РЕЗОНАНСНЫЕ НЕРАВНОВЕСНЫЕ СВЧ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ В ТЕХНОЛОГИИ СИНТЕЗА СПЕЦИАЛЬНЫХ КВАРЦЕВЫХ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ
Л. М. Блинов, Ю.В. Гуляев, В.А. Черепенин, А.П. Герасименко
Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН,
ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л. Минца»
Аннотация
Представлены оптимальные конструкции резонаторных СВЧ плазмотронов на виде колебаний ТЕ111 и ТМ020 и методы плазмохимического осаждения (внутреннего и внешнего) оптических структур заготовок специальных двухслойных волоконных световодов на основе кварцевого стекла, легированного фтором и азотом в плазме резонансного СВЧ-разряда пониженного давления (PCVD и POVD методы). Внешнее осаждение отражающей фторсиликатной оболочки на кварцевый стержень (POVD-метод) позволяет изготавливать недорогие гибкие, радиационностойкие, высокоапертурные (~ 0,3) многомодовые волоконные световоды с кварцевой сердцевиной повышенного диаметра (>1 мм). Метод внутреннего плазмохимического осаждения (PCVD-метод) сердцевины (кварцевой, оксинитридной) внутри толстостенной кварцевой или фторсиликатной трубы с толщиной стенки 8-10 мм и более, являющейся отражающей оболочкой, позволяет изготавливать недорогие специальные радиационностойкие, одномодовые волоконные световоды. На заготовку двухслойного волоконного световода POVD-методом может быть осаждена защитная оксинитридная оболочка. Предложен метод автоматизированного управления резонансным режимом СВЧ плазмотрона и оптимальной температурой процесса осаждения оптических структур специальных волоконных световодов на основе мощного транзисторного усилителя.
Ключевые слова: СВЧ, плазма, резонанс, световод, кварцевое стекло, легированное фтором и азотом.
Abstract
Optimal designs of microwave plasmotrons, using TE111 and TM020 modes cavities, and methods of internal and external plasmochemical deposition (PCVD and POVD) of optical structures for special two-layer optical fiber performs, based on F-doped and N-doped silica glass, formed in a low-pressure microwave plasma, are presented. Outside deposition of the F-doped silica reflective cladding on a pure silica rod (POVD-method) makes possible to produce low-cost, flexible, radiation-resistant, high-aperture (NA ~ 0.3) multimode fibers, having pure silica core with high diameter (more, than 1 mm). Plasmochemical deposition of the core layer (pure, or N-doped silica glass) on the internal surface of a thick-wall silica tube, having a wall thickness 8 ч 10 mm, or more, which forms the reflective cladding (PCVD-method), makes possible to produce low-cost special radiation-resistant single-mode optical fibers. POVD-method enables also to deposit a protective oxynitride layer on the external surface of the two-layer optical layer perform. Method of automatic control the resonance mode of plasmotron working and the optimal working temperature during the deposition of optical structures for special optical fibers performs, based on using of the high power transistor amplifier, is also presented.
Key words: microwave plasma, resonance, optical fiber, N-doped and F-doped silica glass.
Введение
Кварцевые волоконные световоды широко используются в диапазоне 190-2200 нм: волоконно-оптические линии связи, датчики измерения различных физических величин, лазерная обработка материалов, лазерная медицина, волоконные лазеры и усилители. Для работы в экстремальных условиях (наличие естественного радиационного и повышенного фона ионизирующих излучений, высоких и низких температур, агрессивной среды, водорода и водородосодержащих соединений) разрабатываются специальные волоконные световоды. Области применения специальных световодов: атомная энергетика, аэронавтика и космонавтика, специальные радиофотонные РЛС, шахты, нефтегазовая отрасль, некоторые направления в медицине, военные применения.
Основу самых распространенных в настоящее время технологий для создания классических и некоторых специальных волоконных световодов составляют термические методы: (OVD - Outside Vapour Deposition, VAD - Vapour Axial Deposition, MCVD - Modified Chemical Vapour Deposition и POD - Plasma Outside Deposition) [1].
Одновременно развиваются неизотермические плазмохимические методы изготовления волоконных световодов на основе использования «холодных» неравновесных СВЧ-разрядов пониженного давления. Особенно перспективен PCVD-метод пониженного давления (Plasma Chemical Vapour Deposition) и его разновидности: POVD (Plasma Outside Vapour Deposition), PICVD (Plasma Impulse Chemical Vapour Deposition), SPCVD (Surface Plasma Chemical Vapour Deposition) [2-34].
Всеобщее внимание привлекает недорогой метод изготовления крупногабаритных заготовок специальных двухслойных волоконных световодов (ЗВС без опорной трубы), обладающих не только превосходными оптико-механическими свойствами, но и достаточной гибкостью при повышенном диаметре сердцевины (>1 мм), высокой числовой апертурой (~0,3), повышенной радиационной стойкостью при воздействии различных ионизирующих излучений и достаточной лучевой стойкостью для передачи большой мощности лазерного излучения к объекту воздействия. Это, так называемые, силовые и специальные волоконные световоды. Как правило, таким требованиям в наибольшей степени отвечают двухслойные, многомодовые волоконные световоды с кварцевой сердцевиной и фторсиликатной отражающей оболочкой, изготавливаемые методом внешнего газофазного осаждения только фторсиликатной отражающей оболочки на боковую поверхность кварцевого стержня повышенного диаметра (>20 мм) в неизотермической плазме резонансного СВЧ-разряда пониженного давления (POVD-метод) [10, 15, 16, 17, 19, 21].
Усовершенствованный метод PCVD [22] позволяет изготавливать в плазме резонансного СВЧ-разряда пониженного давления недорогие трубчатые, крупногабаритные заготовки специальных радиационностойких, двухслойных, одномодовых волоконных световодов (ОВС) осаждением только сердцевины (кварцевой, оксинитридной) внутри толстостенной, оптически чистой кварцевой или фторсиликатной трубы с толщиной стенки 8-10 мм и более, являющейся отражающей оболочкой световода. При этом нет необходимости в процессах схлопывания и жакетирования трубчатой заготовки, отрицательно влияющих на профиль показателя преломления ППП.
Таким образом, недорогие технологии, основанные на базе методов POVD и PCVD, позволяют обеспечивать низкую себестоимость изготовления специальных многомодовых и одномодовых двухслойных волоконных световодов определяемую, практически, стоимостью кварцевого стержня (сердцевины) в POVD-методе и стоимостью толстостенной кварцевой или фторсиликатной трубы (отражающей оболочки) в PCVD-методе. При необходимости, с целью повышения прочности и термостойкости специального волоконного световода и защиты его от диффузии ОН групп при нагреве свыше 100оС в экстремальных условиях эксплуатации, на наружную поверхность заготовки может осаждаться защитная оксинитридная оболочка толщиной ~ 1% от диаметра заготовки (30-40 нм в вытянутом волокне) [17, 22].
В настоящее время промышленное применение нашли пока только способы PCVD и POVD, так как использование специально разработанного резонатора позволяет получать в локальной резонансной СВЧ плазме пониженного давления Р максимальную напряженность электрического поля Е, равномерность и однородность осаждения кварцевых оптических структур и изготавливать крупногабаритные заготовки специальных волоконных световодов при минимальной энергоемкости процесса (фактор Е/Р).
СВЧ плазмотрон является основным рабочим органом в технологиях PCVD и POVD, создающим и определяющим условия протекания гетерогенного плазмохимического процесса осаждения чистого или легированного кварцевого стекла на внутренней и (или) наружной поверхности кварцевой трубы и (или) боковой поверхности кварцевого стержня. Однако в настоящее время отсутствует какая-либо теоретическая модель, которая позволила бы надежно выбирать, в зависимости от поставленной задачи, основные параметры плазмотрона - тип волны, рабочую частоту, подводимую мощность, геометрию и способы его настройки. Конструкция плазмотронов отрабатывается эмпирическим путем на макетах, методом последовательных приближений.
Поэтому, главной задачей данных исследований являлось создание оптимальных конструкций резонаторных СВЧ плазмотронов и разработка на их основе методов изготовления заготовок специальных кварцевых волоконных световодов в плазме резонансного СВЧ-разряда пониженного давления, которые должны обеспечивать:
-высокое качество и максимальную воспроизводимость оптико-механических и радиационных характеристик специальных волоконных световодов;
-максимальную эффективность легирования кварцевого стекла различными элементами, в том числе фтором и азотом;
-максимальную эффективность использования исходных химических реагентов;
-большие габариты кварцевых заготовок специальных волоконных световодов;
-минимальное потребление электрической энергии и невысокую стоимость специальных волоконных световодов.
Резонансный СВЧ-разряд пониженного давления в технологии синтеза оптических структур заготовок кварцевых волоконных световодов
В разреженном газе локального резонансного СВЧ-разряда пониженного давления электроны на длине свободного пробега приобретают в электрическом поле СВЧ резонатора максимальную кинетическую энергию для данного объема плазмы и путем соударений передают ее нейтральным молекулам рабочего газа.
При неупругих соударениях электронов с частицами газа происходит превращение кинетической энергии электронов во внутреннюю потенциальную энергию молекул или атомов, необходимую для перехода электрона атома на более высокий уровень (возбуждение) или для полного его отрыва от ядра (ионизация). При этом возникают возбужденные молекулы или атомы, молекулярные или атомные ионы. Процесс передачи энергии электрического поля газовым частицам за счет неупругих взаимодействий и их возбуждение играют основную роль в химических реакциях, протекающих в газовом СВЧ разряде пониженного давления. Процесс при упругих соударениях ведет лишь к незначительному повышению кинетической энергии молекулы или атома и только при многократном соударении вызывает небольшой рост температуры газа.
Газоразрядная плазма резонансного СВЧ-разряда пониженного давления является неизотермической («холодной»), неравновесной, что обусловлено неравновесным распределением электронов по энергиям и существенным превышением средней энергии электронов над средней энергией ионов, атомов, радикалов и молекул газа. В неравновесной СВЧ плазме выход продуктов реакции может быть значительно больше термодинамически равновесного, рассчитанного только исходя из температуры газа. Знание температуры Те позволяет лучше описать такое неравновесное распределение. Измерение Те затруднено, поэтому лучше использовать отношение напряженности электрического поля к давлению Е/Р или Е/N, где N - общая плотность частиц. Эта величина играет важную роль, определяя свойства СВЧ плазмы и значение скорости, с которой в ней протекают химические реакции [23-26, 42-48].
При пониженном давлении образование SiO2 целиком гетерогенный процесс, который начинается с диссоциации молекул рабочего газа, поэтому все свойства осажденного слоя определяются, в конечном счете, соотношением потока частиц различных типов на поверхность подложки (труба, стержень) и температурой поверхности.
Предполагается, что основным механизмом фрагментации молекул SiCl4 в плазме СВЧ-разряда пониженного давления являются соударения с электронами и что образование SiO2происходит благодаря химической адсорбции на поверхности трубки (стержня) радикалов, содержащих атомы кремния. Основным каналом фрагментации фторсодержащих реагентов (SF6, C2F6) являются не соударения с электронами, а соударения с атомами кислорода и с электронно-возбужденными молекулами кислорода. Рассчитанная функция распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) показывает, что при фиксированных параметрах подобия (или ), и (), где - частота электромагнитного поля в ГГц, добавление 10% газов с многоатомными молекулами к О2 почти не изменяет ФРЭЭ и что ФРЭЭ в рассматриваемом СВЧ-разряде зависит только от локальных значений параметров подобия [24-26].
Таким образом, можно констатировать, что эффективность процесса образования и осаждения кварцевого стекла, в том числе легированного фтором и (или) азотом, определяется в основном величиной напряженности электрического поля в неравновесной плазме СВЧ-разряда, давлением рабочего газа (плотностью частиц) и частотой электромагнитного поля СВЧ. Известно, что резонатор обладает частотной избирательностью по отношению к внешнему гармоническому воздействию: амплитуда его колебаний максимальна на резонансной частоте и уменьшается по мере удаления от нее. Следовательно, резонансный режим использования СВЧ разряда пониженного давления является оптимальным для этих целей.
Методы осаждения кварцевых оптических структур заготовок волоконных световодов на внутреннюю и наружную поверхность опорной кварцевой трубы (стержня) в плазме резонансного СВЧ-разряда пониженного давления (PCVD и POVD-методы)
Метод PCVD разработан специалистами фирмы Филипс в 70-80 годы прошлого столетия [27, 6, 7, 29-31]. Этот способ, как и метод MCVD, внутренний процесс, отличающийся от термического MCVD способа использованием неизотермической СВЧ плазмы пониженного давления внутри опорной кварцевой трубы для активации химических реакций. На рис. 1 процесс PCVD изображен схематически.
Рис. 1. Схема установки для получения заготовок методом PCVD
Химические реагенты подаются на вход опорной кварцевой трубы газом-носителем О2. С помощью форвакуумного насоса внутри трубы устанавливается пониженное давление (1-30 торр). Трубу помещают в печь с температурой 1200оС. Внутри печи предусмотрен СВЧ резонатор на частоте 2,45 ГГц, который перемещается относительно трубы в зоне печи длиной >100 см со скоростью до 8 м/мин. С помощью резонатора Н111 создается неравновесная, «холодная» плазма резонансного СВЧ-разряда пониженного давления в кварцевой трубе, используемой для проведения гетерогенной реакции многослойного осаждения фторсиликатного и кварцевого стекла на внутреннюю поверхность трубы. В данном процессе, при определенных режимах, не происходит осаждение сажеобразного стекла. После осаждения внутри трубы оболочки и жилы световода печь поднимают и трубу схлопывают в штабик при температуре 2000оС. Операцию схлопывания можно осуществлять на установке PCVD или на отдельной установке для схлопывания. Несмотря на то, что гетерогенная реакция в неизотермической СВЧ плазме может проходить при температурах значительно ниже 500оС, в осажденных слоях будут обнаружены трещины, если температура слишком низкая. Это явление обусловлено образованием напряжений в стекле вследствие высокого содержания хлора в осажденных слоях. Для дегазации хлора из осаждаемого стекла температура осаждения повышается до 1200оС. При этой температуре все еще не наблюдается термически наведенного образования SiO2. В PCVD методе мощность СВЧ непосредственно подается в плазму. При этом кварцевая труба не оказывает какого-либо тормозящего эффекта. Резонатор характеризуется высокой скоростью перемещения. В результате удается осадить большое количество (>1000) тонких (50-500 нм) слоев с прецизионным регулируемым составом, что позволяет получать точно заданный профиль показателя преломления. В настоящее время максимальная скорость осаждения составляет >3,0 г/мин. Для более высоких скоростей осаждения необходимо увеличить внутренний диаметр трубы и повысить СВЧ мощность в плазме. В качестве основной легирующей добавки используется фтор, так как он снижает профиль показателя преломления SiO2. Это позволяет получать волокна с жилой из чистого SiO2, что устраняет центральный провал в профиле показателя преломления (ППП), образование которого может происходить в процессе схлопывания и жакетирования. Было установлено, что при использовании C2F6 (C3F8) для легирования кварцевого стекла фтором можно получить ?n порядка 2% и более.