Волоконный световод и способ его изготовления
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4731349/10 (22) 31,05,89 (46) 30.06.92. Бюл, ¹ 24 (71) Одесский электротехнический институт им. А, С. Попова (72) T. В, Макаров и А. Е, Зазулин (53) 535.813(088,8) (56) Патент США ¹ 4634218, кл. G 02 В 6/16, 1986. Патент США ¹ 44555577774422,, кКл, G 03 В 37/025, 1985. (54) ВОЛОКОННЫЙ СВЕТОВОД И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (57) Использование: в волоконно-оптических системах передачи информации, Сущность изобретения; сердцевина и оболочка выполнены из одного материала, при этом Изобретение относится к технике волоконно-оптической связи, а более конкретно — к слабонаправляющим волоконным световодам и способам их изготовления, и может применяться как передающее средство для волоконно-оптических систем передачи информации. Известны слабонэправляющие двухслойные волоконные световоды, у которых показатель преломления оболочки различен. Сердцевина и оболочка изготавливаются из одного материала, а различие показателей преломления достигается зэ счет внесения легирующих добавок в материал сердечника или в материал оболочки. Способы изготовления указанных волоконных световодов: метод двойного тигля и метод вытягивания из заготовок. Для изготовления волоконного световода использу... SU,, 1744675 А1 оболочка выполнена анизотропной с внутренней структурой материала, ориентированной вдоль оси световода. Для изготовления такого световода предварительно из однородной заготовки в нейтральной среде вытягивают изотропный волоконный световод и дополнительно нагревают его в нейтральной среде до температуры размягчения поверхностного слоя волоконного световода и в процессе дополнительного нагрева и последующего охлаждения воздействуют на световод электрическим полем, ориентированным вдоль оси световода, а его напряженность устанавливают меньше напряженности пробоя нейтральной среды при температуре размягчения поверхности волоконного световода. 2 с, п. ф-лы, 5 ил. ются однородные материалы, отличающиеся по химическому составу в разных тиглях. — в методе двойного тигля, или материал. изменяющийся по химическому составу по сечению заготовки, — в методе вытяжки из заготовки. Недостатками упомянутых волоконных световодов и способов их изготовления являются: наличие внутренних механических напряжений в материале волоконного световода, особенно на границе сердечник— оболочка, возникающих при изменении температуры в производственном процессе из-за различия химического состава материалов сердечника и оболочки вследствие различия их температурного коэффициента расширения; технологические трудности при изготовлении, вызванные необходимостью внесения легирующих примесей и же1744675 55 сткого контроля за их распределением по поперечному сечению волоконного световода, вызывают повышение релеевского рассеяния и соответствующую материальную дисперсию, отрицательно воздействующие на условия передачи сигналов. Известен волоконный световод, элементы которого изготовлены из одного и того же материала. Устройство световода обеспечивает при остывании после затвердения двухстороннее сжатие сердечника световода в радиальном направлении в одной .плоскости специальными брусками. При этом механическое сжатие сердечника световода значительно больше, чем оболочки. Согласно явлению фотоупругости направленное сжатие становится выделенным и играет роль оптической оси, что приводит к анизотропии оптических свойств, Изменение показателя преломления материала сердечника ввиду его большой деформации превышает изменение показателя преломления оболочки, что создает условия распространения одной из двух взаимоорготональных волн. Недостатками волоконного световода являются дополнительные технологические трудности при изготовлении, вызванные сложной формой поперечного сечения элементов световода для обеспечения механического сжатия сердечника, и, следовательно, высокая его стоимость, низкая производительность при его производстве. . Известен также способ изготовления ступенчатых (двухслойных) волоконных световодов, поддерживающих единую поляризацию. При вытяжке такого волоконного световода сильное поперечное электрическое поле прикладывается в зоне луковицы. Это поле заставляет молекулы и микрокристаллы размягченного стекла ориентироваться вдоль силовых линий электрического поля. Ориентация структуры сохраняется в затвердевшем стекле. Поляризация распространяющегося по волокну света поддерживается за счет анизотропии оптических свойств стекла, Недостатками данного способа являются: оптическое волокно с элементами из одного и того же материала, изготовленное этим способом, не обладает волноводными свойствами, что требует дополнительного технологического процесса по наложению оболочки; необходимость внесения легирующих примесей для производства оболочки волокна и жесткого контроля за их распределением по поперечному сечению оболочки волокна; наличие у оптического волокна внутренних механических напряжений на 45 границе сердечник — оболочка из-за различия химического состава материалов сердечника и оболочки, что снижает их надежность. Цель изобретения — повышение надежности и уменьшение трудоемкости волоконного световода. Указанная цель достигается тем, что: волоконный световод из однородного по химическому составу материала выполнен с круглой формой поперечного сечения элементов без внутренних механических напряжений в материале и с ориентацией внутренней микроструктуры материала оболочки вдоль оси волокна. Ориентация микроструктуры материала оболочки приводит к появлению анизотропии оптических свойств материала оболочки, выражающейся в снижении показателя преломления от величины 1 до величины пр< для обыкновенной волны, вектор поляризации которой ортогонален главной плоскости материала оболочки световода, и увеличению показателя преломления до величины п для необыкновенной волны, вектор поляризации которой лежит в главной плоскости материала оболочки световода. Волоконный световод обеспечивает распространение обыкновенных волн вдоль него, так как показатель преломления изотропного материала сердечника п больше показателя преломления оболочки п < для таких волн. Существенные отличия предлагаемого волоконного световода от известного, также обеспечивающего направленное распространение оптического излучения путем создания анизотропии в одном элементе волокна, заключаются в следующем: анизотропия оптических свойств создается направлением вдоль оси волокна микроструктуры материала, а не созданием внутренних механических напряжений; анизотропия создается в оболочке, а не в сердечнике; элементы волокна имеют круглую форму поперечного сечения, а не сложную форму, что позволяет изготавливать предлагаемое волокно на серийно выпускаемом оборудовании; Вытягивается из однородной по химическому составу заготовки изотропное оптическое волокно, а анизитропия в материале оболочки создается уже в процессе дополнительного нагрева до температуры разь,ягчения поверхностного слоя волокна. При этом вдоль оси волокна на время дополнительного нагрева и последующего охлаждения прикладывается электрическое поле, которое ориентирует микроструктуру материала оболочки. 1744675 ских свойств материала путем ориентации микроструктуры материала в приложенном . 5 B результате такого упорядочения структуры стекла оболочки в продольном электрическом поле показатель преломления ее для необыкновенной волны (луч 3 на фиг, 2) определяется выражением (вектор Е Существенные отличия предлагаемого способа изготовления от способа-прототипа, также создающего анизотропию оптичеэлектрическом поле, заключаются в следующем: проводится дополнительный кратковременный локальный нагрев поверхности волокна до размягченного состояния; электрическое поле ориентирует микроструктуру материала вдоль оси волокна и только внутри оболочки, а не перпендикулярно и всего волокна. Это позволяет изготавливать предлагаемым способом волоконные световоды из однородных по химическому составу материалов заготовок, производство которых проще и экономичнее. Указанная цель достигается тем, что в предварительно изготовленном изотропном однородном однослойном волокне (сердечнике), поддерживающем двойную взаимно ортогональную поляризацию волн (фиг. 1), с целью придания ему световодных свойств, создается в нем наружная оболочка из того же материала путем уменьшения показателя преломления этой оболочки по сравнению с показателем преломления сердечника, для чего внутренняя молекулярная структура материала оболочки ориентируется вдоль оси волокна внешним продольным электрическим полем при кратковременном нагреве оболочки до температуры размягчения материала оболочки. Молекулы большинства материалов обладают анизотропией свойств, в том числе и оптических. При застывании расплава стекла вне электрического поля молекулы и образовавшиеся микрокристаллы ориентируются хаотично. Поэтому оптические свойства стекла изотропны, Под воздействием внешнего электрического поля молекулы и микрокристаллы приобретают электрический момент, который стремится сориентировать молекулы осью наибольшей поляризуемости вдоль поля, В результате оптические свойства стекла становятся анизотропными (эффекты Керра и Поккельса). Следовательно, если застывание расплава стекла оболочки волокна происходит в электрическом поле, то молекулы и образовавшиеся микрокристаллы сохраняют ориентированное вдоль поля положение даже после снятия электрического поля в остывшем стекле оболочки. 50 лежит в главной плоскости (в плоскости чертежа) и обозначен стрелочками на фиг. 2); not=no+ (ni-np)sin а (г), (1) где no, nl — показатели преломления дл обыкновенной и необыкновенной волн в од нородной анизотропной среде соответст венно; а (г) — угол между направлением луч; в некоторой точке r и направлением оптиче ской оси молекул в этой же точке, задавае мым направлением силовой линии внешнего электрического поля. // Для обыкновенной волны(вектор Е ) оптической волны перпендикулярен главной плоскости и обозначен точками, на фиг, 2) независимо от угла а (г) показатель преломления оболочки равен noo=no. (2) Результаты тщательных измерений величин ni — n. и по — nl дают (для большинства веществ в том числе и кварца): (n> — п1)/(nî п1)= 2 (3) где n1 — показатель преломления изотропной среды (сердечника), подвергшейся для создания оболочки упорядочивающему воздействию внешним электрическим полем (фиг. 2). Для кварца (положительный кристалл) из соотношения (3) следуют условия: n< Следовательно, волноведущие свойства однородного сердечника с показателем преломления п1 проявятся в большей степени по отношению к обыкновенным волнам (в оболочке), для которых в соответствии с (2) и (4) n<>n„=n, и с поляризацией, перпендикулярной к главной плоскости, содержащей луч и оптическую ось, Другими словами обыкновенная волна в оболочку с показателем преломления по не проникает для всех углов О агссоз(по/п1), и канализируется в пределах сердечника. Необыкновенная волна проникает в анизотропную оболочку, для которой в соответствии с (1) noi>n< для всех углов О > 0 . Проникнув в оболочку, необыкновенная волна излучается в открытое пространство с показателем преломления nz при углах О > агссоз(п2/по ) или рассеивается на шероховатостях границ n<>1 — п2 и пЫ вЂ” nl. Таким образом, волны однородного изотропного сердечника с поляризацией в главной плоскости анизотропной оболочки подавляются, Следовательно, однородное изотропное оптическое волокно, снабженное аниэотропной оболочкой из того же материала с оптической осью, параллельной 1744675 20 ляет примерно 0,001 с оси сердечника, поддерживает единую поляризацию волн сердечника и является таким образом модоселективным по поляризации волоконным световодом, При использовании в качестве материала для оболочки и сердечника чистого SiOz получают волоконный световод, обладающий наибольшей радиационной стойкостью, наибольшей температурой плавления и наименьшим поглощением в видимой и близкой инфракрасной области из-за испаракия многих примесей при высокой температуре изготовления, На фиг. 3 изображено сечение предлагаемого волоконного световода и получаемый профиль показателя преломления для распространяющегося вдоль волокна света, где область 1 — сердечник волоконного световода, так как он не подвергается размягчению, то структура его материала и показатель его преломления под действием приложенного продольного электрического поля не изменяются, Область 2 — оболочка волоконного световода. При допол нител ьной термообработке температура в ней поднимается выше температуры размягчения TE и под действием приложенного вдоль волокна электрического поля структура материала в ней полностью ориентируется вдоль волокна, что приводит к уменьшению показателя преломления для распространяющегося вдоль оси волокна света. Температура в области 3 при дополнительной термообработке больше температуры стеклования Tg, но меньше температуры размягчения. Из-за значительной величины вязкости и малого времени повышения температуры внутренняя структура материала не успевает под действием электрического поля полностью сориентироваться вдоль оси волокна, Степень ориентации уменьшается с увеличением расстояния от поверхности волокна, В результате показатель преломления в этой области меняется от про до п . Предлагаемый способ изготовления волоконного световода поясняется схемой, представленной на фиг. 4, Однородное оптическое волокно 1 получают из однородного материала любым из известных способов. Для этого требуются общеизвестные технические средства вытяжки волокна 2. Вслед за остыванием волокна после вытяжки его поверхность подвергается кратковременному нагреву до температуры выше температуры размягчения. Нагрев волокна осуществляется перед защитным покрытием от любого устройства нагрева. Например, в качестве устройства нагрева используется графитовая печь 3 сопротивления, размещенная в среде аргона 4. В зоне размягчения оболочки волокна 5 вдоль волокна приложено электрическое поле 6, создаваемое электродами 7, Электроды размещаются вне диэлектрической камеры нагрева, и к ним подводится постоянное или переменное напряжение частотой порядка 500-800 Гц. При этом на-. пряженность электрического поля должна быть меньше напряженности пробоя нейтральной среды при температуре размягчения материала волокна, Время поверхностного нагрева однородного волокна зависит от ряда факторов: скорости протяжки диаметра волокна и необходимой толщины оболочки, его материала идр, Учитывая необходимую кратковременность температурного воздействия на волокно, камера (печь) нагрева волокна должна быть малогабаритной. По этой причине электроды 7 целесообразно размещать вне камеры, как представлено на фиг. 4. Температурная волна распространяется от поверхности волокна и его середине, уменьшаясь по величине ввиду теплоемкости материала волокна, Качественное распределение температур по сечению волокна в различные моменты времени приведено на фиг.5, где температура TE - температур, размягчения, пои которой вязкость материала порядка 10 Па ° с и время структурной ,6 релаксации порядка 10 с, Под действием электрического поля при такой температуре внутренняя структура материала полностью ориентируется вдоль поля, Температура Т вЂ” температура стеклования, при которой вязкость материала равна 10 Па с и время г структурной релаксации материала составляет порядка 10 -10 с, При этом структура 2 3 материала волокна не успевает измениться под воздействием электрического поля. В области температур Тц-Т степень ориентации структуры зависит от величины температуры и длительности ее превышения над температурой Tg, Длительность воздействия высокой температуры на волокно определяется осевой протяженностью нагревателя 3 и скоростью вытяжки волокна, Например, для волокна из чистого SiOz показатель преломления сердечника п =1,552, оболочки Ilpp=1,543, Tg=1495 Ñ, Те= 1750 С Время нагрева поверхности волокна составФормула изобретения 1. Волоконный световод, сохраняющий поляризацию, содержащий сердцевину и оболочку, выполненные из материала одно1744675 Фиг.1 изппграююй сеРдеиник анцзстрсптя Иююжа ro и того же химического состава, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения надежности, оболочка выполнена анизотропной с внутренней структурой материала, ориентированной вдоль оси волоконного световода, 2. Способ изготовления волоконного световода, сохраняющего поляризацию, включающий воздействие электрического поля для ориентации внутренней структуры материала волоконного световода в размягченном состоянии, отличающийся тем, что, с целью уменьшения трудоемкости, предварительно из однородной заготовки в нейтральной среде вытягивают изотропный волоконный световод и дополнительно нагревают его в нейтральной среде до температуры размягчения поверхностного слоя 5 волоконного световода, а воздействие электрическим полем осуществляют в процессе дополнительного нагрева и последующего охлаждения волоконного световода, при этом электрическое поле ориентируют 10 вдоль оси волоконного световода, а его напряженность устанавливают меньше напряженности пробоя нейтральной среды при температуре размягчения поверхности волоконного световода. 1744675 T 2pod Составитель Т.Макаров Редактор М.Недолуженко Техред М.Моргентал Корректор В.Гирняк Заказ 2197 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101
