ОДНОМОДОВЫЙ ДВУХСЛОЙНЫЙ КРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ИНФРАКРАСНЫЙ СВЕТОВОД

Изобретение относится к волоконно-оптическим системам связи, а именно к одномодовым двухслойным кристаллическим инфракрасным (ИК) световодам для спектрального диапазона от 2 до 50 мкм.

Известно, что в многомодовом двухслойном волокне межмодовая дисперсия существенно ограничивает его информационную пропускную способность. Для ее устранения волокно необходимо проектировать таким образом, чтобы в нем распространялась только одна мода [Дж.Гауэр. Оптические системы связи. Перевод с английского под редакцией А.И.Ларкина. - М.: Радио и связь, 1989, с.141]. Для решения данного условия необходим определенный химический состав сердцевины и оболочки световода, т.е. числовые значения показателей преломления, которые соответствуют этим составам. Причем состав сердцевины световода должен иметь показатель преломления больше, чем у оболочки [Дж.Гауэр. Оптические системы связи. Перевод с английского под редакцией А.И.Ларкина. - М.: Радио и связь, 1989, с.52]. Поэтому для изготовления методом экструзии одномодовых двухслойных кристаллических инфракрасных световодов применяются кристаллы твердых растворов одной и той же системы, но с различным соотношением макрокомпонентов, т.е. изменяющимися показателями преломления.

Известен одномодовый кристаллический инфракрасный световод [Патент РФ №2340921 от 10.12.2008 авторов Жуковой Л.В., Жукова В.В., Примерова Н.В., Чазова А.И., Корсакова А.С.], сердцевина и оболочка которого изготовлены из кристаллов на основе твердых растворов хлорид-бромида серебра различного состава. Недостатком световодов является светочувствительность, особенно к ультрафиолетовому и радиационному излучению, а также происходит процесс диффузии на границе сердцевина-оболочка, что приводит к ухудшению оптических свойств. Кроме того, ИК-световоды работают в ограниченной области ИК-диапазона спектра, т.е. от 3 до 30 мкм.

Наиболее близким техническим решением является одномодовый двухслойный кристаллический инфракрасный световод [Патент РФ №2340920 от 10.12.2008 авторов Жуковой Л.В., Чазова А.И., Примерова Н.В., Корсакова А.С., Жукова В.В.], сердцевина которого имеет диаметр 15-45 мкм и выполнена из твердых растворов хлорид-бромида серебра, легированных йодидом одновалентного таллия при определенных соотношениях ингредиентов, а оболочка диаметром 0,7-1,0 мм выполнена из твердых растворов хлорид-бромида серебра определенного состава. Но световод используется в спектральном диапазоне до 30 мкм. Поэтому возникает задача по созданию ИК-световодов для работы в более широком спектральном диапазоне до 50 мкм.

Задачей изобретения является получение одномодовых двухслойных кристаллических инфракрасных световодов на основе бромида серебра, содержащего более тяжелый по молекулярной массе твердый раствор бромид-йодида одновалентного таллия (TlBr_0,46I_0,54), что позволяет расширить рабочий спектральный диапазон световодов в длинноволновую область, т.е. от 2 до 50 мкм.

Поставленная задача решается за счет того, что одномодовый двухслойный кристаллический инфракрасный световод имеет сердцевину диаметром 12-250 мкм, которая выполнена из кристаллов на основе бромида серебра, содержащего твердый раствор бромид-йодида одновалентного таллия (TlBr_0,46I_0,54), при следующем соотношении компонентов, мас.%:

а оболочка диаметром 0,6-1,1 мм выполнена из кристаллов на основе тех же материалов при следующем соотношении компонентов, мас.%:

что позволяет получать двухслойные инфракрасные световоды, работающие в одномодовом режиме на длинах волн от 2 до 50 мкм.

Преимущества перед прототипом

Введение в кристаллическую решетку бромида серебра радиационно-стойких и тяжелых по молекулярной массе твердых растворов на основе галогенидов одновалентного таллия (TlBr_0,46I_0,54) позволяет:

1. Расширить диапазон прозрачности ИК-световодов в дальнюю инфракрасную область спектра до 50 мкм (в прототипе до 30).

2. Повысить устойчивость ИК-световодов к радиационному, ультрафиолетовому, видимому и инфракрасному излучениям в 5-10 раз, по сравнению с прототипом.

3. Получать ИК-световоды нанокристаллической структуры, благодаря чему становится возможным свести к минимуму величину пустот между зернами, что, в свою очередь, обеспечивает минимальную величину оптических потерь. Например, на длине волны 10,6 мкм они составляют 0,05 дБ/м, по сравнению с прототипом - 0,1-0,5 дБ/м.

Сущность изобретения состоит в том, что новый одномодовый двухслойный кристаллический инфракрасный световод получен методом экструзии из вновь разработанных кристаллов на основе AgBr и твердого раствора TlBr_0,46I_0,54. Сердцевина световода диаметром 10-250 мкм выполнена из указанных кристаллов состава в мас.%:

и помещена в оболочку диаметром 0,6-1,1 мм, изготовленную из кристаллов на основе тех же материалов, содержащую в мас.%:

что позволяет получать двухслойный инфракрасный световод, в котором распространяется одна мода.

Пример 1

Для работы на длине волны 2 мкм изготовили методом экструзии двухслойный ИК-световод с сердцевиной диаметром 10 мкм и составом в мас.%:

Оболочка диаметром 0,6 мм имеет состав, мас.%:

При этом показатель преломления сердцевины составляет 2,218, а оболочки - 2,215 при нормализованной частоте, равной 2,2 при работе на длине волны 2,0 мкм, угле ввода электромагнитного излучения 13° и числовой апертуре NA=0,117.

При сканировании торца световода вид выходящего излучения соответствует гауссовскому распределению энергии. Это свидетельствует о наличии моды низшего порядка и подтверждает одномодовый режим работы изготовленного кристаллического ИК-световода [S.Shalem, A.Tsun, E.Rave and et. al. Silver halide single-mode fibers for the middle infrared. Applied physics letters 87, 091103 (2005)].

Пример 2

Методом экструзии изготовили двухслойный ИК-световод с сердцевиной диаметром 100 мкм для работы на длине волны 10,6 мкм следующего состава в мас.%:

Оболочка диаметром 0,9 мм имеет состав, мас.%:

При нормализованной частоте, равной 2,2 и работе ИК-световода на длине волны 10,6 мкм, показатель преломления сердцевины составляет 2,289, а оболочки - 2,276. Угол ввода электромагнитного излучения составляет 28°, числовая апертура NA=0,239.

При сканировании торца световода вид выходящего излучения соответствует гауссовскому распределению энергии, как в примере 1.

Пример 3

Изготовили двухслойный ИК-световод с сердцевиной диаметром 250 мкм и составом в мас.%:

Оболочка диаметром 1,0 мм имеет состав, мас.%:

Световод предназначен для работы на длине волны 50,0 мкм. Показатель преломления сердцевины равен 2,305, а оболочки - 2,301. Нормализованная частота равна 2,2, угол ввода электромагнитного излучения в сердцевину световода равен 16°, числовая апертура NA=0,140.

При сканировании торца световода, как и в первом примере, профиль выходящего излучения соответствует нормальному гауссовскому распределению энергии, что подтверждает одномодовый режим работы.

Пример 4

Изготовили двухслойный ИК-световод с сердцевиной 8 мкм и содержанием твердого раствора (TlBr_0,46I_0,54) в бромиде серебра 1,0 мас.%, а в оболочке - менее 0,8 мас.% твердого раствора в бромиде серебра. Но такой ИК-световод прозрачен в спектральном диапазоне от 2 до 25 мкм.

Изготовить одномодовый двухслойный ИК-световод с сердцевиной состава в мас.%:

не удается, так как кристалл такого состава вырастает блочным и распадается по границам блоков.

Технический результат позволяет получать одномодовый двухслойный кристаллический инфракрасный световод определенного химического состава сердцевины и оболочки (с показателями преломления от 2,215 до 2,305), которые изготовлены из новых кристаллов на основе бромида серебра, содержащего твердый раствор бромид-йодида одновалентного таллия (TlBr_0,46I_0,54). Наличие в кристалле радиационно-стойких галогенидов одновалентного таллия позволяет расширить диапазон пропускания ИК-световодов до 50 мкм и повысить их фотостойкость в 5-10 раз по сравнению с прототипом.