Оптическое волокно, обеспечивающее поворот плоскости поляризации, и способ его изготовления Советский патент 1993 года по МПК G02B6/18 C03B37/25 

Изобретение относится к технике волоконно-оптической связи, а более конкретно к оптическим волокнам, поддерживающим поляризацию, и способам их изготовления. Изобретение может применяться как передающее средство для волоконно-оптических систем передачи информации.

Целью изобретения является оптическое волокно, обеспечивающее поворот плоскости поляризации и не имеющее дополнительных потерь из-за нарушения эллиптичности поперечного сечения и дополнительных механических напряжений из-за эллиптической формы поперечного сечения элементов волокна, и способ его изготовления, исключающий технологические трудности кручения волокна.

На фиг,1 изображен общий вид предложенного оптического волокна. Оно содержит сердцевину 1 круглой формы сечения и оболочку 2. В результате ориентации внутренней структуры материала (молекул и микрокристаллов) вращающимся электрическим полем сердечник обладает анизотропией оптических свойств. Главная оптическая ось 3 анизотропного сердечника Г поворачивается вокруг оси волокна. При одновременном движении волокна (при его вытяжке) точка 4 пересечения главной оптической оси с поверхностью волокна описывает винтовую линию 5 с шагом Up. Это приводит к повороту плоскости поляризации распространяющихся по волокну оптических волн на 2 я /LBp. рад/м.

Предлагаемый способ изготовления оптического волокна поясняется схемой, представленной на фиг. 2.

00

-

ю

Јь

В рабочий блок б закрепляется одноодная заготовка 7 (максимальная длина -. 1500 мм, диаметр - до 30 мм). Другой конец заготовки загружается в печь 8 с нагревательным элементом 9. Центрирование заготовки относительно нагревательного элемента и ее подача автоматические. Нагревательный элемент трубчатый, графитовый или циркониевый. Для создания незначитель- ной зоны с высокой температурой нагрева- тельный элемент имеет местное утоньшение стенки. Для защиты места расплава 10 от растворения (попадания) примесей в печь под небольшим давлением подается аргон 11. Полученное волокно сквозь диафрагму 12 в корпусе печи попадает в фильеру 13, наносящую полимерное защитное покрытие 14. Далее покрытое волокно наматывается на приемный барабан 15.

В предлагаемом изобретении вращающееся электрическое поле создается системой m пар неподвижных электродов. При этом m Ј2. На каждую пару подается одинаковое по частоте и амплитуде переменное напряжение, но сдвинутое по фазе на л /т рад относительно напряжения соседних пар. Электроды расположены на одинаковом расстоянии от оси волокна, параллельно волокну и равномерно. Напряжение относительно нагревательного элемента, подаваемое л /т от начала отсчета электрод по направлению вращения поля, сдвинуто по фазе на (n-1) п/m рад относительно напряжения, подаваемого на первый электрод, и равно по амплитуде. Поэтому система m источников переменного напряжения рассматривается как источник 2т-фазного переменного напряжения,

Один из вариантов конструкции и расположения электродов приведен на фиг. 2- 5. Четыре электрода 16 изготовлены из того же материала, что и нагреватель, - графита или циркония, представляют собой четыре части продольно разрезанного цилиндра, в верхней части которого предварительно высверлено на конус отверстие так, чтобы его внутренние образующие были параллельны образующим оплавляемой в печи заготовки. Изолированные друг от друга электроды, конструктивно собранные в цангу, вводятся в печь через диафрагму 12 и разводятся к стенке нагревателя. После прогрева заготовки обычной операцией -затравкой вытягивается расплав из печи, отлаживается скорость вытяжки волокна. Одновременно с этим электроды подводятся к луковице, и к ним подключается напряжение. Величина напряжения ограничивается сверху пробивным напряжением аргона Ua 1,3UB, где: UB - пробивное напряжение воздуха, равное 32 кВ/см. Конкретные размеры электродов 16 по длине определяются протяженностью

температурной зоны в рабочем пространстве печи 8, напряженностью поля и временем релаксации молекул.

В процессе вытяжки волокна стекло в луковице 10 находится в пластическом состоянии. С ростом температуры вязкость уменьшается. При этом с одной стороны повышается восприимчивость стекла к упоря- дочивающему эффекту за счет приложенного поля 18, а с другой стороны

увеличивается проводимость стекла, снижающая этот упорядочивающий эффект. Установлено, что с ростом температуры разупорядочивающий эффект за счет повышения проводимости стекла проявляется в

меньшей степени, чем упорядочивающий эффект поля при снижении вязкости. Таким образом, верхние концы электродов 16 должны примерно достигать зоны максимальной температуры, находящейся примерно в

середине зоны утоньшения стенок нагревателя 9. Длина нагревателя равна 90 мм. Поперечные размеры электродов определяются механической прочностью с одной стороны и ограничиваются внутренним диаметром нагревателя, равного 20 мм, и пробивным напряжением аргона в зазоре между электродами с. другой стороны. Частота четырехфазного переменного напряжения f зависит от требуемой величины

поворота плоскости поляризации 2 я /LBp и скорости вытягивания и определяется в виде: f УизгДер, где УИЗГ - скорость изготовления волокна.

Так, при 2 я/1вр 314 рад/м и УИЗГ

10-300 м/мин, f 8,3-250 гц, электроды 16 на тепловой режим; вблизи заготовки и волокна влияния не оказывают, т.к. размеры их по сравнению с нагревательным элементом незначительные и они имеют ту же температуру, что и окружающая их среда. Поэтому параметры режима и остальные характеристики вытяжки остаются теми же и определяются независимо от предлагаемого изобретения. Приемы и операции, осуществляемые при подготовке и в процессе вытяжки, а также применяемые при этом приспособления и вещества определяются типом конкретной установки и не зависят от предлагаемого изобретения.

Стеклообразные материалы при застывании из жидкого состояния обладают свойствомобразовывать центры кристаллизации, однако рост кристаллов у них ограничивается размерами порядка

0,01 мм, Эти микрокристаллы анизотропны, но их ориентация произвольна, в результате заготовка получается оптически изотропной. Аналогичная картина получается при вытяжке оптического волокна. Однако если застывание размягченного волокна происходит в электрическом поле, то молекулы и образовавшиеся микрокристаллы ориентируются вдоль силовых линий электрического поля. После застывания они сохраняют это положение даже после снятия электрического поля. В результате этого структура материала оптического волокна оказывается анизотропной и закрученной вдоль волокна; т.к. поле медленно с движением волокна при вытяжке поворачивается вокруг оси волокна.

При температуре выработки оптическото волокна вязкость стекла порядка 103 Па.с. При понижении температуры вязкость стекла и, соответственно, время структурной релаксации значительно возрастают.И предложенном способе изготовления Оптй- ческое волокно должно подвергаться $03 действию электрического поля в диап&йэне температуры: - Те - температура размягчения, п которой вязкость материала порядка К) Па.с и время структурной релаксации по1 рядка КГ6 с 5. Под воздействием электрического поля внутренняя структура волокна полностью ориентируется при любой скорости вытяжки;

- Тд - температура стеклования, при которой вязкость материала Ю12 Пз.с и вре- мя структурной релаксакции порядка to2...10 с 5. После прекращения действия электрического поля ориентация внутренней структуры материала волокна уже не успевает измениться.

Для чистого кварца Те - 1750°С, Тд - 1495°С 5. Далее при максимальной скорости аытяжки длина участка волокна в диапазоне температур Те-Т0 порядка 5 мм. Поэтому параметры процесса вытяжки во-

5 0 5

0 5

5 0

5

0

локна на показатели предлагаемого способа изготовления не оказывают влияния.

Использование предлагаемого оптического волокна, обеспечивающего поворот плоскости поляризации, и способа его изготовления существенно упростит процесс изготовления заготовки для волокна такого типа, уменьшит технологические трудности при изготовлении и позволит получить волокно с лучшими характеристиками по сравнению с волокном-прототипом.

Формула изобретения

1. Оптическое волокно, обеспечивающее поворот плоскости поляризации, содержащее сердцевину и оболочку, при этом анизотропные оптические свойства сердцевины изменяются по длине волокна по спирали, отличающееся тем, что сердцевина имеет круглое поперечное сечение, а внутренняя микроструктура сердечника ориентирована и ее ориентация изменяется по длине волокна по спирали.

2. Волокно по п. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, чтб, с целью обеспечения фокусирующих свойств волокна, показатель преломления материала сердечника имеет радиальный градиент.

Р 3. Способ изготовления оптического волокна, обеспечивающего поворот плоскости поляризации, путём вытяжки оптического волокна из заготовки и придания ему в процессе вытяжки изменяющихся по длине волокна по спирали анизотропных оптических свойств, отличающийся тем, что в процессе вытяжки волокно пропускают через ориентированное электромагнитное поле, ориентация которого в процессе вытяжки вращается вокруг направления вытяжки.

4. Способ по п. 3, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью придания волокну фокусирующих свойств, электромагнитное поле имеет радиальный по отношению к направлению вытяжки градиент.

Использование: как передающее средство для волоконно-оптических систем передачи информации. Сущность изобретения: оптическое волокно содержит сердцевину круглой формы, оболочку. В результате ориентации внутренней структуры материала (молекул и микрокристаллов) вращающимся электрическим полем сердечник обладает анизотропией оптических свойств. Цель изобретения - уменьшение технологических трудностей при изготовлении, исключение потерь и механических напряжений в волокне, вызванных деформацией поперечного сечения. 2 с. и 2 з.п,ф-лы, 5 ил. ел С