СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АНИЗОТРОПНЫХ ОДНОМОДОВЫХ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ Российский патент 2014 года по МПК G02B6/02 C03B37/18 

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к технологии изготовления анизотропных одномодовых волоконных световодов, сохраняющих состояние поляризации излучения. Такие световоды используются в различного рода волоконно-оптических интерферометрических датчиках физических величин.

Анизотропное одномодовое оптическое волокно, получаемое предлагаемым способом, имеет в поперечном сечении круглую сердцевину и эллиптичную напрягающую оболочку, которые расположены внутри конструктивной оболочки из кварцевого стекла. Световоды, имеющие такую конструкцию, обладают повышенными свойствами сохранения поляризации света, которая обеспечивается за счет анизотропии радиальных напряжений, обусловленных эллиптической формой напрягающей оболочки.

Способ получения анизотропных одномодовых световодов с эллиптичной напрягающей оболочкой выгодно отличается от других методов изготовления световодов, сохраняющих поляризацию излучения (типа «panda» или «bow tie»), простотой технологического процесса их изготовления.

Наиболее распространенный способ получения одномодовых волоконных световодов с эллиптичной напрягающей оболочкой ("Single polarization optical fibers. Exposed cladding technique" - Applied Physics Letters, v.33, №9, 1978, p.815) включает следующие основные операции:

- нанесение слоев низковязкой напрягающей оболочки и сердцевины внутри трубы из кварцевого стекла методом модифицированного химического парофазного осаждения (MCVD),

- высокотемпературное сжатие трубки в штабик - заготовку,

- абразивную обработку цилиндрической заготовки на шлифовальном станке для образования плоскопараллельных поверхностей,

- высокотемпературное кругление заготовки, при котором напрягающая оболочка принимает эллиптичную форму, и

- вытягивание из заготовки волокна.

Такой способ недостаточно экономичен и низкопроизводителен, так как операция плоскопараллельного шлифования заготовок трудоемка, продолжительна и приводит к значительным потерям дорогостоящей стекломассы. Более того, прогиб цилиндрической заготовки приводит к нарушению соосного расположения сердцевины относительно наружного диаметра заготовки.

Наиболее близкий к предлагаемому техническому решению более простой способ изготовления анизотропных одномодовых световодов с эллиптичной напрягающей оболочкой (Патент РФ №2155359, МПК 6 G02B 6/17, 2000 г.), принят за прототип заявляемого изобретения. Он заключается в получении MCVD методом цилиндрической заготовки, содержащей сердцевину, низковязкую напрягающую оболочку и конструктивную оболочку из кварцевого стекла, нарезании с диаметрально противоположных сторон заготовки двух канавок, высокотемпературном круглении заготовки и вытягивании волокна. В процессе кругления заготовки канавки исчезают, низковязкая напрягающая оболочка принимает эллиптичную форму, а сердцевина остается круглой. Такой способ, усовершенствованный по сравнению с предыдущим методом, позволяет снизить потери дорогостоящей стекломассы при абразивной обработке и существенно сократить длительность процесса изготовления заготовок волоконных световодов. Более того, локализованный участок нарезания канавок абразивным кругом исключает влияние стрелы прогиба заготовки на нарушение соосного расположения сердцевины.

Недостаток данного способа заключается в ограничении наружного диаметра заготовки величиной 12 мм, позволяющей вытягивать не более 5 км световодов диаметром 125 мкм. Увеличение диаметра заготовок повышает продолжительность высокотемпературных процессов сжатия заготовки и ее кругления, что приводит к существенному испарению кварцевого стекла наружной оболочки (более 30%). Поэтому изготовление таким методом заготовок диаметром более 12 мм нецелесообразно.

Задача настоящего изобретения состоит в увеличении наружного диаметра заготовки, снижении массоуноса кварцевого стекла при высокотемпературных операциях сжатия и кругления заготовки, а также в повышении производительности процесса изготовления анизотропных одномодовых световодов с эллиптической напрягающей оболочкой.

Поставленная задача решается новым способом изготовления анизотропных одномодовых волоконных световодов с эллиптичной напрягающей оболочкой, заключающимся в получении MCVD методом цилиндрической заготовки, содержащей сердцевину, низковязкую напрягающую оболочку и конструктивную оболочку из материала исходной трубки из кварцевого стекла, нарезании с диаметрально противоположных сторон заготовки двух канавок, высокотемпературном круглении заготовки и вытягивании волокна, в котором в отличие от прототипа исходная трубка, образующая конструктивную (наружную) оболочку, выполнена из кварцевого стекла, легированного добавками в виде Р₂О₅ и/или B₂O₃ и/или F в количестве, обеспечивающем снижение температуры сжатия и кругления заготовки на 100-150°C.

Известно, что малые добавки P₂O₅, B₂O₃ и F в количестве 1-3 мол. % приводят к существенному снижению вязкости кварцевого стекла. Использование в MCVD технологии световодов опорных труб из такого стекла приведет к снижению температур (на 100-150°C) при операциях сжатия и кругления заготовки, что, в свою очередь, обеспечит снижение массоуноса за счет испарения стекла и возможность увеличения диаметра заготовок.

Понижение вязкости стекла наружной оболочки не снижает двулучепреломление оптического волокна, обусловленного анизотропией напряжений, так как стекло сердцевины отверждается не раньше, чем материал наружного слоя.

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

Пример №1. Изготавливали наружную конструктивную оболочку в виде трубы методом наружного газофазного осаждения из кварцевого стекла, содержащего около 1 мол. % P₂O₅, с наружным диаметром 30 мм, толщиной стенки 3 мм и длиной 1 м. На внутреннюю поверхность трубы методом MCVD наносили слои:

- напрягающей оболочки из кварцевого стекла, легированного 18 мол. % B₂O₃ и около 5 мол. % GeO₂,

- изолирующей оболочки из кварцевого стекла, легированного около 2 мол.% GeO₂, и

- сердцевины из кварцевого стекла, содержащего около 5 мол.% GeO₂. Изолирующая оболочка и сердцевина легированы дополнительно фтором в количестве ≈0,5 ат.%. Сжатие трубки в штабик выполнили за два прохода горелки при температуре 2000-2050°C. После нарезания двух канавок глубиной 5 и шириной 1 мм производили кругление при той же температуре. Эллиптичность напрягающей оболочки ≈0,6. Из заготовки с диаметром 16,3 мм и длиной нормированного участка 0,8 м вытянуто 13,5 км анизотропного одномодового световода с диаметром стекловолокна 125 мкм в однослойном эпоксиакрилатном покрытии толщиной 40-50 мкм. Степень сохранения поляризации излучения рабочей моды на длине волны 1,55 мкм была на уровне 51·0^-6 м^-1, а оптические потери ≈0,7 дБ/км при длине волны отсечки высшей моды, равной 1,35 мкм.

Массоунос за счет испарения стекла в процессе высокотемпературных обработок составил ориентировочно 20%. Весь процесс изготовления заготовки диаметром 16,3 мм и длиной 1 метр занял около 7 часов.

Пример №2. В качестве контрольного примера по аналогии с примером №1 изготовили заготовку, но с использованием трубы из кварцевого стекла марки KB с наружным диаметром 22 мм, толщиной стенки 2 мм и длиной 1 метр. Температура сжатия и кругления была на 100°C выше, чем в предыдущем примере. В результате получили заготовку диаметром 11 мм, из нормированной части которой длиной 0,8 м вытянули 6 км световода с характеристиками, близкими к данным для примера №1.

Массоунос за счет испарения стекла в процессе высокотемпературных обработок составил ориентировочно 32%. Весь процесс изготовления заготовки диаметром 11 мм занял около 8 часов.

Таким образом, снижение вязкости стекла опорной кварцевой трубы позволяет увеличить габариты заготовки и длину вытягиваемого волокна при одновременном снижении затрат времени на изготовление световодов одинаковой длины.

Вышеизложенные сведения подтверждают очевидную промышленную применимость предлагаемого способа изготовления волоконных световодов, сохраняющих поляризацию излучения.

Изобретение относится к волоконной оптике и может быть использовано для изготовления анизотропных одномодовых волоконных световодов. Согласно способу получают цилиндрическую заготовку MCVD методом, которая содержит сердцевину, низковязкую напрягающую оболочку и конструктивную оболочку. С диаметрально противоположных сторон заготовки нарезают две канавки, производят высокотемпературное кругление заготовки и вытягивание волокна. Конструктивная оболочка состоит из кварцевого стекла, легированного добавками P₂O₅ и/или B₂O₃ и/или F в количестве, обеспечивающем снижение температуры сжатия и кругления на 100-150°C. Технический результат - увеличение наружного диаметра заготовки, снижение массоуноса кварцевого стекла и повышение производительности процесса.

Способ изготовления анизотропных одномодовых волоконных световодов, заключающийся в получении MCVD методом цилиндрической заготовки, содержащей сердцевину, низковязкую напрягающую оболочку и конструктивную оболочку, нарезании с диаметрально противоположных сторон заготовки двух канавок, высокотемпературном круглении заготовки и вытягивании волокна, отличающийся тем, что конструктивная оболочка состоит из кварцевого стекла, легированного добавками P₂O₅ и/или В₂О₃ и/или F в количестве, обеспечивающем снижение температуры сжатия и кругления на 100-150°C.