекла азотом в МСТ)-технологии волоконных световодов.
В соответствии с целью работы можно сформулировать следующие ЗАДАЧИ:
1. Выполнить патентный поиск для выявления аналогов разрабатываемого процесса.
2. Провести анализ известных модельных представлений по растворению газов в кварцевом стекле для определения особенностей описания растворения азота.
3. Методами равновесной термодинамики определить условия проведения процесса легирования кварцевого стекла азотом.
4. Разработать способ экспресс-определения количества азота, растворенного в кварцевом стекле.
5. Осуществить легирование кварцевого стекла азотом методами, альтернативными 8РС'0.
6. Исследовать свойства стекловолокна, легированного азотом.
В соответствии с поставленными задачами в настоящей работе выделено четыре основных раздела: 1 - Литературный обзор, 2 - Исследование ХИМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ В ПРОЦЕССАХ АЗОТИРОВАНИЯ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА
Разработка способа количественного определения азота в кварцевом стекле, 4 - Экспериментальная часть.
В разделе 1 дано краткое описание способов изготовления световодов с предельно низкими оптическими потерями. Приведены результаты поиска патентной и научно-технической информации по способам введения азота в кварцевое стекло и по изготовлению световодов из кварцевого стекла, легированного азотом. Выполнен анализ известных модельных представлений о растворении газов в кварцевом стекле. По литературным данным рассмотрены термодинамические аспекты внедрения азота в кварцевое стекло.
В разделе 2 методами химической термодинамики рассчитаны технолог ические параметры процесса легирования кварцевого стекла азотом.

В 1981 году В. Fegley [51] в работе, посвященной термодинамическим свойствам оксинитрида кремния, опубликовал температурную зависимость свободной энергии образования:
AG SI2N20 = -223,7+0,06537, ккал/моль. (26)
В работе [52] в 1988 году М. Ekelund с соавторами представил экспериментальные значения свободной энергии Гиббса: при 1780К —397 кДж/моль, при 1890К- -369 кДж/моль.
В 1983 году К. Н. Jack [53] опубликовал фазовую диаграмму системы S1-N-0 (Рис. 3), однако в последующих работах существование предложенной им оксинитридной фазы состава SiNO не подтвердилось.
В 1984 году К. J. Beales, D. М. Cooper и др. [54] отметили защитные свойства оксинитридного покрытия оптического волокна от проникновения водорода, но состав определенной ими фазы S13N4O в последующих работах не подтвердился.
В настоящее время в системе Si-N-О установлено наличие одной оксинитридной фазы состава Si2N20 [55]. Авторы приводят фазовую диаграмму системы Si-N-O (Рис. 4), построенную на основании температурных зависимостей свободных энергий образования SizNjO (27) и SiiN4 (28) [56]:
AG si2N20 = -968+0,27Г, кДж/моль, (27)
AG st3N4 — -93610,457’, кДж/моль. (28)
Согласно Рис. 4, в рассматриваемой системе при температуре 1700 К и парциальном давлении азота /+,7=10Э Па присутствуют поля следующих фаз: 81(лс), ЗгзКфк/;), 8]2КгО(;,7;). 8Ю(г), 8 КС (ж) и 8Юг(г). В подобной
трехкомпонентной системе при фиксированных температуре и давлении три фазы могут быть в равновесии. На диаграмме имеются две инвариантные точки: одна включает вфле), 812Н20(ху7), и 8Ю2(ж:), а другая - 81(лг), 81зМ4(ат?), и 81гП20(кр). Поля фаз 8ЬЫ4 и появляются на диаграмме при
парциальном давлении азота выше Рт~2’4 Па, при меньшем давлении они