СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОДНОМОДОВЫХ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ, СОХРАНЯЮЩИХ ПОЛЯРИЗАЦИЮ ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD OF MAKING SINGLE-MODE FIBRE-OPTICAL WAVEGUIDES WHICH RETAIN RADIATION POLARISATION

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к технологии изготовления одномодовых волоконных световодов, сохраняющих состояние поляризации введенного в них излучения. Такие световоды применяются в волоконно-оптических системах передачи информации, а также в интерферометрических датчиках физических полей.
Одномодовое оптическое волокно, получаемое предлагаемым способом, имеет в поперечном сечении круглую сердцевину, окруженную изолирующей оболочкой и эллиптическую напрягающую оболочку, которые расположены внутри опорного слоя из кварцевого стекла. Световоды, имеющие такую конструкцию, обладают повышенными свойствами сохранения поляризации света, которая обеспечивается за счет анизотропии радиальных напряжений, обусловленных эллиптической формой напрягающей оболочки.
Оптическое волокно с эллиптической напрягающей оболочкой выгодно отличается от других конструкций световодов, сохраняющих поляризацию излучения, более простой технологией их изготовления с обеспечением высокой производительности и низкой стоимости изделий.
Наиболее распространенный способ получения одномодовых волоконных световодов с эллиптической напрягающей оболочкой ("Single polarization optical fibers. Exposed cladding technique" - Applied Physics Letters, v.33, №9, 1978, p.815) состоит из следующих основных операций:
- изготовление цилиндрической заготовки методом модифицированного химического парофазного осаждения (MCVD) слоев легкоплавкой напрягающей оболочки и сердцевины внутри трубы из кварцевого стекла;
- обработка цилиндрической заготовки на шлифовальном станке для образования плоскопараллельных поверхностей;
- высокотемпературное крушение заготовки, при котором напрягающая оболочка принимает эллиптичную форму;
- вытяжка волокна.
Такой способ недостаточно экономичен и низкопроизводителен, так как операция абразивной обработки заготовок трудоемка, продолжительна и приводит к значительным потерям дорогостоящей стекломассы. Более того, незначительная стрела прогиба предзаготовки при операции плоскопараллельного шлифования приводит к нарушению соосного расположения сердцевины относительно наружного диаметра заготовки.
Известен усовершенствованный способ изготовления одномодовых волоконных световодов, сохраняющих поляризацию излучения, описанный в патенте РФ №2155359, опубликованный 27.08.2000 по индексу МПК G02B 6/17. Способ заключается в получении методом MCVD цилиндрической заготовки, содержащей сердцевину, изолирующую, напрягающую и технологическую оболочки, осажденные на трубу из кварцевого стекла, образующую наружную оболочку, нарезании с диаметрально противоположных сторон заготовки двух канавок шириной 0,3-1 мм, высокотемпературном круглении заготовки и вытягивании волокна. В процессе кругления заготовки круглая низковязкая напрягающая оболочка принимает эллиптическую форму, в то время как сердцевина остается круглой. Такой способ, усовершенствованный по сравнению с предыдущим методом, позволяет снизить потери дорогостоящей стекломассы при абразивной обработке и существенно снижает длительность процесса изготовления заготовок волоконных световодов. Более того, локализованный участок обработки абразивным кругом исключает в отличие от упомянутого выше аналога влияние стрелы прогиба заготовки на нарушение соосного расположения сердцевины, так как на глубину канавки не влияет степень изогнутости заготовки.
-5
-1
-4
Способ получения заготовок волоконных световодов, сохраняющих поляризацию излучения, описанный в патенте РФ №2155359, принят за прототип предлагаемого изобретения. Недостатком данного способа является ограничение степени сохранения поляризации излучения величиной h параметра, равного 7×10 м (при двулучепреломлении, равном 4×10) из-за малых оптических потерь света в ортогональной нерабочей моде.
Задача настоящего изобретения состоит в повышении степени сохранения поляризации излучения за счет создания эллиптичной технологической оболочки, расположенной между напрягающей оболочкой и материалом опорной кварцевой трубы. Дополнительным эффектом может быть снижение оптических потерь световодов за счет уменьшения содержания диоксида германия в сердцевине при одновременном снижении величины показателя преломления окружающих ее оболочек.
4
4
Поставленная задача решается новым способом изготовления одномодовых волоконных световодов, сохраняющих поляризацию излучения, заключающимся в получении методом MCVD цилиндрической заготовки, содержащей сердцевину, изолирующую, напрягающую, технологическую оболочки и наружную оболочку, нарезании с диаметрально противоположных сторон заготовки двух канавок, высокотемпературном круглении заготовки и вытягивании волокна, в котором в отличие от прототипа изготавливают осаждаемые оболочки с одинаковым показателем преломления, величина которого меньше показателя преломления наружной оболочки из чистого кварцевого стекла, а технологическую оболочку выполняют с эллиптичностью не менее 0,25. При этом содержание диоксида германия в сердцевине не превышает 2 мол.%, а изолирующая и технологическая оболочки содержат фтор. Легирование кварцевого стекла оболочек фтором осуществляют с помощью газа-носителя, предназначенного для подачи паров SiCl в реакционную зону, причем предпочтительно используют газообразный SiF.
Все оболочки кроме наружной, которая получается из опорной кварцевой трубы и на которую наносятся все другие внутренние оболочки, имеют одинаковую величину показателя преломления во избежание возникновения паразитных световодных структур, приводящих к повышенным оптическим потерям и деполяризации излучения. Снижение показателя преломления каждой внутренней осаждаемой оболочки относительно показателя преломления наружной оболочки обеспечивает достаточно высокий уровень числовой апертуры, что необходимо для уменьшения влияния изгиба световода на его оптические потери.
Эллиптичность технологической оболочки обеспечивает увеличение оптических потерь на излучение одной из двух основных ортогональных мод, благодаря чему повышается уровень поляризационной устойчивости рабочей моды.
2
В новом способе снижается содержание GeO в сердцевине до уровня не более 2%, что приводит к снижению оптических потерь на рэлеевское рассеяние.
4
4
Для повышения содержания фтора в кварцевом стекле увеличивают давление SiF в реакционной зоне, что достигается использованием газообразного тетрафторида кремния вместо кислорода в качестве газа-носителя для транспортировки паров SiCl.
Совокупность изложенных признаков и анализ отличий от прототипа по существующему уровню техники позволяет сделать вывод о «новизне» и «изобретательском уровне» нового способа.
Способ иллюстрируется чертежами, на которых изображены структуры поперечного сечения заготовки волокна на различных стадиях обработки.
На Фиг.1 показано сечение заготовки с вырезанными канавками прямоугольного сечения, где в опорном слое из кварцевого стекла расположены слои технологической оболочки 1, напрягающей оболочки 2, изолирующей оболочки 3, сердцевины 4, цифрой 5 обозначена наружная оболочка, а цифрой 6 обозначены вырезанные канавки.
На Фиг.2 показано сечение заготовки после кругления, в результате чего напрягающая оболочка 2 и технологическая оболочка 1 принимают эллиптичную форму.
2
4
Пример. На внутреннюю поверхность отрезка трубы из кварцевого стекла с наружным диаметром 20 мм, толщиной стенки 2 мм и длиной 1 м методом внутреннего газофазного осаждения наносили слои фторсиликатной технологической оболочки, слои боросиликатной напрягающей оболочки, слои изолирующей фторсиликатной оболочки и слои германосиликатной сердцевины, содержащей 2 мол.% GeO. В процессе осаждения слоев технологической и изолирующей оболочек в качестве газа носителя для SiClиспользовали тетрафторид кремния. Показатель преломления оболочек на 0,008 был меньше показателя преломления наружной оболочки из чистого кварцевого стекла. Высокотемпературное коллапсирование трубки в штабик за два прохода горелки при 2000°C привело к формированию осажденных слоев в виде концентрических окружностей (Фиг.1). После нарезания канавок 6 шириной 1 мм и глубиной 4 мм (Фиг.1) заготовку подвергли высокотемпературному круглению, в результате чего напрягающая и технологическая оболочка стали эллиптичными с эллиптичностью, соответственно, 0,6 и 0,25. Отношение диаметров изолирующей оболочки и сердцевины находилось в пределах 1,9-2,1.
-6
-1
Из заготовки диаметром 11,5 мм, полученной описанным способом, было получено 2 км анизотропного одномодового световода с диаметром стекловолокна 125 мкм и диаметром двойного полимерного покрытия 250 мкм. Степень сохранения поляризации излучения (h - параметр) рабочей моды на длине волны 1,55 мкм = 1·10 м, оптические потери=0,7 дБ/км, длина волны отсечки высшей моды = 1,35 мкм.
-6
В контрольном образце световода, изготовленном таким же образом, но с эллиптичностью технологической оболочки 0,15 (за счет увеличения ее толщины в цилиндрической заготовке) степень сохранения поляризации излучения на той же длине волны была хуже: h=5·10, а длина волны отсечки и оптические потери остались неизменными.
Вышеизложенные сведения подтверждают очевидную промышленную применимость предлагаемого способа изготовления волоконных световодов, сохраняющих поляризацию излучения.