Способ изготовления заготовок для вытягивания анизотропных одномодовых световодов

Способ изготовления заготовок для вытягивания анизотропных одномодовых световодов, сохраняющих поляризацию излучения, относится к технологии изготовления оптического волокна для интерферометрических датчиков физических величин. Изобретение решает задачу упрощения способа изготовления заготовок при одновременном снижении их стоимости. Способ включает изготовление цилиндрической предзаготовки, состоящей из сердцевины и оболочки, которую помещают в трубу из кварцевого стекла. В радиальный зазор между ними вставляют симметрично по всей длине два напрягающих стержня, а остальную часть зазора заполняют стеклообразующими частицами, например кварцевой крупкой, вакуумируют и осуществляют сплавление при остаточном давлении внутри трубки не более 10^-6 атм. Габариты такой заготовки позволяют вытянуть световод длиной до 40 км с диаметром стекловолокна 80 мкм. 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к технологии изготовления анизотропных одномодовых волоконных световодов (АОВС), сохраняющих поляризацию излучения, применяемых в интерферометрических датчиках физических величин и когерентных линиях дальней связи.

Наиболее распространенный способ изготовления заготовок для получения такого оптического волокна заключается в получении методом аксиального химического парофазного осаждения заготовки, по всей длине которой сверлят два круглых канала с диаметрально противоположных сторон сердцевины, в эти каналы вставляют напрягающие стержни из легированного кварцевого стекла с повышенным коэффициентом термического расширения и сплавляют их с заготовкой [Sasaki Y., Tajima К, Seikai S. 26 km - Long polarisation - maintaining optical fibre // Electronics letters. 1987. Vol.23, №20. - P.127-128]. Из таких заготовок изготавливают АОВС типа «PANDA», которые сохраняют состояние поляризации предаваемого по ним излучения. Такое оптическое волокно предназначено для многоканальной линии дальней связи и широко используется для изготовления интерферометрических датчиков различных физических величин.

Использование напрягающих стержней, вставляемых в заготовки, связано с необходимостью создания в сердцевине световода анизотропии механических напряжений, приводящих к разности показателей преломления для двух ортогональных мод. С увеличением такого двулучепреломления обмен световой энергией между двумя ортогонально поляризованными модами уменьшается, обеспечивая тем самым сохранение состояние поляризации излучения.

Недостатком этого способа изготовления заготовок является применение очень сложной операции сверления круглых каналов по всей длине заготовки и их высокая стоимость, обусловленная тем, что вся стекломасса получается методом парофазного осаждения.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ изготовления заготовок, принятый за прототип, заключается в изготовлении цилиндрической предзаготовки на основе кварцевого стекла методом химического парофазного осаждения, соосном сплавлении предзаготовки с наружной трубой из кварцевого стекла при симметричном расположении двух напрягающих стержней между ними [Патент РФ №2164698, опубликованный 27.03.2001 по рубрикам МПК G02B 6/17 и С03В 37/00 на изобретение «Способ получения одномодового волоконного световода»]. Стержни вставляются в круглые отверстия, которые получаются после травления раствором фтористого водорода двух каналов, сформированных после нарезанных по всей длине предзаготовки двух канавок и ее сплавления с наружной кварцевой трубой. Такой метод получения круглых каналов внутри заготовки существенно проще, чем сверление отверстий. Использование кварцевых труб промышленного производства в этом способе вместо формирования стекломассы заготовки методом газофазного осаждения, описанного в первом методе, приводит к существенному снижению материальных затрат и стоимости АОВС.

Недостатком известного способа изготовления заготовок световодов, описанного в прототипе, является большая длительность, многостадийность и химическая вредность процесса формирования круглых отверстий, включающего операцию нарезания канавок на предзаготовке, ее сплавление с кварцевой трубой, травление образованных каналов раствором фтористого водовода, их промывку и сушку.

Задача настоящего изобретения состоит в упрощении и уменьшении длительности процесса изготовления заготовок АОВС при одновременном снижении степени химической вредности процесса и материальных затрат.

Поставленная задача решается новым способом изготовления заготовок для вытягивания анизотропных одномодовых световодов, включающим изготовление на основе кварцевого стекла, например, методом химического парофазного осаждения цилиндрической предзаготовки, состоящей из сердцевины и оболочки, соосное сплавление предзаготовки с наружной трубой из кварцевого стекла при симметричном расположении между ними по всей длине двух напрягающих стержней, в котором, в отличие от прототипа, перед сплавлением предзаготовки с наружной трубой из кварцевого стекла напрягающие стержни вставляют в радиальный зазор между ними, остальную часть которого заполняют стеклообразующими частицами, например кварцевой крупкой, и вакуумируют до остаточного давления не более 10^-6 атм.

Перед вакуумированием засыпку из стеклообразующих частиц целесообразно уплотнить металлической стружкой, которая в процессе сплавления автономно нагревается и эффективно поглощает остаточные газы внутри трубки.

В качестве металлической стружки технологически удобно использование титановой стружки, которую при сплавлении предзаготовки и наружной кварцевой трубы следует автономно нагревать до температуры 700-900°С.

При таком способе введения напрягающих стержней в заготовку процесс ее изготовления становится гораздо проще. Одновременно устраняется его вредность и сокращается продолжительность, так как исключается длительная операция травления каналов агрессивным раствором HF. Высокоэффективное сплавление предзаготовки с кварцевой трубой под действием сил наружного атмосферного давления (а не сил поверхностного натяжения, как в прототипе) также приводит к увеличению производительности изготовления заготовок, а низкое остаточное давление (не более 10^-6 атм) исключает возможность образования заплавленных полостей, пузырей. Замена значительной части (более 30%) стекломассы дорогостоящей трубы из кварцевого стекла на более дешевую стеклообразующую засыпку (например, кварцевую крупку) существенно снижает стоимость заготовок.

Применение уплотнения засыпки с помощью металлической стружки позволяет обеспечить фиксацию положения предзаготовки и напрягающих стержней внутри кварцевой трубы в процессе их сплавления.

Совокупность изложенных признаков и анализ отличий от прототипа по существующему уровню техники позволяет сделать вывод о «новизне» и «изобретательском уровне» нового способа.

Для подтверждения обоснованности нового технического решения изготовлена заготовка следующим образом. MCVD методом с использованием трубки кварцевого стекла (с наружным диаметром 14 мм и толщиной стенки 1 мм) получена круглая предзаготовка длиной 600 мм и наружным диаметром 8,2±0,1 мм с сердцевиной диаметром 1,20±0,05 мм из фторгерманосиликатного стекла, содержащего 10 мол.% GeO₂ и 0,5 ат.% фтора. После химического травления до диаметра 6 мм предзаготовку расположили соосно в трубке из кварцевого стекла (с наружным диаметром 27±0,2 мм, толщиной стенки 2±0,1 мм и длиной ≈800 мм), заплавленной с одного конца. В зазор между трубкой и предзаготовкой установили два стержня, а свободное пространство засыпали кварцевой крупкой из природного сырья со средним размером 0,3-0,5 мм. Стержни диаметром 8 мм изготавливали MCVD методом с центральной частью диаметром 7 мм из кварцевого стекла легированного 17 мол.% В₂О₃. Крупка предварительно выдерживалась в течение часа при 500°С в атмосфере пара хлорида аммония, что обеспечивает ее очистку от примесей железа. После уплотнения засыпки с открытого конца наружной трубы титановой стружкой трубку вакуумировали до остаточного давления 10^-6 атм и герметизировали заплавлением открытого конца. Затем вращающуюся трубку сжимали на горизонтальном станке, нагревом до температуры 2050°С перемещающейся газовой горелкой. Выделяющиеся при нагреве газы, сорбированные крупкой, поглощались титановой стружкой, нагретой вспомогательной горелкой до температуры 700-900°С. Получена заготовка с наружным диаметром 23,8±0,2 мм на длине 550 мм. Вытянутый из нее контрольный световод длиной 500 м с диаметром стекловолокна 80 мкм в двойном полимерном покрытии имел длину волны отсечки высших мод, равную 1,42 мкм. Оптические потери линейно поляризованной рабочей моды на длине волны 1,55 мкм составили 0,95 дБ/км, а степень сохранения поляризации 5×10^-5 1/м. Такая заготовка позволяет вытянуть световод с диаметром стекловолокна 80 мкм длиной до 40 км. Оптические свойства световодов зависят от состава сердцевины и режимов вытягивания. Степень сохранения поляризации повышается при уменьшении диаметра предзаготовки и увеличении диаметра стекловолокна.

Заготовка, изготовленная без применения металлической стружки, содержала в стекломассе, полученной расплавом кварцевой крупки, некоторое количество пузырей размером 0,2-0,5 мм, которые могут привести к увеличению оптических потерь.

Изложенные сведения подтверждают очевидную промышленную применимость способа изготовления заготовок при производстве анизотропных одномодовых кварцевых световодов, сохраняющих поляризацию изучения.

1. Способ изготовления заготовок для вытягивания анизотропных одномодовых световодов, включающий изготовление цилиндрической предзаготовки, состоящей из сердцевины и оболочки, соосное сплавление предзаготовки с наружной трубой из кварцевого стекла при симметричном расположении между ними по всей длине двух напрягающих стержней, отличающийся тем, что перед сплавлением предзаготовки с наружной трубой из кварцевого стекла напрягающие стержни вставляют в радиальный зазор между ними, остальную часть которого заполняют стеклообразующими частицами, например кварцевой крупкой, и вакуумируют до остаточного давления не более 10^-6 атм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед вакуумированием массу стеклообразующих частиц уплотняют металлической стружкой, а операцию сплавления проводят при поглощении остаточных газов внутри трубки металлической стружкой, нагреваемой автономно.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что используют титановую стружку, нагреваемую до температуры 700-900°С.