Способ адиабатического растяжения оптоволокна и устройство для его осуществления
METHOD OF ADIABATIC STRETCHING OF OPTIC FIBER AND DEVICE FOR IMPLEMENTING IT

Изобретение относится к области фотоники, микро- и нанооптики, а именно, к способам и устройствам для получения растянутого оптического волокна, которое может быть использовано в DWDM коммуникации, сенсорах на основе оптических волокон, в процессе генерации суперконтинуума, для возбуждения мод типа шепчущей галереи в оптических микрорезонаторах, а также для других целей.
Из уровня техники известны различные способы изготовления растянутых оптических световодов за счёт достижения температуры их размягчения (см., например, Hoffman J.E., Ravets S., Grover J.A., Solano P., Kordell P.R.,Wong-Campos J.D., Orozco L.A., Rolston S.L. Ultrahigh transmission optical nanoﬁbers // Aip Advances. 2014. V. 4. Р. 1–16; F. Warken, Ultra thin glass fibers as a tool for coupling light and matter, Ph.D. thesis, Rheinische Friedrich-Wilhelms Universitat, 2007), описывающие также необходимые требования к конструкциям устройств для их осуществления, наиболее часто используемыми нагревательными системами в которых являются пламя водородно-кислородной горелки и электронагревательные элементы различной конструкции.
В частности, из уровня техники известно использование для размягчения оптоволокна миниатюрного монолитного электрического нагревателя со стабильной зоной нагрева, образованной раскаленной трубкой, вдоль оси которой располагается растягиваемый участок (см. Ding L., Belacel C., Ducci S., Leo G., Favero I. Ultra-low loss single-mode silica tapers manufactured by a microheater. // Applied Optics. 2010. 49. DOI: 10.1364/AO.49.002441).  Особенностью такого подхода является формирование протяженной зоны равномерного нагрева, что позволяет достигнуть однородного прогрева и высокого качества растяжения до крайне малых толщин. Однако, существенным недостатком такого нагревательного элемента является сложная процедура извлечения растянутого оптического волокна из нагревательной трубки, при которой велика вероятность его повреждения. Кроме того, для создания подобных нагревателей необходима жаропрочная керамика высокой чистоты и стоимость таких нагревателей очень велика (более 1000 долларов США за единицу), а срок службы ограничен.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является способ растяжения оптоволокна, включающий расположение растягиваемого участка над нагревательной системой в виде дискретных электронагревателей, фиксацию его концов на подвижных опорах, управляемый нагрев путём независимой подачи мощности на электронагреватели и растяжение указанного участка, а также контроль процесса растяжения (см. патент US2020102242, кл. C03B 37/028, опубл. 02.04.2020). Основным недостатком известного способа является относительно невысокое качество получаемых растянутых участков, обусловленное неравномерностью их нагрева в процессе растяжения.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению в части устройства является устройство растяжения оптоволокна, содержащее общее основание, на котором установлены две подвижные опоры с зажимами, по крайней мере, один из которых оснащён тензометрическим датчиком, обеспечивающим возможность измерения натяжения оптоволокна, расположенную между указанными опорами нагревательную систему с узлом позиционирования, а также систему контроля вытяжения с блоком управления, соединенным с подвижными опорами и тензометрическим датчиком (см. патент RU2645040, кл. C03B 37/15, опубл. 15.02.2018). В указанном устройстве нагревательная система выполнена на базе кислородно-водородной горелки, что позволяет легко получать необходимую температуру для  размягчения материала волокна (для кварцевого волокна - около 1400°С). Однако, общим недостатком таких устройств является трудность подбора оптимальных условий растяжения, необходимость использования газов высокой степени чистоты для получения высокого пропускания, а также высокие требования к безопасности ввиду использования легковоспламеняющегося водорода. Пламя горелки обладает сильной неравномерностью теплового потока, которая может быть снижена только за счёт применения дорогостоящих прецизионных регуляторов потока подводимых газов и системы обратной связи. Кроме этого, тепловое поле, создаваемое горелкой, обладает очень сильной пространственной неоднородностью, что, в конечном счете, негативно сказывается на воспроизводимости результатов.
Технической проблемой является устранение указанных недостатков и создание надежного, безопасного и экономичного способа, а также устройства для его осуществления, обеспечивающих возможность формирования стабильного теплового поля с заданным распределением температуры вдоль оси волокна и возможностью автоматического управления этим распределением в процессе вытяжения для получения заданного произвольного профиля растянутого участка. Технический результат заключается в повышении качества полученных растянутых участков оптоволокна и повторяемости их заданных характеристик.
2
Поставленная проблема решается, а технический результат достигается в части способа тем, что в способе адиабатического растяжения оптоволокна, включающем расположение растягиваемого участка над нагревательной системой в виде дискретных электронагревателей, фиксацию его концов на подвижных опорах, управляемый нагрев путём независимой подачи мощности на электронагреватели и растяжение указанного участка, а также контроль процесса растяжения, в ходе нагрева осуществляют периодическое качание электронагревателей вдоль растягиваемого участка оптоволокна со скоростью не менее 1 мм/с и поворотным ускорением не менее 1 мм/с, а в ходе контроля определяют текущую геометрию растягиваемого участка оптоволокна и, в случае обнаружения провисания, увеличивают амплитуду качания и/или уменьшают мощность, подаваемую на электронагреватели. Качание электронагревателей предпочтительно осуществляют синхронно и синфазно, а амплитуду качания изменяют в диапазоне от 1 до 3 мм.
Поставленная проблема решается, а технический результат достигается в части устройства тем, что в устройстве растяжения оптоволокна, содержащем общее основание, на котором установлены две подвижные опоры с зажимами, по крайней мере, один из которых оснащён тензометрическим датчиком, обеспечивающим возможность измерения натяжения оптоволокна, расположенную между указанными опорами нагревательную систему с узлом позиционирования, а также систему контроля вытяжения с блоком управления, соединенным с подвижными опорами и тензометрическим датчиком, нагревательная система образована, по меньшей мере, тремя свечами накаливания, независимо подключенными к блоку управления и установленными на едином узле позиционирования в виде моторизированной подачи, которая также подключена к блоку управления и выполнена с возможностью периодического качания свечей вдоль растягиваемого участка оптоволокна. В устройстве предпочтительно используют свечи накаливания дизельного двигателя с керамическим покрытием, а подвижные опоры снабжают шаговыми электродвигателями. Система контроля вытяжения предпочтительно оборудована элементами машинного зрения, обеспечивающими возможность идентификации геометрии волокна и передачи полученных данных в блок управления, а также, по меньшей мере, одним датчиком температуры, обеспечивающим возможность  передачи полученных данных в блок управления. Датчики температуры могут быть установлены напротив каждого нагревательного элемента. Один торец оптоволокна предпочтительно подведен к источнику лазерного излучения, а другой — к фотодетектору, подключенному к блоку управления.
На чертеже представлена общая схема предлагаемого устройства, реализующего предлагаемый способ.
Для осуществления адиабатического растяжения оптоволокна используют устройство,  содержащее  общее основание в виде массивной металлической монтажной плиты 1, две подвижные опоры, нагревательную систему с узлом позиционирования, а также систему контроля вытяжения с блоком управления (на чертеже не показан). Подвижные опоры образованы полками 2, установленными с возможностью горизонтального перемещения посредством  шаговых электродвигателей 3 со скоростью 0,12-0,2 мм/с. Применение прецизионных двигателей 3 значительно увеличивает повторяемость процесса растяжения. На полках закреплены зажимы 4, фиксирующие концы растягиваемого участка оптоволокна. Один из зажимов 4 (или оба) оснащён тензометрическим датчиком 5 с усилителем, что обеспечивает возможность измерения натяжения оптоволокна.
Нагревательная система образована тремя или более дискретными электронагревателями: свечами 6 накаливания для дизельного двигателя NGK CZ261 с рабочим напряжением 12 В, которые установлены на едином узле позиционирования в виде откидной моторизированной подачи 7.  Свечи 6 накаливания характеризуются высокой максимальной температурой нагревателя, простотой и удобством в эксплуатации. Следует применять именно свечи с керамическим покрытием, поскольку свечи с металлическим наконечником имеют ограниченный диапазон температур и не позволяют достичь температуры размягчения материала оптического волокна. Моторизированная подача 7 выполнена с возможностью периодического качания свечей 6 вдоль растягиваемого участка оптоволокна.
Система контроля образована элементами машинного зрения (на чертежах не показаны), обеспечивающими возможность идентификации геометрии волокна (в частности, провисания) и датчиками 8 температуры в виде инфракрасных фотодиодов,  расположенных напротив каждой свечи 6. Контроль пропускания осуществлялся при помощи лазерного диода с длиной волны 1550 нм, подведённого к одному торцу оптоволокна, и фотодетектора, подведённому к противоположному торцу.
Фотодетектор, ИК-датчики 8, моторизированная подача 7, каждая свеча 6, тензорометрический датчик 5, а также электродвигатели 3 подключены к блоку управления (например, компьютеру), задающему режим работы установки и контролирующему процесс натяжения. Управление осуществляется с помощью специально разработанного программного обеспечения, позволяющего в автоматическом режиме контролировать основные параметры процесса растяжения - натяжение, температуру свечей и пропускание. На основе анализа сигналов датчиков 5, 8, а также заданного профиля растянутой части оптического волокна производится регулировка подводимой к свечам 6 мощности и режима качания моторизированной подачи 7. Благодаря распознаванию профиля оптоволокна с помощью машинного зрения, скорость подачи 7 может быть отрегулирована таким образом, чтобы избежать провисов и уменьшения коэффициента пропускания. Предложенная конструкция позволяет автоматизировать процесс, чтобы добиться наилучшей повторяемости формы и характеристик растягиваемых участков оптоволокна.
Совокупность предлагаемых особенностей (применение новой разновидности нагревателей, применение распределенного нагрева несколькими неподвижными электронагревательными элементами, независимое управление температурой нагревательных элементов в процессе вытяжения на основе сигналов датчиков температуры и натяжения, применение современных технологий машинного зрения), позволяет гибко варьировать параметры растяжения (длину и толщину перетяжки, форму растянутой части), добиться высоких показателей пропускания и обеспечивают высокую воспроизводимость результатов при низкой себестоимости. Кроме того, описанное выполнение систем нагрева и контроля позволяет за счёт формирования адаптивного распределенного теплового поля поддерживать адиабатический процесс растяжения.
Оптоволокно растягивают следующим образом.
Подготовка образца для растяжения включает в себя припайку коннекторов к растягиваемому участку оптического волокна SMF28 и очистку растягиваемого участка от пластиковой оболочки. Готовый образец располагают над нагревательной системой и фиксируют его концы в зажимах 4, после чего очищают участок от пыли и остатков пластиковой оболочки: растягиваемый участок несколько раз протирают салфеткой, смоченной сначала ацетоном, а затем метанолом. Соблюдение специальной процедуры очистки растягиваемого участка и правильная юстировка (максимальная соосность зажимов 4) способствуют получению высокого уровня пропускания растянутого световода. Для получения температуры размягчения оптоволокна свечи 6 с помощью моторизированной подачи 7 подводят на расстояние 0,5 мм к волокну и устанавливают напряжение на свечах 6 равным 27-28 В. После прогрева свечей 6 в течение 10-20°с через блок управления запускают программу управления током каждой свечи по заданному закону, а затем запускают шаговые двигатели 3 и моторизированную подачу 7 качания свечей.
2
С целью приближения процесса вытягивания к адиабатическому осуществляют перемещение (качание) свечей 6 вдоль поверхности растягиваемого волокна. С помощью программного обеспечения через блок управления регулируют амплитуду перемещения относительно нулевой точки, скорость и ускорение подачи. С целью достижения адиабатического растяжения используют следующий алгоритм: при запуске шаговых двигателей 3 одновременно запускают качание подачи 7 со скоростью не менее 1 мм/с и поворотным ускорением не менее 1 мм/с (более медленное перемещение и длительная смена направления неизбежно приводят к локальному перегреву растягиваемого волокна на концах области перетяжки и существенно искажают его форму). За счёт установки на единой подаче 7 качание свечей 6 происходит синхронно и синфазно. Величину амплитуды перемещения устанавливают равной 1 мм в начале растяжения, и постепенно увеличивают в процессе растяжения до 2 мм. Если при помощи системы машинного зрения фиксируют начало провисания оптоволокна, амплитуду перемещения автоматически увеличивают на 0.1 мм, что приводит к снижению плотности теплового поля нагревательного элемента и (при постоянной скорости шаговых двигателей 3) к восстановлению формы растянутого участка. При сильном и быстром провисании дополнительно к этому снижают мощность, подводимую к свечам 6.
После достижения требуемой толщины оптоволокна одновременно с отключением питания свечей 6 останавливают шаговые двигатели 3. После этого в держатель, закрепленный на одной полке 2 со свечами 6, вставляют оправку для вклеивания волокна, которую подводят под растянутый участок. Растянутый участок оптоволокна, при необходимости (в случае его заметной кривизны), дотягивают со скоростью 0,002 мм/с, после чего вклеивают в оправку при помощи светоотверждаеваемого клея.
Предлагаемое изобретение позволяет значительно упростить изготовление качественных образцов с повторяемыми характеристиками. Свечи 6 накаливания обеспечивают достаточную температуру для размягчения волокна, которая легко изменяется при изменении тока, обладают высокой стабильностью, не создают дополнительных загрязнений, они легко доступны (рыночная стоимость не превышает 300 рублей), а их размеры не препятствуют установке и снятию оптоволокна. Возможность их размещения на качающейся подаче 7 вблизи нагреваемого участка и варьирования температуры независимо каждой отдельной свечи 6 непосредственно в процессе растяжения позволяет формировать любой желаемый профиль оптоволокна без дополнительных перемещений нагревательной системы. Жесткая конструкция с электроуправлением и автоматизация с помощью треккинга профиля волокна для контроля провисания обеспечивают высокую воспроизводимость результатов.
В результате применения предлагаемого изобретения:
- Повышается качество получаемых волокон, а именно: диаметр вплоть до субмикронных размеров и пропускание до 90%.
- Существенно повышается воспроизводимость размеров и формы получаемых волокон.
- Появляется возможность получать заданную форму профиля растянутой части оптического волокна, что важно для некоторых его применений, в частности, для создания оптических сенсоров и дифракционных решеток на основе растянутого оптического волокна.
- Существенно снижается себестоимость растянутых волокон по сравнению с использованием прецизионных нагревателей.
- Существенно повышается безопасность при работе с установкой (по сравнению с использованием нагревателей на основе водородно-кислородной горелки).
В результате практической реализации предлагаемого изобретения были получены растянутые волокна с толщиной перетяжки 1 мкм и длиной перетяжки 5-7 мм, при этом пропускание растянутых образцов волокна достигало 90%.