ВОЛОКНО С ЛЕГИРОВАННОЙ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ СЕРДЦЕВИНОЙ И МНОГОСЛОЙНОЙ ОБОЛОЧКОЙ, ВОЛОКОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ И ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР
FIBRE WITH RARE-EARTH ELEMENT-DOPED CORE AND MULTILAYER CLADDING, FIBRE AMPLFIER AND FIBRE LASER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к области волоконных усилителей или волоконных лазеров в технике усиления света или генерации света, в которой излучение накачки вводится в волокно с многослойной оболочкой, и выдается световой сигнал после его усиления или лазерной генерации сигнала посредством вынужденного излучения, вызванного излучением накачки, и, в частности, относится к волокнам с легированной редкоземельным элементом сердцевиной и многослойной оболочкой со структурой, в которой излучение накачки с высокой эффективностью связано с сердцевиной волокна с многослойной оболочкой при ограничении спиральных лучей, и со структурой, в которой внешний диаметр волокна легко регулируется в процессе вытягивания волокна и внешний диаметр волокна является устойчивым, и к высокоэффективным по своим рабочим характеристикам и недорогим волоконным усилителям и волоконным лазерам, которые используют это волокно. Приоритет испрашивается на основании Заявки на Патент Японии №2007-220891, поданной 28 августа 2007, содержание которой включено в данное описание посредством ссылки.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Для волоконных усилителей или волоконных лазеров, которые усиливают или на основе лазерного принципа генерируют световой сигнал при помощи легированного редкоземельным элементом оптического волокна, имеется возрастающая потребность в повышении выходной мощности волоконного усилителя или волоконного лазера. Как один из способов достижения высокой выходной мощности, был предложен способ, в котором волноводная структура легированного редкоземельным элементом оптического волокна, выполняющего роль усиливающей среды, сформирована в виде структуры с многослойной оболочкой, такой как структура с двойной оболочкой или структура с тройной оболочкой, в которой обеспечивается набор концентрических круговых волноводных структур. Этот способ внес свой вклад в повышение выходной мощности волоконных усилителей и волоконных лазеров.
На фиг.1 представлен пример профиля показателя преломления в поперечном сечении волокна, имеющего структуру обычных легированных редкоземельным элементом оптических волокон с двойной оболочкой. Волокно с двойной оболочкой в этом примере имеет легированную редкоземельным элементом сердцевину 1, внутреннюю оболочку 2, окружающую внешнюю границу сердцевины 1, и внешнюю оболочку 3, которая окружает внутреннюю оболочку 2. Сердцевина 1, легированная редкоземельным элементом, имеет наибольшее значение показателя преломления. Вокруг ее внешней границы расположена внутренняя оболочка 2, показатель преломления которой меньше показателя преломления сердцевины 1. Далее снаружи от внутренней оболочки 2 расположена внешняя оболочка 3, показатель преломления которой меньше показателя преломления внутренней оболочки 2. Обычно снаружи от внешней оболочки 3 располагается защитное покрытие 4, выполненное из полимера, такого как отверждаемая УФ-излучением смола, предназначенное для защиты волокна.
В некоторых случаях использования структуры с многослойной оболочкой, внутренняя оболочка включает в себя набор слоевых структур (см. Патентный Документ 6). В качестве примера на фиг.14A и фиг.14B представлено волокно, имеющее обычную структуру с тройной оболочкой. Фиг.14A представляет поперечное сечение волокна, имеющего структуру с тройной оболочкой, а фиг.14B представляет чертеж, на котором показан профиль показателя преломления в поперечном сечении волокна. Волокно имеет структуру, в которой предусмотрены круговые первая оболочка 2A, вторая оболочка 2B и третья оболочка (внешняя оболочка 3), располагающиеся в указанном порядке концентрически вокруг сердцевины 1, легированной редкоземельным элементом, а также расположенное снаружи от них защитное покрытие 4.
В усилителе или лазерном генераторе, который использует в качестве усиливающей среды легированное редкоземельным элементом волокно, имеющее структуру с многослойной оболочкой (ниже в данном описании именуемое волокном с легированной редкоземельным элементом сердцевиной и многослойной оболочкой), присутствует спиральная мода излучения накачки, которая распространяется во внутренней оболочке и является одним из факторов, ограничивающих эффективность усиления (или лазерной генерации). Например, спиральная мода подробно описана в Патентном Документе 2. Из-за спиральной моды излучение накачки, которое должно использоваться, посредством его поглощения легирующими сердцевину ионами редкоземельных элементов, для усиления светового сигнала, распространяется по волокну так, что оно проходит по внутренней оболочке в волноводном режиме, не пересекая сердцевину. По этой причине возникают проблемы, связанные с необходимостью делать волокно длиннее для достижения требуемого усиления, с уменьшением эффективности усиления, и им подобные. Более того, так как возмущения (изгиб, кручение и им подобные) сильно влияют на спиральную моду, то в случаях, когда велика вероятность спиральной моды, возникает проблема нестабильности выходного сигнала.
Для противодействия спиральной моде были предложены различные способы. Например, был предложен способ уменьшения влияния спиральной моды посредством сдвига центральных осей сердцевины и оболочки (структура с эксцентрической сердцевиной, см. Патентный Документ 1) и способ уменьшения самой спиральной моды посредством обеспечения некругового участка на внешней границе внутренней оболочки (D-образная структура, см. Патентный Документ 3) или обеспечения полностью некруговой внешней границы внутренней оболочки (многоугольная структура, см. Патентный Документ 2 и Документ, Не Являющийся Патентным, 1). Среди этих способов, структура с многоугольной оболочкой является наилучшей структурой с точки зрения изготовления, и данный способ является эффективным.
[Патентный Документ 1] Нерассмотренная Заявка на Патент Японии, Первая Публикация №H01-260405.
[Патентный Документ 2] Опубликованный Японский Перевод №H10-503885 Международной Публикации PCT.
[Патентный Документ 3] Опубликованный Японский Перевод №H10-510104 Международной Публикации PCT.
[Патентный Документ 4] Нерассмотренная Заявка на Патент Японии, Первая Публикация №H06-206734.
[Патентный Документ 5] Нерассмотренная Заявка на Патент Японии, Первая Публикация №H08-319129.
[Патентный Документ 6] Международная Публикация PCT №WO 2006-017802.
[Непатентный Документ, 1] M.H.Muendel, CLEO, '96 CTuU2.
[Непатентный Документ, Не Являющийся Патентным, 2] http://www.keyence.co.jp /henni/sokuteiki/index.jsp.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ПРОБЛЕМЫ, РЕШАЕМЫЕ ПОСРЕДСТВОМ ДАННОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Однако при использовании обычных методик, описанных выше, имеют место трудности, главным образом связанные с изготовлением волокна с легированной редкоземельным элементом сердцевиной и многослойной оболочкой, и до настоящего времени не удалось изготовить волокно с требуемой структурой по приемлемой цене.
Во-первых, в случае волокна с эксцентрической сердцевиной, раскрытого в Патентном Документе 1, имеются трудности с изготовлением заготовки для волокна. Это связано с тем, что обычные условия изготовления заготовок для волокна (включая VAD-метод или MCVD-метод, OVD-метод, PCVD-метод и им подобные), при которых заготовка изготавливается коаксиальной, не согласуются с требованием эксцентричности, так что, для того чтобы реализовать оба требования, необходимо выполнять эксцентрическое шлифование заготовки.
Также трудности при изготовлении имеют место для D-образной структуры, раскрытой в Патентном Документе 3, и для многоугольной структуры, раскрытой в Патентном Документе 2 и в Непатентном Документе 1, так что изготовление волокна требуемой структуры по низкой цене не было реализовано.
Настоящее изобретение было разработано с учетом вышеприведенных обстоятельств, и имеет целью предложить волокно с легированной редкоземельным элементом сердцевиной и многослойной оболочкой для оптических усилителей и волоконных лазеров, которое, будучи недорогим, имеет низкий уровень спиральной моды.
СРЕДСТВО РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ
Для достижения данной цели согласно одному аспекту настоящего изобретения предусмотрено волокно с легированной редкоземельным элементом сердцевиной и многослойной оболочкой, которое включает в себя: сердцевину, содержащую редкоземельный элемент; внутреннюю оболочку, которая окружает сердцевину; и внешнюю оболочку, которая окружает внутреннюю оболочку, в котором: внешняя оболочка представляет собой оболочку из полимера; и внутренняя оболочка имеет многоугольное поперечное сечение, которое не обладает вращательной симметрией второго порядка, так что форма границы между внутренней оболочкой и внешней оболочкой является многоугольной и не обладает вращательной симметрией второго порядка.
Для волокна с легированной редкоземельным элементом сердцевиной и многослойной оболочкой, представленного в настоящем изобретении, предпочтительным является, чтобы разность между максимальным внешним диаметром и минимальным внешним диаметром многоугольного поперечного сечения внутренней оболочки составляла не более 6% от среднего внешнего диаметра; и чтобы многоугольное поперечное сечение внутренней оболочки имело не более 15 сторон.
Для волокна с легированной редкоземельным элементом сердцевиной и многослойной оболочкой, представленного в настоящем изобретении, предпочтительным является, чтобы поперечное сечение многоугольной внутренней оболочки по существу имело форму правильного многоугольника, имеющего пять или более сторон.
Для волокна с легированной редкоземельным элементом сердцевиной и многослойной оболочкой, представленного в настоящем изобретении, предпочтительным является, чтобы правильный многоугольник был пятиугольником, семиугольником или девятиугольником.
Для волокна с легированной редкоземельным элементом сердцевиной и многослойной оболочкой, представленного в настоящем изобретении, предпочтительным является, чтобы волокно содержало, по меньшей мере, один элемент из Yb или Er в качестве редкоземельного элемента.
Для волокна с легированной редкоземельным элементом сердцевиной и многослойной оболочкой, представленного в настоящем изобретении, предпочтительным является, чтобы волокно с многослойной оболочкой являлось волокном с двойной оболочкой.
Также настоящее изобретение предусматривает волоконный усилитель, в котором вышеупомянутое волокно с легированной редкоземельным элементом сердцевиной и многослойной оболочкой является усиливающей свет средой.
Также настоящее изобретение предусматривает волоконный лазер, в котором вышеупомянутое волокно с легированной редкоземельным элементом сердцевиной и многослойной оболочкой является усиливающей свет средой.
ПРЕИМУЩЕСТВА ДАННОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Так как для представленного в настоящем изобретении волокна с легированной редкоземельным элементом сердцевиной и многослойной оболочкой форма границы между внутренней оболочкой и внешней оболочкой не обладает вращательной симметрией второго порядка, то представляется возможным улучшить регулировку внешнего диаметра внутренней оболочки в процессе изготовления заготовки волокна для вытягивания волокна. В результате имеется возможность получить волокно с легированной редкоземельным элементом сердцевиной и многослойной оболочкой, имеющее отличные свойства в части ограничения спиральной моды, стоимость изготовления которого невысока.
Также рассматриваемые в настоящем изобретении волоконный усилитель и волоконный лазер включают в себя в качестве усиливающей свет среды представленное в настоящем изобретении волокно с легированной редкоземельным элементом сердцевиной и многослойной оболочкой, которое имеет отличные свойства в плане ограничения спиральной моды и стоимость изготовления которого невысока. В результате становится возможным получить недорогой волоконный усилитель или волоконный лазер.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 представляет собой схему, на которой представлен пример профиля показателя преломления в поперечном сечении волокна, имеющего обычную структуру с двойной оболочкой.
Фиг.2A представляет собой вид поперечного сечения одного из вариантов осуществления волокна с легированной редкоземельным элементом сердцевиной и многослойной оболочкой, представленного в данном изобретении.
Фиг.2B представляет собой схему, на которой показан профиль показателя преломления для оптического волокна, представленного на фиг.2A.
Фиг.3 представляет собой схематическое изображение, показывающее типичный способ измерения внешнего диаметра оптического волокна во время процесса вытягивания.
Фиг.4A представляет собой схематическое изображение, показывающее пример способа измерения внешнего диаметра оптического волокна, имеющего квадратное сечение, во время процесса вытягивания.
Фиг.4B представляет собой схематическое изображение, показывающее пример способа измерения внешнего диаметра оптического волокна, имеющего квадратное сечение, во время процесса вытягивания.
Фиг.5 представляет собой вид в поперечном сечении треугольного волокна с двойной оболочкой.
Фиг.6 представляет собой вид в поперечном сечении квадратного волокна с двойной оболочкой.
Фиг.7 представляет собой график угловой зависимости внешнего диаметра для треугольного волокна с двойной оболочкой.
Фиг.8 представляет собой график угловой зависимости внешнего диаметра для квадратного волокна с двойной оболочкой.
Фиг.9 представляет собой график угловой зависимости внешнего диаметра для семиугольного волокна с двойной оболочкой.
Фиг.10 представляет собой график, показывающий зависимость между числом сторон поперечного сечения многоугольного оптического волокна и величиной колебаний внешнего диаметра при изменении угла.
Фиг.11 представляет собой вид в поперечном сечении семиугольного волокна с двойной оболочкой, изготовленного в Примере 1.
Фиг.12 представляет собой график, показывающий результат Примера 1, на котором представлено сравнение зависимостей поглощения от длины волокна для случаев семиугольного волокна с двойной оболочкой и кругового волокна с двойной оболочкой (пример для сравнения).
Фиг.13 представляет собой график, показывающий результат Примера 1, на котором представлено сравнение устойчивости внешнего диаметра для случаев семиугольного волокна с двойной оболочкой и шестиугольного волокна с двойной оболочкой (пример для сравнения).
Фиг.14A представляет собой вид в поперечном сечении волокна с тройной оболочкой.
Фиг.14B представляет собой схему, на которой показан профиль показателя преломления в поперечном сечении оптического волокна, представленного на фиг.14A.
ОПИСАНИЕ ОБОЗНАЧЕНИЙ ПОЗИЦИЙ
1, 5, 15, 19, 23 СЕРДЦЕВИНА.
2, 2A, 2B, 16, 20, 24 ВНУТРЕННЯЯ ОБОЛОЧКА.
3, 17, 21 НАРУЖНАЯ ОБОЛОЧКА.
4, 9 ЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ.
6 ПЕРВАЯ ОБОЛОЧКА (ВНУТРЕННЯЯ ОБОЛОЧКА).
7 ВТОРАЯ ОБОЛОЧКА (ВНУТРЕННЯЯ ОБОЛОЧКА).
8 ТРЕТЬЯ ОБОЛОЧКА (ВНЕШНЯЯ ОБОЛОЧКА).
10, 14 ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО.
11 ЛАЗЕРНЫЙ ИСТОЧНИК.
12 ДЕТЕКТОР.
13 СВЕТ ЛАЗЕРА.
18 ТРЕУГОЛЬНОЕ ВОЛОКНО С ДВОЙНОЙ ОБОЛОЧКОЙ.
22 КВАДРАТНОЕ ВОЛОКНО С ДВОЙНОЙ ОБОЛОЧКОЙ.
26 СЕМИУГОЛЬНОЕ ВОЛОКНО С ДВОЙНОЙ ОБОЛОЧКОЙ.
ЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже будет описан вариант осуществления настоящего изобретения при рассмотрении прилагаемых чертежей.
Фиг.2A и 2B представляют первый вариант осуществления волокна с легированной редкоземельным элементом сердцевиной и многослойной оболочкой в соответствии с настоящим изобретением, причем на фиг.2A представлен вид в поперечном сечении волокна с легированной редкоземельным элементом сердцевиной и многослойной оболочкой, и фиг.2B показывает профиль показателя преломления в поперечном сечении этого оптического волокна. Волокно с легированной редкоземельным элементом сердцевиной и многослойной оболочкой, представленное в настоящем варианте осуществления, имеет структуру, в которой предусмотрена первая оболочка 6, расположенная концентрически снаружи легированной редкоземельным элементом сердцевины 5, предусмотрена вторая оболочка 7, имеющая сечение в форме правильного семиугольника и расположенная снаружи первой оболочки 6, предусмотрена изготовленная из полимера и имеющая круговое поперечное сечение третья оболочка 8, которая является крайней снаружи оболочкой и расположена снаружи второй оболочки 7, и предусмотрено защитное покрытие 9, расположенное снаружи описанных элементов.
Помимо легирующей примеси, повышающей показатель преломления, сердцевина 5 также легирована редкоземельным элементом. Область легирования редкоземельным элементом может представлять собой всю сердцевину 5 или может представлять собой часть сердцевины 5. Более того, часть первой оболочки 6 может быть легирована редкоземельным элементом. Волноводная структура формируется посредством повышения показателя преломления сердцевины 5 по сравнению с его значением для окружающей оболочки 6. В этой волноводной структуре распространяются затравочный свет, который необходимо усилить, усиленный световой сигнал, сгенерированный лазерный свет и им подобные. В роли легирующих примесей, повышающих показатель преломления, могут выступать Ge, Al, P и им подобные. Они могут использоваться совместно друг с другом или совместно с F, B и им подобными. Первая оболочка 6 и вторая оболочка 7 составляют внутреннюю оболочку, и третья оболочка 8 составляет внешнюю оболочку.
Редкоземельный элемент, легирующий сердцевину 5, выбирается в зависимости от длины волны накачки, длины волны усиления и длины волны лазерной генерации. Er используется для получения выходного сигнала с длиной волны 1550 нм, которая используется в оптических средствах связи, и Yb используется для получения выходного сигнала с длиной волны 1060 нм, используемой в обработке материалов. Кроме того, могут добавляться Tm, Bi, Cr, Ce, Nd, Eu или им подобные. Также наряду с легированием одним редкоземельным элементом, для того чтобы избежать ап-конверсии или получить повышение чувствительности посредством совместного легирования, в некоторых случаях используется совместное легирование двумя или более редкоземельными элементами. Также Ge, Al, P, F, B и им подобные и их комбинации обычно используются в качестве добавок, регулирующих показатель преломления. Кроме того, возможно использование в качестве добавок Ti, Bi, Cl и им подобных. Также одновременно может быть использована диспергирующая добавка к редкоземельному элементу. Подходящими диспергирующими добавками, отличными от вышеупомянутых, являются Cr, Ga, In, As, Sb и им подобные.
Как правило, профиль показателя преломления сердцевины 5 представляет собой ступенчатый профиль, причем показатель преломления сердцевины постоянен, однако в зависимости от требований к оптическим характеристикам сердцевины 5, определяемым показателем преломления сердцевины 5, могут быть использованы различные профили показателя преломления, такие как профили типа двойной конфигурации, типа сегментированной сердцевины и кольцевого типа. Более того, хотя сердцевина 5 обычно используется в одномодовом режиме, возможен также и многомодовый режим, и она также может иметь структуру для эффективно одномодового режима такую, что моды высокого порядка удаляются посредством изгиба (хотя световод имеет многомодовую структуру).
Так как предпочтительным с точки зрения стоимости является, чтобы конфигурация оболочки была настолько простой насколько возможно, то для волокна с легированной редкоземельным элементом сердцевиной и многослойной оболочкой в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно, чтобы многослойная оболочка была двойной оболочкой или тройной оболочкой. В случаях, когда к характеристикам не предъявляется специфических требований, предпочтительна простая двойная оболочка, однако при наличии требований к характеристикам могут использоваться тройная оболочка и оболочка с большим числом слоев (четырехслойная оболочка). Оптимальную структуру можно выбрать соответствующим образом, принимая во внимание эти требования к характеристикам и стоимость. Настоящий вариант реализации представляет пример волокна, у которого сердцевина 5, первая оболочка 6 и вторая оболочка 7 изготовлены из материала на основе кварцевого стекла, однако настоящее изобретение не ограничивается этим вариантом.
Излучение накачки, возбуждающее редкоземельный элемент для усиления светового сигнала, распространяется в первой оболочке 6 и второй оболочке 7 (внутренней оболочке в случае волокна с двухслойной оболочкой). Первая оболочка 6 и вторая оболочка 7 также имеют волноводные структуры, так как третья оболочка 8 с меньшим показателем преломления расположена снаружи от них. Посредством введения излучения накачки в первую оболочку 6 и вторую оболочку 7, но не в сердцевину 5, возможно увеличить для излучения накачки площадь сечения, по которому излучение распространяется, в результате чего уменьшается плотность мощности излучения накачки, и становится возможным избежать оптического повреждения волокна излучением накачки. Поэтому появляется возможность вводить в волокно с легированной редкоземельным элементом сердцевиной и многослойной оболочкой большее количество излучения накачки и становится возможным получить более высокую мощность излучения на выходе без разрушения волокна.
Имеется множество способов создания разницы в показателях преломления между второй оболочкой 7 и третьей оболочкой 8 (в случае волокна с двойной оболочкой между внутренней оболочкой и внешней оболочкой). Во вторую оболочку 7 может быть введена легирующая примесь, повышающая показатель преломления, или между второй оболочкой 7 и третьей оболочкой 8 может быть предусмотрена пористая оболочка, в которой в стекло, являющееся материалом волокна, введены поры так, чтобы заметно уменьшить показатель преломления. Чаще всего снаружи от второй оболочки 7 предусматривается полимерный материал с показателем преломления, меньшим, чем у второй оболочки 7. Так как этот являющийся материалом для внешней оболочки полимер обладает отличными свойствами с точки зрения производительности и имеет низкую стоимость изготовления, становится возможным получить недорогое волокно.
В настоящем варианте осуществления волокна с легированной редкоземельным элементом сердцевиной и многослойной оболочкой форма границы между второй оболочкой 7, являющейся второй снаружи оболочкой, и третьей оболочкой 8, являющейся крайней снаружи оболочкой, представляет собой правильный семиугольник, который не обладает вращательной симметрией второго порядка. Посредством этого становится возможным подавить спиральную моду в волокне, улучшить контролируемость внешней формы второй оболочки 7 и достичь низкой стоимости производства.
Улучшение контролируемости внешнего диаметра в случае, когда граница между второй снаружи оболочкой и крайней снаружи оболочкой не обладает вращательной симметрией второго порядка, будет описано на примере правильного многоугольника.
Многоугольник с минимальным числом сторон, у которого форма границы между второй снаружи оболочкой и крайней снаружи оболочкой обладает вращательной симметрией второго порядка, представляет собой квадрат, в то время как многоугольник с минимальным числом сторон, у которого форма этой границы не обладает вращательной симметрией второго порядка, является треугольником. Фиг.5 представляет собой вид в поперечном сечении треугольного волокна 18 с двойной оболочкой, в котором снаружи от сердцевины 15 предусмотрена внутренняя оболочка 16, имеющая треугольное поперечное сечение, и снаружи от внутренней оболочки 16 предусмотрена внешняя оболочка 17. Также Фиг.6 представляет вид в поперечном сечении квадратного волокна 22 с двойной оболочкой, у которого снаружи от сердцевины 19 предусмотрена внутренняя оболочка 20, имеющая квадратное поперечное сечение, и снаружи от внутренней оболочки 20 предусмотрена внешняя оболочка 21.
Фиг.3, 4A и 4B представляют собой схематические изображения, иллюстрирующие способ измерения внешнего диаметра оптических волокон 10 и 14, причем фиг.3 представляет случай оптического волокна 10, имеющего круговое поперечное сечение, фиг.4A представляет случай измерения максимального внешнего диаметра оптического волокна 14, имеющего квадратное поперечное сечение, и фиг.4B представляет случай измерения минимального внешнего диаметра оптического волокна 14, имеющего квадратное поперечное сечение. На этих фигурах цифровая позиция 10 обозначает оптическое волокно с круговым поперечным сечением, 11 обозначает лазерный источник, 12 обозначает детектор, 13 обозначает лазерный свет и 14 обозначает оптическое волокно с квадратным поперечным сечением. При этом способе измерения внешнего диаметра оптические волокна 10 и 14 располагают между лазерным источником 11, который излучает лазерный свет 13, имеющий форму полосы или форму плоскости, и детектором 12, который принимает лазерный свет 13. Внешний диаметр A оптического волокна 10 или 14 измеряется посредством определения участка, на котором лазерный свет перекрывается. Как показано на фиг.4A и 4B, в случае измерения внешнего диаметра волокна с сечением в форме многоугольника возникает угловая зависимость, при которой внешний диаметр поперечного сечения оказывается различным для разных углов, под которыми оно наблюдается.
На фиг.7 представлена такая угловая зависимость для случая измерения внешнего диаметра оптического волокна с треугольным поперечным сечением, и на фиг.8 представлена угловая зависимость для случая измерения внешнего диаметра оптического волокна с квадратным поперечным сечением; эти зависимости получены с помощью способа измерения внешнего диаметра, показанного на фиг.3-4B. В данном случае радиус окружности, описанной вокруг многоугольного поперечного сечения, нормирован на единицу. Для правильного многоугольника выполняется: чем меньше число сторон, тем сильнее ограничение спиральной моды. На уровне концепции это можно представить так, что чем сильнее форма отклоняется от круговой, тем больше ограничивается спиральная мода (точный расчет можно провести, используя метод построения хода лучей или ему подобные). Соответственно, при треугольном поперечном сечении возможно более эффективное ограничение спиральной моды, чем при квадратном поперечном сечении. С другой стороны, с точки зрения контролируемости внешнего диаметра, внешний диаметр более устойчив в случае, когда разность между максимальным диаметром и минимальным диаметром на угловой зависимости внешнего диаметра (точнее отношение этой разности к среднему внешнему диаметру) меньше. В случаях треугольника и квадрата отношение разности между максимальным диаметром и минимальным диаметром к среднему диаметру составляет 27% и 37% соответственно. Поэтому контролируемость внешнего диаметра лучше для треугольного поперечного сечения. Соответственно, ограничение спиральной моды и устойчивость внешнего диаметра лучше в случае, когда поперечное сечение является треугольным. В этом состоит преимущество не обладающей вращательной симметрией второго порядка формы границы между второй снаружи оболочкой и крайней снаружи оболочкой.
Далее будет дано описание операции преобразования заготовки волокна в волокно с требуемой структурой и описание низкой технологичности обычных волокон, раскрытых в упомянутых выше Патентных Документах 1-3. Отметим, что при реальном производстве в большинстве случаев углы многоугольника несколько скругляются из-за того, что производственный процесс включает в себя этап нагревания. Также, что касается правильной формы многоугольника, могут иметь место небольшие отклонения от правильного многоугольника, связанные с точностью обработки, но такое несовпадение с теоретическими формами не влияет на контролируемость спиральной моды и на устойчивость внешнего диаметра. Соответственно, достаточно, чтобы это был только многоугольник по существу или правильный многоугольник по существу и, более того, понятие многоугольника по существу или правильного многоугольника по существу также включает в себя многоугольники с производственными отклонениями.
Заготовка волокна представляет собой цилиндрическое стеклянное тело, которое, имея тот же профиль показателя преломления в поперечном сечении, что и волокно или участок волокна, имеет внешний диаметр в пределах от в несколько раз большего до в несколько тысяч раз большего, чем внешний диаметр волокна. В ходе производственного процесса, посредством понижения вязкости заготовки волокна в нагревательной печи и вытягивания нижнего конца заготовки снизу печи, волокно растягивается, становясь более тонким, и превращается в стекловолокно с требуемым внешним диаметром. Этот процесс называется вытягиванием волокна. Посредством регулирования различными методами температуры в печи, растягивающего усилия, скорости вытягивания, внешнего диаметра и им подобных параметров может быть получено требуемое оптическое стекловолокно. Обычно сразу после этого этапа вытягивания выполняется процедура покрытия волокна снаружи смолой или полимером и отверждения покрытия, обеспечивающая защитный слой смолы или полимерную оболочку. Используются смола или полимер, отверждающийся под действием тепла или УФ-излучения, и, таким образом, посредством размещения источника тепла или источника УФ-излучения снизу в области, через которую волокно проходит после покрытия, возможно оперативно наносить защитный слой смолы или полимерную оболочку непосредственно в процессе вытягивания волокна. Также возможно обеспечить одновременно слой полимерной оболочки и защитный слой смолы посредством их последовательного размещения.
На этом этапе вытягивания волокна основными факторами, влияющими на технологичность обычной D-образной структуры оболочек или многоугольной структуры оболочек, являются трудности, связанные с измерением внешнего диаметра и контролем внешнего диаметра волокна. Обычно при измерении/контроле внешнего диаметра волокна, когда измерение «внешнего диаметра» выполняется оперативно с помощью лазерного сканирования или подобным способом, контроль внешнего диаметра выполняется так, чтобы измеренный внешний диаметр оставался постоянным. Упоминаемый здесь внешний диаметр волокна может означать внешний диаметр, включающий полимер или смолу, или только стеклянную часть (область до внутренней оболочки) до покрытия полимером или ему подобным. Этот выбор зависит от того, что должно контролироваться наиболее точно. В случае настоящего изобретения, так как важен контроль распространения излучения накачки во внутренней оболочке (то есть в стеклянной оболочке), то важным является контроль диаметра стеклянной части. По этой причине предпочтительным является измерять и контролировать внешний диаметр стеклянной части. Непатентный документ 2 и ему подобные публикации раскрывают ряд примеров способов измерения внешнего диаметра. Также Патентный Документ 4 и Патентный Документ 5 раскрывают способы вытягивания волокна и способы измерения и контроля внешнего диаметра.
Здесь при обычном процессе вытягивания оптического волокна форма внешнего контура стекла в волокне (в случае настоящего изобретения, форма границы между второй снаружи оболочкой и крайней снаружи оболочкой) является в общем круговой. В случае волокна, имеющего круговое поперечное сечение, его внешний диаметр остается постоянным для всех углов, под которыми оно наблюдается.
Однако, например, для раскрытого в Патентном Документе 3 случая D-образной структуры оболочек внешний диаметр в области углов, соответствующей шлифованному для получения D-образной формы участку, оказывается меньшим, чем внешний диаметр для области углов, не включающей в себя этот участок. Устройство для измерения внешнего диаметра обычно закреплено в заданном положении, и внешний диаметр измеряется с одного направления (см. Патентный Документ 5). Возможно использование двух сдвинутых на 90° направлений измерения внешнего диаметра, однако, так как стоимость установки возрастает с ростом числа устройств для измерения внешнего диаметра, этот вариант не является предпочтительным для производства недорогого волокна.
С другой стороны, волокно при его вытягивании не сохраняет постоянно ориентацию под одним и тем же углом в области, где осуществляется измерение внешнего диаметра, из-за закручивания или ему подобного в процессе наматывания или вытягивания волокна, и, таким образом, в процессе вытягивания волокна имеют место изменения угла. Соответственно, угол, образуемый устройством для измерения внешнего диаметра с осью волокна, не остается постоянным с течением времени. То есть в случае вытягивания волокна, имеющего некруговое поперечное сечение, в результате изменений угла в процессе вытягивания волокна измеренная величина внешнего диаметра волокна будет ошибочно интерпретирована как изменения внешнего диаметра волокна по его длине из-за вращения (то есть, несмотря на то, что в действительности выполняется вытягивание с неизменным диаметром, будут обнаружены изменения диаметра, связанные с углом). Так как система контроля внешнего диаметра стремится регулировать внешний диаметр, основываясь на таких данных об изменениях диаметра, действительный внешний диаметр волокна в конечном итоге оказывается изменяющимся, так что возникают сложности с вытягиванием волокна постоянного диаметра.
Тот же результат получается также и в случае многоугольного волокна. В результате, так как имеют место потери на микроизгибах и длина дефектных участков вследствие несовершенства диаметра волокна становится больше из-за изменения оптических характеристик по длине, возникают проблемы, состоящие в отсутствии улучшения выхода годного волокна и возрастании стоимости волокна.
В настоящем изобретении, так как предполагается, что форма границы между второй снаружи оболочкой и крайней снаружи оболочкой не обладает вращательной симметрией второго порядка, то возможно уменьшить разность между максимальным диаметром и минимальным диаметром на угловой зависимости внешнего диаметра внутренней оболочки (точнее отношение этой разности к среднему внешнему диаметру внутренней оболочки). В результате, возможно легко контролировать внешний диаметр волокна и возможно производство волокна с хорошим выходом. Таким образом, возможно производить волокно с легированной редкоземельным элементом сердцевиной и многослойной оболочкой по умеренной цене.
Далее будут описаны требования для минимизации воздействий на контроль внешнего диаметра. По существу, желательно, чтобы отношение разности между максимальным диаметром и минимальным диаметром к среднему диаметру было меньше. В соответствии с соображениями авторов изобретения, когда эта относительная разность диаметров составляет 7% или менее, становится возможным улучшить выход по внешнему диаметру волокна, и предпочтительным является значение 3% или менее. Наоборот, даже в случае волокна, не обладающего вращательной симметрией второго порядка, когда многоугольное поперечное сечение формируется так, чтобы уменьшить относительную разность диаметров до менее чем 1%, ограничение спиральной моды оказывается недостаточным из-за близости формы внешней границы к окружности. Также в этом случае с увеличением числа сторон технология усложняется и требует большего числа человеко-часов, так что это нежелательно с точки зрения стоимости. С этой точки зрения число сторон многоугольника следует ограничить до 15 или менее.
Также, при формировании поперечного сечения в виде правильного многоугольника предпочтительным является уделять внимание простоте изготовления и простоте соединения волокон друг с другом. Также, для того, чтобы сделать отношение разности максимального диаметра и минимального диаметра к среднему диаметру, равным 7% или менее, предпочтительно использовать многоугольник с пятью или более сторонами. С другой стороны, многоугольник с 17 или более сторонами не является предпочтительным с точки зрения количества человеко-часов и подавления спиральной моды. В частности, с точки зрения подавления спиральной моды и понижения стоимости (устойчивость вытягивания волокна, обработка многоугольника) предпочтительными являются пятиугольник, семиугольник или девятиугольник. Согласно исследованиям авторов изобретения наиболее рациональной из этих форм является семиугольник. На графике на фиг.9 представлена угловая зависимость внешнего диаметра для случая семиугольного поперечного сечения. Для справки на фиг.10 представлен результат численного расчета, показывающий для каждого многоугольника отношение разности между максимальным диаметром и минимальным диаметром к среднему диаметру.
Что касается оптического усилителя или волоконного лазера, изготовленных с использованием представленного в настоящем изобретении волокна с легированной редкоземельным элементом сердцевиной и многослойной оболочкой, так как спиральная мода в оптическом волокне ограничена и стоимость снижена, они становятся высокоэффективными недорогими устройствами с высокой эффективностью усиления.
Примеры
Пример 1
Было изготовлено семиугольное волокно с двойной оболочкой, у которого форма поперечного сечения внутренней оболочки представляет собой правильный семиугольник, как показано на фиг.11. На фиг.11 цифровая позиция 23 обозначает сердцевину, 24 - внутреннюю оболочку, 25 - изготовленную из полимера внешнюю оболочку и 26 - семиугольное волокно с двойной оболочкой. Заготовка волокна была изготовлена по методу, являющемуся комбинацией VAD-метода и метода раствора, и вытягивание волокна производилось при контроле внешнего диаметра после придания внешней границе внутренней оболочки формы правильного семиугольника. При этом вытягивании волокна окружность, описанная вокруг семиугольника, составляла приблизительно 400 мкм, диаметр сердцевины составлял приблизительно 20 мкм и относительная разность (Δ) показателей преломления сердцевины составляла приблизительно 0,13%. Легирование было выполнено приблизительно 1 весовым % иттербия (Yb), использованного в качестве редкоземельного элемента. Также на вытянутое волокно наносился слой толщиной приблизительно 20 мкм отверждаемого УФ-излучением вещества для полимерной оболочки, который затем отверждался, формируя внешнюю оболочку.
В качестве примера для сравнения было изготовлено волокно с двойной оболочкой, имеющее внутреннюю оболочку кругового поперечного сечения, как показано на фиг.1, и имеющее те же размеры и изготовленное с использованием тех же материалов, что и в Примере 1.
На фиг.12 представлено сравнение зависимостей поглощения Yb от длины для случаев семиугольного волокна с двойной оболочкой и круглого волокна с двойной оболочкой (пример для сравнения). Фиг.12 показывает, что случай, когда поглощение пропорционально длине, соответствует отсутствию спиральной моды. Напротив, волокно, в котором поглощение снижается с увеличением длины, является волокном, в котором велика спиральная мода и, таким образом, снижена эффективность усиления. Из фиг.12 очевидно, что зависимость поглощения от длины ближе к пропорциональной в случае волокна, выполненного в форме семиугольника, (Пример 1), и, таким образом, спиральные моды малы.
Также как еще один пример для сравнения, было изготовлено волокно с двойной оболочкой, у которого граница между внутренней оболочкой и внешней оболочкой представляет собой правильный шестиугольник, имеющее те же размеры и изготовленное с использованием тех же материалов, что и в Примере 1. Фиг.13 представляет результаты оперативного измерения внешнего диаметра оптического волокна в процессе вытягивания волокна. В сравнении с шестиугольником (пример для сравнения) семиугольник обладает лучшей устойчивостью внешнего диаметра. Также, что касается внешнего диаметра полученного в результате волокна, в случае семиугольника непостоянство внешнего диаметра меньше, и, таким образом, было получено волокно со стабильными характеристиками.
Пример 2
Было изготовлено волокно с тройной оболочкой, в котором поперечное сечение второй снаружи оболочки представляет собой правильный семиугольник, как показано на фиг.2. Заготовка волокна была изготовлена по методу, являющемуся комбинацией MCVD-метода и метода раствора, и вытягивание волокна производилось при контроле внешнего диаметра после шлифовки внешней границы второй оболочки для придания ей формы семиугольника. Окружность, описанная вокруг семиугольника, составляла приблизительно 400 мкм, диаметр сердцевины составлял приблизительно 30 мкм и относительная разность (Δ) показателей преломления сердцевины составляла приблизительно 0,13%. Легирование было выполнено приблизительно 2 весовыми % иттербия (Yb), использованного в качестве редкоземельного элемента. Также на вытянутое волокно наносился слой толщиной приблизительно 20 мкм отверждаемого УФ-излучением вещества для полимерной оболочки, который затем отверждался, формируя внешнюю оболочку.
В результате изготовления опытного образца волоконного лазера, использующего данное волокно, была реализована возможность получения волоконного лазера с высокой эффективностью использования излучения накачки с дифференциальной эффективностью 55%.
В таблице представлен перечень опытных образцов волокон для Примеров 3-11.
Единица
Пример 3
Пример 4
Пример 5
Пример 6
Пример 7
Пример 8
Пример 9
Пример 10
Пример 11
Число слоев оболочек
-
2
3
2
2
2
2
2
2
4
Число слоев стеклянных оболочек
-
1
2
1
1
1
1
1
1
3
Число слоев полимерных оболочек
-
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Число сторон
-
5
9
7
7
5
7
7
9
7
Метод изготовления заготовки
-
VAD + раствор
MCVD + раствор
VAD + распыление
MCVD + раствор
MCVD + раствор
VAD + распыление
MCVD + раствор
PCVD
MCVD + раствор
Внешний диаметр
мкм
420
430
130
125
135
270
140
140
350
Диаметр стеклянной оболочки
мкм
385
392
125
110
124
245
124
125
320
Диаметр крайней изнутри оболочки
мкм
-
85
-
-
-
-
-
-
105
Диаметр сердцевины
мкм
30
20
10
5
7
10
20
5
20
Относительная разность показателей преломления<sup>*</sup>
%
0,11
0,08
0,15
0,70
0,42
0,12
0,13
1,4
0,12
Легирующий редкоземельный элемент
-
Yb
Yb
Er
Er/Yb
Yb
Yb
Yb
Tm
Yb
Концентрация легирующего элемента
весовых %
1,5
2,7
2,0*10<sup>3</sup>
Er: 4,5*10<sup>3</sup>
0,8
2,1
1,8
7,0*10<sup>2</sup>
3,5
весовых частей на миллион
весовых частей на миллион Yb: 5,5*10<sup>3</sup> весовых частей на миллион
весовых частей на миллион
Таблица представляет широкий диапазон применений настоящего изобретения и не показывает отдельно результаты сравнения с примерами для сравнения.
Для волокон с легированной редкоземельным элементом сердцевиной и многослойной оболочкой из Примеров 3-11 были получены те же результаты, что и в описанных выше примерах.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Как описано выше, в соответствии с настоящим изобретением имеется возможность обеспечить волокно с легированной редкоземельным элементом сердцевиной и многослойной оболочкой, которое обладает отличными свойствами в плане ограничения спиральной моды, по низкой цене.