Фотонно-кристаллическое халькогенидное волокно и способ его изготовления
Владельцы патента RU 2552590:
Общество с ограниченной ответственностью научно-производственное предприятие "Наноструктурная Технология Стекла" (RU)
Изобретение относится к волоконной оптике. Фотонно-кристаллическое халькогенидное волокно состоит из центрального волноведущего стержня из халькогенидного стекла, микроструктурной волноведущей оболочки из чередующихся слоев халькогенидного стекла и воздушных зазоров и второй защитной микроструктурной оболочки из многокомпонентного стекла. Способ его изготовления включает предварительную вытяжку стержней. Далее формируют халькогенидную вставку путем укладки стержней из халькогенидного стекла с соответствующими воздушными зазорами, а затем укладывают внешние поддерживающие тонкостенные капилляры из многокомпонентного стекла в толстостенную трубку из многокомпонентного стекла. Технический результат - обеспечение высокой нелинейности. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к оптической и электронной промышленностям и может быть использовано для нелинейного преобразования электромагнитного излучения в инфракрасном (ИК) диапазоне при конструировании систем для передачи и обработки информации.
Известны различные типы и конструкции фотонно-кристаллических волокон, которые используются в оптических приложениях и, в частности, при решении задач, связанных с управлением спектральными характеристиками оптической системы и способы их изготовления, например, известны халькогенидные волокна (US 6074968 А), имеющие стеклянную сердцевину и два слоя оболочки, второй слой оболочки имеет коэффициент преломления ниже, чем у основного стекла и выше, чем у первой оболочки стекла. Стеклянные волокна, имеющие структуру сердцевина-оболочка, обладают хорошими механическими характеристиками и сниженными потерями передаваемого сигнала в инфракрасной области спектра. Однако основным недостатком этих волокон является стандартная архитектура, а также использование дорогостоящих халькогенидных стекол и для сердцевины, и для оболочки.
Наиболее близким решением к предлагаемому изобретению является конструкция волоконных волноводов (US 2003044159 A1, US 7142756 B2), имеющая вдоль оси волновода: цилиндрическую сердцевину, проходящую вдоль оси волновода, и оболочку из трубки, отличающуюся от сердцевины. В данном типе волокна по меньшей мере одна из частей выполнена из халькогенидного стекла, содержащего селен и теллур, благодаря чему достигается высокий индекс контрастности между элементами волновода. Недостаток таких волноводов состоит в том, что происходит касание волноведущей жилы из халькогенидного стекла с регулярным стеклом, что увеличивает потери в ИК области спектра.
Известен метод получения волокна (US 5953478 А), который представляет собой метод упрочнения халькогенидной сердцевины, при котором используют металлическое покрытие, стойкое к окислению химическими компонентами, входящими в состав халькогенидного стекла, при этом покрытие имеет температуру плавления ниже температуры размягчения халькогенидного стекла. Однако данный способ не позволяет производить вторичное перетягивание с целью изменения диаметра волокна, с сохранением покрытия, а в случае переработки требует повторного нанесения покрытия.
Известен способ получения халькогенидного оптического волокна (WO 2013166401 А1) путем формирования заготовки, состоящей из халькогенидного стекла и полимерного материала, полученной экструзивным методом. Причем в процессе экструзии происходит нагревание до температуры ниже точки плавления халькогенидного стекла, что приводит к формированию полимерной оболочки, т.е. просто нанесение покрытия на уже готовый халькогенидный стержень. Предложенный способ не позволяет производить изменение диаметра халькогенидной жилы, а лишь позволяет нанести полимерное покрытие.
Наиболее близким к изобретению способом получения халькогенидного оптического волокна является способ, описанный в патенте (CN103011575 А). В нем показана возможность создания халькогенидного фотонно-кристаллического волокна методом прецизионного сверления алмазным сверлом исходной заготовки халькогенидного стекла. Главным недостатком данной технологии является невозможность получения отверстий с точностью, достигаемой при вытяжке заготовки, а также невозможность варьирования формы отверстий и плохая повторяемость изделий, не говоря о больших потерях дорогостоящего стекла.
Задача предлагаемого изобретения - создание конструкции и способа изготовления фотонно-кристаллических халькогенидных волокон с твердой сердцевиной, методом сборки и перетяжки исходных заготовок. В разработке конструкции волокна, состоящего из халькогенидной микро- и нано-структуры, в отличие от известных приемов, когда используют два типа халькогенидов с различными коэффициентами показателя преломления, предлагаемое решение имеет два преимущества: во-первых, позволяет производить волокна с диаметром сердцевины, близким к оптической длине волны, которые обладают высокой нелинейностью. Во-вторых, в качестве направляющего дефекта использовано халькогенидное стекло, и нет необходимости использовать дорогое стекло для создания структурной оболочки. Более того, создание второй микроструктурной оболочки вокруг халькогенидной вставки позволит ее защитить во время процедуры вытяжки волокна. Таким образом, это решение позволит получить рентабельное производство халькогенидного волокна.
Достигается поставленная задача тем, что фотонно-кристаллическое волокно имеет центральный волноведущий стержень из халькогенидного стекла, волноведущую микроструктурную оболочку из чередующих слоев халькогенидного стекла и воздушных зазоров и вторую защитную микроструктурную оболочку, выполненную из многокомпонентного стекла. Способ его изготовления включает предварительную вытяжку стержней из халькогенидного стекла разных размеров - центральный халькогенидный стержень имеет размеры большие, чем окружающие его халькогенидные стержни, выполняющие функции волноведущей оболочки и поддержки центрального волноведущего стержня, капилляров из тонкостенных трубок стандартного многокомпонентного стекла и толстостенной трубки. Далее формируют халькогенидную вставку путем укладки стержней из халькогенидного стекла в центре большего диаметра, по его образующей меньшего диаметра, с соответствующими воздушными зазорами, а затем укладывают внешние поддерживающие тонкостенные капилляры из многокомпонентного стекла в толстостенную трубку из многокомпонентного стекла, причем внутренний диаметр соответствует размерам уложенного пакета и уже далее заготовку перетягивают в волокно необходимых размеров. Предложенная конструкция и технология позволит разработать новый тип халькогенидного волокна для гибкого управления инфракрасным излучением в нелинейно-оптических приложениях, в частности генерации суперконтинуума в средней инфракрасной области.
Ввиду недостаточной прозрачности для ИК диапазона оптического спектра у стекол многокомпонентной группы, центральная волноведущая часть волокна выполняется из халькогенидного стекла, а ввиду высокой стоимости халькогенидных стекол по сравнению со стеклами многокомпонентной группы, обкладка центрального волноведущего дефекта выполняется из капилляров из многокомпонентного стекла, подобранного по принципу близости коэффициентов температурного расширения и температур размягчения и кристаллизации.
В качестве исходного материала для производства фотонно-кристаллических халькогенидных волокон с твердой сердцевиной используются круглые тонкостенные капилляры из многокомпонентного стекла и стержни различного диаметра из халькогенидного стекла. Капилляры из многокомпонентных стекол изготавливаются из расплава стекла по классической волоконной технологии путем вытяжки на установке, состоящей из печи, фильерного узла и механизма вытяжки. В печи при нагреве (не более 1000 C°) происходит размягчение стеклоблока, а форму, размер и последующую конфигурацию изделия формирует фильера, фильерный узел и работа механизма вытяжки. А стержни различного диаметра из халькогенидного стекла изготавливаются путем предварительной вытяжки необходимого диаметра.
После этапа получения исходных заготовок капилляров и стержней они укладываются в пакет, например, как на (Фиг.1), при этом реализуется необходимое соотношение между сердцевиной и оболочкой волокна. Для эффективной локализации излучения в твердом волноведущем дефекте основной дефект (центральный халькогенидный стержень) окружают малыми халькогенидными стержнями, обеспечивая необходимые воздушные зазоры. При необходимости вытяжка производится в несколько этапов. Основным геометрическим параметром структуры, оказывающим влияние на спектральные характеристики волокна в максимальной степени, является диаметр волноведущих дефектов в структуре волокна и размеры воздушных зазоров.
За счет сборки исходной заготовки из халькогенидного стекла, в качестве волноведущего дефекта, и стекла многокомпонентной группы, в качестве упрочняющей оболочки волокна, получается достаточное пропускание волокна в ИК диапазоне спектра электромагнитного излучения, необходимая локализация излучения в сердцевине для осуществления нелинейного преобразования излучения, а также удешевление волокна за счет сокращения массы дорогого халькогенидного стекла.
Изобретение иллюстрируют следующие примеры.
Пример 1.
Получаемая после перетяжки геометрия поперечного сечения волокна схематично изображена на Фиг.2. Структура волокна включает: одну центральную сердцевину из халькогенидного стекла (1) диаметром 10 мкм, которая подвешена на четырех штабиках подвесах из халькогенидного стекла (2) имеющих диаметр 5 мкм, четыре капилляра из многокомпонентного стекла (3), касающиеся четырех халькогенидных штабиков подвесов (3), трубка из многокомпонентного стекла (4) выполняет функцию защитной оболочки и необходима для улучшения прочностных характеристик волокна.
Изобретение проиллюстрировано следующими чертежами.
На фигуре 1 представлена геометрия исходного пучка фотонно-кристаллического халькогенидного волокна.
На фигуре 2 представлена фотография полученного по предлагаемому способу волокна (поперечное сечение)
1. Фотонно-кристаллическое волокно, состоящее из центрального волноведущего стержня из многокомпонентного стекла, окруженного микроструктурной оболочкой, в виде периодически уложенного массива капилляров из многокомпонентного стекла, отличающееся тем, что центральный волноведущий стержень выполнен из халькогенидного стекла, а волноведущая микроструктурная оболочка выполнена из чередующихся слоев халькогенидного стекла и воздушных зазоров.
2. Фотонно-кристаллическое волокно по п.1, отличающееся тем, что имеет вторую защитную микроструктурную оболочку, выполненную из многокомпонентного стекла.
3. Способ изготовления фотонно-кристаллического халькогенидного волокна, включающий предварительную вытяжку стержней и капилляров, укладку в пакет и вторую перетяжку, отличающийся тем, что стержни изготавливают из халькогенидного стекла, а капилляры - из тонкостенных трубок стандартного многокомпонентного стекла.
4. Способ по п.1, согласно которому производят предварительную вытяжку стержней из халькогенидного стекла разных размеров, причем центральный халькогенидный стержень имеет размеры, большие чем окружающие его халькогенидные стержни, выполняющие функции волноведущей оболочки и поддержки центрального волноведущего стержня.
5. Способ по п.1, согласно которому внешние поддерживающие тонкостенные капилляры из электровакуумного стекла укладывают вокруг халькогенидной вставки в толстостенную трубку из многокомпонентного стекла, причем ее внутренний диаметр соответствует размерам уложенного пакета, и далее заготовку перетягивают в волокно необходимых размеров.
