СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИКРОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ
METHOD OF PRODUCING MICROSTRUCTURED FIBRE LIGHT GUIDES

Изобретение относится к оптоволоконной технике и может быть использовано в производстве микроструктурированных волоконных световодов, используемых в оптических усилителях, лазерах, спектральных фильтрах и телекоммуникационных сетях.
Известны способы изготовления микроструктурированных волоконных световодов, в которых заготовка для световода имеет две группы продольных отверстий, каждая из которых соединена с отдельным независимым источником газа, создающим избыточное давление в отверстиях. Избыточные давления, создаваемые в этих группах отверстий, могут изменяться и контролироваться независимо друг от друга, обеспечивая в итоге требуемую геометрию отверстий в получаемых микроструктурированных волоконных световодах (Патенты США № US6888992В2, G02В6/02, 2005 и № US20030230118А1, С03В37/07, 2003).
Недостатком известных способов является высокая чувствительность размеров получающихся в микроструктурированном волоконном световоде отверстий от температуры и скорости вытяжки световода, что приводит к низкой стабильности геометрических и физических параметров этих световодов. Также недостатком известных способов является высокая чувствительность размеров получающихся в микроструктурированном волоконном световоде отверстий от создаваемого в них давления, что требует равенства размеров отверстий в пределах каждой группы и ограничивает набор размеров отверстий числом источников давления.
Известны способы изготовления микроструктурированных волоконных световодов, в которых избыточные давления, создаваемые в отверстиях, могут изменяться в процессе вытяжки световода, что позволяет получать световоды с постоянным внешним диаметром, но изменяющейся по длине структурой, т.е. с изменяющимися по заданному закону оптическими параметрами (например, величиной дисперсии) вдоль световодов (Патенты Японии № JP2004238246А, G02В6/032, 2004 и № JP2005084201А, G02В6/02, 2005). Однако эти способы имеют те же самые недостатки, что и вышеупомянутые способы.
Известен способ изготовления микроструктурированных волоконных световодов, в котором заготовка для световода нагревается в процессе вытяжки двумя нагревателями, что позволяет контролировать градиент температуры и механических напряжений в зоне перетяжки заготовки и тем самым расширить диапазон материалов, применяемых для изготовления световодов (Патент Германии № DЕ102011103686А1, G02В6/00, 2011). Однако этот способ не позволяет устранить недостатки, присущие вышеупомянутым способам.
Известен также способ изготовления микроструктурированных волоконных  световодов, выбранный в качестве прототипа, в котором верхний конец заготовки запаян, а вытяжка световода производится со стороны нижнего нагреваемого конца заготовки, при этом отверстия в световоде могут иметь разные размеры, которые устанавливаются в процессе вытяжки световода благодаря достижению равновесия между силами поверхностного натяжения расплавленного материала заготовки и ростом внутреннего давления в отверстиях при уменьшении их диаметра (Патент США № US005802236, G02В6/22, 1998).
Недостатком известного способа является неопределенность в степени трансформации геометрической структуры заготовки по мере ее вытягивания в световод (например, изменение соотношений между размерами отверстий и расстояниями между отверстиями) и неопределенность в зависимости этой степени трансформации от длины световода. Приведенные в известном способе (Патент США № US005802236, G02В6/22, 1998) примеры изготовления световода показывают практически пропорциональное изменение размеров отверстий и расстояний между ними, что не соответствует реальным световодам, получаемым с использованием этого способа (S. L. Semjonov, А. N. Denisov, and Е. М.  Dianov, "Fabrication of Microstructured Fibers Using an Effect of Pressure Self-Regulation in Sealed Holes," in Specialty Optical Fibers, OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2012), paper STu1 D.4). Вследствие этой неопределенности отсутствует возможность контроля и управления структурными и физическими параметрами (например, величиной дисперсии) изготавливаемых микроструктурированных волоконных световодов, что ограничивает область практического применения известного способа.
Поставленная задача состоит в создании способа изготовления микроструктурированных волоконных световодов, обеспечивающего изготовление длинных световодов со стабильными внутренними структурными параметрами, обладающих высокой воспроизводимостью, легкостью контроля и управления параметрами световодов, и позволяющего изготавливать структуры световодов с отверстиями разных размеров.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления микроструктурированных волоконных световодов, в котором верхний конец заготовки запаян, а вытяжка световода производится со стороны нижнего нагреваемого конца заготовки, используется дополнительный нагреватель для поддержания определенной контролируемой температуры верхней части заготовки от запаянного конца до входа в печь, обеспечивающей требуемую степень трансформации геометрической структуры заготовки при ее вытягивании в световод.
Используя малоинерционный дополнительный нагреватель, который позволяет изменять температуру верхней части заготовки от запаянного конца до входа в печь в процессе вытяжки световода, можно получать микроструктурированные волоконные световоды с постоянным внешним диаметром, но изменяющейся по длине структурой, т.е. с изменяющимися оптическими параметрами (например, величиной дисперсии) вдоль световодов.
Еще одним путем изменения температуры верхней части заготовки от запаянного  конца до входа в печь с помощью дополнительного нагревателя является создание профиля температуры в нем, что приводит к изменению средней температуры этой части заготовки по мере ее опускания в печь в процессе вытяжки световода. Этот путь также позволяет получать микроструктурированные волоконные световоды с постоянным внешним диаметром и изменяющейся по длине структурой, т.е. с изменяющимися параметрами вдоль световодов.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 показаны поперечные сечения простой заготовки с одним отверстием и вытянутого из нее микроструктурированного волоконного световода.
На фиг.2 приведен пример поперечного сечения заготовки для микроструктурированного волоконного световода с 60 отверстиями.
На фиг.3 изображена общая схема вытяжки микроструктурированных волоконных световодов.
На фиг.4 приведен график изменения внешнего диаметра вытянутого простого микроструктурированного волоконного световода с одним отверстием по мере опускания заготовки в печь.
На фиг.5 показаны фотографии поперечного сечения вытянутого микроструктурированного волоконного световода с 60 отверстиями при разных положениях заготовки в печи.
На фиг.6 изображена схема вытяжки микроструктурированных волоконных световодов с дополнительным нагревателем для регулировки температуры части заготовки от  запаянного конца до входа в печь.
D
d
D
d
ν
ν
Т
Т
1
1
2
2
1
2
1
2
Рассмотрим для простоты процесс вытягивания заготовки из кварцевого стекла (для конкретизации параметров; в качестве материала для изготовления световодов используют подходящие для конкретной задачи материалы) с начальным внешним диаметром  и  одним отверстием диаметром  в микроструктурированный волоконный световод с  внешним диаметром  и отверстием диаметром  (см. фиг.1). Положим также, что скорость подачи заготовки в печь при вытягивании равна , а скорость вытягивания световода - . Общая схема рассматриваемого случая изображена на фиг.3. Верхний конец заготовки  запаян и часть заготовки от этого конца до входа в печь находится при температуре .  Таким образом, газ, содержащийся в отверстии, может двигаться только в сторону вытягиваемого световода. Температура в центре печи (в области перетяжки) равна . Из условия непрерывности течения кварцевого стекла при вытягивании следует:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>ν</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>ν</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>D</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>d</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>D</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>d</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
S
S
1
2
где  и  - площадь поперечного сечения кварцевого стекла в заготовке и в световоде.
Р
Р
Р
ρ
1
2
i
Можно показать, что при типичных параметрах процесса вытяжки микроструктурированного волоконного световода в области заготовки и до конуса вытягивания давление газа  успевает установиться и одинаково по всему объему полости заготовки ( = ). Также можно показать, что течение газа относительно стенок световода в направлении движения пренебрежимо мало, так что в вытянутом световоде вещество газа связано со стенками и неподвижно относительно них. Далее, поскольку разные части заготовки поддерживаются при различной температуре, плотность газа  в разных частях полости заготовки будет разной в соответствии с уравнением состояния идеального газа:
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mi>i</mi></msub><mi>μ</mi></mrow><mrow><mi>R</mi><msub><mi>T</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
i
μ
R
где  = 1 или 2,  - молярная масса вещества газа,  - универсальная газовая постоянная.
В стационарном (установившемся) случае из условия сохранения количества вещества газа следует:
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>s</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>ν</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>ρ</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>s</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>ν</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
s
s
1
2
где  и  -площадь поперечного сечения воздушных отверстий в заготовке и в микроструктурированном волоконном световоде, соответственно. Тогда с учетом соотношения (2) получаем:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>s</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>s</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ν</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>ν</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>×</mo><mfrac><mrow><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
С учетом (1) это соотношение можно переписать в виде:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>s</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>s</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>×</mo><mfrac><mrow><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Для простого случая с одним отверстием соотношение (4) приводится к виду:
<mrow><mfrac><mrow><msubsup><mi>d</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>d</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ν</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>ν</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>×</mo><mfrac><mrow><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Т
Т
Т
Т
d
D
1
2
2
1
1
1
<mrow><msqrt><mn>7</mn></msqrt><mo>≈</mo><mn>2,65</mn></mrow>
В типичном случае для кварцевого стекла  = 300 K и  2100 K, тогда / = 7.  Таким образом, из выражения (6) можно заключить что, по сравнению с пропорциональным вытягиванием имеет место значительное относительное раздувание отверстий: размеры отверстий при вытягивании в световод уменьшаются в
раз меньше, чем внешний диаметр световода (с учетом <<), что существенно отличается от приведенных в известном способе (Патент США № US005802236, G02В6/22, 1998) соотношений (~1,05).  Это раздувание отверстий будет стабильным и постоянным до тех пор, пока поддерживается постоянной температура верхней части заготовки от ее запаянного конца до печи, т.е. пока запаянный конец заготовки не войдет в печь.
Т
1
Изменяя и контролируя температуру части заготовки от запаянного конца до входа в печь с помощью дополнительного нагревателя, можно легко контролировать и менять структуры получаемых микроструктурированных волоконных световодов. Например, изменение  в диапазоне от 300  K до 1200 K приводит к изменению степени раздувания отверстий ~2,65 до ~1,32.
d
d
D
1i
1i
1
Необходимо подчеркнуть, что при наличии в заготовке отверстий разных размеров () их степени раздувания в типичных случаях (<<) практически равны, а в общем случае могут быть точно учтены, что легко позволяет изготавливать структуры световодов с отверстиями разных размеров.
Т
3
Некоторое уточнение приведенных выше соотношений, в частности выражения (5), требуется в случае достаточно больших отверстий (более 20 мкм) в изготавливаемых микроструктурированных волоконных световодах. В таком случае требуется учесть охлаждение световода после вытяжки до температуры  (около 300 K) и соответствующее уменьшение давления газа в нем, что приводит к образованию потока газа и некоторому уменьшению степени раздувания отверстий. В общем случае соотношение (5) можно представить в виде:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>s</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>s</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>×</mo><mfrac><mrow><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>×</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>θ</mi><mo>×</mo><mfrac><mrow><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
θ
θ
θ
d
ν
2
2
где 0 <  < 1. Параметр  зависит от диаметра отверстий, от скорости вытяжки световода (в частности, ~0 для <20 мкм и >10 м/мин) и может быть оценен при более детальном рассмотрении процесса вытяжки либо определен экспериментально при конкретных параметрах вытяжки.
D
d
D
d
1
1
2
2
На фиг. 1 показаны поперечные сечения простой заготовки с одним отверстием и вытянутого из нее микроструктурированного волоконного световода. Внешний диаметр заготовки равен , а диаметр отверстия в ней - . Микроструктурированный волоконный световод имеет внешний диаметр  и отверстие диаметром . Масштаб изображений существенно разный: на практике диаметр заготовки обычно составляет около 1 - 2 см, а диаметр стандартного световода - 125 мкм.
d
На фиг.2 приведен пример поперечного сечения заготовки для микроструктурированного волоконного световода с 60 отверстиями. Все отверстия имеют диаметр  и расположены на расстоянии Λ от ближайших отверстий. Отсутствующее в центре структуры отверстие служит для образования световедущей сердцевины микроструктурированного волоконного световода.
Т
ν
Т
ν
1
1
2
2
На фиг.3 изображена общая схема вытяжки микроструктурированных волоконных световодов. Верхний конец заготовки 1 запаян и приварен к вспомогательному стержню 2, который закреплен в системе подачи заготовки. Часть заготовки от области сварки до входа  в печь находится при комнатной температуре, то есть  ≈ 300 K. Система подачи обеспечивает при вытягивании подачу заготовки в печь со скоростью . Для нагрева заготовки до температуры вытяжки служит печь 3. Температура в центре печи в зоне перетяжки для кварцевого стекла составляет около 1800°С, то есть  ≈ 2100 K. Вытяжка микроструктурированного волоконного световода 4 производится со стороны нижнего конца заготовки с помощью приемного устройства, обеспечивающего вытяжку световода со скоростью .
Т
Т
1
1
На фиг.4 приведен график изменения внешнего диаметра вытянутого простого микроструктурированного волоконного световода с одним отверстием по мере опускания заготовки в печь. Первый участок (область, отмеченная цифрой 1) соответствует процессу установления степени раздувания световода. В начальный момент под действием сил поверхностного натяжения в расплавленной заготовке отверстие полностью схлопывается. Затем, по мере погружения заготовки в печь, объем полости уменьшается и давление газа внутри заготовки начинает расти. Это приводит к появлению небольшого отверстия во внутренней полости вытягиваемого световода. Потом, когда это раздувание достигает величины, определяемой формулой (6), баланс количества вещества газа начинает выполняться и достигается стационарное состояние, поэтому давление и диаметр световода далее не растет (область, отмеченная цифрой 2). Постоянство геометрии обеспечивает до тех пор, пока верхний холодный конец заготовки имеет постоянную температуру . По мере уменьшения заготовки холодный конец приближается к печи и с некоторого расстояния начинается повышение . Это приводит к уменьшению раздувания в соответствии с формулой (6) (область, отмеченная цифрой 3).
На фиг.5 показаны фотографии поперечного сечения вытянутого микроструктурированного волоконного световода с 60 отверстиями при разных положениях заготовки в печи. На верхней фотографии показано поперечное сечение вытянутого световода, относящееся к стационарному режиму, когда раздувание достигло величины, определяемой формулой (4). На средней фотографии показано поперечное сечение вытянутого световода, относящееся к началу погружения заготовки в печь, когда раздувание слегка уменьшилось. На нижней фотографии показано поперечное сечение вытянутого световода, относящееся к концу заготовки, когда раздувание практически отсутствует.
Т
1
На фиг.6 изображена схема вытяжки микроструктурированных волоконных световодов с дополнительным нагревателем 5 для регулировки температуры верхней части заготовки от запаянного конца до входа в печь (остальные обозначения те же, что и на фиг.3). Изменяя и контролируя температуру этой части заготовки с помощью дополнительного нагревателя, можно легко контролировать и менять структуры получаемых микроструктурированных волоконных световодов. Например, изменение  в диапазоне от 300 K до 1200 K приводит к изменению степени раздувания отверстий от ~2,65 до ~1,32. Изменяя каким-либо путем температуру этой части заготовки в процессе вытяжки световодов, можно получать микроструктурированные волоконные световоды с постоянным внешним диаметром, но изменяющейся по длине структурой, т.е. с изменяющимися оптическими параметрами (например, величиной дисперсии) вдоль световодов.