Волоконный световод и способ его изготовления Советский патент 1992 года по МПК G02B6/16 

сткого контроля за их распределением по поперечному сечению волоконного световода, вызывают повышение релеевского рассеяния и соответствующую материальную дисперсию, отрицательно воздействующие на условия передачи сигналов.

Известен волоконный световод, элементы которого изготовлены из одного и того же материала. Устройство световода обеспечивает при остывании после затвер- дения двухстороннее сжатие сердечника световода в радиальном направлении в одной плоскости специальными брусками. При этом механическое сжатие сердечника световода значительно больше, чем оболоч- ки. Согласно явлению фотоупругости направленное сжатие становится выделенным и играет роль оптической оси, что приводит к анизотропии оптических свойств, Изменение показателя преломле- ния материала сердечника ввиду его большой деформации превышает изменение показателя преломления оболочки, что создает условия распространения одной из двух взаимоорготональных волн.

Недостатками волоконного световода являются дополнительные технологические трудности при изготовлении, вызванные сложной формой поперечного сечения элементов световода для обеспечения механи- ческого сжатия сердечника , и, следовательно, высокая его стоимость, низкая производительность при его производстве.

Известен также способ изготовления ступенчатых (двухслойных) волоконных световодов, поддерживающих единую поляризацию. При вытяжке такого волоконного световода сильное поперечное электрическое поле прикладывается в зоне луковицы. Это поле заставляет молекулы и микрокристаллы размягченного стекла ориентироваться вдоль силовых линий электрического поля. Ориентация структуры сохраняется в затвердевшем стекле. Поляризация распро- страняющегося по волокну света поддерживается за счет анизотропии оптических свойств стекла. Недостатками данного способа являются:

оптическое волокно с элементами из од- ного и того же материала, изготовленное этим способом, не обладает волноводными свойствами, что требует дополнительного технологического процесса по наложению оболочки; необходимость внесения легиру- ющих примесей для производства оболочки волокна и жесткого контроля за их распределением по поперечному сечению оболочки волокна; наличие у оптического волокна внутренних механических напряжений на

границе сердечник - оболочка из-за различия химического состава материалов сердечника и оболочки, что снижает их надежность.

Цель изобретения - повышение надежности и уменьшение трудоемкости волоконного световода.

Указанная цель достигается тем, что: волоконный световод из однородного по химическому составу материала выполнен с круглой формой поперечного сечения элементов без внутренних механических напряжений в материале и с ориентацией внутренней микроструктуры материала оболочки вдоль оси волокна. Ориентация микроструктуры материала оболочки приводит к появлению анизотропии оптических свойств материала оболочки, выражающейся в снижении показателя преломления от величины щ до величины п0о для обыкновенной волны, вектор поляризации которой ортогонален главной плоскости материала оболочки световода, и увеличению показателя преломления до величины п0| для необыкновенной волны, вектор поляризации которой лежит в главной плоскости материала оболочки световода. Волоконный световод обеспечивает распространение обыкновенных волн вдоль него, так как показатель преломления изотропного материала сердечника щ больше показателя преломления оболочки п0о для таких волн.

Существенные отличия предлагаемого волоконного световода от известного, также обеспечивающего направленное распространение оптического излучения путем создания анизотропии в одном элементе волокна, заключаются в следующем: анизотропия оптических свойств создается направлением вдоль оси волокна микроструктуры материала, а не созданием внутренних механических напряжений; анизотропия создается в оболочке, а не в сердечнике; элементы волокна имеют круглую форму поперечного сечения, а не сложную форму, что позволяет изготавливать предлагаемое волокно на серийно выпускаемом оборудовании;

Вытягивается из однородной по химическому составу заготовки изотропное оптическое волокно, а анизитропия в материале оболочки создается уже в процессе дополнительного нагрева до температуры размягчения поверхностного слоя волокна. При этом вдоль оси волокна на время дополнительного нагрева и последующего охлаждения прикладывается электрическое поле, которое ориентирует микроструктуру материала оболочки.

Существенные отличия предлагаемого способа изготовления от способа-прототипа, также создающего анизотропию оптических свойств материала путем ориентации микроструктуры материала в приложенном электрическом поле, заключаются в следующем: проводится дополнительный кратковременный локальный нагрев поверхности волокна до размягченного состояния; электрическое поле ориентирует микрострукту- ру материала вдоль оси волокна и только внутри оболочки, а не перпендикулярно и всего волокна. Это позволяет изготавливать предлагаемым способом волоконные световоды из однородных по химическому соста- ву материалов заготовок, производство которых проще и экономичнее.

Указанная цель достигается тем, что в предварительно изготовленном изотропном однородном однослойном волокне (сердечнике), поддерживающем двойную взаимно ортогональную поляризацию волн (фиг. 1), с целью придания ему световодных свойств, создается в нем наружная оболочка из того же материала путем уменьшения показателя преломления этой оболочки по сравнению с показателем преломления сердечника, для чего внутренняя молекулярная структура материала оболочки ориентируется вдоль оси волокна внешним продоль- ным электрическим полем при кратковременном нагреве оболочки до температуры размягчения материала оболочки.

Молекулы большинства материалов обладают анизотропией свойств, в том числе и оптических. При застывании расплава стекла вне электрического поля молекулы и образовавшиеся микрокристаллы ориентируются хаотично. Поэтому оптические свойства стекла изотропны. Под воздействием внешнего электрического поля молекулы и микрокристаллы приобретают электрический момент, который стремится сориентировать молекулы осью наибольшей поляризуемости вдоль поля. В результате оптические свойства стекла становятся анизотропными (эффекты Керра и Поккельса). Следовательно, если застывание расплава стекла оболочки волокна происходит в элек: трическом поле, то молекулы и образовав- шиеся микрокристаллы сохраняют ориентированное вдоль поля положение даже после снятия электрического поля в остывшем стекле оболочки.

В результате такого упорядочения структуры стекла оболочки в продольном электрическом поле показатель преломл,е- ния ее для необыкновенной волны (луч S на фиг, 2) определяется выражением (вектор Е

лежит в главной плоскости (в плоскости чертежа) и обозначен стрелочками на фиг. 2):

(m-n0)sin а (г),(1)

где п0, - показатели преломления дл$ обыкновенной и необыкновенной волн в од неродной анизотропной среде соответст венно;

а (г) - угол между направлением луч; в некоторой точке г и направлением оптиче ской оси молекул в этой же точке, задавав мым направлением силовой линии внешнего электрического поля.

Для обыкновенной волны (вектор Е ) оптической волны перпендикулярен главной плоскости и обозначен точками(нэ фиг. 2) независимо от угла а () показатель преломления оболочки равен

.(2)

Результаты тщательных измерений величин щ-гп и п0-П1 дают (для большинства веществ в том числе и кварца):

(nrni)/(n0-ni)-2,(3)

где гп - показатель преломления изотропной среды (сердечника), подвергшейся для создания оболочки упорядочивающему воздействию внешним электрическим полем (фиг. 2).

Для кварца (положительный кристалл) из соотношения (3) следуют условия:

; Ш п0.(4)

Следовательно, волноведущиесвойства однородного сердечника с показателем преломления m проявятся в большей степени по отношению к обыкновенным волнам (в оболочке), для которых в соответствии с (2) и (4) и с поляризацией, перпендикулярной к главной плоскости, содержащей луч и оптическую ось. Другими словами обыкновенная волна в оболочку с показателем преломления п0 не проникает для всех углов 0 arccos(n0/ni), и канализируется в пределах сердечника.

Необыкновенная волна проникает в анизотропную оболочку, для которой в соответствии с (1) для всех углов © 0 . Проникнув в оболочку, необыкновенная волна излучается в открытое пространство с показателем преломления П2 при углах Э arccos(ri2/n0i) или рассеивается на шероховатостях границ п0|-П2 и n0|-ni.

Таким образом, волны однородного изотропного сердечника с поляризацией в главной плоскости анизотропной оболочки подавляются. Следовательно, однородное изотропное оптическое волокно, снабженное анизотропной оболочкой из того же материала с оптической осью, параллельной

оси сердечника, поддерживает единую поляризацию волн сердечника и является таким образом модоселективным по поляризации волоконным световодом.

При использовании в качестве материа- лз для оболочки и сердечника чистого SI02 получают волоконный световод, обладающий наибольшей радиационной стойкостью, наибольшей температурой плавления и наименьшим поглощением в видимой и близкой инфракрасной области из-за испарения многих примесей при высокой температуре изготовления.

На фиг. 3 изображено сечение предлагаемого волоконного световода и получав- мый профиль показателя преломления для распространяющегося вдоль волокна света, где область 1 - сердечник волоконного све- товода, так как он не подвергается размягчению, то структура его материала и показатель его преломления под действием приложенного продольного электрического поля не изменяются.

Область 2 - оболочка волоконного световода. При дополнительной термообработ- ке температура в ней поднимается выше температуры размягчения ТЕ и под действием приложенного вдоль волокна электрического поля структура материала в ней полностью ориентируется вдоль волокна, что приводит к уменьшению показателя преломления для распространяющегося вдоль оси волокна света.

Температура в области 3 при дополнительной термообработке больше темпера- туры стеклования Тд, но меньше температуры размягчения. Из-за значительной величины вязкости и малого времени повышения температуры внутренняя структура материала не успевает под действием электрического поля полностью сориентироваться вдоль оси волокна. Степень ориен- тации уменьшается с увеличением расстояния от поверхности волокна, В результате показатель преломления в этой об- ласти меняется от п0о до т.

Предлагаемый способ изготовления волоконного световода поясняется схемой, представленной на фиг. 4.

Однородное оптическое волокно 1 пол- учают из однородного материала любым из известных способов. Для этого требуются общеизвестные технические средства вытяжки волокна 2.

Вслед за остыванием волокна после вы- тяжки его поверхность подвергается кратковременному нагреву до температуры выше температуры размягчения. Нагрев волокна осуществляется перед защитным покрытием от любого устройства нагрела.

Например, в качестве устройства нагрева используется графитовая печь 3 сопротивления, размещенная в среде аргона 4.

В зоне размягчения оболочки волокна 5 вдоль волокна приложено электрическое поле 6, создаваемое электродами 7. Электроды размещаются вне диэлектрической камеры нагрева, и к ним подводится постоянное или переменное напряжение частотой порядка 500-800 Гц. При этом напряженность электрического поля должна быть меньше напряженности пробоя нейтральной среды при температуре размягчения материала волокна.

Время поверхностного нагрева однородного волокна зависит от ряда факторов: скорости протяжки диаметра волокна и необходимой толщины оболочки, его материала и др.

Учитывая необходимую кратковременность температурного воздействия на волокно, камера (печь) нагрева волокна должна быть малогабаритной. По этой причине электроды 7 целесообразно размещать вне камеры, как представлено на фиг. 4.

Температурная волна распространяется от поверхности волокна и его середине, уменьшаясь по величине ввиду теплоемкости материала волокна. Качественное распределение температур по сечению волокна в различные моменты времени приведено на фиг. 5, где температура ТЕ - температур размягчения, при которой вязкость материала порядка 10 Па с и время структурной релаксации порядка с. Под действием электрического поля при такой температуре внутренняя структура материала полностью ориентируется вдоль поля. Температура Тд - температура стеклования, при которой вязкость материала равна 10 Па с и время структурной релаксации материала составляет порядка 10-10 с. При этом структура материала волокна не успевает измениться под воздействием электрического поля.

В области температур Tg-Tg степень ориентации структуры зависит от величины температуры и длительности ее превышения над температурой Тд. Длительность воздействия высокой температуры на волокно определяется осевой протяженностью нагревателя 3 и скоростью вытяжки волокна. Например, для волокна из чистого SI02 показатель преломления сердечника ,552, оболочки ,543, Тд 1495°С, ТЕ 1750°С Время нагрева поверхности волокна составляет примерно 0,001 с.

Формула изобретения

1. Волоконный световод, сохраняющий поляризацию, содержащий сердцевину и оболочку, выполненные из материала одного и того же химического состава, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, оболочка выполнена анизотропной с внутренней структурой материала, ориентированной вдоль оси волоконного световода.

2. Способ изготовления волоконного световода, сохраняющего поляризацию, включающий воздействие электрического поля для ориентации внутренней структуры материала волоконного световода в размягченном состоянии, отличающийся тем, что, с целью уменьшения трудоемкости, предварительно из однородной заготовки в

0

нейтральной среде вытягивают изотропный волоконный световод и дополнительно нагревают его в нейтральной среде до температуры размягчения поверхностного слоя волоконного световода, а воздействие электрическим полем осуществляют в процессе дополнительного нагрева и последующего охлаждения волоконного световода, при этом электрическое поле ориентируют вдоль оси волоконного световода, а его напряженность устанавливают меньше напряженности пробоя нейтральной среды при температуре размягчения поверхности волоконного световода.

изотропный сердечник

анизотропная оболочка

Фиг. 2

к зашитнану

покрытию

волокна

ФигЛ

7, град

Начало теМлературяега йоздвйсглрю

алра&лемия у8иже/шя болокна

Т, 2pad

Те

SL