РАДИАЦИОННО СТОЙКИЙ ВОЛОКОННЫЙ СВЕТОВОД С БОЛЬШИМ ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕМ, ПОДДЕРЖИВАЮЩИЙ ЛИНЕЙНУЮ ПОЛЯРИЗАЦИЮ (ВАРИАНТЫ)
HIGH BIREFRINGENCE, LINEAR POLARISATION SUPPORTING RADIATION-RESISTANT FIBRE-OPTIC GUIDE (VERSIONS)

Область техники, к которой относится изобретение
Область применения изобретения. Если таких областей несколько, то указываются преимущественные.
Изобретение относится к области волоконной оптики, в частности к области специализированных оптических волокон для датчиков.
Уровень техники
Сведения об известных авторам аналогах с выделением из них аналога, наиболее близкого к изобретению (прототип).
Оптическое волокно с большим линейным двулучепреломлением (ДЛП) и малыми оптическими потерями используется при создании различных датчиков, работающих, в частности, на эффекте Саньяка.
Известно несколько конструкций, при помощи которых в оптическом волокне реализуется большое линейное ДЛП и, тем самым, поддерживается преимущественное состояние линейной поляризации распространяющегося по нему излучения. Наибольшее распространение, благодаря высоким поляризационным характеристикам, малым оптическим потерям, удобству состыковки с волокнами линий связи получили конструкции волокна с термоупругим механизмом встроенного ДЛП. К конструкциям этого типа относятся волоконные световоды типа ПАНДА, типа галстук-бабочка или с эллиптичной напрягающей оболочкой. В них ДЛП реализуется благодаря формированию на стадии вытяжки в теле волокна в области световедущей сердцевины упругих напряжений, направленных ортогонально оси волокна. Такие напряжения могут быть созданы, например, за счет включения в заготовку двух стержней из боросиликатного стекла, расположенных параллельно оси заголовки (волокна типа ПАНДА).
Другим типом сохраняющих линейную поляризацию световодов являются световоды с несимметричной, например эллиптичной, сердцевиной. В них линейное ДЛП является результатом различных волноводных свойств для волн с различной поляризацией.
Известно несколько способов изготовления волоконных световодов с линейным ДЛП (патенты РФ №2272002, №2252197, №2301782). При этом световедущая сердцевина волокон состоит из кварцевого стекла, легированного германием и/или фосфором, что обеспечивает необходимое увеличение показателя преломления стекла и, тем самым, локализацию света в области сердцевины волокна.
Существенным недостатком конструкций, сохраняющих поляризацию волоконных световодов с германосиликатной и/или фосфоросиликатной сердцевиной, является значительная деградация оптического пропускания волокна под действием ионизирующего излучения, что значительно сужает область применения датчиков на основе таких волокон.
Значительно повысить радиационную стойкость волокна с большим ДЛП позволяет конструкция, в которой сердцевина состоит из нелегированного кварцевого стекла, а светоотражающая оболочка с пониженным относительно нелегированного кварцевого стекла показателем преломления - из стекла, легированного фтором, (патент США 7437044 В2 - прототип). Недостатком прототипа является присутствие в конструкции волокна светоотражающей оболочки с пониженным показателем преломления. В этом случае для обеспечения малых оптических потерь толщина такой оболочки должна быть достаточно большой, в то время как для обеспечения большого ДЛП напрягающие области должны быть максимально приближены к сердцевине. Выполнить такие противоречивые требования сложно по технологическим причинам, так как фторсиликатное и боросиликатное стекла существенно более легкоплавкие и поэтому легко перемешиваются при температурах размягчения, характерных для нелегированного кварцевого стекла. Другим, принципиально неустранимым недостатком прототипа является невозможность создания на основе волокон с пониженным показателем преломления стекла в светоотражающей оболочке сплавных направленных ответвителей - важных элементов, без которых значительно усложняется включение оптоволокна в схему датчика.
Раскрытие изобретения
Сущность изобретения как технического решения выражается в совокупности существенных признаков для достижения обеспечиваемого изобретением результата.
Сущность изобретения состоит в устранении примесей, ответственных за образование центров окраски в стекле сердцевины оптоволокна под действием ионизирующего излучения, и их замене эквивалентом, повышающим показатель преломления кварцевого стекла, но не дающим существенного вклада в образование индуцированных центров окраски. Как известно, германий и фосфор являются основными источниками радиационных центров окраски в кварцевом стекле, а их замена азотом дает, при прочих равных условиях, на порядок большую радиационную стойкость оптоволокна. Найденное техническое решение состоит в нахождении интервала концентраций примеси азота в кварцевом стекле сердцевины волоконных световодов, сохраняющих линейное состояние поляризации (типа ПАНДА или других известных типов), необходимого для формирования профиля показателя преломления.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, с указанием обеспечиваемого ею технического результата.
Изобретение решает задачу увеличения радиационной стойкости сохраняющих линейное состояние поляризации волоконных световодов (типа ПАНДА или других известных типов) при одновременном сохранении малого уровня оптических потерь, высоких параметров ДЛП и возможности использования технологии сплавных направленных ответвителей для ввода и вывода оптических сигналов.
Признаки, используемые для характеристики изобретения
Основным признаком, характеризующим изобретение, является конструкция световодов, сохраняющих линейное состояние поляризации (типа ПАНДА или других известных типов), в которой световедущая сердцевина изготовлена из кварцевого стекла, легированного азотом, концентрация которого в стекле сердцевины лежит в диапазоне от 0,01 до 10 ат.%.
Краткое описание чертежей (если они содержатся в заявке)
На чертеже 1 представлен вид поперечного сечения радиационно стойкого оптоволокна типа ПАНДА. Сердцевина (1) диаметром 6 мкм состоит из кварцевого стекла, легированного азотом. Напрягающие области (2) из боросиликатного стекла расположены по обе стороны от сердцевины на расстоянии 20 микрон от оси. Волокно (3) из кварцевого стекла имеет внешний диаметр 125 микрон.
На чертеже 2 изображено поперечное сечение радиационно стойкого оптоволокна с эллиптической сердцевиной (4) из кварцевого стекла, легированного азотом, и оболочкой (5) из нелегированного кварцевого стекла.
Осуществление изобретения
Как может быть осуществлено изобретение с реализацией указанного заявителем назначения.
Пример реализации 1. Методом плазмохимического осаждения синтезируется заготовка с сердцевиной из кварцевого стекла, легированного 1 ат.% азота. В полученной заготовке в плоскости, содержащей ось заготовки, симметрично относительно оси высверливаются два продольных отверстия диаметром 3-4 мм на расстоянии 9-12 мм друг от друга. В просверленные отверстия закладываются стержни из боросиликатного стекла. Полученная сборка перетягивается в волоконный световод.
Пример реализации 2. Синтезируется цилиндрическая заготовка с сердцевиной из кварцевого стекла, легированного азотом, как в примере 1. Полученная заготовка отшлифовывается с двух противолежащих сторон вдоль оси на глубину 3-4 мм. Затем заготовка прогревается горелкой до размягчения и под действием сил поверхностного натяжения вновь принимает цилиндрическую форму. В результате сердцевина заготовки становится эллиптичной. Полученная заготовка перетягивается в волоконный световод.