УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТ ОТ РАЗРУШЕНИЯ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ (ВАРИАНТЫ)
DEVICE FOR PROTECTION OF FIBRE COMPONENTS AGAINST DESTRUCTION BY LASER EMISSION (VERSIONS)

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к устройствам, защищающим световоды волоконно-оптических приборов и компонент от разрушения лазерным излучением.
2
Интенсивность оптического излучения, распространяющегося в сердцевине одномодовых оптических волокон современных телекоммуникационных систем связи, чрезвычайно высока даже при небольшом уровне оптической мощности сигнального излучения. Загрязнение торца световода частицами, поглощающими оптическое излучение, может инициировать разрушение сердцевины световода лазерным излучением. В английской технической литературе это явление названо - «fiber fuse». В статьях на русском языке принятое название явления - «распространение оптического разряда». Процесс распространения оптического разряда схематически представлен на фиг.1, изображающей продольное сечение световода, имеющего сердцевину 4 и окружающую ее оболочку 3. При распространении оптического разряда (ОР) в световоде наблюдается светящаяся точка 2, движущаяся по сердцевине световода навстречу лазерному излучению. Направления распространения лазерного излучения и ОР показаны на фиг.1 стрелками 5 и 6 соответственно. После прохождения оптическим разрядом участка оптического волокна в сердцевине его образуются полости-каверны 1, расположенные периодически, вдоль оси световода. Поперечное сечение световода, проходящее через одну из полостей, показано на фиг.2. Температура сердцевины световода в зоне ОР достигает 5400 К (см. D.P. Hand and P.St.J.Russel „Solitary thermal shock waves and optical damage in optical fibers: the fiber fuse" Optics Letters Vol.13 No.9 p.767-769). Скорость распространения ОР зависит от мощности лазерного излучения. Для уровня мощности излучения в несколько Ватт порядок скорости - метр в секунду. В экспериментах с мощным импульсным излучением наблюдались скорости ОР до 3 км/с (см. Е.М. Дианов, В.Е. Фортов, И.А. Буфетов, В.П. Ефремов, А.А. Фролов, М.Я. Щелевс, В.И. Лозовойс «Детонационно-подобный режим разрушения волоконных световодов под действием интенсивного лазерного излучения" Письма в ЖЭТФ, 2006, том 83, выпуск 2,). Распространение ОР способно уничтожить километры оптического волокна. Остановить распространение ОР можно снизив интенсивность излучения ниже определенного порогового уровня, который зависит от состава, профиля показателя преломления, геометрических размеров сердцевины. Интенсивность излучения, необходимого для поддержания распространения ОР в телекоммуникационных световодах, составляет 1-3 МВт/см (см. И.А. Буфетов, Е.М. Дианов, "Оптический разряд в волоконных световодах", УФН, 175:1 (2005), 100-103), что соответствует приблизительно 1 Вт оптической мощности в стандартном одномодовом световоде, используемом в оптоволоконных линиях связи. Образованные в сердцевине световода после прохождения ОР полости-каверны препятствуют распространению оптического излучения - необходима замена поврежденного участка волоконной линии.
Для инициализации ОР требуется нагрев сердцевины световода до температуры, превышающей 1100°С. Локальный нагрев может быть получен в результате поглощения лазерного излучения частицами, находящимися на торце световода, или, например, нагревом участка световода электрической дугой. Высокие изгибные потери также могут привести к нагреву световода в результате поглощения лазерного излучения в полимерном покрытии световода.
2
При нагреве световода свыше 1050-1100°С возрастает поглощение излучения в стекле в результате появления электронной проводимости, вызванной термоионизацией. Рост поглощения приводит к увеличению температуры. С ростом температуры растет количество свободных носителей и, как следствие, растет поглощение. Кроме того, при повышении температуры сердцевины световода двуокись кремния SiO, являющаяся основным компонентом в составе стекла сердцевины, разлагается на монооксид кремния SiO и кислород. Полученный в результате термохимической реакции монооксид кремния дает основной вклад в поглощение лазерного излучения при температурах превышающих 2270 К (см. Y. Shuto, S. Yanagi, S. Asakawa, M. Kobayashi, R. Nagase "Fiber Fuse Phenomenon in Step-Index Single-ModeOptical Fibers" Journal of Quantum Electronics, Vol.40 No.8 August 2004 p.1113-1121).
Участок сердцевины, нагретый до высокой температуры, теплопереносом нагревает соседний участок сердцевины в направлении, встречном лазерному излучению, - таким образом происходит распространение ОР.
Известны различные варианты реализации «оптического предохранителя», цель которого - остановить распространение ОР, и, таким образом, исключить повреждение защищаемого устройства. Такой предохранитель может быть установлен на выходе волоконного лазера для того, чтобы защитить прибор от разрушения ОР, инициированным вне лазера.
В дальнейшем будем использовать понятие - «пороговая интенсивность излучения, необходимая для поддержания распространения ОР». Указанный параметр определяется как отношение минимальной (пороговой) мощности излучения, необходимой для поддержания распространения ОР, к эффективной площади поля моды лазерного излучения на данной длине волны излучения.
Эффективная площадь поля основной моды, для стандартного световода со ступенчатым профилем показателя преломления, определяется исходя из радиального профиля распределения интенсивности излучения.
eff
A - эффективная площадь моды;
(r)
I - радиальный профиль распределения интенсивности излучения моды;
r - радиус в полярной системе координат, где центр - геометрический центр сердцевины;
Следовательно, световоды, имеющие одинаковую пороговую интенсивность излучения, необходимого для поддержания распространения ОР, могут иметь разные уровни мощности излучения, необходимого для распространения ОР, в случае если эффективные площади поля основных мод световодов не совпадают. Известно, что площадь поля моды световода зависит от длины волны излучения (площадь поля моды увеличивается с увеличением длины волны). Вследствие этого эффекта, в одном и том же световоде пороговая мощность, требующаяся для поддержания распространения ОР, будет выше для излучения с длиной волны 1500 нм, чем для излучения с длиной волны 1400 нм вследствие того, что для излучения с длиной волны 1500 нм площадь поля основной моды больше, чем для излучения с длиной волны 1400 нм.
В дальнейшем будет использоваться понятие - диаметр поля моды ДПМ (в английской литературе - MFD (Mode Field Diameter)). Существуют различные определения диаметра поля моды. Одно из них связано с ранее введенным понятием эффективной площади поля основной моды.
В патенте РФ RU 2229770 C2 предложено удалить на коротком участке световода часть оболочки световода до размера, не превышающего минимальную из двух величин: 40 мкм и четырехкратного ДПМ. При прохождении ОР участка световода-предохранителя с тонкой оболочкой давление и температура плазмы оптического пробоя уменьшаются за счет расширения или даже разрушения расплавленной тонкой оболочки световода. Подобный способ технологически сложен, поскольку требует прецизионного травления оболочки световода. Кроме того, уменьшение размера оболочки уменьшает прочность оптического волокна.
В заявке на патент JP 2002-372636 предложено использовать световод, сердцевина которого увеличивается путем термодиффузии при обработке световода пламенем газовой горелки или электрической дугой. Подобные световоды с терморасширяющейся сердцевиной (ТЕС - thermally expanded core) используются в волоконной оптике, например, для согласования световодов с разными ДПМ. Увеличение сердцевины световода путем термодиффузии приводит к увеличению ДПМ и, следовательно, к уменьшению интенсивности излучения. Снижение интенсивности излучения обеспечивает повышение мощности излучения, необходимой для распространения ОР. Недостатком способа является необходимость удаления защитного покрытия световода и проведение технологически сложной операции термодиффузии.
В заявке на патент US 2007/0031095 A1 для снижения интенсивности излучения используется вставка многомодового световода с градиентным профилем показателя преломления. Используется свойство периодического изменения размера моды градиентного световода вдоль его продольной оси. Недостатком данного метода является наличие потерь на согласование моды одномодового оптического волокна и моды градиентного волокна. Потери сигнала на таком защитном элементе могут быть значительными.
В заявке US 2005/0220423 A1 используется соединение одномодовых оптических волокон посредством градиентной линзы, цель которой - увеличить размер пучка излучения и, таким образом, остановить распространение ОР. Использование объемной оптики приводит к необходимости точной механической юстировки, что усложняет конструкцию предохранителя и вносит значительные потери в канал сигнального излучения.
Ниже описаны известные варианты оптического предохранителя, наиболее близкие к предлагаемым решениям (аналоги).
Известен способ (см. D.P. Hand, T.A. Birks „Single-mode tapers as 'fibre fuse' damage circuit-breakers» Electronics Letters 1989 vol.25 No.1 p.33-34), основанный на зависимости процесса разрушения световода от интенсивности оптического излучения. Авторы способа предлагают использовать особенность зависимости размера поля основной моды излучения от диаметра сердцевины световода, в частности то, что при уменьшении диаметра сердцевины ниже определенного значения размер поля основной моды увеличивается. Предлагается использовать перетяжку световода с целью снижения интенсивности излучения в зоне уменьшенного внешнего диаметра оптического волокна. Перетяжка производится локальным разогревом световода и контролируемым растяжением его до требуемого диаметра. Следует подчеркнуть, что метод предполагает использование одномодового световода, поскольку использование такого метода для многомодового световода приведет к потерям излучения, распространяющегося в высших модах. Кроме того, уменьшение диаметра световода в зоне перетяжки понижает его прочность.
Известно, что пороговая интенсивность излучения, необходимая для распространения ОР в микроструктурных волокнах, может быть в несколько раз выше, чем в стандартных одномодовых волокнах с тем же ДПМ (см. K. Kurokawa «Optical Fiber for High-Power Optical Communication „ Crystals 2012, 2, p.1382-1392). В заявке US 2013/0010817 А1 рассматривается использование микроструктурных оптических волокон в качестве оптического предохранителя. Эффект использования микроструктурного световода заключается в том, что плазма ОР имеет возможность расширяться в полости капилляров микроструктурного световода. При расширении плазмы происходит ее охлаждение. Микроструктурные световоды сложны в изготовлении и требуют специальной технологии сварки для получения удовлетворительных потерь на согласовании со стандартными световодами, имеющими сплошную оболочку и сердцевину.
Целью изобретения является создание устройства, защищающего элементы волоконных сетей, волоконных лазеров и усилителей, от разрушения лазерным излучением в результате распространения оптического разряда. Устройство должно обладать высокой надежностью и вносить минимальные потери для сигнального излучения.
Поставленная задача решается двумя способами.
Из рассмотрения уровня техники следует, что устройство - «оптический предохранитель», защищающее волоконную линию от повреждения лазерным излучением, можно создать используя принцип уменьшения интенсивности излучения в световоде-предохранителе за счет увеличения ДПМ, либо используя механизм увеличения тепловых потерь, приводящий к охлаждению плазмы ОР. Первое устройство изобретения использует принцип увеличения ДПМ, второе устройство основано на эффекте охлаждения плазмы ОР при ее расширении.
1
1
2
2
2
3
3
2
2
2
В первом способе решение поставленной задачи обеспечивается за счет использования в качестве оптического предохранителя устройства, которое содержит специальный световод, имеющий сердцевину и по меньшей мере одну окружающую сердцевину оболочку. По меньшей мере на некоторой его части указанный световод имеет изменяющуюся по длине площадь поперечного сечения сердцевины. Изменение площади сердцевины световода, вдоль указанной части, описывается следующим образом: участок световода с площадью сердцевины S, переходящий в участок вдоль которого происходит увеличение площади сердцевины световода от S до S, затем следует участок с площадью сердцевины световода S, переходящий в участок вдоль которого происходит уменьшение площади сердцевины световода от S до S, затем следует участок с площадью сердцевины S, причем эффективная площадь поля основной моды излучения максимальна на участке световода с увеличенной площадью сердцевины S, площадь S выбрана таким образом, чтобы интенсивность излучения, на участке световода с увеличенной площадью сердцевины S, была ниже интенсивности излучения, необходимой для поддержания распространения оптического разряда на данном участке. Интенсивность излучения определяется диапазоном мощностей оптического излучения, в котором устройство должно обеспечить защиту волоконно-оптического оборудования. Начальный или конечный участок световода устройства могут быть одномодовыми для длины волны используемого сигнального излучения. Начальный и конечный участок световода могут быть также одномодовыми на длине волны используемого сигнального излучения. Входной и выходной участки указанного защитного световода могут быть согласованы по распределению поля моды со световодом защищаемой линии, что обеспечивает минимальные потери сигнального излучения. Размер сердцевины указанного волновода устройства на входном участке может быть равным размеру сердцевины волновода устройства на выходном участке. Оболочка указанного световода может состоять из стекла на основе плавленого кварца. Указанный световод может быть сформирован непосредственно в защищаемой оптоволоконной линии. Кроме того, указанный световод может быть встроен в защищаемую оптоволоконную линию, посредством сварки или оптических разъемов. Размер сердцевины, на участке световода с увеличенной сердцевиной, предпочтительно определяется из условия -
порог
I<0.95*I
где
2
I - интенсивность излучения в сердцевине, на участке световода с увеличенной площадью сердцевины S, определенная при заданном уровне мощности;
порог
I - пороговая интенсивность излучения, требующаяся для поддержания распространения оптического разряда на указанном участке.
Указанный световод может быть защищен металлическим покрытием. Указанный световод может быть защищен по меньшей мере одним полимерным покрытием, имеющим высокую оптическую прозрачность в рабочем диапазоне длин волн сигнального излучения. При этом полимер защитного покрытия, нанесенный первым слоем на внешнюю оболочку указанного световода устройства, может иметь показатель преломления меньший, чем показатель преломления стекла внешней оболочки световода. Указанный световод устройства предпочтительно помещен в отводящую тепло среду.
1
1
2
2
2
3
3
2
Во втором способе решение поставленной задачи обеспечивается использованием в качестве оптического предохранителя устройства, которое содержит специальный световод, имеющий сердцевину и по меньшей мере одну, окружающую сердцевину оболочку, причем по крайней мере на некотором участке указанного световода, в его сердцевине, имеется протяженная вдоль продольной оси световода полость. Данная полость может находиться в центре сердцевины указанного световода. Указанный световод устройства может иметь часть с переменной по длине площадью сердцевины. Изменение площади сердцевины световода, вдоль данной части, описывается следующим образом: участок световода с площадью сердцевины S, переходящий в участок вдоль которого происходит увеличение площади сердцевины световода от S до S, затем следует участок с площадью сердцевины световода S, переходящий в участок вдоль которого происходит уменьшение площади сердцевины световода от S до S, затем следует участок с площадью сердцевины S, причем полость в сердцевине световода имеется по меньшей мере на части световода с увеличенной площадью сердцевины S. Устройство может быть выполнено так, что полость указанного световода устройства заполнена газом. Возможен вариант, когда часть полости указанного световода может быть заполнена жидкостью. Указанный световод, с полостью в сердцевине, может быть защищен, по меньшей мере, одним полимерным покрытием, имеющим высокую оптическую прозрачность в рабочем диапазоне длин волн сигнального излучения. При этом, полимер защитного покрытия, нанесенный первым слоем на внешнюю оболочку указанного световода устройства, может иметь показатель преломления меньший, чем показатель преломления стекла внешней оболочки световода. Указанный световод устройства предпочтительно помещен в отводящую тепло среду.
Техническим результатом использования предлагаемых вариантов устройства является защита световодов и волоконных компонент оптоволоконных линий связи и волоконных лазеров от разрушения лазерным излучением. Предлагаемые варианты оптического предохранителя обладают высокой надежностью и просты в изготовлении.
Изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают и тем более не ограничивают весь объем притязаний предлагаемых технических решений, а являются лишь иллюстрирующими материалами частных случаев реализации.
На фиг.1 схематически изображен процесс распространения оптического разряда в световоде.
На фиг.2 изображено сечение световода, поврежденного оптическим разрядом. Сечение сделано по линии А-А (фиг.1), где после прохождения оптического разряда образовалась полость-каверна.
На фиг.3 изображено сечение, в продольной плоскости, первого варианта световода-предохранителя с изменяющимся размером сердцевины.
На фиг.4 изображено поперечное сечение световода по линии В-В (фиг.3) световода-предохранителя в части с увеличенной сердцевиной.
На фиг.5 изображено поперечное сечение световода по линии С-С (фиг.3) световода-предохранителя.
На фиг.6 изображено сечение, в продольной плоскости, второго варианта световода-предохранителя с полостью в сердцевине.
На фиг.7 изображено поперечное сечение световода-предохранителя по линии D-D (фиг.5).
На фиг.8 схематически изображен профиль показателя преломления световода-предохранителя, с полостью в сердцевине, вдоль диаметральной линии сечения D-D (фиг.5).
На фиг.9 изображено продольное сечение вблизи соединения защищаемого и защитного световодов.
На фиг.10 схематически изображены профиль показателя преломления световода и радиальное распределение интенсивности излучения основной моды сердцевины в сечении Е-Е (фиг.8), в части защитного световода, где полость отсутствует.
На фиг.11 схематически изображены профиль показателя преломления световода и радиальное распределение интенсивности излучения основной моды сердцевины в сечении F-F (фиг.8), в части защитного световода с полостью в сердцевине.
<mrow><msqrt><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msqrt></mrow>
2
Для того чтобы уменьшить интенсивность излучения в сердцевине, применяются световоды с большой эффективной площадью поля моды. В английской технической литературе такой тип световодов назван LMA (Large Mode Area). Применение LMA световода в виде оптического предохранителя имеет существенный недостаток. Потери излучения на согласование основной моды защитного LMA световода с основной модой сердцевины световода защищаемой линии могут быть недопустимо высокими вследствие отличающихся ДПМ световодов. Суть первого варианта изобретения заключается в использовании световода, имеющего на некоторой части увеличенную сердцевину и, соответственно, увеличенную площадь поля моды излучения, обеспечивающую остановку оптического разряда и одновременно имеющего невысокие потери на согласование с защищаемой линией. Такие характеристики достигаются при помощи световода 9 со специальным профилем продольного изменения размера сердцевины 8, схематически изображенным на фиг.3. Оболочка световода 7 может иметь переменный размер по длине световода, как это изображено на фиг.3. Возможна реализация световода, в которой диаметр оболочки не изменяется, в то время как размер сердцевины изменяется вдоль световода. Некоторый участок защитного световода имеет увеличенный размер сердцевины (поперечное сечение световода в зоне с увеличенной сердцевиной показано на фиг.4), что обеспечивает уменьшение интенсивности излучения благодаря увеличенной эффективной площади поля основной моды. Краевые участки, поперечное сечение одного из которых изображено на фиг.5, имеют уменьшенный размер сердцевины 8 и меньшую чем в центральной части эффективную площадь поля основной моды, что обеспечивает хорошее согласование с основной модой защищаемого световода. Приведенные рассуждения верны и для мод высокого порядка. Поэтому предлагаемый световод может выполнять роль оптического предохранителя также для систем, работающих на модах высокого порядка. В работе (см. И.А. Буфетов, Е.М. Дианов, "Оптический разряд в волоконных световодах", УФН, 175:1 (2005), 100-1038) показано, что порог интенсивности лазерного излучения, необходимый для распространения ОР, уменьшается линейно с ростом ДПМ. Для малых размеров ДПМ (от 2 до 7 мкм) это означает, что при увеличении эффективной площади основной моды в k раз, пороговая мощность распространения ОР увеличится в
, однако, при достижении ДПМ - 8 мкм, порог не зависит более от ДПМ и составляет 1 МВт/см. Следовательно, использование предложенного оптического предохранителя, согласованного, например, со световодом, имеющим ДПМ 10 мкм, позволит увеличить порог мощности, используемой в волоконно-оптической системе на основе такого световода, в k раз, где k - коэффициент увеличения эффективной площади поля моды в части световода-предохранителя с увеличенной сердцевиной относительно эффективной площади моды краевых участков световода-предохранителя, имеющих ДПМ близкий к 10 мкм. Оптический предохранитель, для повышения надежности, может содержать несколько, расположенных последовательно, участков световода 9 с переменным по длине световода размером сердцевины.
Техника уменьшения размеров сердцевины на краях LMA световодов, с целью согласования их с одномодовыми световодами, известна (см. Mathieu Faucher, Yannick Keith Lize «Mode Field Adaptation for High Power Fiber Lasers" CLEO-2007), указанная техника находит применение в мощных одномодовых волоконных лазерах. Активное оптическое волокно лазера имеет сердцевину большого размера, обеспечивающую уменьшение нелинейных эффектов; на краях сердцевина уменьшена для получения низких потерь на согласование с одномодовыми световодами, имеющими, как правило, сравнительно небольшой размер поля моды. Применение указанной техники, с целью реализации нового назначения - защиты световодов от повреждения лазерным излучением, имеет несколько преимуществ перед известными решениями. Световод-предохранитель с переменным диаметром сердцевины может быть изготовлен непосредственно во время вытяжки посредством вариации диаметра световода, что обеспечивает необходимую прочность. Нет необходимости удалять защитное покрытие и проводить операции, уменьшающие прочность световода, такие как термодиффузионное расширение сердцевины световода, перетяжка, травление световода.
Краевые (начальный и конечный) участки световода-предохранителя могут быть одномодовыми (сердцевина световода поддерживает распространение только основной моды), что обеспечивает отсутствие нежелательного эффекта - интерференционных биений, проявляющегося в модуляции коэффициента пропускания защитного элемента с длиной волны излучения. В некоторых применениях не требуется фильтрация высших мод, поэтому возможно также использование конфигурации, в которой защитный световод по всей длине является многомодовым (сердцевина световода поддерживает распространение нескольких мод). В случае установки предлагаемого оптического предохранителя между одномодовым и многомодовым волокном достаточно, чтобы световод имел одномодовый участок с одного края (на входе либо на выходе оптического предохранителя).
В случае если оптический предохранитель встраивается в разрыв защищаемой линии путем сварки или соединения посредством оптических разъемов, размер сердцевины защитного световода на его краях, стыкующихся со световодом защищаемой линии, предпочтительно одинаков и подобран исходя из минимизации рассогласования распределения полей мод защитного и защищаемого световодов. Возможно использование оптического предохранителя на соединении оптического компонента и волоконной линии или другого оптического компонента. Световоды соединяемых предохранителем элементов могут иметь разные ДПМ. В таком случае краевые участки световода-предохранителя будут иметь сердцевины (соответственно, и ДПМ) разных размеров с целью получения на обоих краевых участках оптимального согласования со световодами соединяемых устройств.
Предпочтительным материалом оболочки 7 световода-предохранителя является стекло на основе плавленого кварца.
Устройство-предохранитель может быть сформировано непосредственно в световоде защищаемой линии вариацией размера сердцевины световода защищаемой линии на некотором его участке, например, изменением диаметра световода по длине во время процесса вытяжки световода. Участок световода, с увеличенной сердцевиной, будет являться оптическим предохранителем, останавливающим распространение ОР.
Световод-предохранитель может быть встроен в защищаемую волоконную линию посредством сварки или оптических разъемов.
Световод-предохранитель может быть изготовлен таким образом, чтобы гарантированно обеспечить остановку оптического разряда во всем диапазоне рабочих мощностей защищаемого устройства.
Для этого размеры сердцевины защитного световода на участке с увеличенной сердцевиной определяются из условия
порог
I<0.95*I
где
I - интенсивность излучения на данном участке, определенная при заданном - максимальном уровне лазерной мощности;
порог
I - пороговая интенсивность излучения поддержания распространения ОР на указанном участке.
После остановки ОР световодом-предохранителем лазерное излучение будет рассеиваться на коротком участке световода в области остановки ОР. Для исключения возгорания защитного покрытия световода-предохранителя покрытие может быть выполнено из металла для эффективного теплоотвода или прозрачным в диапазоне длин волн используемого лазерного излучения - для исключения разогрева покрытия рассеянным излучением. Возможно использование первым слоем, наносимым на световод, полимерного покрытия с показателем преломления меньшим, чем показатель преломления стекла последней оболочки световода - для того, чтобы по крайней мере часть излучения была отведена из зоны рассеяния по образованному волноводу. Для исключения нагрева защитного световода в области остановки ОР выше критической температуры, которая определяется свойствами полимерных покрытий, световод может быть помещен в отводящую тепло среду.
Второй вариант устройства заключается в применении в качестве оптического предохранителя световода, продольное сечение которого изображено на фиг.6. В сердцевине 13 световода 10 имеется полость 12. Оболочка световода 11 сплошная и состоит преимущественно из стекла на основе плавленого кварца. Поперечное сечение световода изображено на фиг.7. На фиг.8 схематически изображен пример профиля показателя преломления 14 такого световода - с полостью в сердцевине. Применение полости позволяет увеличить пороговую интенсивность излучения, необходимую для распространения оптического разряда, в сравнении со световодами, имеющими сплошную сердцевину и оболочку. Принцип действия такого световода основан на эффекте увеличения тепловых потерь за счет охлаждения плазмы. В стандартном световоде (со сплошной оболочкой и сердцевиной) теплоотвод от участка сердцевины, в котором стекло находится в плазменном состоянии (зона локального разогрева), происходит преимущественно через боковую поверхность разогретого до высокой температуры участка. В случае применения световода, в сердцевине которого имеется полость, охлаждение зоны локального разогрева происходит не только благодаря теплоотводу через боковую поверхность, но и благодаря эффекту охлаждения расплавленного стекла сердцевины при расширении его в объем полости. Кроме того, ионизированный газ из зоны локального разогрева, распространяется по полости навстречу лазерному излучению. При распространении в полости газ охлаждается, унося часть тепловой энергии из зоны локального разогрева. Ионизированный газ поглощает лазерное излучение, проникающее в полость, что приводит к падению мощности в зоне локального разогрева. Совокупность дополнительных механизмов охлаждения обеспечивает повышение интенсивности излучения, необходимой для поддержания распространения ОР. Диапазон оптических мощностей, для которого устройство обеспечивает остановку распространения ОР, определяется экспериментально. Зависимость оптической мощности, необходимой для поддержания распространения ОР, от размеров полости имеет сложный характер и может быть рассчитана методами математического моделирования.
Фиг.9 изображает продольное сечение в зоне стыковки защищаемого 17 и защитного световода 10. В световоде 10, вблизи от места стыковки со световодом 17 полость отсутствует, поэтому в сечении Е-Е профиль показателя преломления световода 18 и профиль основной моды излучения 19, изображенные на фиг.10, соответствуют стандартному световоду со ступенчатым профилем показателя преломления. Полость в сердцевине световода изменяет форму поля основной моды, как это представлено на фиг.11 для сечения F-F фиг.9. В центре распределения поля основной моды 20 имеется провал, соответствующий провалу в профиле показателя преломления 14. Для минимизации потерь на согласование световода, имеющего полость в сердцевине, со стандартными световодами, имеющими сплошную сердцевину, форма основной моды которых близка к гауссовой, необходимо устранить полость сердцевины в месте стыковки или сварки световодов, как это изображено на фиг.9. Полость небольшого размера, до 3 мкм, может быть сжата силами поверхностного натяжения расплавленного стекла во время сварки световодов. Полость большего диаметра можно устранить тепловой обработкой участка защитного световода, например, нагревая световод газовой горелкой и одновременно растягивая его. Параметры сердцевины световода и размеры полости подбираются исходя из требований увеличения порога мощности излучения, необходимой для распространения оптического разряда и возможности провести сжатие полости при сварке защитного и защищаемого световодов электрической дугой или при тепловой обработке защитного световода на некотором участке. Предпочтительно совпадение параметров сердцевины 16 защищаемого световода 17 и параметров сердцевины 12 защитного световода 10, получаемых после сжатия полости. В таком случае, в зоне стыковки, основные моды световодов совпадают, что обеспечивает отсутствие потерь излучения на согласовании полей мод световодов.
Полость предпочтительно находится в геометрическом центре сердцевины. Такое расположение необходимо для того, чтобы при сжатии полости не происходило смещение сердцевины.
Для дальнейшего увеличения порога мощности излучения, необходимой для поддержания распространения ОР, следует применить способ, использованный в первом варианте изобретения - увеличение размера сердцевины световода, на некотором его участке. В зоне с увеличенным диаметром сердцевины увеличена эффективная площадь поля моды. Кроме того, увеличенный размер полости приводит к более эффективному охлаждению плазмы разряда, поэтому пороговая мощность излучения, необходимая для поддержания распространения ОР, будет повышена.
Полость может быть заполнена газом. Нагрев и сжатие газа требует дополнительной энергии, которая будет отбираться от нагретого участка, что увеличит тепловые потери и, таким образом, увеличит пороговую мощность распространения оптического разряда.
С той же целью увеличения тепловых потерь часть полости может быть заполнена жидкостью. Затраты энергии на нагрев и испарение жидкости, а также на дальнейший нагрев пара жидкости приведут к охлаждению плазмы ОР.
Производство первого варианта световода-оптического предохранителя, с изменяющимся по длине размером сердцевины, может быть реализовано посредством вариации диаметра световода в процессе вытяжки оптического волокна из заготовки, что обеспечивает высокое качество и надежность устройства - параметры необходимые в телекоммуникационных применениях. Полость в сердцевине световода, для второго варианта оптического предохранителя, может быть изготовлена способом, подобным известному из производства световодов. В англоязычной литературе способ имеет название «Rod in Tube» - стержень в трубе. Сердцевину световода образует капилляр из стекла на основе плавленого кварца. Оболочка образована трубой, показатель преломления стекла которой меньше, чем показатель преломления стекла капилляра. Внутренний диаметр трубы оболочки и внешний диаметр капилляра геометрически согласованы. Полученная таким образом заготовка вытягивается в оптическое волокно. Во время вытяжки контролируется давление в капилляре с целью сохранения требуемого размера полости.