Высокоапертурное одномодовое изгибоустойчивое оптическое волокно, сохраняющее поляризацию излучения Российский патент 2024 года по МПК G02B6/24 G02B6/36 

Изобретение относится к области волоконной оптики, а именно к световодам, обладающим свойствами сохранения поляризации излучения и устойчивостью к изгибу, которые могут быть использованы при создании датчиков физических величин (гироскопов), применяемых в инерциальных навигационных системах, в которых необходимы намотка оптического волокна (ОВ) на малые диаметры (от 2 до 7 мм) и пониженные значения наведенных оптических потерь при изгибе.

Известно нечувствительное к потерям на изгибах одномодовое ОВ (RU2 755736 C1; G02B 6/028, G02B 6/036), в котором профиль показателя преломления (ППП) сердцевины имеет трапецеидальную форму, а оболочка содержит по меньшей мере одну область с пониженным показателем преломления, называемую канавкой. ОВ соответствует стандарту G.657.A2 сектора стандартизации электросвязи Международного союза электросвязи (ССЭ-МСЭ). Потери ОВ при изгибе на радиус кривизны 7,5 мм для длины волны 1550 нм в соответствии с G.657.A2 меньше 0,5 дБ/виток. Недостатком данного ОВ является отсутствие свойства сохранения поляризации излучения. Кроме того, в описании отсутствуют данные об оптических потерях ОВ при изгибах на радиусы менее 7,5 мм.

Известно одномодовое ОВ (RU 2489740 С2; G02B 6/028), содержащее центральную сердцевину и имеющее положительную разность показателей преломления с оптической оболочкой, промежуточную оболочку и оболочку с вдавленными канавками, причем для длины волны 1550 нм потери на изгибе ОВ меньше 7,5×10^-3 дБ/виток для радиуса кривизны 10 мм. Кроме того, для длины волны 1550 нм потери на изгибе ОВ меньше 0,15 дБ/виток для радиуса кривизны 5 мм. Недостатком ОВ, представленного в патентном документе, является отсутствие свойства сохранения поляризации излучения.

Известно одномодовое ОВ с низкими изгибными потерями на длине волны 1550 нм (RU 2537086 С2; G02B 6/036). ОВ имеет изгибные потери на длине волны 1550 нм ниже 0,1 дБ/виток на шпинделе диаметром 10 мм. Недостатком ОВ, представленного в патентном документе, является отсутствие свойства сохранения поляризации излучения. Данные об оптических потерях ОВ при изгибах на диаметры менее 10 мм также отсутствуют.

Наиболее близким к предлагаемому ОВ прототипом является волоконный одномодовый поляризующий или сохраняющий поляризацию излучения световод (RU 2426159 C1; G02B 6/024), содержащий световедущую жилу, отражающую оболочку световедущей жилы из кварца, легированного фтором, круглые нагружающие стержни из кварца, легированного бором и фтором и размещенные на расстоянии от центра световедущей жилы, равном или больше радиуса световедущей жилы, защитную оболочку из кварца и защитно-упрочняющее полимерное покрытие. В данном патентном документе не заявлено о свойствах изгибоустойчивости ОВ.

Технической задачей является создание изгибоустойчивого ОВ, сохраняющего поляризацию излучения, применяемого для датчиков физических величин (гироскопов) инерциальных навигационных систем диаметром менее 7 мм.

Технический результат заключается в снижении наведенных оптических потерь, вызванных макроизгибами, при намотке ОВ с сохранением поляризации излучения на малые диаметры (от 2 до 7 мм).

Технический результат достигается за счет повышения числовой апертуры (NA) ОВ посредством легирования стеклянной области сердцевины германием, а сохранение поляризации излучения достигается за счет нагружающих стержней, легированных фосфором и бором, размещенных на расстоянии от центра световедущей жилы равном или большем, чем два диаметра световедущей жилы, что улучшает параметры поляризации излучения.

Предлагаемое высокоапертурное одномодовое изгибоустойчивое ОВ, сохраняющее поляризацию излучения, схоже с прототипом по следующим параметрам:

1) рабочая длина волны 1550 нм;

2) свойство сохранения поляризации излучения за счет применения нагружающих стержней;

3) защитная оболочка из кварца;

4) защитно-упрочняющее полимерное покрытие.

Отличия изобретения от прототипа следующие:

1) свойство изгибоустойчивости за счет повышения NA;

2) увеличение разности показателей преломления за счет увеличенной концентрации германия в сердцевине, а не за счет нанесения фторированной оболочки;

3) применение нагружающих стержней, легированных фосфором и бором;

4) размещение круглых нагружающих стержней на расстоянии от центра световедущей жилы равном или большем, чем два диаметра световедущей жилы.

В предлагаемом высокоапертурном одномодовом изгибоустойчивом ОВ, сохраняющем поляризацию излучения, изгибоустойчивость достигается за счет повышения разности показателей преломления между сердцевиной и кварцевой оболочкой, т.е. повышения NA до значений не менее 0,22 за счет осаждения германия в сердцевину ОВ.

Параметры предлагаемого ОВ:

1) диаметр кварцевой оболочки (80±2) мкм;

2) диаметр двойного акрилатного покрытия (166±3) мкм;

3) материал сердцевины ОВ - легированное германием кварцевое стекло;

4) рабочая длина волны (1550±50) нм;

5) NA не менее 0,22;

6) коэффициент затухания на длине волны 1550 нм не более 1,5 дБ/км;

7) наведенные изгибные оптические потери при намотке на диаметр 7 мм составляют не более 0,0022 дБ/виток при числовой апертуре 0,27;

8) наведенные оптические потери при изгибе 90° радиусом 5 мм составляют не более 0,0015 дБ/изгиб при числовой апертуре 0,274

9) двулучепреломление не менее 7,5×10^-4;

10) h-параметр для длины волны 1550 нм на транспортной катушке диаметром 170 или 150 мм, не более 0,4×10^-5 1/м.

На Фиг. 1 показан ППП ОВ вдоль нагружающих стержней (по оси абсцисс располагается радиус ОВ и измеряется в микрометрах, по оси ординат располагается показатель преломления и является безразмерной величиной).

На Фиг. 2 показан ППП ОВ поперек нагружающих стержней (по оси абсцисс располагается радиус ОВ и измеряется в микрометрах, по оси ординат располагается показатель преломления и является безразмерной величиной).

На Фиг. 3 показана конструкция ОВ, которая включает в себя сердцевину 1, легированную германием, кварцевую оболочку 2 и нагружающие стержни 3, легированные фосфором и бором.

Таким образом, поставленная техническая задача решена и технический результат достигнут: предлагаемое высокоапертурное одномодовое изгибоустойчивое ОВ, сохраняющее поляризацию излучения, позволяет снизить наведенные оптические потери в ОВ за счет повышения NA свыше 0,22 посредством легирования стеклянной области сердцевины германием, что позволяет получить наведенные изгибные оптические потери при намотке на диаметр 7 мм не более 0,0022 дБ/виток при числовой апертуре 0,27 и наведенные оптические потери при изгибе 90° радиусом 5 мм не более 0,0015 дБ/изгиб при числовой апертуре 0,27. Сохранение поляризации излучения достигается за счет круглых нагружающих стержней из кварца, легированных фосфором и бором, размещенных на расстоянии от центра световедущей жилы равном или большем, чем два диаметра световедущей жилы и обеспечивающие двулучепреломление не менее 7,5×10^-4 и значение h-параметра не более 0,4×10^-5 1/м, что позволяет использовать ОВ при производстве датчиков физических величин (гироскопов) для инерциальных навигационных систем, в которых необходима намотка ОВ на малые диаметры (от 2 до 7 мм).

Изобретение относится к области волоконной оптики, а именно к световодам, обладающим свойствами сохранения поляризации излучения и устойчивостью к изгибу, которые могут быть использованы при создании датчиков физических величин (гироскопов), применяемых в инерциальных навигационных системах, в которых необходимы намотка оптического волокна (ОВ) на малые диаметры (от 2 до 7 мм) и пониженные значения наведенных оптических потерь при изгибе. Высокоапертурное одномодовое изгибоустойчивое ОВ, работающее на длине волны 1550 нм, включает в себя центральную область стеклянной сердцевины, легированную германием, с числовой апертурой не менее 0,22, круглые нагружающие стержни из кварца, легированные фосфором и бором, размещенные на расстоянии от центра световедущей жилы равном или большем чем два диаметра световедущей жилы, обеспечивающие двулучепреломление не менее 7,5×10^-4 и значение h-параметра не более 0,4×10^-5 1/м. Технический результат - снижение наведенных оптических потерь, вызванных макроизгибами, при намотке ОВ с сохранением поляризации излучения на малые диаметры (от 2 до 7 мм). 3 ил.

Высокоапертурное одномодовое изгибоустойчивое оптическое волокно, сохраняющее поляризацию излучения, включающее в себя центральную область стеклянной сердцевины, легированную германием, и круглые нагружающие стержни из кварца, отличающееся тем, что область стеклянной сердцевины имеет такое максимальное значение показателя преломления, что числовая апертура составляет не менее 0,22, при этом круглые нагружающие стержни легированы фосфором и бором, размещены на расстоянии от центра световедущей жилы равном или большем чем два диаметра световедущей жилы и обеспечивают двулучепреломление не менее 7,5×10^-4 и значение h-параметра не более 0,4×10^-5 1/м.