Заготовка для одномодового волоконного световода, сохраняющего поляризацию излучения

 

Использование: волоконные когерентные линии связи и при конструировании датчиков физических величин. Сущность изобретения: заготовка для одномодового волоконного световода, сохраняющего поляризацию излучения, включает световедущую жилу, два нагруженных стержня круглой формы, отражающую оболочку из чистого кварцевого стекла и внешнюю защитную оболочку. К световедущей жиле непосредственно прилегает дополнительный слой отражающей оболочки, имеющий внешний диаметр 2-5 Дж, где Дж - диаметр световедущей жилы, и состоящий из материала с меньшей или равной температурой плавления, чем температура расплава материала световедущей жилы. 3 ил.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано в волоконных когерентных линиях связи и при конструировании датчиков физических величин.

Известен способ изготовления одномодовых волоконных световодов, сохраняющих поляризацию излучения.

Известный способ изготовления заготовки световода, сохраняющего поляризацию излучения, заключается в формировании с двух противоположных сторон световедущей жилы двух отверстий круговой формы, а затем в эти отверстия вставляются два стеклянных стержня, которые отличаются по коэффициенту температурного расширения от коэффициента температурного расширения материала заготовки. При вытяжке световода из такой заготовки в световедущей жиле световода из-за разности коэффициентов расширения материалов возникают сильные механические напряжения, за счет которых материал световедущей жилы становится двулучепреломляющим, т.е. существует два ортогональных друг другу направления, возбужденная вдоль которых линейная поляризация излучения при распространении в световоде сохраняется, именно поэтому световоды называются сохраняющими поляризацию излучения. Одной из основных проблем получения заготовки для такого световода является получение двух отверстий круговой формы, располагающихся по обе стороны от световедущей жилы. Эти отверстия должны быть на одинаковом расстоянии от световедущей жилы, и центры их должны лежать на одной прямой с центром световедущей жилы. Известен способ получения таких отверстий в заготовках, получаемых методом внутреннего парофазного осаждения (МСYD) /2/. Известный способ получения отверстий заключается в следующем. Берется исходная заготовка для одномодового изотропного волоконного световода, и с двух диаметрально противоположных сторон прорезается два полукруглых паза по всей длине заготовки шириной и глубиной приблизительно 1 мм. Затем эта заготовка помещается внутрь опорной кварцевой трубы и сплавляется с ней на станке изготовления заготовок. В результате этой операции по всей длине вновь полученной заготовки образуется два сквозных отверстия, располагающихся по обе стороны от световедущей жилы. Затем эта заготовка опускается в плавиковую кислоту, предварительно защитив ее внешнюю поверхность фторопластовой лентой. В плавиковой кислоте эти отверстия растравливаются до необходимого диаметра. Для расчета составляющих заготовки и диаметра получаемого волокна используется система уравнений где D^внутрзаг диаметр исходной изотропной заготовки; D^внешзаг диаметр заготовки, получаемой после сплавления исходной заготовки с пазами с кварцевой трубой; h_паз глубина паза; Рж радиус световедущей жилы в заготовке; Δ расстояние нагружающих элементов до световедущей жилы;
a угол раскрыва нагружающих стержней;
V нормализованная частота;
lс длина волны отсечки световода;
nc средний показатель преломления материала световода;
Δп разность показателей преломления между отражающей оболочкой и световедущей жилой.

Для достижения предельно малых потерь в волоконном световоде необходимо, чтобы толщина отражающей оболочки была в пределах 6 8 Дж, тогда опорная труба не будет сказываться на характеристиках световода. Для достижения предельных значений поляризационных характеристик световода типа "РАNDA" необходимо обеспечить α 90^o, D 2 Дж, т.е. нагружающие стержни должны находиться от световедущей жилы на расстоянии 4 Rж, таким образом, при вытравливании отверстий должна затрагиваться и отражающая оболочка. Для известного метода получения отверстий в заготовках исходная изотропная заготовка должна иметь отражающую оболочку из чистого кварцевого стекла для того, чтобы скоростъ травления опорной трубы (которая состоит из чистого кварцевого стекла, как правило) и отражающей оболочки были абсолютно одинаковыми, т.к. только в этом случае получаются отверстия круговой формы при травлении. Если же отражающая оболочка будет изготовлена из кварцевого стекла с какими-то легирующими добавками, например Gе₂O₃, P₂O₅, F₂, BBr₃ и т.д. то из-за того, что скорость травления кварцевого стекла с легирующими добавками выше, чем скорость травления чистого кварцевого стекла опорной трубы, отверстия после травления получаются некруглой формы, что приводит к ухудшению поляризационных характеристик световода. При изготовлении изотропной же заготовки с отражающей оболочкой из чистого кварцевого стекла возникают серьезные проблемы при вытяжке этих световодов с точки зрения получения малых потерь оптической мощности. Дело в том, что температуры, при которых происходит затвердение материала отражающей оболочки и материала световедущей жилы, существенно разные. Материал отражающей оболочки (чистый кварц) затвердевает и приобретает форму по времени раньше, чем материал световедущей жилы, в результате этого на границе жила отражающая оболочка возникают сильные напряжения, т. к. материалы световедущей жилы и отражающей оболочки имеют разные коэффициенты температурного расширения, что и приводит к росту потерь оптической мощности. Таким образом, основным недостатком известного способа получения отверстий в заготовке для световода, сохраняющего поляризацию излучения типа "PANDА", является то, что в качестве исходной заготовки необходимо брать заготовку с отражающей оболочкой из чистого кварцевого стекла, в которой при вытяжке очень трудно получить минимальные потери в световоде. Использование же в качестве отражающей оболочки кварцевого стекла с легирующими добавками, что приводит к понижению температуры затвердения материала оболочки и как следствие к уменьшению потерь оптической мощности в световоде, также затруднено, т. к. из-за некруглости вытравленных отверстий значительно ухудшаются поляризационные характеристики световодов.

Целью предлагаемого изобретения является улучшение технических характеристик одномодового волоконного световода, сохраняющего поляризацию излучения.

Указанная цель достигается тем, что вводится дополнительный слой отражающей оболочки, прилегающий непосредственно к световедущей жиле, имеющий внешний диаметр 2 Дж 5 Дж, где Дж диаметр световедущей жилы, и состоящий из материала с меньшей или равной температурой расплавления, чем температура расплава материала световедущей жилы.

Предлагаемая заготовка для одномодового волоконного световода, сохраняющего поляризацию излучения, позволяет снизить уровень потерь оптической мощности в световоде. Снижение уровня потерь оптической мощности в световоде происходит из-за того, что введен дополнительный "мягкий" слой отражающей оболочки, прилегающей непосредственно к световедущей жиле, который значительно снижает уровень напряжения на границе световедущая жила - отражающая оболочка при вытяжке световода. Снижение уровня напряжений на границе световедущая жила отражающая оболочка приводит к снижению потерь в световоде.

На фиг. 1 показано поперечное сечение изотропной заготовки, которая обычно используется в прототипе.

На фиг. 2 показано поперечное сечение предлагаемой исходной изотропной заготовки.

На фиг. 3 показана последовательность технологических операций формирования заготовки для световода, сохраняющего поляризацию излучения типа "РАNDА".

На фиг. 1 показана конструкция исходной изотропной заготовки, которая обычно используется в известном способе. Заготовка 1 содержит световедущую жилу 2, состоящую из кварцевого стекла, легированного германием, что позволяет получить повышенный уровень показателя преломления чистого кварцевого стекла, и отражающую оболочку 3, состоящую из чистого кварцевого стекла. Световедущая жила 2 и отражающая оболочка 3 имеют не только разные температуры расплава, но и материал их значительно отличается друг от друга коэффициентом температурного расширения. В процессе вытяжки первой затвердевает отражающая оболочка, затем только световедущая жила и за счет разности коэффициентов температурного расширения материалов на границе жила оболочка возникают напряжения. Положение еще больше усугубляется, если световедущая жила имеет эллиптичность. Преждевременное затвердение может также привести и к деформации формы световедущей жилы, что также приводит к асимметричным напряжениям на границе жила оболочка. При вытяжке заготовки с нагружающими стержнями деформация световедущей жилы отражающей оболочкой практически неизбежна.

На фиг. 2 показана конструкция предлагаемой исходной изотропной заготовки. Заготовка 4 содержит световедущую жилу 2, отражающую оболочку из чистого кварцевого стекла 3 и дополнительный слой отражающей оболочки 5, прилегающей непосредственно к жиле 2. Заготовка изготовляется следующим образом. На установке изготовления заготовок MCVD-методом на внутреннюю поверхность опорной кварцевой трубы наносится вначале слой отражающей оболочки из чистого кварцевого стекла, затем наносятся слои дополнительного слоя отражающей оболочки, состоящего из чистого кварцевого стекла, легированного фтором и фосфором.

Добавка фтора понижает показатель преломления кварца, а добавка фосфора его повышает. Соотношение между концентрациями фтора и фосфора выбрано таким, что показатель преломления этого дополнительного слоя согласован с показателем преломления кварцевого стекла. После нанесения дополнительного слоя отражающей оболочки наносятся слои световедущей жилы, состоящей из кварцевого стекла, легированного германием. После этого заготовка схлопывается в штабик заготовку на тепломеханическом станке.

На фиг. 3 показана последовательность технологических операций формирования заготовки для одномодового волоконного световода, сохраняющего поляризацию излучения типа "РАNDА"/1, 2/. В исходной заготовке 4 прорезается на шлифовальном станке алмазным кругом два полукруглых паза 6 шириной и глубиной 1 мм. Затем эта заготовка помещается в кварцевую трубу 7 и сплавляется с ней на тепломеханическом станке изготовления заготовок, после чего по всей длине заготовки образуются почти круглые отверстия 8. Затем эти отверстия в плавиковой кислоте растравливаются так, чтобы получившиеся отверстия 9 касались дополнительного слоя отражающей оболочки. Диаметр дополнительного слоя отражающей оболочки выбирается из условия выбора рабочей длины световода. Для рабочей длины световода в диапазоне 0,8 0,84 мкм диаметр дополнительного слоя может быть 3 Дж. При изготовлении однополяризационного волокна на этот же диапазон волн толщину дополнительного слоя можно допустить 1/2 Дж, т. е. диаметр его может быть 2 Дж. Для рабочего диапазона длин волн 1,3 1,55 мкм диаметр дополнительного слоя должен быть не менее 5 Дж. В полученные отверстия 9 (фиг. 3) вставляются нагружающие стержни 10, которые обычно состоят из кварцевого стекла, легированного бором. После этого заготовка сплавляется на тепломеханическом станке.

Источники информации
1. J. of Lightwowe technology//VLT, 3N: August 1985, p.758 762.

2. А. с. (заявка N 3151759).

Формула изобретения

Заготовка для одномодового волоконного световода, сохраняющего поляризацию излучения, включающая световедущую жилу, два нагружающих стержня круглой формы, отражающую оболочку из чистого кварцевого стекла и внешнюю защитною оболочку, отличающаяся тем, что, с целью снижения уровня потерь оптической мощности в световоде, она снабжена дополнительным слоем отражающей оболочки, прилегающим непосредственно к световедущей жиле, имеющим внешний диаметр (2 5) D_ж, где D_ж диаметр световедущей жилы, и состоящим из материала с температурой плавления, меньшей, чем температура расплава материала световедущей жилы, или равной ей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3