Волоконный одномодовый поляризующий или сохраняющий поляризацию излучения световод

Волоконный одномодовый поляризующий или сохраняющий поляризацию излучения световод

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано в волоконных линиях связи, также при создании волоконно-оптических гироскопов и других датчиков физических величин.

Известна конструкция одномодового волоконного световода с эллиптической нагружающей оболочкой, в котором наблюдается однополяризационный режим работы в определенном спектральном диапазоне [1]. Световод содержит светопроводящую жилу, нагружающую эллиптическую оболочку, расположенную вокруг жилы, дополнительную оболочку с пониженным показателем преломления относительно чистого кварца, защитную кварцевую оболочку и полимерное защитно-упрочняющее покрытие. Нагружающая оболочка состоит из материала, отличающегося от остальных материалов световода большим коэффициентом температурного расширения. Поэтому при вытяжке из заготовки световода при его последующем остывании в поперечном сечении световода создаются регулярные механические напряжения, которые за счет фотоупругого эффекта наводят в световедущей жиле линейное двулучепреломление. Особенностью конструкции световода является то, что в одном из направлений поперечного сечения световода дополнительная оболочка с пониженным показателем преломления касается световедущей жилы и поэтому в этом направлении образуется W-профиль показателя преломления. За счет наводимого нагружающей оболочкой в световедущей жиле двулучепреломления W-профиль для двух поляризационных мод становится различным, и поэтому фундаментальные поляризационные моды имеют различную длину волны отсечки. Таким образом, в спектральном диапазоне между длинами волн отсечки поляризационных мод наблюдается однополяризационный режим работы световода, то есть в этом спектральном окне световод обладает поляризующими свойствами.

Основным недостатком этой конструкции [1] поляризующего световода является малая ширина его спектрального рабочего окна, связанная с тем, что напряжения создаются, в основном, только в световедущей жиле, и поэтому расщепление W-профилей для поляризационных мод относительно небольшое.

Известна также конструкция поляризующего световода [2], которая содержит световедущую жилу, отражающую оболочку с пониженным показателем преломления, которая окружена эллиптической нагружающей оболочкой, создающей механические напряжения в световедущей жиле и отражающей оболочке. В результате для двух поляризационных мод световода образуются два различных W-профиля показателя преломления. Это различие W-профилей по сравнению с предыдущим примером [1] является более значительным и поэтому у световода данной конструкции наблюдается более широкий спектральный диапазон, в котором канализируется только одна поляризационная мода. Более сильное вырождение W-профиля показателя преломления для двух поляризационных мод достигается за счет того, что механические напряжения, создаваемые оболочкой эллиптической формы, присутствуют как в световедущей жиле так и в отражающей оболочке. Основным недостатком этой конструкции поляризующего световода является то, что величина наводимого двулучепреломления в световедущей жиле и отражающей оболочке с помощью нагружающей эллиптической оболочки меньше по сравнению с величиной двулучепреломления наводимого, например, нагружающими стержнями круговой формы (световод «Панда»), которая также определяет ширину спектрального окна поляризующего световода.

Известна конструкция [3] поляризующего световода с W-профилем показателя преломления и двумя нагружающими стержнями типа «Панда», которая содержит световедущую жилу с показателем преломления, большим показателя преломления кварца, отражающую оболочку с показателем преломления, меньшим показателя преломления кварца два нагружающих стержня круговой или эллиптической формы, внешнюю защитную оболочку из кварца и внешнее полимерное защитно-упрочняющее покрытие. Световедущая жила состоит из кварца, легированного германием (GeO₂), отражающая оболочка состоит из кварца, легированного фтором F. Нагружающие стержни состоят из кварца, легированного бором (В₂O₃), увеличивающим коэффициент линейного теплового расширения кварца. За счет разности коэффициентов линейного теплового расширения нагружающих стержней и остального материала световода в области между нагружающими стержнями возникает наиболее сильное механическое напряжение. За счет фотоупругого эффекта в области механических напряжений возникает линейное двулучепреломление. Из-за наличия линейного двулучепреломления две поляризационные моды имеют разную длину волны отсечки и за счет этого световод в некотором спектральном диапазоне обладает поляризующими свойствами. Достоинством этой конструкции световода [3] является то, что при одном и том же уровне легирования кварцевого стекла бором (В₂O₃) с помощью нагружающих стержней круглой формы удается создать большее двулучепреломление, чем с помощью нагружающей оболочки эллиптической формы. Как следствие, в поляризующем световоде типа «Панда» возможно достижение максимальной ширины рабочего спектрального окна поляризующего световода. Максимальная ширина спектрального окна поляризующего световода типа «Панда» достигается следующими соотношениями его конструктивных параметров:

- радиус отражающей оболочки Т=(2-4)р;

- где р - радиус световедущей жилы световода;

- расстояние от нагружающих стержней до световедущей жилы - Δ=(0,5-1,0)р;

- угол раскрыва нагружающих стержней при наблюдении из центра световедущей жилы α=50°-98°.

Основными недостатками этой конструкции поляризующего световода типа «Панда» [3] являются жесткие требования к конструктивным параметрам, прежде всего к α-углу раскрыва нагружающих стержней при наблюдении из центра световедущей жилы (по описанию он оптимален в пределах 88°-98°), к радиусу отражающей оболочки - Т и Δ - расстоянию от нагружающих стержней до световедущей жилы, которые частично удовлетворяются применением нагружающих стержней эллиптической формы, изготовленных с помощью MCVD-метода.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой настоящим изобретением конструкции поляризующего или сохраняющего поляризацию излучения световода является конструкция одномодового сохраняющего поляризацию излучения световода с большим линейным двулучепреломлением типа «Панда», рассмотренная в [4]. Одномодовый, сохраняющий поляризацию излучения световод типа «Панда», изготовленный по способу, рассмотренному в [4], содержит световедущую жилу из кварца, легированного германием (GeO₂), отражающую оболочку из кварца, легированного фтором F, круглые нагружающие стержни из кварца, легированного бором (В₂O₃), без круговой оболочки из кварцевого стекла. Отсутствие кварцевой оболочки на нагружающих стержнях сокращает расстояние от нагружающих стержней до отражающей оболочки и световедущей жилы. Основным недостатком известной конструкции одномодового волоконного сохраняющего поляризацию излучения световода типа «Панда», рассмотренным в [4], является то, что при сплавлении заготовки с нагружающими стержнями без круговой оболочки из кварца и вытяжки из заготовки оптического волокна материал нагружающих стержней кварц, легированный бором (В₂O₃), первым переходит из твердой фазы в жидкую фазу, т.к. температура плавления кварца, легированного бором (В₂O₃), ниже температуры плавления чистого кварца, и заполняет соседние полости, пузыри, что искажает форму и размеры нагружающих стержней, что ухудшает прочностные и поляризационные характеристики световода, а поляризующие одномодовые световоды, требующие большей степени легирования кварца нагружающих стержней бором (В₂O₃), не позволяет получить.

Целью настоящего изобретения является стабилизация оптических и геометрических характеристик поляризующего световода и одномодового волоконного световода, сохраняющего поляризацию излучения.

Указанная цель достигается тем, что применяют нагружающие стержни из кварца, легированного бором (В₂O₃), в круговой оболочке из кварца, легированного фтором (F), с толщиной круговой оболочки, меньшей или равной толщине отражающей оболочки световедущей жилы, а нагружающие стержни размещают на расстоянии от центра световедущей жилы, равном или большем радиуса световедущей жилы. Круговая оболочка боросиликатных нагружающих стержней из кварца, легированного фтором, имеет температуру плавления, равную или близкую к температуре плавления чистого кварца, а показатель преломления, равный или близкий к показателю преломления отражающей оболочки световедущей жилы, и вязкость расплавленной массы оболочки нагружающих стержней больше вязкости расплавленной массы материала нагружающих стержней из кварца, легированного бором (В₂O₃), что препятствует его растеканию в процессе сплавления заготовки с нагружающими стержнями и вытяжки из нее оптического волокна и оптимизирует процесс сплавления материала оболочки нагружающих стержней с материалом отражающей оболочки световедущей жилы. Также с помощью материала оболочки нагружающих стержней компенсируются потери материала отражающей оболочки световедущей жилы, которые возникают при обработке в заготовке отверстий под нагружающие стержни, что также позволяет задавать и подгонять α-угол раскрыва нагружающих стержней. Применение нагружающих стержней с материалом круговой оболочки с большей температурой плавления и вязкостью материала сохраняет геометрическую форму стержней и позволяет использовать в качестве материала стержней кварц с большей степенью легирования бором (В₂O₃) и использовать их как в световодах, сохраняющих поляризацию излучения, так и в поляризующих световодах.

Таким образом, световоды, сохраняющие поляризацию излучения, могут отличаться от поляризующих световодов только степенью легирования нагружающих стержней бором (В₂O₃), что удобно при их соединении в процессе изготовления датчиков физических величин на основе обоих типов волокон.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На Фиг.1 показан поперечный разрез как поляризующего, так и сохраняющего поляризацию излучения световода типа «Панда», 1 - световедущая жила, 2 - отражающая оболочка световедущей жилы, 3 - боросиликатные нагружающие стержни, 4 - круговые оболочки нагружающих стержней, 5 - защитная кварцевая оболочка, 6 - области отражающей оболочки, компенсированные по показателю преломления с круговыми оболочками - 4 нагружающих стержней-3.

На Фиг.2 показан поперечный разрез нагружающего стержня из кварца, легированного бором (В₂O₃), - 3 диаметром-D_c в круговой оболочке из кварца, легированного фтором (F)-4 диаметром D_co.

L=D_co-Do≤p,

где L - расстояние от границы световедущей жилы - 1 до границы нагружающего стержня из кварца легированного бором (В₂O₃) - 3.

На Фиг.3 показано поперечное сечение заготовки оптического волокна типа «Панда» с отверстиями - 7 под нагружающие стержни в круговой оболочке.

На Фиг.4 показано поперечное сечение световода типа «Панда» с круглыми нагружающими стержнями из кварца, легированного бором (В₂O₃), в круговой оболочке из кварца, легированного фтором (F), толщина которой меньше толщины отражающей оболочки - 2 световедущей жилы - 1 и областями - 6, частично компенсирующую отражающую оболочку - 2 световедущей жилы - 1, полностью выбранную при формировании в заготовке (Фиг.3) отверстий - 7 под нагружающие стержни.

На Фиг.5 показано поперечное сечение световода типа «Панда» с круглыми нагружающими стержнями из кварца, легированного бором (В₂O₃)-3, в круговой оболочке из кварца, легированного фтором (F)-4, с толщиной, меньше толщины отражающей оболочки - 2, световедущей жилы - 1 и областями - 6 полностью компенсирующую отражающую оболочку - 2, световедущей жилы - 1, частично выбранную при формировании в заготовке (Фиг.3) отверстий под нагружающие стержни.

Таким образом, одна заготовка для одномодового волокна типа «Панда» с заданным расположением отверстий под нагружающие стержни допускает изготовление как поляризующего оптического волокна, так и оптического волокна, сохраняющего поляризацию излучения. Разница между ними будет только в степени легирования кварца нагружающих стержней бором (В₂O₃), задающей коэффициент температурного расширения, формирующий механические напряжения в жиле и отражающей оболочке.

Литература

1. I.R.Simpson et all. «А single polarization fibe» J.Lightwave Technology vol. LT-1, pp.370-373.

2. M.G.Messerly, J.R.Onstott, R.C.Mikkelson. «A Broad-Band Single Polarization optical Fiber» J. of Lighwave Tecnology, vol.9, №7,1991, pp.817-820.

3. А.М.Курбатов. «Волоконный одномодовый поляризующий световод». Патент РФ №2250481, заявка №203114805/28 от 19.05.2003 г.

4. А.И.Зуев, А.В.Белащенко, В.К.Варнаков, А.Н.Силин «Способ изготовления одномодового волоконного световода, сохраняющего поляризацию излучения» Патент №2252197, заявка №2003134317/28.

Одномодовый волоконный световод, поляризующий или сохраняющий поляризацию излучения, содержащий световедущую жилу, отражающую оболочку световедущей жилы из кварца, легированного фтором, круглые нагружающие стержни из кварца, легированного бором, защитную оболочку из кварца и защитно-упрочняющее полимерное покрытие, отличающийся тем, что нагружающие стержни содержат круговую оболочку из кварца, легированного фтором, имеющую показатель преломления, равный или близкий к показателю преломления отражающей оболочки световедущей жилы, так что вязкость расплавленной массы круговой оболочки больше вязкости расплавленной массы материала нагружающих стержней, и толщину, равную или меньшую толщины отражающей оболочки световедущей жилы, при этом нагружающие стержни размещены на расстоянии от центра световедущей жилы, равном или большем радиуса световедущей жилы.