Способ изготовления анизотропных одномодовых волоконных световодов
METHOD FOR MANUFACTURING ANISOTROPIC SINGLE-MODE FIBER-OPTIC GUIDES

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к технологии изготовления анизотропных одномодовых волоконных световодов (АОВС), сохраняющих состояние поляризации  излучения. Такие световоды используются в различного рода волоконно-оптических интерферометрических датчиках физических величин.
АОВС имеет в поперечном сечении круглую сердцевину и эллиптичную напрягающую оболочку, которые расположены внутри оболочки из кварцевого стекла. Световоды, имеющие такую конструкцию, способны сохранять линейное состояние поляризации излучения, что обеспечивается за счет анизотропии радиальных напряжений, обусловленных эллиптической формой напрягающей оболочки.
Способ получения АОВС 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 АОВС с эллиптичной напрягающей оболочкой [Александров А.Ю., Григорьянц В.В., Залогин А.Н., Иванов Г.А., Исаев В.А., Козел С.М., Листвин В.Н., Чаморовский Ю.К., Юшкайтис Р.В. Сохранение поляризации в анизотропных одномодовых волоконных световодах с эллиптической напрягающей оболочкой // Радиотехника, 1988, № 8, с. 90-94] включает пять основных операций:
1. Нанесение слоев низковязкой напрягающей оболочки и сердцевины внутри трубы из кварцевого стекла методом модифицированного химического парофазного осаждения (MCVD).
2. Высокотемпературное сжатие трубки в штабик-заготовку.
3. Абразивную шлифовку заготовки с образованием плоскопараллельных поверхностей.
4. Высокотемпературное кругление заготовки в пламени горелки, при котором напрягающая низковязкая оболочка принимает эллиптичную форму.
5. Вытягивание из заготовки волокна с нанесением защитного полимерного покрытия.
Недостаток такого способа изготовления световодов заключается в трудоемкой и длительной операции шлифования заготовок, приводящей к удалению не менее 30 % дорогостоящей стекломассы. Более того, прогиб заготовки приводит к нарушению соосного расположения сердцевины относительно наружного диаметра заготовки. Указанные недостатки отрицательно сказываются на производительности и экономических показателях процесса изготовления АОВС.
Наиболее близкий к предлагаемому техническому решению и более простой способ изготовления АОВС с эллиптичной напрягающей оболочкой [патент РФ № 2155359], 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 пламенном 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 до 5 % и существенно сократить длительность процесса изготовления заготовок световодов. Более того, локализованный участок нарезания канавок абразивным кругом исключает влияние стрелы прогиба заготовки на нарушение соосного расположения сердцевины.
Однако длительный процесс высокотемпературного кругления заготовки  в высокоскоростном потоке продуктов горения кислородно-водородного пламени приводит к испарению с ее поверхности не менее 20 % стекла. Продолжительная операция кругления требует значительных затрат материальных, энергетических и рабочих ресурсов, а испарение стекла заготовки уменьшает на 15 – 20 % длину вытягиваемого из него световода. Указанные недостатки отрицательно сказываются на производительности процесса изготовления АОВС и их стоимости.
Решаемая техническая проблема - снижение длительности процесса  изготовления АОВС и массоуноса заготовок при испарении кварцевого стекла.
Достигаемый технический результат - повышение производительности процесса изготовления АОВС и снижения их стоимости.
о
Поставленная задача решается предлагаемым способом изготовления АОВС, включающим  получение MCVD методом цилиндрической заготовки, содержащей сердцевину, низковязкую напрягающую оболочку и конструктивную оболочку из кварцевого стекла, нарезание с диаметрально противоположных сторон заготовки двух канавок, высокотемпературном круглении заготовки и вытягивании волокна, отличающимся тем, что кругление заготовки осуществляют в процессе вытягивания волокна при нагреве заготовки до температуры 2200 - 2250 С и скорости вытягивания волокна 20-50 м/мин.
о
о
о
о
Сущность нового технического решения заключается в том, что процесс кругления заготовки можно осуществлять одновременно с вытягиванием световода, если   заготовку нагревать до температуры ≥ 2200С. Обычно АОВС вытягивают при температуре 2050-2150 С и скорости 60 м/мин [С.В. Буреев, И.К. Мешковский, Е.Ю. Уткин, К.В. Дукельский, М.А. Ероньян, А.В. Комаров, Е.И. Ромашова,  М.М. Серков, М.А. Бисярин «Минимизация оптических потерь в анизотропных одномодовых световодах с эллиптичной борогерманосиликатной оболочкой» // Оптический журнал. 2012, т. 79, № 9, с. 107-109]. Однако при традиционных температурах (не более 2150С) и скорости (60 м/мин) вытягивания волокна высоковязкое состояние кварцевого стекла препятствует завершению процесса кругления заготовки при ее размягчении в высокотемпературной зоне.  Канавки полностью не исчезают. Эллиптичность напрягающей оболочки и двулучепреломление не достигают максимально возможной величины. Поэтому увеличение длительности процесса кругления за счет снижения скорости вытягивания волокна (менее 60 м/мин) при одновременном повышение температуры нагрева заготовки до 2200 - 2250С может в полной мере обеспечить завершение процесса кругления волокна и эллипсования напрягающей оболочки. Это способствует достижению предельной величины поляризационной устойчивости световода. Более того, такие высокие температуры вытягивания приведут к повышению прочности световодов [Дукельский К.В., Ероньян М.А., Комаров А.В., Кондратьев Ю.Н., Левит Л.Г., Ромашова Е.И., Серков М.М., Хохлов А.В., Шевандин В.С. MCVD-технология устойчивых к микроизгибам одномодовых волоконных световодов с малым затуханием // Оптический журнал, 2002, т. 69, № 11, с. 72-73] и их поляризационной устойчивости [Андреев А.Г., Буреев С.В., Ероньян М.А., Комаров А.В., Крюков И.И., Мазунина Т.В., Полосков А.А., Тер-Нерсесянц Е.В., Цибиногина М.К. Повышение двулучепреломления в анизотропных одномодовых волоконных световодах с эллиптичной напрягающей оболочкой // Оптический журнал. 2012, т. 79, № 9, с. 107-109].
Таким образом, исключение операции кругления заготовки при пламенном ее нагреве приведет к снижению материальных и энергетических затрат, сокращению   длительности процесса изготовления  АОВС, а также к увеличению на  15-20 % длины волокна из заготовки.
Предлагаемое новое техническое решение реализовано экспериментально в следующих примерах MCVD способа изготовления АОВС.
2
Пример № 1. На внутреннюю поверхность метровой трубы из кварцевого стекла марки F-300 с наружным диаметром 25 мм и толщиной стенки 3 мм последовательно наносили слои буферной, напрягающей и изолирующей оболочек, а также слой сердцевины. Буферная и изолирующая оболочки наряду с 0.5 ат % фтора легированы 1,5 мол % Р2О5 и 1 мол % GeO2. Напрягающая оболочка содержала 17 мол % B2O3 и GeO2 в количестве, обеспечивающем величину показателя преломления равную показателю преломления кварцевого стекла. Сердцевина содержала около 6 мол % GeO и 0,3 ат % фтора. После высокотемпературного сжатия трубки в штабик-заготовку на рефрактометре марки Р-101 измерены диаметры ее структурных элементов. В таблице 1 представлены средние значения диаметров из 4 измерений по длине заготовки.
Таблица 1. Диаметры слоев заготовки, мм
Сердцевина
Изолирующая оболочка
Напрягающая оболочка
Буферная оболочка
Наружная оболочка
0,9
2,6
4,0
5,4
15,3
Нарезания канавок шириной ≈ 1 мм с двух  диаметрально противоположных сторон заготовки производили на глубину 4 мм.
Отрезки АОВС длиной по 200-300 метров с диаметром стекловолокна 125 мкм вытягивали из  заготовки при скорости 50 метров в минуту и температуре 2150, 2200, 2250 и 2300°С. Одновременно с вытяжкой волокна на его поверхность наносили двухслойное УФ (ультрафиолет) отверждаемое эпоксиакрилатное покрытие толщиной 65 мкм.
мax
min
На оптическом микроскопе Zeiss Stemi 2000-C измеряли максимальное (Д) и минимальное (Д) значение диаметра стекловолокна в его поперечном сечении. На основании этих измерений определяли эллиптичность волокна (ε) по формуле:
мax
min
мax
min
ε = (Д- Д) / (Д +Д)                                        (1)
В таблице 2 представлены средние значения из 4 измерений.
о
о
Эллиптичность стекловолокна в процессе такого кругления заготовки устранялась (была ≤ 0.01) только при температуре вытягивания ≥ 2250С (таблица 2).  При температуре 2300С из-за малого натяжения волокно при вытягивании начинало колебаться, наблюдались скачки величины его диаметра.
b
На основании измерения длины поляризационных биений (L)  АОВС  длиной  400-500 мм методом спектрального сканирования рассчитывали двулучепреломление  (ДЛП) по формуле:
b
ДЛП = λ/ L,                                                  (2)
где,  λ - длина волны излучения, равная 1,55 мкм,
Таблица 2. Влияние температуры вытягивания волокна  на его параметры
Температура вытягивания, <sup>о</sup>С
2150
2200
2250
2300
Эллиптичность волокна
0,03
0,02
0,01
< 0,01
ДЛП  х 10<sup>4</sup>
4,4
5,5
5,7
5,7
о
Как видно из таблицы 2 предельное значение ДЛП АОВС, вытянутого при скорости 50 м/мин достигается при температуре вытягивания ≥ 2250С.
о
Средняя величина прочности, измеренная методом двухточечного изгиба на 20 образцах, для световодов, вытянутых при 2150-2250С, была одинаковой (5,8 ГПа) в пределах точности измерений.
Пример 2. Методом MCVD изготовлена заготовка аналогично примеру №1. Отличие заключалось в снижении скорости вытягивания световодов с 50 до 20 м/мин.
Таблица 3. Влияние температуры вытягивания волокна на его параметры
Температура вытягивания,  <sup>о </sup>С
2150
2200
2250
Эллиптичность волокна
0,02
0,01
< 0,01
ДЛП  х 10<sup>4</sup>
5,4
5,7
5,7
о
о
Как видно из таблицы 3 предельное значение ДЛП АОВС, вытянутого при скорости 20 м/мин, достигается при температуре вытягивания ≥ 2200С, что на 50 С ниже, чем в предыдущем примере.
Пример № 3 Изготовлен контрольный АОВС без использования предлагаемого технического решения.  Круглую заготовку с нарезанием канавок изготовили по аналогии с примером № 1, но ее кругление производили традиционным методом на тепломеханическом станке с кислородно-водородной горелкой. Операции кругления заняла 3 часа, что составляет 50 % от времени изготовления круглой заготовки такой же длины. Диаметр заготовки с 15,3 уменьшился до 13,4 мм.  Потеря стекломассы заготовки составила: при абразивной обработке - 5 %, а из-за испарения стекла - 18 %. Длина АОВС из такой заготовки будет на 18 % меньше по сравнению с их изготовлением с использованием предлагаемого технического решения.
о
о
Снижение скорости вытягивания волокна ниже 20 м/мин может способствовать процессу кругления волокна, но отрицательно скажется на производительности процесса изготовления световода. Повышение скорости вытягивания более 50 м/мин исключает возможность завершения процесса кругления волокна. Нарушение верхней температурной границы (2250С) приведет к нарушению стабильности диаметра волокна, а нарушение нижней границы (2200С) приведет к снижению его  прочности.
Приведенные примеры реализации нового технического решения свидетельствуют о повышении производительности процесса изготовления АОВС и снижении затрат на его изготовление. Вышеизложенные сведения подтверждают очевидную промышленную применимость предлагаемого способа изготовления АОВС.