ОДНОМОДОВЫЙ ДВУХСЛОЙНЫЙ КРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ИНФРАКРАСНЫЙ СВЕТОВОД
SINGLE-MODE DOUBLE-LAYER CRYSTALLINE INFRARED LIGHT-GUIDE

Изобретение относится к волоконно-оптическим системам связи, а именно к одномодовым двухслойным кристаллическим инфракрасным (ИК) световодам для спектрального диапазона от 2 до 50 мкм.
Известно, что в многомодовом двухслойном волокне межмодовая дисперсия существенно ограничивает его информационную пропускную способность. Для ее устранения волокно необходимо проектировать таким образом, чтобы в нем распространялась только одна мода [Дж.Гауэр. Оптические системы связи. Перевод с английского под редакцией А.И.Ларкина. - М.: Радио и связь, 1989, с.141]. Для решения данного условия необходим определенный химический состав сердцевины и оболочки световода, т.е. числовые значения показателей преломления, которые соответствуют этим составам. Причем состав сердцевины световода должен иметь показатель преломления больше, чем у оболочки [Дж.Гауэр. Оптические системы связи. Перевод с английского под редакцией А.И.Ларкина. - М.: Радио и связь, 1989, с.52]. Поэтому для изготовления методом экструзии одномодовых двухслойных кристаллических инфракрасных световодов применяются кристаллы твердых растворов одной и той же системы, но с различным соотношением макрокомпонентов, т.е. изменяющимися показателями преломления.
Известен одномодовый кристаллический инфракрасный световод [Патент РФ №2340921 от 10.12.2008 авторов Жуковой Л.В., Жукова В.В., Примерова Н.В., Чазова А.И., Корсакова А.С.], сердцевина и оболочка которого изготовлены из кристаллов на основе твердых растворов хлорид-бромида серебра различного состава. Недостатком световодов является светочувствительность, особенно к ультрафиолетовому и радиационному излучению, а также происходит процесс диффузии на границе сердцевина-оболочка, что приводит к ухудшению оптических свойств. Кроме того, ИК-световоды работают в ограниченной области ИК-диапазона спектра, т.е. от 3 до 30 мкм.
Наиболее близким техническим решением является одномодовый двухслойный кристаллический инфракрасный световод [Патент РФ №2340920 от 10.12.2008 авторов Жуковой Л.В., Чазова А.И., Примерова Н.В., Корсакова А.С., Жукова В.В.], сердцевина которого имеет диаметр 15-45 мкм и выполнена из твердых растворов хлорид-бромида серебра, легированных йодидом одновалентного таллия при определенных соотношениях ингредиентов, а оболочка диаметром 0,7-1,0 мм выполнена из твердых растворов хлорид-бромида серебра определенного состава. Но световод используется в спектральном диапазоне до 30 мкм. Поэтому возникает задача по созданию ИК-световодов для работы в более широком спектральном диапазоне до 50 мкм.
0,46
0,54
Задачей изобретения является получение одномодовых двухслойных кристаллических инфракрасных световодов на основе бромида серебра, содержащего более тяжелый по молекулярной массе твердый раствор бромид-йодида одновалентного таллия (TlBrI), что позволяет расширить рабочий спектральный диапазон световодов в длинноволновую область, т.е. от 2 до 50 мкм.
0,46
0,54
Поставленная задача решается за счет того, что одномодовый двухслойный кристаллический инфракрасный световод имеет сердцевину диаметром 12-250 мкм, которая выполнена из кристаллов на основе бромида серебра, содержащего твердый раствор бромид-йодида одновалентного таллия (TlBrI), при следующем соотношении компонентов, мас.%:
бромид серебра
- 98,8-65,0
твердый раствор (TlBr<sub>0,46</sub>I<sub>0,54</sub>)
- 1,2-35,0,
а оболочка диаметром 0,6-1,1 мм выполнена из кристаллов на основе тех же материалов при следующем соотношении компонентов, мас.%:
бромид серебра
- 99,0-69,5
твердый раствор (TlBr<sub>0,46</sub>I<sub>0,54</sub>)
- 1,0-30,5,
что позволяет получать двухслойные инфракрасные световоды, работающие в одномодовом режиме на длинах волн от 2 до 50 мкм.
Преимущества перед прототипом
0,46
0,54
Введение в кристаллическую решетку бромида серебра радиационно-стойких и тяжелых по молекулярной массе твердых растворов на основе галогенидов одновалентного таллия (TlBrI) позволяет:
1. Расширить диапазон прозрачности ИК-световодов в дальнюю инфракрасную область спектра до 50 мкм (в прототипе до 30).
2. Повысить устойчивость ИК-световодов к радиационному, ультрафиолетовому, видимому и инфракрасному излучениям в 5-10 раз, по сравнению с прототипом.
3. Получать ИК-световоды нанокристаллической структуры, благодаря чему становится возможным свести к минимуму величину пустот между зернами, что, в свою очередь, обеспечивает минимальную величину оптических потерь. Например, на длине волны 10,6 мкм они составляют 0,05 дБ/м, по сравнению с прототипом - 0,1-0,5 дБ/м.
0,46
0,54
Сущность изобретения состоит в том, что новый одномодовый двухслойный кристаллический инфракрасный световод получен методом экструзии из вновь разработанных кристаллов на основе AgBr и твердого раствора TlBrI. Сердцевина световода диаметром 10-250 мкм выполнена из указанных кристаллов состава в мас.%:
бромид серебра
- 98,8-65,0;
твердый раствор (TlBr<sub>0,46</sub>I<sub>0,54</sub>)
- 1,2-35,0
и помещена в оболочку диаметром 0,6-1,1 мм, изготовленную из кристаллов на основе тех же материалов, содержащую в мас.%:
бромид серебра
- 99,0-60,5;
твердый раствор (TlBr<sub>0,46</sub>I<sub>0,54</sub>)
- 1,0-39,5,
что позволяет получать двухслойный инфракрасный световод, в котором распространяется одна мода.
Пример 1
Для работы на длине волны 2 мкм изготовили методом экструзии двухслойный ИК-световод с сердцевиной диаметром 10 мкм и составом в мас.%:
бромид серебра
- 98,8;
твердый раствор (TlBr<sub>0,46</sub>I<sub>0,54</sub>)
- 1,2.
Оболочка диаметром 0,6 мм имеет состав, мас.%:
бромид серебра
- 99,0;
твердый раствор (TlBr<sub>0,46</sub>I<sub>0,54</sub>)
- 1,0.
При этом показатель преломления сердцевины составляет 2,218, а оболочки - 2,215 при нормализованной частоте, равной 2,2 при работе на длине волны 2,0 мкм, угле ввода электромагнитного излучения 13° и числовой апертуре NA=0,117.
При сканировании торца световода вид выходящего излучения соответствует гауссовскому распределению энергии. Это свидетельствует о наличии моды низшего порядка и подтверждает одномодовый режим работы изготовленного кристаллического ИК-световода [S.Shalem, A.Tsun, E.Rave and et. al. Silver halide single-mode fibers for the middle infrared. Applied physics letters 87, 091103 (2005)].
Пример 2
Методом экструзии изготовили двухслойный ИК-световод с сердцевиной диаметром 100 мкм для работы на длине волны 10,6 мкм следующего состава в мас.%:
бромид серебра
- 80,0;
твердый раствор (TlBr<sub>0,46</sub>I<sub>0,54</sub>)
- 20,0.
Оболочка диаметром 0,9 мм имеет состав, мас.%:
бромид серебра
- 80,5;
твердый раствор (TlBr<sub>0,46</sub>I<sub>0,54</sub>)
- 19,5.
При нормализованной частоте, равной 2,2 и работе ИК-световода на длине волны 10,6 мкм, показатель преломления сердцевины составляет 2,289, а оболочки - 2,276. Угол ввода электромагнитного излучения составляет 28°, числовая апертура NA=0,239.
При сканировании торца световода вид выходящего излучения соответствует гауссовскому распределению энергии, как в примере 1.
Пример 3
Изготовили двухслойный ИК-световод с сердцевиной диаметром 250 мкм и составом в мас.%:
бромид серебра
- 65,0;
твердый раствор (TlBr<sub>0,46</sub>I<sub>0,54</sub>)
- 35,0.
Оболочка диаметром 1,0 мм имеет состав, мас.%:
бромид серебра
- 69,5;
твердый раствор (TlBr<sub>0,46</sub>I<sub>0,54</sub>)
- 30,5.
Световод предназначен для работы на длине волны 50,0 мкм. Показатель преломления сердцевины равен 2,305, а оболочки - 2,301. Нормализованная частота равна 2,2, угол ввода электромагнитного излучения в сердцевину световода равен 16°, числовая апертура NA=0,140.
При сканировании торца световода, как и в первом примере, профиль выходящего излучения соответствует нормальному гауссовскому распределению энергии, что подтверждает одномодовый режим работы.
Пример 4
0,46
0,54
Изготовили двухслойный ИК-световод с сердцевиной 8 мкм и содержанием твердого раствора (TlBrI) в бромиде серебра 1,0 мас.%, а в оболочке - менее 0,8 мас.% твердого раствора в бромиде серебра. Но такой ИК-световод прозрачен в спектральном диапазоне от 2 до 25 мкм.
Изготовить одномодовый двухслойный ИК-световод с сердцевиной состава в мас.%:
бромид серебра
- 60,0;
твердый раствор (TlBr<sub>0,46</sub>I<sub>0,54</sub>)
- 40,0
не удается, так как кристалл такого состава вырастает блочным и распадается по границам блоков.
0,46
0,54
Технический результат позволяет получать одномодовый двухслойный кристаллический инфракрасный световод определенного химического состава сердцевины и оболочки (с показателями преломления от 2,215 до 2,305), которые изготовлены из новых кристаллов на основе бромида серебра, содержащего твердый раствор бромид-йодида одновалентного таллия (TlBrI). Наличие в кристалле радиационно-стойких галогенидов одновалентного таллия позволяет расширить диапазон пропускания ИК-световодов до 50 мкм и повысить их фотостойкость в 5-10 раз по сравнению с прототипом.