Способ изготовления заготовки, заготовка, оптическое волокно и усилитель

Способ изготовления заготовки, заготовка, оптическое волокно и усилитель

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к способу изготовления первичной, вторичной или более высокого порядка заготовки, которую можно использовать для вытягивания активного оптического волокна, которое дает возможность усиления или ослабления оптического сигнала. Настоящее изобретение далее относится к заготовке, активному оптическому волокну, вытянутому из указанной заготовки, и к оптическому усилителю, использующему указанное оптическое волокно.

Изготовление оптических волокон, например, волокон, используемых в настоящее время в сетях передачи данных с ультравысокой скоростью, описывается в [1], Mool C. Gupta, Handbook of PHOTONICS, CRC Press, 1997 Boca Raton, chapter 10.7, pp. 445-449. Основными технологическими стадиями производства оптического волокна являются изготовление заготовки, вытягивание волокна из заготовки и покрытие волокна материалом, который защищает волокно при транспортировке и от влияния окружающей среды.

В процессе вытягивания заготовку подают сверху в часть вытягивания печи, в то же время вытягивая из нижней части, используя протягивающие устройства. Затем волокно наматывают на барабан, в то же время контролируя растягивающую нагрузку. Температура в течение вытягивания находится в пределах 2000°C. После выхода из печи волокно покрывают УФ-отверждаемым покрытием перед наматыванием на барабан.

Далее согласно [1] страницы 449-450, важным аспектом исследования в области оптического волокна является легирование редкоземельными элементами для усиления и генерации лазерного излучения. Ниже вместо термина редкоземельные элементы используется сокращение РЗ.

В оптическом усилителе легированное (легированное) РЗ волокно с длинами порядка метров и уровнями легирующей добавки порядка 2 ч/млн сращивают с волоконно-оптическим соединителем, зависящим от длины волны. Соединитель позволяет непрерывно накачивать легированное эрбием волокно светом, испущенным полупроводниковым лазерным диодом большой мощности, с длиной волны 980 или 1480 нм. Часто включают фильтры или оптические вентили, чтобы минимизировать спонтанный шум и отражения. Световой пучок накачки используют для возбуждения ионов из основного состояния в возбужденное состояние. Световой сигнал, поступающий в волокно, инициирует стимулированную эмиссию и когерентно усиливается. Среди прочего, были тщательно изучены технические вопросы, такие как зависимость усиления от длины волны, насыщение усиления, поляризационная зависимость и спонтанная эмиссия. Спонтанная эмиссия происходит, когда ионы в возбужденном состоянии спонтанно релаксируют в основное состояние, внося вклад в шум, таким образом, влияя на отношение сигнал/шум системы связи на основе усилителя. Другой важный параметр оптического усилителя состоит в концентрации РЗ ионов. Оптимальная концентрация РЗ ионов избегает объединения ионов в кластеры, которое изменяет возбужденные состояния и приводит к переходу одного иона в более высокое состояние и эмиссии в основное состояние соседних ионов. Поэтому более высокие концентрации РЗ ионов не обязательно обеспечивают более высокое усиление и сниженное отношение сигнала к шуму. Кроме того, также существенным является положение РЗ ионов внутри сердцевины.

Если интенсивность излучения с частотой f, падающего на материал, равна I₀, тогда интенсивность I на глубине x внутри материала дается уравнением I=I₀ e^-ax (см. [2], John Beynon, Introductory University Optics, Prentice Hall, 1996, p. 231). Данная формула представляет интерес для рассмотрения, касающегося процедур накачки. Поэтому способы изготовления являются критичными, принимая во внимание получение высокоэффективных активных волокон, которые можно использовать в лазерных системах и/или оптических усилителях, как показано в [1], страница 450 или [2], страница 247.

Согласно [3], Michel J.F. Digonnet, Rare-Earth-Doped Fiber Lasers and Amplifiers, 2^nd Edition, Marcel Dekker Inc. 2001, Chapter 1.4, стандартные методы изготовления легированного кварцевого волокна попадают в две основные категории, каждая из которых основана на взаимодействии галогенидов, таких как SiCl₄, GeCl₄, POCl₄, SiF₄ и BCl₄, с образованием желаемой смеси оксидов. В способах категории 1 осуществляют взаимодействие в водородном пламени и собирают полученный в результате ультрадисперсный порошок на сердечнике для последующего спекания в прозрачное стекло. Способы, основанные на данном методе, обычно называют методом торцевого парофазного осаждения (VAD) и методом внешнего парофазного осаждения (OVD). В способах согласно категории 2 осуществляют взаимодействие хлоридов внутри трубки основы, которая становится частью плакирования, взаимодействия, осаждения или спекания, одновременно, по мере того как облако факела плазмы или СВЧ-резонатор проходит трубку. Способы, основанные на данном методе, называют методом модифицированного химического парофазного осаждения (MCVD), плазменным методом химического парофазного осаждения (PCVD) и стимулированного СВЧ-плазмой химического осаждения из газовой фазы (IMCVD).

Согласно [3], страница 5, глава 1.4.2 для обеих вышеуказанных категорий процессов были разработаны способы доставки парообразных РЗ соединений в зону взаимодействия/осаждения процесса получения заготовки. В [3] страница 6, фиг.2 показаны MCVD способы, в которых РЗ легирующие добавки подают в область окисления вместе с другими контролирующими показатель преломления легирующими добавками. Низкое давление паров РЗ-реагента согласовывают либо, используя источник РЗ пара близко к реакционной зоне и немедленно разбавляя его другими реагентами, либо поставляя РЗ легирующие добавки в реакционную зону вместе с материалом в аэрозоле или соединением с более высоким давлением паров.

Дальнейшие способы получения традиционных оптических волокон и фотонных кристаллических волокон описываются в [4], WO 2005/102946 A1 и [5], WO 2005/102947 A1, которые не относятся к получению заготовок, из которых можно вытянуть лазерное активное волокно.

Способ получения заготовки для оптических волокон, которая имеет сердцевину и внешнюю оболочку плавленого кварца или легированного плавленого кварца, описывается в [6], GB 2176472. Способ, описанный в [6], включает стадии введения, по меньшей мере, одного элемента пористого или сыпучего материала в трубку плавленого кварца. Поэтому данный способ требует производства элементов пористого или сыпучего материала, например, согласно ″OVD″ принципу, как указано выше и описано в [6].

Согласно [7], US 5572618, предпринимаются особые предосторожности, чтобы минимизировать потери света в волокнах вследствие поглощения и рассеяния вдоль длины волокна с тем, чтобы свет, приложенный к одному концу оптического волокнистого материала, эффективно передавался на противоположный конец данного материала. По данной причине оптические волноводы с низким ослаблением обычно формируют из волокон, легированных редкоземельными элементами. Однако существует множество ситуаций, когда необходимо использовать устройство оптического аттенюатора для уменьшения количества энергии, присутствующей в оптическом сигнале. Для данной цели в [7] описывается пассивное оптическое ослабляющее устройство, которое включает в себя оптический волновод, выполненный с возможностью получения оптического излучения и поглощения, вдоль своей длины, по меньшей мере, 0,2 дБ/м оптического излучения. Секция волновода может быть присоединена к оптическому волокну с малыми потерями с тем, чтобы получать оптический сигнал, который надо ослабить. По меньшей мере, одну область волновода легируют переходным металлом, чтобы достичь предварительно выбранной поглощающей способности на единицу длины, чтобы можно было бы достичь контролируемой степени ослабления. В волокне плавленого кварца область поглощения легируют ионами металлов, выбранных из класса, состоящего из Fe, Ni, Co, Cr, Cu, Mn, Ti и V, в концентрации, эффективной для обеспечения заранее определенной степени поглощения, по меньшей мере, одной данной длины волны. Сигналы более низких длин волн могут быть ослаблены, например, в кольцевом слое.

Данные обычные способы не просто поддаются управлению и требуют значительных усилий. Как описано выше, легирующие добавки, РЗ материалы или металлы, такие как переходные металлы, должны быть доставлены в зону, которая подходит для осуществления требуемых реакций.

Для указанных легирующих добавок в дальнейшем используют термин A/A легирующие добавки, обозначающий Усиливающие/Ослабляющие легирующие добавки. Термин ″активное волокно″ используется ниже для любого волокна, которое легировано A/A легирующими добавками для целей усиления или ослабления. Если в контексте уместно, что волокно используют для целей усиления, термин ″лазерное активное волокно″ используется в его наиболее широком значении.

Поэтому, кроме интенсивных усилий для осуществления описанных способов, значительные ограничения привели к идее о помещении A/A легирующих добавок. В то время как геометрию волокна можно разработать, как требуется, серьезные ограничения имеются относительно месторасположения РЗ-легирующих добавок. Данные ограничения особенно невыгодны, принимая во внимание рассмотрения, касающиеся получения максимального коэффициента усиления и минимального шума для лазерных активных оптических волокон. В идеальном случае концентрация РЗ-легирующих добавок должна быть такой высокой, чтобы достигались максимальное количество стимулированных эмиссий и минимум спонтанных эмиссий.

Более того, в вышеописанных способах осаждения из паровой фазы трудно получить более крупные заготовки, которые соответствующим образом легированы A/A-материалами. Особенно трудно получить оптические волокна с множеством сердцевин, которые соответствующим образом легированы A/A-материалами.

Способ получения активных волокон описывается в [8], WO 98/58884. Согласно данному способу внутри структуры оболочки предлагается РЗ-легированный стеклобой, имеющий диаметр частиц примерно 100-5000 мкм. Как указывается в [8], коэффициент усиления, предоставляемый легированной редкоземельной средой хозяина, может быть увеличен посредством увеличения концентрации подходящей редкоземельной легирующей добавки. Однако выше умеренной концентрации редкоземельные ионы образуют кластеры, и проблемой становится подавление.

Было обнаружено, что при использовании известных методов желательных концентраций редкоземельных легирующих добавок, т.е. желательных коэффициентов усиления в оптической среде, все еще нельзя достичь вследствие описанной проблемы образования кластеров. Поэтому концентрация РЗ легирующих добавок и, следовательно, коэффициент усиления легированной редкоземельными элементами среды хозяина остается ограниченным.

Далее было обнаружено, что проблема образования кластеров также имеет место при легировании среды хозяина ослабляющими легирующими добавками.

Кроме того, проблема, которая до настоящего времени не привлекла соответствующего внимания, относится к отсутствию однородности показателей преломления материала сердцевины и оболочки. Неоднородность показателей в материалах, которую практически нельзя избежать в способах осаждения, может вызвать плохое качество пучка, в частности, отсутствие передачи пучка.

Поэтому было бы желательно предоставить улучшенный способ изготовления A/A-легированной оптической среды хозяина с большими объемами, например первичных, вторичных и более высокого порядка заготовок и полученных из них активных оптических волокон.

В частности, было бы желательно предоставить улучшенный способ изготовления A/A-легированной оптической среды хозяина, который позволяет добиться высокой концентрации и высокой однородности A/A-легирующих добавок, имплантированных в полученную среду хозяина, таким образом, предоставляя высокое усиление, в то же время избегая проблем образования кластеров.

Далее было бы желательно предоставить способ изготовления A/A-легированной оптической среды хозяина с улучшенной однородностью показателей преломления и, таким образом, улучшенным качеством пучка в изготовленных активных оптических волокнах.

Кроме того, было бы желательно предоставить способ, который с меньшими усилиями позволяет изготовление высокоэффективных активных оптических волокон с множеством сердцевин, а также высокоэффективных активных фотонных кристаллических волокон (PCF).

Далее было бы желательно предоставить способ, который позволяет изготовление заготовок, из которых можно вытянуть активные оптические волокна, которые дают возможность индукции лазерной активности простым способом и с высокой эффективностью.

Также было бы желательно предоставить оптический усилитель, который работает с активными оптическими волокнами по изобретению, в частности с PCF-волокнами, чтобы обеспечить желаемый коэффициент усиления с фактором более или менее чем 1 (усиление или ослабление). В частности, было бы желательно предложить оптический усилитель, который позволяет накачку традиционного или PCF, активного оптического волокна по изобретению, не требуя изменения пути сигнала или механического соприкосновения с сердцевиной активного оптического волокна, которое направляет сигнал.

Сущность изобретения

Вышеуказанные и другие цели настоящего изобретения достигаются способом по пункту 1, заготовкой по пункту 17, оптическим волокном по пункту 18 и оптическим усилителем по пункту 21.

В первом варианте осуществления изобретения первичную заготовку изготавливают способом, который включает стадии:

- подготовки в начальной технологической стадии кварцевой трубки и смеси SiO₂-A/A, включающей частицы SiO₂ и частицы A/A (усиления/ослабления),

- закрепления кварцевой трубки, которая включает внутреннее пространство, которое ограничено в нижнем конце кварцевой трубки замыкающим средством;

- засыпания смеси SiO₂-A/A во внутреннее пространство кварцевой трубки;

- предпочтительно присоединения соединительного устройства к верхнему концу кварцевой трубки и создания пониженного давления во внутреннем пространстве; и

- нагревания, по меньшей мере, нижней части необработанной заготовки, чтобы сплавить кварцевую трубку и смесь SiO₂-A/A.

Показатели преломления материала кварцевой трубки и SiO₂-частиц выбирают в зависимости от сорта запланированной заготовки. В случае, когда будут изготавливать первичную заготовку, показатели преломления данных материалов являются идентичными и соответствуют сердцевине оптического волокна. В случае, когда будут изготавливать первичную заготовку, показатели преломления отличаются и соответствуют сердцевине и оболочке. Чтобы получить желаемый показатель преломления, к кварцевым частицам добавляют легирующие добавки, такие как GeO₂, P₂O₅, Al₂O₃ и/или B₂O₃.

Чтобы увеличить растворимость A/A-частиц, к жидкости добавляют добавку для улучшения растворимости, такую как оксид алюминия Al_xO_x, хлорид алюминия Al_xCl_x, германий Ge или фосфор P.

Улучшенной однородности показателя преломления внутри областей заготовки или волокна, источником которых является указанная смесь, можно добиться, если SiO₂-частицы, A/A-частицы и, предпочтительно, частицы добавки для улучшения растворимости выбирают так, что они имеют примерно одинаковый размер, например в диапазоне 5-10 мкм. До сих пор различные размеры частиц предлагались поставщиками разных материалов и перерабатывались производителями оптических сред. Следовательно, для способа по изобретению закупаемые материалы должны быть не только химически и физически, но и геометрически адаптированными друг к другу.

В предпочтительном варианте осуществления в начальной технологической стадии SiO₂-A/A смесь получают способом, который включает в себя стадии:

a) предоставления частиц SiO₂ в форме ультрадисперсного порошка, предпочтительно, с диаметром зерна в диапазоне от 10 нм до 1 мкм;

b) предоставления частиц A/A, предпочтительно, с диаметром частиц в диапазоне от 10 нм до 1 мкм, таких как соединения хлоридов (РЗ-Cl₃);

c) предпочтительно, предоставления частиц добавки (56) для улучшения растворимости, таких как соединения хлоридов (AlCl₃);

d) предоставления жидкости, такой как вода, метанол, этанол или спирт;

e) перемешивания ультрадисперсного SiO₂, частиц A/A, предпочтительно частиц добавки (56) для улучшения растворимости и жидкости, чтобы получить суспензию;

f) сушки суспензии, например, в печи или сушильном шкафу, предпочтительно, при температуре в диапазоне 80-120°C; и

g) применения механического воздействия на высушенную суспензию, чтобы получить измельченную SiO₂-A/A смесь, которую затем насыпают во внутреннее пространство кварцевой трубки.

К жидкости можно добавить ультрадисперсный SiO₂, после чего следует добавление A/A-частиц. Альтернативно и предпочтительно сначала к жидкости добавляют A/A-частицы и затем ее смешивают с ультрадисперсным SiO₂, чтобы получить суспензию.

С помощью данного способа можно избежать образования кластеров A/A-частиц, даже если они присутствуют при достаточно высоких концентрациях. A/A-частицы однородно распределены в смеси SiO₂-A/A и позднее в среде хозяина, легированной A/A, т.е. в частях сердцевины и/или оболочки заготовки или волокна. Следовательно, можно изготовить легированную A/A среду хозяина со значительно более высоким коэффициентом усиления или ослабления. Несмотря на то, что новый способ обеспечивает превосходные результаты, его можно осуществить с незначительным усилием. В то же время показатель преломления также однородно распределен по перерабатываемому материалу.

Следовательно, волокна, полученные из оптической среды по изобретению, обладают существенно улучшенными свойствами, в частности, принимая во внимание коэффициент усиления и качество пучка подаваемых сигналов.

Кроме того, можно использовать различные сорта частиц A/A в высоких концентрациях и получать различные желаемые свойства, например селективное усиление и/или ослабление сигнала в различных диапазонах спектра длин волн.

Смесь SiO₂-A/A, предпочтительно, содержит

90-98% по атомной массе, предпочтительно 84%, частиц SiO₂;

0,1-10% по атомной массе, предпочтительно 2%, частиц A/A; и

0,7-70% по атомной массе частиц алюминия.

Смесь SiO₂-A/A, предпочтительно, содержит частиц алюминия в семь раз больше, чем частиц A/A.

Жидкость, предпочтительно, содержит на литр

50-150 грамм, предпочтительно, 100 грамм ультрадисперсного SiO₂;

0,025-0,1, предпочтительно, 0,05 моль A/A-хлорида; и

0,075-0,5, предпочтительно, 0,2 моль Al-хлорида.

Важно отметить, что смесь SiO₂-A/A по изобретению можно использовать для любой части любой оптической среды, такой как первичные заготовки и заготовки более высокого порядка, включая трубки, предоставляемые для изготовления заготовок, и полученные из них оптические волокна. Следовательно, из указанной смеси SiO₂-A/A можно изготовить любую часть заготовки или волокна. В том случае, когда желателен материал с оптимальной однородностью показателя преломления, но без лазерной активности, тогда содержание частиц A/A просто снижают или их не включают в вышеуказанную композицию.

В предпочтительном варианте осуществления SiO₂-A/A смесь подвергают пост-обработке в стадиях:

g) применения в нижнем конце кварцевой трубки замыкающего средства, которое состоит из пористого материала, такого как пористое стекло;

h) засыпания приготовленной SiO₂-A/A смеси во внутреннее пространство кварцевой трубки;

i) введения потока газа, такого как кислород O₂, гелий He, хлор Cl₂ или фтор F через первое замыкающее средство и через SiO₂-A/A смесь, содержащуюся в кварцевой трубке, и нагревания кварцевой трубки, чтобы очистить и прокалить SiO₂-A/A смесь при температуре ниже уровня стеклования (предпочтительно, примерно 1200°C); и

j) нагревания при температуре выше уровня стеклования (предпочтительно, 2100°C), по меньшей мере, нижней части необработанной заготовки, чтобы сплавить кварцевую трубку и SiO₂-A/A смесь.

Кварцевую трубку и SiO₂-A/A смесь можно полностью нагреть по всей длине, чтобы получить обработанную заготовку. Альтернативно расплавленные элементы можно одновременно трансформировать, нагревая ограниченную часть, например, вытягивая волокно или вытягивая, по меньшей мере, одну удлиненную заготовку. Следовательно, из кварцевой трубки и SiO₂-A/A смеси можно получить только одну или множество заготовок.

В последующей технологической стадии одну или несколько изготовленных заготовок можно объединить во вторичную заготовку, из которой, благодаря A/A-частицам, предоставленным в кварцевой трубке и/или SiO₂-A/A смеси изготовленных заготовок, можно вытянуть активное оптическое волокно.

В предпочтительном варианте осуществления для получения лазерных активных оптических волокон, которые можно накачивать с высокой эффективностью, в заготовке обеспечиваются продольные отверстия. Указанные отверстия, предпочтительно, получают, вставляя удаляемые стержни, например прямоугольные или цилиндрические стержни, в кварцевую трубку перед внесением частиц SiO₂.

В одном варианте осуществления, по меньшей мере, одно продольное отверстие, предпочтительно, с плоской поверхностью предлагается в области оболочки заготовки, причем плоскость ориентирована по направлению к области сердцевины заготовки. Следовательно, сигналы накачки, которые достигают указанной плоскости, отражаются по направлению к области сердцевины оптического волокна. Далее периферический материал, окружающий плоскость, можно легко удалить, оставляя приблизительно D-образный профиль.

Альтернативно еще более высокой эффективности лазерной накачки можно добиться, если в заготовке обеспечивают многочисленные отверстия, предоставляемые в области оболочки заготовки. Предпочтительно предоставляется, по меньшей мере, 3, предпочтительно 5 отверстий, которые

a) распределены случайным образом, предпочтительно, в периферийной зоне области оболочки заготовки;

b) имеют диаметр отверстия, равный, предпочтительно, 1/10 диаметра заготовки; и

c) расположены друг от друга на расстоянии, равном, по меньшей мере, одному диаметру отверстия.

Далее преимущественно, может быть использована кварцевая трубка, которую легировали A/A-материалом, который будет равномерно распределен в периферической области заготовки, давая значительные преимущества. Первичную кварцевую трубку или вторичную кварцевую трубку, как указано ниже, можно легко изготовить с желательным легированием A/A-частицами, которые равномерно распределены в материале трубки. Например, A/A-материал в форме сухого порошка можно смешать с кварцем, который находится в расплавленном состоянии. Более предпочтительно, можно приготовить SiO₂-A/A смесь, как описано выше. Поскольку РЗ-материал равномерно распределен в периферической области сердцевины лазерного активного оптического волокна, которое было вытянуто из такой заготовки, он может быть достижим из оболочки для подаваемых сигналов накачки с высокой интенсивностью. Следовательно, лазерные активные оптические волокна по изобретению позволяют введение сигналов накачки через сердцевину или через оболочку. Введение сигналов накачки через оболочку, например через соседние вспомогательные трубки, например многомодовое волокно, или передающие оболочки, как описано ниже, предоставляет преимущество, состоящее в том, что сердцевина остается нетронутой; разделения сердцевины на части и сращивания не требуется.

Необязательно, можно осуществить способ полировки поверхности изготовленной заготовки, чтобы, по меньшей мере, частично удалить материал кварцевой трубки, таким образом, оставляя первичную заготовку или болванку заготовки, которая состоит из плавленой SiO₂-A/A смеси, которая была легирована A/A-материалом.

В дальнейшем варианте осуществления A/A-легированную кварцевую трубку заполняют плотно подходящей твердой стеклянной болванкой или заготовкой по изобретению вместо SiO₂-A/A смеси. Данная комбинация легированной A/A первичной кварцевой изолирующей трубки и вставленной твердой кварцевой болванки или заготовки по изобретению в результате дает необработанную первичную заготовку. Данный результат, принимая во внимание физические свойства и связанные с этим преимущества, сравним с результатом первого варианта осуществления. Легирующие A/A добавки для кварцевой трубки снова будут равномерно распределены в периферийной зоне сердцевины полученного в результате волокна. Ослабление, например, можно осуществить при различных длинах волн.

Дальнейший вариант осуществления изобретения, в котором применяются изобретательские принципы первого и второго варианта осуществления, относится к изготовлению заготовки для активных фотонных кристаллических волокон, в частности лазерных активных оптических волокон. В данном третьем варианте осуществления легированную A/A кварцевую трубку, предпочтительно, изготавливаемую с SiO₂-A/A смесью, применяют в заготовке в положении, которое относится к области сердцевины активного фотонного кристаллического волокна. Поскольку фотонные кристаллические волокна используют полые сердцевины, предпочтительно, тонкостенную легированную A/A кварцевую трубку не заполняют кварцевой болванкой или кварцевыми частицами, а предпочтительно, удаляемым стержнем. Поэтому оптический сигнал ограничен внутри полой сердцевины посредством эффекта фотонной запрещенной зоны и усиливается, когда встречается с поверхностью легированной A/A кварцевой трубки.

Во всех трех вариантах осуществления преимущественно достигается лазерная активность или ослабление в волокне, вытянутом из заготовки. В первом и втором варианте осуществления A/A-материал может быть ограничен в центральной части сердцевины, где интенсивности сигнала накачки, если он не прикладывается через оболочку, и сигнала потребителя, как правило, являются наиболее высокими. В данном случае первичные кварцевые частицы легируют A/A-материалом, например эрбием в типичной концентрации 50 ч/млн или выше. Однако если сигнал накачки вводят через оболочку, тогда первичную кварцевую трубку, которая относится к периферической области сердцевины, легируют A/A-материалом, предпочтительно, до предела образования кластеров.

Введение сигналов накачки в оболочку можно осуществить после удаления покрытия, например, посредством оптически проводящей изолирующей трубки, или посредством волокон накачки, которые обеспечиваются внутри оболочки. Перенос сигналов накачки от оболочки к сердцевине осуществляют с минимальными потерями, если материал сердцевины или оболочки имеет один и тот же показатель преломления. Следовательно, сигнал накачки не отражается в области сердцевины и может достигать с относительно высокой интенсивностью сердцевины, в частности, периферийной зоны. Чтобы ограничить сигнал пользователя, несмотря на идентичные или аналогичные показатели преломления материала сердцевины и материала оболочки, внутри сердцевины, оболочку обеспечивают структурными элементами, которые заполнены воздухом. Данные структурные элементы выполнены таким образом, что в среднем показатель преломления для оболочки ниже, чем показатель преломления сердцевины. Поэтому данный дополнительный вариант осуществления активного оптического волокна и заготовки, которая является ее источником, является идеальным для накачки через оболочку. Указанных структурных элементов можно добиться, например, обеспечивая вспомогательные кварцевые трубки во вторичной заготовке, которые заполняют воздухом или подходяще выбранным газом.

Чтобы получить лазерную активность в фотонных кристаллических волокнах по изобретению, структура, например периодичность, например ячеистой структуры, может быть локально или по всему волокну и, следовательно, по всей заготовке, распределена с последствием, что сигнал входит в периферические зоны области сердцевины, которая состоит из материала, источником которого является легированная A/A кварцевая трубка.

Оптимизированное структурирование и оптимизированное легирование волокон и соответствующих заготовок можно осуществить, наиболее преимущественно, посредством технологических стадий, объясненных ниже, которые основываются на идее, использующей кварцевые частицы или для изготовления вторичных заготовок или заготовок более высокого порядка.

Первичную заготовку по первому варианту осуществления, необработанную заготовку по второму варианту осуществления и A/A-легированную кварцевую трубку по третьему варианту осуществления, которые имеют внешнюю поверхность, вставляют во вторичную кварцевую трубку, имеющую внутреннюю поверхность.

Если требуется,

a) для регулирования показателя преломления оболочки, как описано выше,

b) для предоставления волокон для целей накачки, как описано выше,

c) для достижения эффекта фотонной запрещенной зоны,

d) для осуществления многожильных волокон,

используют дополнительные структурные элементы, такие как вспомогательные кварцевые трубки, удаляемые вспомогательные стержни, кварцевые болванки или обработанные первичные заготовки, которые также имеют внешние поверхности.

Внешние поверхности вставляемого элемента и внутренняя поверхность вторичной кварцевой трубки определяют второе внутреннее пространство, ограниченное в первом конце вторичной кварцевой трубки вторым замыкающим средством.

В дальнейшей технологической стадии вставленные элементы удерживают по существу в продольной коаксиальной связи с вторичной кварцевой трубкой. Затем во второе внутреннее пространство вводят вторичные кварцевые частицы.

Впоследствии второе внутреннее пространство ограничивают в верхнем втором конце вторичной кварцевой трубки вторым соединительным устройством и затем внутри второго внутреннего пространства и вторичной кварцевой трубки создают пониженное давление, вторичные кварцевые частицы и вставленные конструктивные элементы нагревают полностью по всей длине или частично, одновременно вытягивая оптическое волокно.

Краткое описание чертежей

Некоторые цели и преимущества настоящего изобретения были указаны, другие станут ясными при рассмотрении следующего ниже описания вместе с сопровождающими чертежами, на которых:

Фиг.1 показывает тонкостенную первичную кварцевую (SiO₂) трубку 11 с осью х, внутренним пространством 12 и замыкающим средством 13 в ее нижнем конце;

Фиг.2 показывает первичную кварцевую трубку 11, 11d из фиг.1 с соединительным устройством 3 на ее верхней стороне, через которое первичными кварцевыми частицами 51 или смесью SiO₂-A/A 58 заполняют внутреннее пространство 12, чтобы создать необработанную первичную заготовку 1;

Фиг.3 показывает способ нагревания, плавления и сплавления первичных кварцевых частиц 51 или смеси SiO₂-A/A 58 и первичной кварцевой трубки 11, 11d, чтобы получить обработанную первичную заготовку 1;

Фиг.4a-4f показывает переработку обработанной теплом первичной кварцевой заготовки 1 из фиг.3, в течение которой удаляют периферический слой, который состоит из материала, источником которого является первичная кварцевая трубка 11;

Фиг.5a-5c показывает компоновку вторичной заготовки 10 с тонкостенной вторичной кварцевой (SiO₂) трубкой 111, которая вмещает коаксиально установленную A/A легированную первичную заготовку 1, 1' из фиг.4 и вторичные кварцевые частицы 510 или смесь SiO₂-A/A 58;

Фиг.6 показывает верхний конец вторичной заготовки 10 из фиг.5, который дополнительно включает тонкостенную легированную A/A изолирующую трубку 11d, например первичную кварцевую трубку, показанную на фиг.1, которая плотно окружает кварцевую болванку 15;

Фиг.7 показывает верхний конец вторичной заготовки 100, который включает пять первичных или вторичных заготовок 1, 10, показанных на фиг.4 или 6, и вспомогательные трубки 11х, содержащиеся во вторичной кварцевой трубке 111;

Фиг.8 показывает вторичную заготовку 100', предназначенную для изготовления фотонных кристаллических волокон, с A/A-легированной кварцевой трубкой 11d, вспомогательными трубками 11х и вспомогательными стержнями 101, расположенными в двухмерной периодической структуре;

Фиг.9 показывает установку 2, используемую для вытягивания оптического волокна 8 из вторичной заготовки 10, 10' из фиг.5 или 6;

Фиг.10 показывает установку 2 из фиг.9, используемую для вытягивания оптического волокна из вторичной заготовки 100, 100' из фиг.7 или 8;

Фиг.11 показывает оптический усилитель 600 с видом в разрезе активного оптического волокна 8 по изобретению, которое включает множество сердцевин 811, 812,... и вспомогательные волокна 811х;

Фиг.12 показывает оптический усилитель 600 с видом в разрезе фотонного кристаллического волокна 8' по изобретению;

Фиг.13 показывает оптический усилитель 600, который использует несколько намоток активного оптического волокна 8 по изобретению;

Фиг.14, 14a показывает оптический усилитель 600, который применяет сигналы накачки через оболочку активного оптического волокна 8 по изобретению;

Фиг.15a-15h показывает изобретательский способ получения заготовок и волокон в наиболее предпочтительном варианте осуществления; и

Фиг.16a-16c показывает волокна 8, которые обеспечиваются полыми или сплошными структурными элементами 822, 822', что позволяет лазерную накачку через оболочку с высокой эффективностью;

Фиг.17a-17e показывает компоновку заготовок, выполненных с возможностью изготовления оптических волокон согласно фиг.16a-16c.

Детальное описание предпочтительных вариантов осуществления

Фиг.1 показывает кварцевую (SiO₂) трубку 11, имеющую продольную ось х, внешний диаметр d1, диаметр стенки d10, внутреннее пространство 12 и замыкающее средство 13 в ее нижнем конце, которое, предпочтительно, изготавливают в виде одной части вместе с первичной кварцевой трубкой 11. Необязательно, как показано на фиг.2, например, увеличенные секции B и C, первичная кварцевая трубка 11 может содержать охватываемый ее стенками A/A-материал 52 одного или множества сортов для целей, которые описываются ниже.

Фиг.2 показывает кварцевую трубку 11, 11d из фиг.1 с соединительным устройством 3 на ее верхней стороне, включающей канал 31, через который первичные кварцевые частицы 51 или смесь SiO₂-A/A 58, что будет описано ниже со ссылкой к фиг.15, заполняют внутреннее пространство 12 кварцевой трубки 11. Далее фиг.2 показывает различные варианты A, B и C использования кварцевой трубки 11d и первичного кварцевого порошка 51, которые по разному легированы A/A-материалом 52, таким образом, приводя к различным локализациям различных выбираемых A/A-материалов 52 внутри обработанной первичной заготовки 1 и, следовательно, в сердцевине вытягиваемого из нее оптического волокна.

A/A-материал может представлять собой РЗ материал, такой как неодим, европий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий или иттербий, или металл, такой как Fe, Ni, Co, Cr, Cu, Mn, Ti и V. Для легирующих добавок, применяемых по настоящему изобретению, может быть выбран один сорт материала для лазерных активных волокон, типично, эрбий. Однако, в зависимости от длин волн направляемых сигналов также можно выбрать один или более сортов A/A-материала.

Увеличенная секция A показывает кварцевую трубку 11, не содержащую A/A легирующих добавок. Взамен в первичных кварцевых частицах 51 содержатся нескольких сортов A/A легирующих добавок 52. В верхней половине секции А различные частицы смеси A/A легирующих материалов смешивают с кварцевыми частицами. Как показано в нижней половине секции А, A/A материалы предпочтительно ограничивают внутри кварцевых частиц. Этого можно добиться, добавляя A/A материал к кварцу (SiO₂), который находится в расплавленном состоянии, который затем перемешивают, пока A/A материал равномерно не распределится внутри обработанной смеси SiO₂-A/A. Частицы, полученные из легированной жидкости, в таком случае содержат и сохраняют однородное распределение A/A-материала.

Однако, наиболее предпочтительно, способ изготовления смеси SiO₂-A/A осуществляют в соответствии со следующими стадиями:

a) предоставления SiO₂-частиц 51 в форме ультрадиспер