RU2511023C1 - Method of making anisotropic single-mode fibre light guides - Google Patents

Abstract

FIELD: physics, optics.

SUBSTANCE: invention relates to fibre-optics and can be used in making anisotropic single-mode fibre light guides. The method involves making a cylindrical workpiece by MCVD method, which has a core, a low-viscosity tensive cladding and a structural cladding. Two grooves are made at diametrically opposite sides of the workpiece, followed by high-temperature rounding of the workpiece and drawing of the fibre. The structural cladding consists of quartz glass doped with P₂O₅ and/or B₂O₃ and/or F additives in an amount which enables to lower the compression and rounding temperature by 100-150°C.

EFFECT: longer outer diameter of the workpiece, low mass transfer of the quartz glass and high efficiency of the process.

Description

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к технологии изготовления анизотропных одномодовых волоконных световодов, сохраняющих состояние поляризации излучения. Такие световоды используются в различного рода волоконно-оптических интерферометрических датчиках физических величин.The invention relates to fiber optics, in particular to a technology for the manufacture of anisotropic single-mode optical fibers that maintain a state of polarization of radiation. Such fibers are used in various kinds of fiber-optic interferometric sensors of physical quantities.

Анизотропное одномодовое оптическое волокно, получаемое предлагаемым способом, имеет в поперечном сечении круглую сердцевину и эллиптичную напрягающую оболочку, которые расположены внутри конструктивной оболочки из кварцевого стекла. Световоды, имеющие такую конструкцию, обладают повышенными свойствами сохранения поляризации света, которая обеспечивается за счет анизотропии радиальных напряжений, обусловленных эллиптической формой напрягающей оболочки.The anisotropic single-mode optical fiber obtained by the proposed method has a cross-section in the cross section of a round core and an elliptical tension sheath, which are located inside the structural shell of quartz glass. Fiber optics having such a design have enhanced properties of conservation of polarization of light, which is ensured by the anisotropy of radial stresses due to the elliptical shape of the tensile sheath.

Способ получения анизотропных одномодовых световодов с эллиптичной напрягающей оболочкой выгодно отличается от других методов изготовления световодов, сохраняющих поляризацию излучения (типа «panda» или «bow tie»), простотой технологического процесса их изготовления.The method of producing anisotropic single-mode optical fibers with an elliptical straining sheath compares favorably with other methods of manufacturing optical fibers that preserve the polarization of radiation (such as “panda” or “bow tie”) and the simplicity of the manufacturing process.

Наиболее распространенный способ получения одномодовых волоконных световодов с эллиптичной напрягающей оболочкой ("Single polarization optical fibers. Exposed cladding technique" - Applied Physics Letters, v.33, №9, 1978, p.815) включает следующие основные операции:The most common method for producing single-mode optical fibers with an elliptical straining sheath ("Single polarization optical fibers. Exposed cladding technique" - Applied Physics Letters, v. 33, No. 9, 1978, p. 815) includes the following basic operations:

- нанесение слоев низковязкой напрягающей оболочки и сердцевины внутри трубы из кварцевого стекла методом модифицированного химического парофазного осаждения (MCVD),- deposition of layers of a low-viscous tensile shell and core inside a quartz glass pipe by the method of modified chemical vapor deposition (MCVD),

- высокотемпературное сжатие трубки в штабик - заготовку,- high-temperature compression of the tube in the staff - the workpiece,

- абразивную обработку цилиндрической заготовки на шлифовальном станке для образования плоскопараллельных поверхностей,- abrasive processing of a cylindrical workpiece on a grinding machine for the formation of plane-parallel surfaces,

- высокотемпературное кругление заготовки, при котором напрягающая оболочка принимает эллиптичную форму, и- high temperature rounding of the workpiece, in which the tensile shell takes an elliptical shape, and

- вытягивание из заготовки волокна.- drawing fiber from the preform.

Такой способ недостаточно экономичен и низкопроизводителен, так как операция плоскопараллельного шлифования заготовок трудоемка, продолжительна и приводит к значительным потерям дорогостоящей стекломассы. Более того, прогиб цилиндрической заготовки приводит к нарушению соосного расположения сердцевины относительно наружного диаметра заготовки.This method is not economical enough and low productivity, since the operation of plane-parallel grinding of workpieces is laborious, time consuming and leads to significant losses of expensive glass melt. Moreover, the deflection of the cylindrical workpiece leads to a violation of the coaxial arrangement of the core relative to the outer diameter of the workpiece.

Наиболее близкий к предлагаемому техническому решению более простой способ изготовления анизотропных одномодовых световодов с эллиптичной напрягающей оболочкой (Патент РФ №2155359, МПК 6 G02B 6/17, 2000 г.), принят за прототип заявляемого изобретения. Он заключается в получении MCVD методом цилиндрической заготовки, содержащей сердцевину, низковязкую напрягающую оболочку и конструктивную оболочку из кварцевого стекла, нарезании с диаметрально противоположных сторон заготовки двух канавок, высокотемпературном круглении заготовки и вытягивании волокна. В процессе кругления заготовки канавки исчезают, низковязкая напрягающая оболочка принимает эллиптичную форму, а сердцевина остается круглой. Такой способ, усовершенствованный по сравнению с предыдущим методом, позволяет снизить потери дорогостоящей стекломассы при абразивной обработке и существенно сократить длительность процесса изготовления заготовок волоконных световодов. Более того, локализованный участок нарезания канавок абразивным кругом исключает влияние стрелы прогиба заготовки на нарушение соосного расположения сердцевины.Closest to the proposed technical solution, a simpler method for the manufacture of anisotropic single-mode optical fibers with an elliptical straining sheath (RF Patent No. 2155359, IPC 6 G02B 6/17, 2000) was adopted as a prototype of the claimed invention. It consists in obtaining the MCVD by the method of a cylindrical billet containing a core, a low-viscous tensile shell and a structural shell made of quartz glass, cutting two grooves from the diametrically opposite sides of the billet, high-temperature rounding of the billet, and fiber drawing. In the process of rounding the workpiece, the grooves disappear, the low-viscous tensile shell takes an elliptical shape, and the core remains round. This method, improved in comparison with the previous method, allows to reduce the loss of expensive glass melt during abrasive processing and to significantly reduce the duration of the process of manufacturing blanks of optical fibers. Moreover, the localized abrasive grooving section eliminates the influence of the deflection of the workpiece on the violation of the coaxial arrangement of the core.

Недостаток данного способа заключается в ограничении наружного диаметра заготовки величиной 12 мм, позволяющей вытягивать не более 5 км световодов диаметром 125 мкм. Увеличение диаметра заготовок повышает продолжительность высокотемпературных процессов сжатия заготовки и ее кругления, что приводит к существенному испарению кварцевого стекла наружной оболочки (более 30%). Поэтому изготовление таким методом заготовок диаметром более 12 мм нецелесообразно.The disadvantage of this method is that the outer diameter of the workpiece is limited to 12 mm, which allows stretching no more than 5 km of optical fibers with a diameter of 125 μm. An increase in the diameter of the preforms increases the duration of high-temperature processes of compression of the preform and its rounding, which leads to a significant evaporation of the quartz glass of the outer shell (more than 30%). Therefore, the manufacture by this method of blanks with a diameter of more than 12 mm is impractical.

Задача настоящего изобретения состоит в увеличении наружного диаметра заготовки, снижении массоуноса кварцевого стекла при высокотемпературных операциях сжатия и кругления заготовки, а также в повышении производительности процесса изготовления анизотропных одномодовых световодов с эллиптической напрягающей оболочкой.The objective of the present invention is to increase the outer diameter of the preform, reduce the mass loss of quartz glass during high-temperature operations of compression and rounding of the preform, as well as to increase the productivity of the manufacturing process of anisotropic single-mode optical fibers with an elliptical tension sheath.

Поставленная задача решается новым способом изготовления анизотропных одномодовых волоконных световодов с эллиптичной напрягающей оболочкой, заключающимся в получении MCVD методом цилиндрической заготовки, содержащей сердцевину, низковязкую напрягающую оболочку и конструктивную оболочку из материала исходной трубки из кварцевого стекла, нарезании с диаметрально противоположных сторон заготовки двух канавок, высокотемпературном круглении заготовки и вытягивании волокна, в котором в отличие от прототипа исходная трубка, образующая конструктивную (наружную) оболочку, выполнена из кварцевого стекла, легированного добавками в виде Р₂О₅ и/или B₂O₃ и/или F в количестве, обеспечивающем снижение температуры сжатия и кругления заготовки на 100-150°C.The problem is solved by a new method of manufacturing anisotropic single-mode optical fibers with an elliptic straining sheath, which consists in obtaining MCVD by the method of a cylindrical billet containing a core, a low-viscous straining sheath, and a structural sheath made of the material of the original quartz glass tube, cutting from the diametrically opposite sides of the workpiece of two grooves, high temperature rounding the workpiece and pulling the fiber, in which, in contrast to the prototype, the original tube forming constructive (outer) shell made of quartz glass doped with additives in the form of P ₂ O ₅ and / or B ₂ O ₃ and / or F in an amount that reduces the compression temperature and rounding of the workpiece by 100-150 ° C.

Известно, что малые добавки P₂O₅, B₂O₃ и F в количестве 1-3 мол. % приводят к существенному снижению вязкости кварцевого стекла. Использование в MCVD технологии световодов опорных труб из такого стекла приведет к снижению температур (на 100-150°C) при операциях сжатия и кругления заготовки, что, в свою очередь, обеспечит снижение массоуноса за счет испарения стекла и возможность увеличения диаметра заготовок.It is known that small additives P ₂ O ₅ , B ₂ O ₃ and F in the amount of 1-3 mol. % lead to a significant decrease in the viscosity of quartz glass. The use of support fibers made of such glass in the MCVD technology will lead to lower temperatures (by 100-150 ° C) during compression and rounding of the workpiece, which, in turn, will reduce the weight loss due to evaporation of the glass and the possibility of increasing the diameter of the workpieces.

Понижение вязкости стекла наружной оболочки не снижает двулучепреломление оптического волокна, обусловленного анизотропией напряжений, так как стекло сердцевины отверждается не раньше, чем материал наружного слоя.A decrease in the viscosity of the glass of the outer shell does not reduce the birefringence of the optical fiber due to stress anisotropy, since the core glass does not cure earlier than the material of the outer layer.

Совокупность изложенных признаков и анализ отличий от прототипа по существующему уровню техники позволяет сделать вывод о «новизне» и «изобретательском уровне» нового способа.The combination of the above features and analysis of differences from the prototype according to the existing level of technology allows us to conclude about the "novelty" and "inventive step" of the new method.

Пример №1. Изготавливали наружную конструктивную оболочку в виде трубы методом наружного газофазного осаждения из кварцевого стекла, содержащего около 1 мол. % P₂O₅, с наружным диаметром 30 мм, толщиной стенки 3 мм и длиной 1 м. На внутреннюю поверхность трубы методом MCVD наносили слои:Example No. 1. The outer structural shell was made in the form of a pipe by the method of external gas-phase deposition from quartz glass containing about 1 mol. % P ₂ O ₅ , with an outer diameter of 30 mm, a wall thickness of 3 mm and a length of 1 m.

- напрягающей оболочки из кварцевого стекла, легированного 18 мол. % B₂O₃ и около 5 мол. % GeO₂,- a tensile shell made of quartz glass alloyed with 18 mol. % B₂O₃ and about 5 mol. % GeO₂,

- изолирующей оболочки из кварцевого стекла, легированного около 2 мол.% GeO₂, и- an insulating shell of quartz glass doped with about 2 mol.% GeO ₂ , and

- сердцевины из кварцевого стекла, содержащего около 5 мол.% GeO₂. Изолирующая оболочка и сердцевина легированы дополнительно фтором в количестве ≈0,5 ат.%. Сжатие трубки в штабик выполнили за два прохода горелки при температуре 2000-2050°C. После нарезания двух канавок глубиной 5 и шириной 1 мм производили кругление при той же температуре. Эллиптичность напрягающей оболочки ≈0,6. Из заготовки с диаметром 16,3 мм и длиной нормированного участка 0,8 м вытянуто 13,5 км анизотропного одномодового световода с диаметром стекловолокна 125 мкм в однослойном эпоксиакрилатном покрытии толщиной 40-50 мкм. Степень сохранения поляризации излучения рабочей моды на длине волны 1,55 мкм была на уровне 51·0^-6 м^-1, а оптические потери ≈0,7 дБ/км при длине волны отсечки высшей моды, равной 1,35 мкм.- cores of silica glass containing about 5 mol.% GeO ₂ . The insulating shell and core are additionally doped with fluorine in an amount of ≈0.5 at.%. The compression of the tube into the head was performed in two passes of the burner at a temperature of 2000-2050 ° C. After cutting two grooves with a depth of 5 and a width of 1 mm, rounding was performed at the same temperature. The ellipticity of the tensile shell is ≈0.6. 13.5 km of anisotropic single-mode fiber with a fiber diameter of 125 μm in a single-layer epoxy acrylate coating 40-50 μm thick are stretched from a preform with a diameter of 16.3 mm and a normalized length of 0.8 m. The degree of conservation of polarization of the radiation of the working mode at a wavelength of 1.55 μm was 51 · 0 ^-6 m ^-1 , and the optical loss was ≈0.7 dB / km at a cutoff wavelength of the highest mode equal to 1.35 μm.

Массоунос за счет испарения стекла в процессе высокотемпературных обработок составил ориентировочно 20%. Весь процесс изготовления заготовки диаметром 16,3 мм и длиной 1 метр занял около 7 часов.Massounos due to the evaporation of glass during high-temperature treatments amounted to approximately 20%. The whole process of manufacturing a workpiece with a diameter of 16.3 mm and a length of 1 meter took about 7 hours.

Пример №2. В качестве контрольного примера по аналогии с примером №1 изготовили заготовку, но с использованием трубы из кварцевого стекла марки KB с наружным диаметром 22 мм, толщиной стенки 2 мм и длиной 1 метр. Температура сжатия и кругления была на 100°C выше, чем в предыдущем примере. В результате получили заготовку диаметром 11 мм, из нормированной части которой длиной 0,8 м вытянули 6 км световода с характеристиками, близкими к данным для примера №1.Example No. 2. As a control example, by analogy with example No. 1, a blank was made, but using a KB quartz glass pipe with an outer diameter of 22 mm, a wall thickness of 2 mm, and a length of 1 meter. The compression and rounding temperature was 100 ° C higher than in the previous example. As a result, we obtained a billet with a diameter of 11 mm, from the normalized part of which a length of 0.8 m was drawn out 6 km of the fiber with characteristics close to the data for example No. 1.

Массоунос за счет испарения стекла в процессе высокотемпературных обработок составил ориентировочно 32%. Весь процесс изготовления заготовки диаметром 11 мм занял около 8 часов.Massounos due to the evaporation of glass during high-temperature treatments amounted to approximately 32%. The whole process of manufacturing a workpiece with a diameter of 11 mm took about 8 hours.

Таким образом, снижение вязкости стекла опорной кварцевой трубы позволяет увеличить габариты заготовки и длину вытягиваемого волокна при одновременном снижении затрат времени на изготовление световодов одинаковой длины.Thus, a decrease in the viscosity of the glass supporting the quartz tube allows you to increase the dimensions of the workpiece and the length of the pulled fiber while reducing the time spent on the manufacture of optical fibers of the same length.

Вышеизложенные сведения подтверждают очевидную промышленную применимость предлагаемого способа изготовления волоконных световодов, сохраняющих поляризацию излучения.The above information confirms the obvious industrial applicability of the proposed method for the manufacture of optical fibers that preserve the polarization of radiation.

Claims (1)

Способ изготовления анизотропных одномодовых волоконных световодов, заключающийся в получении MCVD методом цилиндрической заготовки, содержащей сердцевину, низковязкую напрягающую оболочку и конструктивную оболочку, нарезании с диаметрально противоположных сторон заготовки двух канавок, высокотемпературном круглении заготовки и вытягивании волокна, отличающийся тем, что конструктивная оболочка состоит из кварцевого стекла, легированного добавками P₂O₅ и/или В₂О₃ и/или F в количестве, обеспечивающем снижение температуры сжатия и кругления на 100-150°C. A method of manufacturing anisotropic single-mode optical fibers, which consists in obtaining MCVD by the method of a cylindrical billet containing a core, a low-viscous tensile sheath and a structural sheath, cutting two grooves from the diametrically opposite sides of the preform, high-temperature rounding of the preform and fiber drawing, different the fact that the structural shell consists of quartz glass doped with additives P₂O₅ and / or B₂ABOUT₃ and / or F in an amount to reduce the temperature of compression and rounding by 100-150 ° C.