ВОЛОКОННЫЙ ОДНОМОДОВЫЙ ПОЛЯРИЗУЮЩИЙ ИЛИ СОХРАНЯЮЩИЙ ПОЛЯРИЗАЦИЮ ИЗЛУЧЕНИЯ СВЕТОВОД Российский патент 2011 года по МПК G02B6/24 

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано в волоконных линиях связи, также при создании волоконно-оптических гироскопов и других датчиков физических величин.

Известна конструкция одномодового волоконного световода с эллиптической нагружающей оболочкой, в котором наблюдается однополяризационный режим работы в определенном спектральном диапазоне [1]. Световод содержит светопроводящую жилу, нагружающую эллиптическую оболочку, расположенную вокруг жилы, дополнительную оболочку с пониженным показателем преломления относительно чистого кварца, защитную кварцевую оболочку и полимерное защитно-упрочняющее покрытие. Нагружающая оболочка состоит из материала, отличающегося от остальных материалов световода большим коэффициентом температурного расширения. Поэтому при вытяжке из заготовки световода при его последующем остывании в поперечном сечении световода создаются регулярные механические напряжения, которые за счет фотоупругого эффекта наводят в световедущей жиле линейное двулучепреломление. Особенностью конструкции световода является то, что в одном из направлений поперечного сечения световода дополнительная оболочка с пониженным показателем преломления касается световедущей жилы и поэтому в этом направлении образуется W-профиль показателя преломления. За счет наводимого нагружающей оболочкой в световедущей жиле двулучепреломления W-профиль для двух поляризационных мод становится различным, и поэтому фундаментальные поляризационные моды имеют различную длину волны отсечки. Таким образом, в спектральном диапазоне между длинами волн отсечки поляризационных мод наблюдается однополяризационный режим работы световода, то есть в этом спектральном окне световод обладает поляризующими свойствами.

Основным недостатком этой конструкции [1] поляризующего световода является малая ширина его спектрального рабочего окна, связанная с тем, что напряжения создаются, в основном, только в световедущей жиле, и поэтому расщепление W-профилей для поляризационных мод относительно небольшое.

Известна также конструкция поляризующего световода [2], которая содержит световедущую жилу, отражающую оболочку с пониженным показателем преломления, которая окружена эллиптической нагружающей оболочкой, создающей механические напряжения в световедущей жиле и отражающей оболочке. В результате для двух поляризационных мод световода образуются два различных W-профиля показателя преломления. Это различие W-профилей по сравнению с предыдущим примером [1] является более значительным и поэтому у световода данной конструкции наблюдается более широкий спектральный диапазон, в котором канализируется только одна поляризационная мода. Более сильное вырождение W-профиля показателя преломления для двух поляризационных мод достигается за счет того, что механические напряжения, создаваемые оболочкой эллиптической формы, присутствуют как в световедущей жиле так и в отражающей оболочке. Основным недостатком этой конструкции поляризующего световода является то, что величина наводимого двулучепреломления в световедущей жиле и отражающей оболочке с помощью нагружающей эллиптической оболочки меньше по сравнению с величиной двулучепреломления наводимого, например, нагружающими стержнями круговой формы (световод «Панда»), которая также определяет ширину спектрального окна поляризующего световода.

Известна конструкция [3] поляризующего световода с W-профилем показателя преломления и двумя нагружающими стержнями типа «Панда», которая содержит световедущую жилу с показателем преломления, большим показателя преломления кварца, отражающую оболочку с показателем преломления, меньшим показателя преломления кварца два нагружающих стержня круговой или эллиптической формы, внешнюю защитную оболочку из кварца и внешнее полимерное защитно-упрочняющее покрытие. Световедущая жила состоит из кварца, легированного германием (GeO₂), отражающая оболочка состоит из кварца, легированного фтором F. Нагружающие стержни состоят из кварца, легированного бором (В₂O₃), увеличивающим коэффициент линейного теплового расширения кварца. За счет разности коэффициентов линейного теплового расширения нагружающих стержней и остального материала световода в области между нагружающими стержнями возникает наиболее сильное механическое напряжение. За счет фотоупругого эффекта в области механических напряжений возникает линейное двулучепреломление. Из-за наличия линейного двулучепреломления две поляризационные моды имеют разную длину волны отсечки и за счет этого световод в некотором спектральном диапазоне обладает поляризующими свойствами. Достоинством этой конструкции световода [3] является то, что при одном и том же уровне легирования кварцевого стекла бором (В₂O₃) с помощью нагружающих стержней круглой формы удается создать большее двулучепреломление, чем с помощью нагружающей оболочки эллиптической формы. Как следствие, в поляризующем световоде типа «Панда» возможно достижение максимальной ширины рабочего спектрального окна поляризующего световода. Максимальная ширина спектрального окна поляризующего световода типа «Панда» достигается следующими соотношениями его конструктивных параметров:

- радиус отражающей оболочки Т=(2-4)р;

- где р - радиус световедущей жилы световода;

- расстояние от нагружающих стержней до световедущей жилы - Δ=(0,5-1,0)р;

- угол раскрыва нагружающих стержней при наблюдении из центра световедущей жилы α=50°-98°.

Основными недостатками этой конструкции поляризующего световода типа «Панда» [3] являются жесткие требования к конструктивным параметрам, прежде всего к α-углу раскрыва нагружающих стержней при наблюдении из центра световедущей жилы (по описанию он оптимален в пределах 88°-98°), к радиусу отражающей оболочки - Т и Δ - расстоянию от нагружающих стержней до световедущей жилы, которые частично удовлетворяются применением нагружающих стержней эллиптической формы, изготовленных с помощью MCVD-метода.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой настоящим изобретением конструкции поляризующего или сохраняющего поляризацию излучения световода является конструкция одномодового сохраняющего поляризацию излучения световода с большим линейным двулучепреломлением типа «Панда», рассмотренная в [4]. Одномодовый, сохраняющий поляризацию излучения световод типа «Панда», изготовленный по способу, рассмотренному в [4], содержит световедущую жилу из кварца, легированного германием (GeO₂), отражающую оболочку из кварца, легированного фтором F, круглые нагружающие стержни из кварца, легированного бором (В₂O₃), без круговой оболочки из кварцевого стекла. Отсутствие кварцевой оболочки на нагружающих стержнях сокращает расстояние от нагружающих стержней до отражающей оболочки и световедущей жилы. Основным недостатком известной конструкции одномодового волоконного сохраняющего поляризацию излучения световода типа «Панда», рассмотренным в [4], является то, что при сплавлении заготовки с нагружающими стержнями без круговой оболочки из кварца и вытяжки из заготовки оптического волокна материал нагружающих стержней кварц, легированный бором (В₂O₃), первым переходит из твердой фазы в жидкую фазу, т.к. температура плавления кварца, легированного бором (В₂O₃), ниже температуры плавления чистого кварца, и заполняет соседние полости, пузыри, что искажает форму и размеры нагружающих стержней, что ухудшает прочностные и поляризационные характеристики световода, а поляризующие одномодовые световоды, требующие большей степени легирования кварца нагружающих стержней бором (В₂O₃), не позволяет получить.

Целью настоящего изобретения является стабилизация оптических и геометрических характеристик поляризующего световода и одномодового волоконного световода, сохраняющего поляризацию излучения.

Указанная цель достигается тем, что применяют нагружающие стержни из кварца, легированного бором (В₂O₃), в круговой оболочке из кварца, легированного фтором (F), с толщиной круговой оболочки, меньшей или равной толщине отражающей оболочки световедущей жилы, а нагружающие стержни размещают на расстоянии от центра световедущей жилы, равном или большем радиуса световедущей жилы. Круговая оболочка боросиликатных нагружающих стержней из кварца, легированного фтором, имеет температуру плавления, равную или близкую к температуре плавления чистого кварца, а показатель преломления, равный или близкий к показателю преломления отражающей оболочки световедущей жилы, и вязкость расплавленной массы оболочки нагружающих стержней больше вязкости расплавленной массы материала нагружающих стержней из кварца, легированного бором (В₂O₃), что препятствует его растеканию в процессе сплавления заготовки с нагружающими стержнями и вытяжки из нее оптического волокна и оптимизирует процесс сплавления материала оболочки нагружающих стержней с материалом отражающей оболочки световедущей жилы. Также с помощью материала оболочки нагружающих стержней компенсируются потери материала отражающей оболочки световедущей жилы, которые возникают при обработке в заготовке отверстий под нагружающие стержни, что также позволяет задавать и подгонять α-угол раскрыва нагружающих стержней. Применение нагружающих стержней с материалом круговой оболочки с большей температурой плавления и вязкостью материала сохраняет геометрическую форму стержней и позволяет использовать в качестве материала стержней кварц с большей степенью легирования бором (В₂O₃) и использовать их как в световодах, сохраняющих поляризацию излучения, так и в поляризующих световодах.

Таким образом, световоды, сохраняющие поляризацию излучения, могут отличаться от поляризующих световодов только степенью легирования нагружающих стержней бором (В₂O₃), что удобно при их соединении в процессе изготовления датчиков физических величин на основе обоих типов волокон.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На Фиг.1 показан поперечный разрез как поляризующего, так и сохраняющего поляризацию излучения световода типа «Панда», 1 - световедущая жила, 2 - отражающая оболочка световедущей жилы, 3 - боросиликатные нагружающие стержни, 4 - круговые оболочки нагружающих стержней, 5 - защитная кварцевая оболочка, 6 - области отражающей оболочки, компенсированные по показателю преломления с круговыми оболочками - 4 нагружающих стержней-3.

На Фиг.2 показан поперечный разрез нагружающего стержня из кварца, легированного бором (В₂O₃), - 3 диаметром-D_c в круговой оболочке из кварца, легированного фтором (F)-4 диаметром D_co.

L=D_co-Do≤p,

где L - расстояние от границы световедущей жилы - 1 до границы нагружающего стержня из кварца легированного бором (В₂O₃) - 3.

На Фиг.3 показано поперечное сечение заготовки оптического волокна типа «Панда» с отверстиями - 7 под нагружающие стержни в круговой оболочке.

На Фиг.4 показано поперечное сечение световода типа «Панда» с круглыми нагружающими стержнями из кварца, легированного бором (В₂O₃), в круговой оболочке из кварца, легированного фтором (F), толщина которой меньше толщины отражающей оболочки - 2 световедущей жилы - 1 и областями - 6, частично компенсирующую отражающую оболочку - 2 световедущей жилы - 1, полностью выбранную при формировании в заготовке (Фиг.3) отверстий - 7 под нагружающие стержни.

На Фиг.5 показано поперечное сечение световода типа «Панда» с круглыми нагружающими стержнями из кварца, легированного бором (В₂O₃)-3, в круговой оболочке из кварца, легированного фтором (F)-4, с толщиной, меньше толщины отражающей оболочки - 2, световедущей жилы - 1 и областями - 6 полностью компенсирующую отражающую оболочку - 2, световедущей жилы - 1, частично выбранную при формировании в заготовке (Фиг.3) отверстий под нагружающие стержни.

Таким образом, одна заготовка для одномодового волокна типа «Панда» с заданным расположением отверстий под нагружающие стержни допускает изготовление как поляризующего оптического волокна, так и оптического волокна, сохраняющего поляризацию излучения. Разница между ними будет только в степени легирования кварца нагружающих стержней бором (В₂O₃), задающей коэффициент температурного расширения, формирующий механические напряжения в жиле и отражающей оболочке.

Литература

1. I.R.Simpson et all. «А single polarization fibe» J.Lightwave Technology vol. LT-1, pp.370-373.

2. M.G.Messerly, J.R.Onstott, R.C.Mikkelson. «A Broad-Band Single Polarization optical Fiber» J. of Lighwave Tecnology, vol.9, №7,1991, pp.817-820.

3. А.М.Курбатов. «Волоконный одномодовый поляризующий световод». Патент РФ №2250481, заявка №203114805/28 от 19.05.2003 г.

4. А.И.Зуев, А.В.Белащенко, В.К.Варнаков, А.Н.Силин «Способ изготовления одномодового волоконного световода, сохраняющего поляризацию излучения» Патент №2252197, заявка №2003134317/28.

Световод может быть использован в волоконных линиях связи, а также при создании датчиков физических величин. Одномодовый волоконный световод содержит световедущую жилу, отражающую оболочку световедущей жилы из кварца, легированного фтором, круглые нагружающие стержни из кварца, легированного бором, защитную оболочку из кварца и защитно-упрочняющее полимерное покрытие. Нагружающие стержни содержат круговую оболочку из кварца, легированного фтором, имеющую показатель преломления, равный или близкий к показателю преломления отражающей оболочки световедущей жилы так, что вязкость расплавленной массы круговой оболочки больше вязкости расплавленной массы материала нагружающих стержней, и толщину, равную или меньшую толщины отражающей оболочки световедущей жилы. Нагружающие стержни размещены на расстоянии от центра световедущей жилы, равном или большем радиуса световедущей жилы. Технический результат - стабилизация оптических и геометрических характеристик световода. 5 ил.

Одномодовый волоконный световод, поляризующий или сохраняющий поляризацию излучения, содержащий световедущую жилу, отражающую оболочку световедущей жилы из кварца, легированного фтором, круглые нагружающие стержни из кварца, легированного бором, защитную оболочку из кварца и защитно-упрочняющее полимерное покрытие, отличающийся тем, что нагружающие стержни содержат круговую оболочку из кварца, легированного фтором, имеющую показатель преломления, равный или близкий к показателю преломления отражающей оболочки световедущей жилы, так что вязкость расплавленной массы круговой оболочки больше вязкости расплавленной массы материала нагружающих стержней, и толщину, равную или меньшую толщины отражающей оболочки световедущей жилы, при этом нагружающие стержни размещены на расстоянии от центра световедущей жилы, равном или большем радиуса световедущей жилы.