ФОТОННО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Изобретение относится к оптической и электронной промышленностям, в частности к волоконно-оптическим элементам с фотонными запрещенными зонами, обладающими электрооптическим эффектом, и может быть использовано при конструировании систем для передачи и обработки информации.

В последнее десятилетие во всем мире ведутся интенсивные исследования влияния электрического поля на изменение оптических свойств материалов - стекол, кристаллов, полимеров, в первую очередь, на изменение их показателя преломления, двойного лучепреломления, дисперсии, поляризации.

В изотропных материалах наведенное электрическим полем двойное лучепреломление, называемое электрооптическим эффектом Керра, определяется выражением Δn=n_׀׀-n_⊥=λВЕ², где λ - длина волны, Е - напряженность электрического поля, n_׀׀ и n_⊥ - соответственно показатели преломления в направлении поля и перпендикулярно электрическому полю, В - константа Керра.

В анизотропных материалах, не обладающих центром симметрии, наведенное двулучепреломление определяется линейным электрооптическим эффектом Поккельса, где Δn прямо пропорционально Е.

Линейный электрооптический эффект Поккельса значительно более эффективен, чем квадратичный эффект Керра.

Оптическое стеклянное волокно представляет большой интерес в качестве электрооптического устройства для использования в системах оптической связи и передачи информации, переключателях и других устройствах. Ведутся интенсивные исследования как в направлении повышения коэффициента Керра стекол и разработки технологии изготовления электрооптических волокон с эффектом Керра, так и в направлении модификации электрооптического волокна с целью перехода в нем от квадратичного электрооптического эффекта Керра к линейному электрооптическому эффекту Поккельса.

Одним из способов достижения вышеуказанного перехода в стекле является поляризация структурных элементов стекла, происходящая при термической обработке стекла в электрическом поле - полинг.

Весьма интенсивные исследования проводятся в области фотонно-кристаллического волокна оптического волокна, в котором волноводный эффект создается вследствие наличия запрещенных фотонных зон в направлениях, перпендикулярных оси волокна. Одним из видов фотонно-кристаллического волокна является оптическое волокно с брегговской структурой оболочки. В этом волокне может достигаться одномодовый режим распространения света.

Одним из преимуществ брегговского волокна перед одномодовым волокном с полным внутренним отражением является значительно большая площадь сечения направляемого светового потока, соответственно, более высокая интенсивность и низкая плотность мощности светового потока. Другим преимуществом является возможность управления оптической дисперсией.

Известны фотонно-кристаллические волокна со структурой Брегга (Патент США №6243522, МПК G02B 6/02, опубл. 05.11.1999). Волокна изготовлены из силикатных стекол, содержащих оксиды германия, бора, титана и фториды с низким коэффициентом Керра и не могут быть использованы в электрооптических устройствах.

Известны стекла, в которых коэффициент Керра более чем в 20 раз превышает этот параметр в кварцевом стекле, например стекла, описанные в статье N.F.Borrelli и др. Electric-field-induced birefringence properties of high-refractive-index Glasses exhibiting large Kerr nonlinearities. J.Appl.Phys. 70 (5), 01.09.1991. Однако для изготовления электрооптического волокна помимо высокого коэффициента Керра стекла сердцевины необходимо, чтобы материал сердцевины обладал технологическими свойствами, позволяющими вытягивать из него бездефектное волокно. Вышеупомянутые стекла не обладают сочетанием этих свойств.

Известно «Желобковое оптическое волокно с электродами и способ его изготовления», описанные в патенте США № 5768462, МПК G02B 6/02, опубл. 16.06.1998. Оптическое волокно по указанному патенту изготавливают из кварцевого стекла. На внешней поверхности волокна изготавливают желобки, идущие вдоль волокна, в которые укладывают электроды и к которым прилагается электрическое напряжение, которое изменяет рефракционные свойства волокна. В качестве электродов используется проволока из золота диаметром 25 мкм. Такое оптическое волокно модифицирует оптический сигнал, проходящий через него, благодаря изменению его рефракционных свойств под влиянием напряжения тока, приложенного к электродам. Для изготовления волокна используется традиционная технология - вытягивание из штабика. Сначала изготавливают штабик с желобками вдоль образующей, затем штабик нагревают в печи с помощью высокочастотного индуктора до температуры плавления и вытягивают волокно, наматывая его на катушку. В желобки укладываются электроды из золотой проволоки по всей длине волокна.

Недостатками этого известного решения являются, во-первых то, что материал волокна - стекло на основе кварца имеет чрезвычайно низкую константу Керра, во-вторых, то, что очень сложно уложить электроды диаметром 25 мкм вдоль волокна в желобок, сформированный в волокне толщиной около 200 мкм, при большой длине волокна, а также и то, что невозможно эффективно приложить управляющее электрическое поле к активной световедущей жиле. Это, в первую очередь, обусловлено большим расстоянием от электродов до жилы, и малым значением константы Керра, приводящим к необходимости использования высоких управляющих напряжений и, в свою очередь, к электрическому пробою.

В статье D.J.Welker и др. Fabrication and characterization of single-mode electrooptic polymer optical fiber. Optics Letters/Vol.23. No.23. December 1.1998 описан способ изготовления одномодового полимерного электрооптического волокна. В качестве оболочки использован полиметил метакрилат (ПММА) и в качестве сердцевины ПММА, легированный рассеивающим красным азокрасителем, а в качестве электродов - индий. Сначала изготавливают преформу из двух полуцилиндров, внутрь которых помещают в бороздки сердцевину и электроды. Полуцилиндры складывают в преформу диаметром 12,7 мм и длиной 100 мм и из преформы вытягивают волокно диаметром 125 мкм с диаметром сердцевины 10 мкм длиной 1 км. Описанная конструкция волокна не позволяет получить волокно, однородное по пропусканию и сопротивлению, из-за высокой взаимодиффузии компонентов полимера в горячей зоне вытяжки. В результате можно получить пригодные для измерения только короткие отрезки.

В патенте США №6598428, МПК С03В 37/012, опубл. 29.07.2003, описан способ изготовления цельностеклянного (без полых каналов) фотонно-кристаллического волокна из многокомпонентных стекол, которое не является электрооптическим, т.е. не содержит электродов и не предназначено для модуляции оптического сигнала с помощью приложенного электрического напряжения.

Наиболее близкими объектами к предлагаемому решению являются одномодовое электрооптическое волокно и способ его изготовления, описанные в патенте РФ №2247414, МПК G02B 6/22; С03В 37/027, опубл. 27.11.2003. Электрооптическое волокно по указанному патенту изготавливают из многокомпонентных стекол с высокой константой Керра. Способ изготовления волокна заключается в том, что из стеклянных дротов набирают пакет с одновременным формированием внутренней структуры будущего электрооптического волокна, включая сердцевину, оболочки, светопоглощающие элементы и токопроводящие электроды, затем пакет перетягивают в преформу, которую вторично перетягивают в волокно с одновременным нанесением полимерного защитного покрытия.

Вышеуказанное электрооптическое волокно не является фотонно-кристаллическим, прохождение света через указанное оптическое волокно обеспечивается эффектом полного внутреннего отражения, а не наличием в нем запрещенных фотонных зон. Недостатками вышеуказанного электрооптического одномодового волокна являются малая интенсивность пропускаемого светового потока вследствие малой площади сечения направляемого светового пучка и высокая оптическая дисперсия.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности усиления светового потока в оптическом волокне, повышение электрооптического эффекта и создание возможности управления оптической дисперсией в волокне.

Технический результат достигается с помощью создания новой структуры волокна, в основе которой используется принцип брегговской структуры, образованной из многокомпонентных стекол с высокой константой Керра, с примыкающими к ней электродами, находящимися в стеклянной обкладке брегговской структуры. Способ изготовления предлагаемого фотонно-кристаллического волокна обеспечивает достижение поставленной задачи изобретения и позволяет получать волокна в различных задаваемых вариантах по форме и взаиморасположению составляющих элементов волокна.

Предлагаемые фотонно-кристаллическое электрооптическое волокно и способ его изготовления представляют собой группу изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом.

Фотонно-кристаллическое электрооптическое волокно, включающее составляющие его элементы, выполненные на основе многокомпонентных стекол с высокой константой Керра, встроенные электроды, размещенные вдоль оси волокна, в отличие от прототипа имеет в центральной части брегговскую структуру, состоящую из сердцевины, выполненной однородной из низкопреломляющего стекла, и заданного набора чередующихся оболочек, выполненных из высокопреломляющих и низкопреломляющих стекол, а периферийная часть волокна образует мягкую обкладку брегговской структуры и выполнена из многокомпонентных стекол с низкой вязкостью в температурном интервале вытяжки волокна, в которую внедрены металлические электроды, примыкающие к центральной части с диаметрально противоположных сторон, при этом элементы брегговской структуры имеют заданную форму сечения.

Сердцевина и оболочки брегговской структуры выполнены из стекла с константой Керра не менее чем 5·10^-16 м/В², которое содержит следующие компоненты в мас.%: SiO₂ - 7-25, B₂O₃ - 6-15, La₂O₃ - 14-30, ВаО - 21-35, TiO₂ - 12-15, ZrO₂ - 1-6, WO₃ - 0.7-2, Nb₂O₅ - 2.5-11 и, по крайней мере, один компонент из группы As₂O₃, Sb₂O₃ в количестве 0.1-0.5. Данные стекла обеспечивают наиболее высокий электрооптический эффект. Из этих стекол могут быть выполнены высокопреломляющие оболочки брегговской структуры. Сердцевина и низкопреломляющие оболочки выполнены из стекол, которые содержат следующие компоненты в мас.%: SiO₂ - 50-75, по крайней мере, один компонент из группы B₂O₃, Al₂O₃ в количестве B₂O₃ - 1-25, Al₂O₃ - 1-10, по крайней мере, один из компонентов группы K₂O, Na₂O, Li₂O в количестве K₂O - 1-12, Na₂O - 2-20, Li₂O - l-5, по крайней мере, один компонент из группы ВаО, CaO, MgO в количестве ВаО, СаО - 0.5-6, MgO - 0.5-4 и, по крайней мере, один из группы As₂O₃, Sb₂O₃ в количестве 0.1-0.5. Такое сочетание стекол способствует увеличению перепада показателя преломления между оболочками, а также обеспечивает возможность введения редкоземельных активаторов Er₂O₃, Yb₂O₃, Nd₂O₃, Y₂O₃ - 0.01-3, Tb₂O₃ в сердцевину волокна и усиления оптического сигнала вследствие лазерного эффекта, что подтверждается проведенными опытами.

Для лучшей согласованности стекол в волокне по термомеханическим характеристикам и для увеличения константы Керра стекла могут дополнительно содержать, по крайней мере, один из компонентов в мас.%: SrO, СаО - 0.5-2, Ta₂O₅ - 2.5-11.

Для снижения высокоапертурного светового потока в волокне стекло внешней высокопреломляющей оболочки или внешней высокопреломляющей и расположенной рядом с ней внешней низкопреломляющей оболочек брегговской структуры могут содержать по крайней мере один компонент из группы СоО, Cr₂O₃, Mn₂O₃ в количестве мас.%: СоО, Cr₂O₃ - 0.1-0.5, Mn₂O₃ - 0.01-2. Данные оболочки являются светопоглощающими, а внешняя низкопреломляющая оболочка выполнена из стекла с низкой вязкостью в температурном интервале вытяжки волокна.

С целью сохранения поляризации проходящего света оболочки брегговской структуры могут иметь в сечении, перпендикулярном оси волокна, форму шестиугольников, вытянутых в направлении одной из диагоналей, причем электроды расположены так, что линия, соединяющая электродную пару, образует непрямой угол с этой диагональю.

Для усиления электрической поляризации стекла сердцевины брегговской структуры высокопреломляющие оболочки могут быть выполнены не сплошными из высокопреломляющего стекла, а содержать вставки из низкопреломляющего стекла, что дает хороший электрооптический эффект Поккельса.

Стекло низкопреломляющей сердцевины с целью усиления сигнала в волокне может быть активировано редкоземельными оксидами в количестве мас.%: Er₂O₃, Yb₂O₃, Nd₂O₃, Y₂O₃ - 0.01-3, Tb₂O₃ - 0.01-1.5, что обеспечивает лазерный эффект.

Для упрощения технологического процесса вытяжки электродов в стеклянной оболочке и перетяжки вторичного пакета электроды могут быть выполнены из олова или свинцовооловянного сплава.

Для изменения направления и усиления электрической поляризации стекла и для управления параметрами фотонной запрещенной зоны фотонно-кристаллического волокна и управления светопропусканием оптического волокна волокно может содержать две пары электродов, примыкающих к брегговской структуре и расположенных под углом друг к другу, причем в каждой из пар электроды примыкают к брегговской структуре с диаметрально противоположной стороны структуры.

Фотонно-кристаллическое электрооптическое волокно может представлять в центральной части набор брегговских структур, к которым примыкают пары электродов, расположенные в общей мягкой обкладке волокна.

Для получения фотонно-кристаллического электрооптического волокна предлагается способ, включающий изготовление исходных отдельных дротов из штабиков стекол сердцевины, оболочек, вытягивание из них дротов одинаковых размеров и форм, набор из дротов пакета составляющих элементов волокна с электродами, вытягивание из пакета преформы и вытяжку из нее волокна, в котором, в отличие от прототипа, первоначально из штабиков для сердцевины и оболочек из низкопреломляющего стекла и оболочек из высокопреломляющего стекла вытягивают исходные дроты, из которых набирают один или несколько пакетов с шестиугольной формой сечения, формируя при этом в каждом пакете центральную часть световода в виде брегговской структуры, в которой к сердцевине из низкопреломляющего стекла примыкают поочередно слои из дротов высокопреломляющих и низкопреломляющих стекол, причем внешним слоем формирования брегговской структуры являются дроты из стекла с низкой вязкостью в температурном интервале вытяжки волокна, каждый набранный пакет вытягивают до образования дрота, имеющего брегговскую структуру, а из стеклянных трубок, заполненных металлом, вытягивают дроты электродов в виде капилляров с металлическим заполнением, набирают вторичный пакет, состоящий из одного или нескольких дротов брегговской структуры и одной или более пар электродов в соответствии с заданными параметрами конкретного вида набора, для чего в центральной части пакета располагают дроты со структурой Брегга, окружают их в один или несколько рядов дротами из стекла с низкой вязкостью в температурном интервале вытяжки волокна для образования мягкой обкладки волокна, при этом вблизи брегговской структуры помещают попарно электроды с диаметрально противоположных сторон, затем вторичный пакет перетягивают в преформу и далее в волокно.

Практическая реализация предлагаемого способа изготовления фотонно-кристаллического электрооптического волокна может быть выполнена следующим образом: из стекол для сердцевины и для оболочек из штабиков произвольных размеров, имеющих круглое или шестиугольное сечение, вытягивают дроты одинакового диаметра или двойной апофемы, например 0.5-5 мм, из дротов набирают пакет, имеющий в сечении форму шестиугольника с размером двойной апофемы, например, 10-50 мм, длиной 400-600 мм, формируя при этом внутреннюю, центральную часть будущего световода - брегговскую структуру и обкладку - мягкую оболочку брегговской структуры из стекла с низкой вязкостью в температурной области размягчения стекол, затем из набранного таким образом пакета вытягивают дроты, имеющие внутреннюю брегговскую структуру. Из стеклянных трубок, заполненных металлом, вытягивают электроды в виде капилляров с металлическим заполнением. Затем из дротов с брегговской структурой, электродов, исходных дротов из стекол для сердцевины и/или оболочек набирают вторичный пакет в соответствии с заданными параметрами конкретного вида набора, для чего в центральной части этого пакета располагается один или несколько дротов со структурой Брегга, далее располагаются дроты из стекол для сердцевины и/или для оболочек брегговской структуры, окружая в один или в несколько рядов дрот или несколько дротов с брегговской структурой и электроды, причем электроды примыкают к дроту с брегговской структурой с диаметрально противоположных сторон. Затем вторичный пакет перетягивают в преформу и далее в волокно диаметром 50-300 мкм.

Преимущество предложенного метода заключается в том, что на стадии сборки пакетов можно обеспечить любую форму сердцевины и оболочек и любое взаиморасположение брегговской структуры и электродов, что известными методами осуществить чрезвычайно дорого.

Целесообразно при изготовлении электрооптического волокна при перетяжке вторичного пакета на одну из пар электродов подавать электрическое напряжение, что обеспечит дополнительное повышение электрооптического эффекта. При этом значение напряжения должно быть порядка нескольких десятков вольт.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.

На Фиг.1 показан поперечный разрез пакета, набранного из дротов круглого сечения, для вытягивания дрота с брегговской структурой, где 1 - дроты сердцевины, 2 - дроты высокопреломляющей оболочки, 3 - дроты низкопреломляющей оболочки, 4 - дроты из высокопреломляющего светопоглощающего стекла, 5 - дроты внешней низкопреломляющей оболочки для образования мягкой обкладки брегговской структуры. На Фиг.2 показан поперечный разрез дрота, полученного вытяжкой из пакета, показанного на Фиг 1.

На Фиг.3 показан поперечный разрез вторичного пакета, где 6 - дрот с брегговской структурой, 7 - дроты мягкой обкладки из стекла с низкой вязкостью в температурном интервале вытяжки волокна, 8 - электроды, выполненные в виде двух пар, примыкающие к дроту брегговской структуры с диаметрально противоположных сторон.

На Фиг.4 показан поперечный разрез дрота с брегговской структурой, оболочки которой имеют форму шестиугольников, вытянутых в направлении одной из диагоналей. Высокопреломляющие оболочки могут быть выполнены не сплошными, а содержать вставки из низкопреломляющего стекла. На Фиг.4: 9 - сердцевина, элементы которой выполнены из низкопреломляющего лазерного стекла, 10 - элементы высокопреломляющей оболочки, 11 - элементы из низкопреломляющего стекла, в том числе в виде вставок в высокопреломляющую оболочку, 12 - вставки из высокопреломляющего светопоглощающего стекла в периферийной оболочке, 13 - мягкая обкладка данного дрота.

На Фиг.5 показан поперечный разрез фотонно-кристаллического волокна, состоящего из шести световодов с брегговской структурой.

Примеры практических составов стекол согласно изобретению приведены в таблицах 2, 3, 4. Все стекла согласованы по термическому расширению.

Техническая сущность изобретения по способу демонстрируется следующими примерами.

Пример 1. Из штабиков круглого сечения из стекла №9 (табл.2) с показателем преломления 1.75 вытянуто 191 дрот для сердцевины и низкопреломляющих оболочек; из стекла №2 (табл.2) с показателем преломления 1.86 вытянуто 148 дротов для высокопреломляющих оболочек; из светопоглощающего стекла №3 (табл.3) вытянуто 67 дротов и из стекла №10 (табл.4) в количестве 163 вытянуты дроты круглого сечения диаметром 1.18 мм. Из трубки из стекла №10 (табл.4), заполненной оловом, вытянуты капилляры, заполненные оловом, внешним диаметром 1.18 мм. Из полученных дротов набран шестигранный пакет с размером двойной апофемы 30 мм и длиной 400 мм. В пакете сформирована брегговская структура с мягкой внешней защитной оболочкой. Поперечное сечение пакета схематически показано на Фиг.1. Сердцевина и низкопреломляющие оболочки сформированы из стекла №9 (табл.2), высокопреломляющие оболочки - из стекла №2 (табл.2), светопоглощающая оболочка - из стекла №3 (табл.3), защитная оболочка - из стекла №10 (табл.4). Пакет перетянут в дрот с двойной апофемой 1.18 мм, поперечный разрез которого показан на Фиг.2. Затем из полученного таким образом дрота с брегговской структурой, а также из дротов из стекла №10 (табл.4) и электродных капилляров был набран вторичный шестигранный пакет с двойной апофемой 9.5 мм и перетянут в преформу, поперечное сечение которой показано на Фиг.3, и далее в волокно диаметром 100-200 мкм.

Пример 2. Из штабиков круглого сечения из стекла №2 (табл.2) с показателем преломления 1.86, из стекла №10 (табл.4) с показателем преломления 1.52 и из стекла №3 (табл.3) вытянуты дроты круглого сечения диаметром 1.10 мм. Из трубки из стекла №10 (табл.4), заполненной оловом вытянуты капилляры с оловянным заполнением с внешним диаметром 1.10 мм. Из полученных дротов набран пакет с двойной апофемой 30 мм и длиной 400 мм. В пакете сформирована брегговская структура с мягкой защитной оболочкой. Сердцевина и низкопреломляющие и защитная оболочки набраны из стекла №10 (табл.4), светопоглощающая оболочка - из стекла №3 (табл.3). Пакет перетянут в шестигранный дрот с двойной апофемой 1.10 мм, поперечное сечение которого схематически показано на Фиг.4. Затем из полученного таким образом дрота, исходных дротов круглого сечения из стекла №10 (табл.4) и электродных капилляров был набран вторичный пакет с двойной апофемой 8.7 мм и перетянут в несколько преформ с размером апофемы 3-4 мм, поперечное сечение которых схематически показано на Фиг.3, и далее преформы перетягивали в волокно диаметром 100-300 мкм, причем во время перетяжки на одну из пар электродов подавалось электрическое напряжение от 30 до 60 вольт.

Исследования полученных волокон показали, что площадь поперечного сечения проходящей моды превышает площадь мод, проходящих через волокно-прототип, более чем в 10 раз, что обеспечивало возможность увеличения проходящего светового потока через сердцевину волокна во столько же раз. О высоком электрооптическом эффекте нового волокна свидетельствовало то, что глубина фазовой модуляции, полученной на вытянутом волокне, была сравнима с типичной для волокна-прототипа при одинаковых приложенных электрических полях, но на длине образца волокна-прототипа в 10 раз большей.