ФОТОННО-КРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ СВЕТОВОД С БОЛЬШИМ ДИАМЕТРОМ ПОЛЯ МОДЫ Российский патент 2025 года по МПК G02B6/14 

Изобретение относится к волоконно-оптическим системам связи, а именно к фотонно-кристаллическим инфракрасным световодам, для работы на длинах волн 12,0-14,0 мкм, в которых поддерживается одномодовый режим работы.

Инфракрасные (ИК) телескопы, помещенные на борт космического корабля и оснащенные инфракрасными (ИК) световодами с большим диаметром поля моды на основе радиационно стойких кристаллов системы TlCl_0,74Br_0,26 – AgCl_0,25Br_0,75, обеспечивающие качественную передачу информации без воздействия заряженных частиц и излучений солнечного ветра на элементы бортовой аппаратуры, позволяют выделить из широкого диапазона принимаемых длин волн (телескоп «Спитцер» от 3,0 до 180,0 мкм) частоту отдельного космического объекта на длинах волн 12,0-14,0 мкм.

Известен инфракрасный световод с большим диаметром поля моды [Патент РФ № 2634492 от 31.10.2017 / Корсаков А.С., Врублевский Д.С., Жукова Л.В., Корсаков В.С., Жуков В.В.], включающий сердцевину и оболочку, состоящую из стрежней, расположенных в гексагональном порядке. Сердцевина диаметром 92,5-97,5 мкм содержит центральный стержень диаметром 10,6-11,7 мкм, оболочка выполнена диаметром 0,3-0,5 мм, а стержни в оболочке того же диаметра, что и центральный стержень, и расположены на расстоянии 52,7-58,3 мкм между их центрами. Все элементы световоды изготовлены из кристаллов твердых растворов хлорид-бромида серебра, но различного состава.

Недостатком световода является его неустойчивость к радиационному облучению, а также подобранный состав и структура не позволяют получить одномодовый режим работы световода с диаметром поля моды более 100,0 мкм.

Известен инфракрасный световод с большим диаметром поля моды [Патент РФ № 2506615 от 10.02.2014 / Корсаков А.С., Жукова Л.В., Жуков В.В., Врублевский Д.С.], включающий сердцевину и оболочку, которая состоит из стрежней диаметром 42,0-48,0 мкм, расположенных в гексагональном порядке на расстоянии 70,0-80,0 мкм между их центрами. Сердцевина, оболочка и стержни выполнены из кристаллов различных составов на основе бромида серебра, содержащего твердый раствор бромид-иодида одновалентного таллия состава TlBr_0,46I_0,54.

Недостатком данного световода является то, что подобранные химические составы сердцевины, оболочки и стрежней, т.е. значения показателей преломления, не позволяют получить одномодовый инфракрасный световод с диаметром поля моды до 180,0 мкм.

Наиболее близким техническим решением является инфракрасный световод с большим диаметром поля моды [Патент РФ № 2682603 от 19.03.2019 / Жукова Л.В., Корсаков А.С., Корсаков В.С., Львов А.Е., Лашова А.А.], содержащий сердцевину и оболочку, состоящую из стрежней, расположенных в октагональном порядке. При этом сердцевина диаметром 172,0-188,0 мкм, содержит центральный стержень диаметром 13,0-19,0 мкм и восемь стержней того же диаметра расположены в октагональном порядке в оболочке диаметром 0,24-0,26 мм на расстоянии 67,0-69,0 мкм между их центрами. При этом центральный стержень, сердцевина и оболочка, а также стержни в оболочке, выполнены из кристаллов твердых растворов бромида серебра-иодида одновалентного таллия, но различного состава.

Недостатком данного световода является то, что его структура, размеры и расположение стрежней в октагональном порядке в оболочке, а также составы сердцевины, оболочки и стержней не позволяют получать одномодовые фотонно-кристаллические световоды с диаметром поля моды до 300,0 мкм для работы в космических условиях на длинах волн 12,0-14,0 мкм.

Существует проблема по созданию фотонно-кристаллических одномодовых световодов с диаметром поля моды до 300,0 мкм для работы в условиях повышенного радиационного фона в качестве волоконно-оптических систем связи на длинах волн 12,0-14,0 мкм.

Проблема решается за счет того, что инфракрасный световод с большим диаметром поля моды, включающий сердцевину и оболочку, состоящую из стержней одного диаметра, отличающийся тем, что сердцевина выполнена диаметром 290-310 мкм, а оболочка выполнена диаметром 1,1-1,2 мм, в которой находятся стрежни диаметром 18-22 мкм, расположенные в гексагональном порядке на расстоянии 145-155 мкм между их центрами, при этом стержни выполнены из кристаллов на основе твердых растворов хлорид-бромида одновалентного таллия состава TlCl_0,74Br_0,26, содержащих хлорид-бромид серебра состава AgCl_0,25Br_0,75 при следующем соотношении ингредиентов, мас. %:

TlCl_0,74Br_0,26 8,0-12,0 AgCl_0,25Br_0,75 92,0-88,0,

при этом сердцевина и оболочка выполнены из кристаллов на основе твердых растворов при следующем соотношении ингредиентов, мас. %:

TlCl_0,74Br_0,26 38,0-42,0 AgCl_0,25Br_0,75 62,0-58,0

Создана волоконно-оптическая структура фотонно-кристаллического одномодового ИК-световода с большим диаметром поля моды от 290,0 до 300,0 мкм для работы в условиях повышенного радиационного фона на длинах волн 12,0-14,0 мкм. Методом компьютерного моделирования для сокращения временных затрат были подобраны оптимальные режимы изготовления световода, его структура и состав. Фотонно-кристаллический световод получали по методу экструзии на основе радиационно стойких кристаллов системы TlCl_0,74Br_0,26 – AgCl_0,25Br_0,75. По сердцевине ИК-световоды распространяется одна фундаментальная мода низшего порядка, ограниченная запрещенной зоной, по которой не распространяется электромагнитной излучение (см. фиг. 1). На фиг. 1 представлена схема ИК-световода с диаметром поля моды MFD = 295,0 ± 5,0 мкм с отсутствующим центральным стержнем, диаметр оболочки световода (D) = 1,15 ± 0,05 мм, стержни в оболочке имеют диаметр d = 19,0 ± 1,0 мкм и расположены в гексагональном порядке на расстоянии Δ = 150,0 ± 5,0 мкм между их центрами.

Применение новых фотонно-кристаллических одномодовых ИК-световодов в космических условиях обусловлено их стойкостью к радиационному воздействию заряженных частиц и высокими прочностными характеристиками по сравнению с одномодовым световодом в прототипе, изготовленного на основе кристаллов хлорида серебра и иодида одновалентного таллия.

Благодаря совокупности отличительных признаков, а именно сложной структуры световода, имеющего материал матрицы с большим показателем преломления (n = 2,135), чем материал стержней, расположенных в гексагональном порядке по оболочке, с меньшим показателем преломления (n = 2,148), соблюдается одномодовый режим работы фотонно-кристаллического световода за счет влияния суперпозиции двух механизмов: фотонных запрещенных зон и полного внутреннего отражения.

Фотонно-кристаллические световоды изготавливают методом экструзии (см. примеры) из кристаллов на основе твердых растворов хлорид-бромида одновалентного таллия, обеспечивающий устойчивость к воздействию заряженных частиц при облучении до 1000 кГр (килогрей).

Пример 1

Из кристаллов на основе твердых растворов хлорид-бромида одновалентного таллия состава TlCl_0,74Br_0,26, содержащих твердые растворы хлорид-бромида серебра состава AgCl_0,25Br_0,75, изготовлен фотонно-кристаллический световод методом экструзии при температуре 200,0°С (градусов Цельсия) с диаметром сердцевины 290,0 мкм. Состав сердцевины и оболочки при следующем соотношении ингредиентов, мас. %:

TlCl_0,74Br_0,26 38,0 AgCl_0,25Br_0,75 62,0

В оболочке световода диаметром 1,1 мм, расположены в гексагональном порядке стержни диаметром 18,0 мкм на расстоянии 145,0 мкм между их центрами. Стержни имеют состав, мас. %:

TlCl_0,74Br_0,26 8,0 AgCl_0,25Br_0,75 92,0

Исследование световода на устойчивость к радиационному облучению проводилось на линейном ускорителе электронов УЭЛР-10-10С. При облучении гамма-частицами дозой 800 кГр оптико-механические свойства световода не изменились. Проведена регистрация выходящего излучения из торца световода. ИК-световод прозрачен в диапазоне длин волн от 3,0 до 24,0 мкм. На ИК-Фурье спектрометре с использование специального детектора подтверждено существование одной фундаментальной моды низшего порядка на длине волны 12,0 мкм, т.е. поддерживается одномодовый режим работы ИК-световода.

Пример 2

Методом экструзии изготовлен фотонно-кристаллический световод. Диаметр сердцевины 295,0 мкм, а оболочка диаметром 1,15 мм. В оболочку помещены стержни диаметром 19,0 мкм в гексагональном порядке на расстоянии между их центрами 150,0 мкм. Состав сердцевины и оболочки при следующем соотношении ингредиентов, мас. %:

TlCl_0,74Br_0,26 40,0 AgCl_0,25Br_0,75 60,0

Стержни, расположенные в оболочке световода, выполнены из кристаллов при следующем соотношении ингредиентов, мас. %:

TlCl_0,74Br_0,26 10,0 AgCl_0,25Br_0,75 90,0

Как в примере 1 провели съемку выходящего излучения из торца световода. Одномодовый режим работы световода поддерживался на длине волны 13,0 мкм с диаметром поля моды 295,0 мкм. Световод был подвержен ионизирующему облучению дозой 900 кГр без изменения оптико-механических свойств, что подтверждает устойчивость световода к воздействию заряженных частиц.

Пример 3

Из кристаллов на основе твердых растворов хлорид-бромида одновалентного таллия, содержащих хлорид-бромид серебра, изготовлен инфракрасный световод с фотонно-кристаллической структурой методом экструзии с диаметром сердцевины 300,0 мкм. Состав сердцевины и оболочки, мас. %:

TlCl_0,74Br_0,26 42,0 AgCl_0,25Br_0,75 58,0

В оболочке световода диаметром 1,2 мм, расположены в гексагональном порядке стержни диаметром 20,0 мкм на расстоянии 155,0 мкм между их центрами. Стержни имеют состав, мас. %:

TlCl_0,74Br_0,26 12,0 AgCl_0,25Br_0,75 88,0

При гамма-облучении дозой 900 кГр оптические и механические свойства световода не изменились. Проведена регистрация выходящего излучения из торца световода на длинах волн 12,0-14,0 мкм. Световод такой структуры и состава является одномодовым в пределах фундаментальной запрещенной зоны на длине волны 14,0 мкм.

При изготовлении фотонно-кристаллического световода, имеющего состав сердцевины и оболочки менее 38,0 мас. % или более 42,0 мас. % хлорид-бромида одновалентного таллия состава TlCl_0,74Br_0,26 в твердом растворе хлорид-бромида серебра состава AgCl_0,25Br_0,75 при диаметре сердцевины менее 290,0 или более 300,0 мкм, а также при изготовлении стержней менее 8,0 мас. % или более 12,0 мас. % хлорид-бромида одновалентного таллия состава TlCl_0,74Br_0,26 в твердом растворе хлорид-бромида серебра состава AgCl_0,25Br_0,75, не удается получать одномодовый режим работы ИК-световода на длинах волн 12,0-14,0 мкм. Кроме того, диаметр оболочки не должен быть менее 1,1 мм или более 1,2 мм.

Технический результат

Технический результат изобретения заключается в том, что разработанный фотонно-кристаллический световод с большим диаметром поля моды MFD = 295,0 ± 5,0 мкм, изготовленный из кристаллов на основе твердых растворов хлорид-бромида одновалентного таллия состава TlCl_0,74Br_0,26, содержащих твердые растворы хлорид-бромида серебра состава AgCl_0,25Br_0,75, предназначен для работы в условиях повышенного радиационного фона дозой до 1000 кГр в качестве волоконно-оптического кабеля передачи информации на длинах волн 12,0-14,0 мкм.

Размещенные в оболочке стрежни имеют состав с меньшим показателем преломления, чем состав сердцевины и оболочки. Благодаря такой разности показателей преломления в световоде создается полное внутренне отражение, и срабатывает механизм фотонных запрещенных зон, за счет влияния этих двух механизмов поддерживается одна фундаментальная мода низшего порядка. Основная часть плотности светового потока соответствует диаметру поля моды MFD = 295,0 ± 5,0 мкм. Исходя из последнего были заданы параметры микроструктуры световода: диаметр стрежней в оболочке d = 19,0 ± 1,0 мкм и шаг микроструктуры Δ = 150,0 ± 5,0 мкм, т.е. расстояние между их центрами.

Увеличение поля моды фотонно-кристаллического световода до 300,0 мкм повышает обнаружительную способность инфракрасного телескопа «Спитцер» при поиске космических объектов на длинах волн 12,0-14,0 мкм. Одномодовость ИК-световода подтверждается интенсивностью выходящего излучения из торца световода.

Изобретение относится к волоконно-оптическим системам связи, а именно к фотонно-кристаллическим инфракрасным световодам. Инфракрасный световод с большим диаметром поля моды включает сердцевину и оболочку, состоящую из стержней одного диаметра, согласно изобретению сердцевина выполнена диаметром 290-310 мкм, а оболочка выполнена диаметром 1,1-1,2 мм, в которой находятся стержни диаметром 18-22 мкм, расположенные в гексагональном порядке на расстоянии 145-155 мкм между их центрами, при этом стержни выполнены из кристаллов на основе твердых растворов хлорид-бромида одновалентного таллия состава TlCl_0,74Br_0,26, содержащих хлорид-бромид серебра состава AgCl_0,25Br_0,75 при следующем соотношении ингредиентов, мас. %: TlCl_0,74Br_0,26 8,0-12,0; AgCl_0,25Br_0,75 92,0-88,0, при этом сердцевина и оболочка выполнены из кристаллов на основе твердых растворов при следующем соотношении ингредиентов, мас. %: TlCl_0,74Br_0,26 38,0-42,0, AgCl_0,25Br_0,75 62,0-58,0. Технический результат – получение одномодового радиационно стойкого волокна. 1 ил.

Инфракрасный световод с большим диаметром поля моды, включающий сердцевину и оболочку, состоящую из стержней одного диаметра, отличающийся тем, что сердцевина выполнена диаметром 290-310 мкм, а оболочка выполнена диаметром 1,1-1,2 мм, в которой находятся стержни диаметром 18-22 мкм, расположенные в гексагональном порядке на расстоянии 145-155 мкм между их центрами, при этом стержни выполнены из кристаллов на основе твердых растворов хлорид-бромида одновалентного таллия состава TlCl_0,74Br_0,26, содержащих хлорид-бромид серебра состава AgCl_0,25Br_0,75 при следующем соотношении ингредиентов, мас. %:

TlCl_0,74Br_0,26 8,0-12,0 AgCl_0,25Br_0,75 92,0-88,0,

при этом сердцевина и оболочка выполнены из кристаллов на основе твердых растворов при следующем соотношении ингредиентов, мас. %:

TlCl_0,74Br_0,26 38,0-42,0 AgCl_0,25Br_0,75 62,0-58,0