СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА С ЭЛЛИПТИЧЕСКОЙ СЕРДЦЕВИНОЙ
METHOD OF PRODUCING OPTICAL FIBRE WITH ELLIPTICAL CORE

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к технологии изготовления оптических волокон (ОВ) с высоким двулучепреломлением, сохраняющих поляризацию введенного в них излучения. Данные оптические волокна применяются в волоконно-оптических системах передачи информации, а также в интерферометрических датчиках физических величин. Одним из видов таких волокон являются ОВ, имеющие в поперечном сечении эллиптическую сердцевину и круглые (скругленные) отражательную и изолирующую оболочки, заключенные внутри опорного слоя из кварцевого стекла. Одной из технологий получения одномодовых оптических волокон с высоким двулучепреломлением является технология с использованием абразивной обработки исходной цилиндрической преформы (патент РФ №2155359 "Способ изготовления оптического волокна, сохраняющего плоскость поляризации излучения"). Данная технология включает нанесение методом модифицированного химического парофазового осаждения (MCVD-методом) слоев изолирующей и напрягающей оболочек и сердцевины на внутреннюю поверхность опорной кварцевой трубы, схлопывания трубки с нанесенными слоями в цилиндрическую преформу, абразивную обработку диаметрально противоположных наружных сторон полученной преформы путем нарезания по всей ее длине симметричных канавок, высокотемпературное кругление обработанной преформы на MCVD-станке, приводящее к формированию эллиптической напрягающей оболочки, и перетяжку скругленной преформы в оптическое волокно на вытяжной установке. Способ достаточно сложен, неэкономичен. Здесь присутствуют операции механической обработки преформ, при которых весьма велики потери стекломассы, доходящие до 10-20%.
В патенте US 4184859 "Method of fabricating an elliptical core single mode fiber" описан способ изготовления одномодового оптического волокна с эллиптической сердцевиной, включающий следующие операции: изготовление заготовки на основе трубы из кварцевого стекла, внутри которой методом модифицированного химического парофазного осаждения нанесены слои изолирующей и отражательной оболочек и сердцевины; нагрев на MCVD-станке указанной заготовки с одной ее стороны по всей длине до температуры, достаточной для частичного схлопывания трубки; проведение указанной процедуры частичного схлопывания с противоположной стороны трубки, в результате чего поперечное сечение трубки становится эллиптичным (приплюснутым); полное схлопывание на MCVD-станке приплюснутой заготовки при однородном ее нагреве в цилиндрическую преформу с эллиптичной сердцевиной; вытяжка из полученной преформы оптического волокна с эллиптичной световедущей сердцевиной. Данный способ выбран в качестве прототипа изобретения. Недостатком указанного способа является многоступенчатость схлопывания преформы, что усложняет процесс изготовления волокна.
Задача настоящего изобретения состоит в разработке способа изготовления оптических волокон с эллиптической сердцевиной, не использующего процесс схлопывания заготовки с нанесенными слоями на MCVD-станке, но формирующего эллиптическую форму сердцевины непосредственно во время перетяжки несхлопнутой заготовки в волокно на вытяжной установке.
Техническим результатом изобретения является упрощение технологии изготовления ОВ за счет совмещения процессов схлопывания и вытяжки, а также возможность управления эллиптичностью сердцевины вытягиваемого волокна выбором технологических параметров процесса - температуры нагревательного элемента высокотемпературной печи и разрежения внутри трубы-заготовки.
max
min
max
min
max
min
Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления оптического волокна с эллиптической сердцевиной, включающем последовательное нанесение на внутреннюю поверхность цилиндрической кварцевой трубы слоев легированного кварцевого стекла, образующих изолирующую, светоотражающую оболочки и сердцевину, частичное схлопывание полученной заготовки путем нагревания с двух диаметрально противоположных сторон, последующее полное схлопывание полученной заготовки и вытягивание оптического волокна, частичное и полное схлопывание заготовки, а также формирование волокна осуществляется путем помещения заготовки в высокотемпературную (ВТ) печь, в которой у стенок нагревательного элемента азимутальное распределение температуры имеет два максимальных значения Т и два минимальных значения Т в двух взаимно ортогональных направлениях, при этом 2·(Т-Т)/(Т+Т)≤0.05÷0.10, а процесс вытяжки осуществляют с разрежением внутри трубы-заготовки 50÷300 Па.
max
min
max
min
Способ осуществляется следующим образом. Методом модифицированного парофазного химического осаждения на внутреннюю поверхность кварцевой трубы наносят концентричные слои изолирующей и отражающей оболочек и световедущей сердцевины, формируя трубу-заготовку. Полученную трубу-заготовку помещают в высокотемпературную печь с неоднородным азимутальным нагревом и создают разрежение внутри трубы-заготовки. За счет неоднородного азимутального нагрева и действия разрежения "луковица" перетягиваемой трубы в ее начальном (верхнем) участке оказывается приплюснутой с двух противоположных сторон, соответствующих наибольшему нагреву "луковицы". В дальнейшем этот участок "луковицы" в центре нагревательной печи, где азимутальная неоднородность температурного поля практически вырождается, трансформируется в оптическое волокно с эллиптической световедущей сердцевиной. Для используемых кварцевых труб-заготовок для создания величины эллиптичности сердцевины (отношения максимального размера эллипса к минимальному) в пределах 2÷3, что обеспечивает необходимцю величину двулучепреломления, необходимо выполнение температурного условия 2·(Т-Т)/(Т+Т)≤0.05÷0.10 и создание разрежения внутри трубы-заготовки 50÷500 Па.
2
2
2
2
max
min
max
min
в
з
m
-5
-1
Ниже приведен конкретный пример реализации способа. На тепломеханическом станке на внутреннюю поверхность вращающейся кварцевой трубы длиной 0.5 м, диаметром 25 мм и толщиной стенки 2.5 мм MCVD-методом наносят слои легированного кварцевого стекла. Сначала наносятся пять слоев технологической (изолирующей) оболочки из чистого кварцевого стекла SiO. Затем наносят шесть слоев отражающей оболочки из кварцевого стекла SiO, легированного фтором F с концентрацией 4.5 ат.%. Последним наносят слой сердцевины из кварцевого стекла SiO, легированного 12 моль.% GeO. Затем заготовку помещают в высокотемпературную печь, в которой используют азимутально неоднородный нагревательный элемент корончатого типа с внутренним диаметром 30 мм, толщиной 3.0 мм и высотой 30 мм. У стенок нагревательного элемента азимутальная неоднородность температурного поля составляла 2·(Т-Т)/(Т+Т)≈0.078; по мере удаления от стенок к оси нагревательного элемента азимутальная неоднородность температурного поля уменьшалась, практически вырождаясь в его центре. Для создания разрежения внутри трубы-заготовки используется форвакуумный насос, создавалось разрежении ΔP=250 Па. Общая длина "луковицы" составила ≈70 мм. На начальном участке "луковицы" заметны существенная приплюснутость как внешней, так и внутренней ее поверхностей, вызванная действием разрежения и неоднородного нагрева. На расстоянии ≈28 мм от начального сечения "луковицы" произошло схлопывание ее внутренней поверхности под суммарным воздействием разрежения и поверхностного натяжения с формированием эллиптической сердцевины; диаметр схлопнутого сечения составил "луковицы" ≈7.5 мм. К концу "луковицы" сечение ее схлопнутого участка трансформировалось в сечение волокна. Полученную заготовку перетянули в оптическое волокно с внешним диаметром d=80 мкм и эллиптичной сердцевиной с размерами осей a/b=7/3 мкм/мкм, с покрытием из УФ-отверждаемого олигоуретанакрилата толщиной 40 мкм. Режимы вытяжки: скорость вытяжки волокна VB=60 м/мин, скорость подачи заготовки V=1.8 мм/мин, температура в срединном сечении нагревательного элемента на его оси Т≈2010°C. Из заготовки длиной 20 см получено 7.5 км волокна с параметрами: диаметр волокна - 80 мкм, размер главных осей эллипса у сердцевины - 7/3 мкм/мкм, числовая апертура - 0.24, длина биений - 4 мм, параметр сохранения поляризации изучения - ≤5·10 м, потери (1550 нм) - ≤1.5 дБ/км.
На фиг.1а приведен обмеренный с помощью вольфрам-рениевой термопары осевой температурный профиль Т(x), на фиг 1б - радиальный температурный профиль T(r) и на фиг 1в - азимутальный температурный профиль нагревательного элемента ВТ-печи, использованного в экспериментах. Начало цилиндрической системы координат (x, r, φ) помещено в центр НЭ.
На фиг.2 приведены фотографии двух ортогональных проекций "луковицы", сформированной при перетяжке кварцевой трубы-заготовки в волокно с эллиптической сердцевиной.
На фиг.3а приведена фотография поперечного сечения ОВ с эллиптической сердцевиной, вытянутого из упомянутой выше трубы-заготовки, на фиг.3б - фотография пятна излучения гелий-неонового лазера на выходе из этого волокна в дальнем поле. На обеих фотографиях видна заметная эллиптичность световедущей сердцевины.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать оптические волокна с эллиптической сердцевиной, сохраняющие поляризацию введенного в них излучения.