10.10.2014
216.012.fc77

Способ изготовления микроструктурированных волоконных световодов

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к оптоволоконной технике и может быть использовано в производстве микроструктурированных волоконных световодов, используемых в оптических усилителях, лазерах, спектральных фильтрах и телекоммуникационных сетях. Способ изготовления микроструктурированных волоконных световодов из заготовки, в которой верхний конец запаян. Вытяжка световодов производится со стороны нижнего нагреваемого конца заготовки. Для контроля и изменения структурных и физических параметров получаемых микроструктурированных волоконных световодов используется регулировка температуры верхней части заготовки от запаянного конца до входа в печь с помощью дополнительного нагревателя. Для получения микроструктурированных волоконных световодов с постоянным внешним диаметром, но с изменяющимися по заданному закону оптическими параметрами вдоль световода, используется изменение по заданному закону температуры дополнительного нагревателя в процессе вытяжки световода либо создается постоянный заданный профиль температуры в нем. Технический результат - расширение области применения способа благодаря возможности изготовления длинных световодов со стабильными внутренними структурными параметрами, высокой воспроизводимостью, легкостью контроля и управления параметрами световодов и возможностью изготавливать структуры световодов с отверстиями разных размеров. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к оптоволоконной технике и может быть использовано в производстве микроструктурированных волоконных световодов, используемых в оптических усилителях, лазерах, спектральных фильтрах и телекоммуникационных сетях.

Известны способы изготовления микроструктурированных волоконных световодов, в которых заготовка для световода имеет две группы продольных отверстий, каждая из которых соединена с отдельным независимым источником газа, создающим избыточное давление в отверстиях. Избыточные давления, создаваемые в этих группах отверстий, могут изменяться и контролироваться независимо друг от друга, обеспечивая в итоге требуемую геометрию отверстий в получаемых микроструктурированных волоконных световодах (Патенты США № US6888992В2, G02В6/02, 2005 и № US20030230118А1, С03В37/07, 2003).

Недостатком известных способов является высокая чувствительность размеров получающихся в микроструктурированном волоконном световоде отверстий от температуры и скорости вытяжки световода, что приводит к низкой стабильности геометрических и физических параметров этих световодов. Также недостатком известных способов является высокая чувствительность размеров получающихся в микроструктурированном волоконном световоде отверстий от создаваемого в них давления, что требует равенства размеров отверстий в пределах каждой группы и ограничивает набор размеров отверстий числом источников давления.

Известны способы изготовления микроструктурированных волоконных световодов, в которых избыточные давления, создаваемые в отверстиях, могут изменяться в процессе вытяжки световода, что позволяет получать световоды с постоянным внешним диаметром, но изменяющейся по длине структурой, т.е. с изменяющимися по заданному закону оптическими параметрами (например, величиной дисперсии) вдоль световодов (Патенты Японии № JP2004238246А, G02В6/032, 2004 и № JP2005084201А, G02В6/02, 2005). Однако эти способы имеют те же самые недостатки, что и вышеупомянутые способы.

Известен способ изготовления микроструктурированных волоконных световодов, в котором заготовка для световода нагревается в процессе вытяжки двумя нагревателями, что позволяет контролировать градиент температуры и механических напряжений в зоне перетяжки заготовки и тем самым расширить диапазон материалов, применяемых для изготовления световодов (Патент Германии № DЕ102011103686А1, G02В6/00, 2011). Однако этот способ не позволяет устранить недостатки, присущие вышеупомянутым способам.

Известен также способ изготовления микроструктурированных волоконных световодов, выбранный в качестве прототипа, в котором верхний конец заготовки запаян, а вытяжка световода производится со стороны нижнего нагреваемого конца заготовки, при этом отверстия в световоде могут иметь разные размеры, которые устанавливаются в процессе вытяжки световода благодаря достижению равновесия между силами поверхностного натяжения расплавленного материала заготовки и ростом внутреннего давления в отверстиях при уменьшении их диаметра (Патент США № US005802236, G02В6/22, 1998).

Недостатком известного способа является неопределенность в степени трансформации геометрической структуры заготовки по мере ее вытягивания в световод (например, изменение соотношений между размерами отверстий и расстояниями между отверстиями) и неопределенность в зависимости этой степени трансформации от длины световода. Приведенные в известном способе (Патент США № US005802236, G02В6/22, 1998) примеры изготовления световода показывают практически пропорциональное изменение размеров отверстий и расстояний между ними, что не соответствует реальным световодам, получаемым с использованием этого способа (S. L. Semjonov, А. N. Denisov, and Е. М. Dianov, "Fabrication of Microstructured Fibers Using an Effect of Pressure Self-Regulation in Sealed Holes," in Specialty Optical Fibers, OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2012), paper STu1 D.4). Вследствие этой неопределенности отсутствует возможность контроля и управления структурными и физическими параметрами (например, величиной дисперсии) изготавливаемых микроструктурированных волоконных световодов, что ограничивает область практического применения известного способа.

Поставленная задача состоит в создании способа изготовления микроструктурированных волоконных световодов, обеспечивающего изготовление длинных световодов со стабильными внутренними структурными параметрами, обладающих высокой воспроизводимостью, легкостью контроля и управления параметрами световодов, и позволяющего изготавливать структуры световодов с отверстиями разных размеров.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления микроструктурированных волоконных световодов, в котором верхний конец заготовки запаян, а вытяжка световода производится со стороны нижнего нагреваемого конца заготовки, используется дополнительный нагреватель для поддержания определенной контролируемой температуры верхней части заготовки от запаянного конца до входа в печь, обеспечивающей требуемую степень трансформации геометрической структуры заготовки при ее вытягивании в световод.

Используя малоинерционный дополнительный нагреватель, который позволяет изменять температуру верхней части заготовки от запаянного конца до входа в печь в процессе вытяжки световода, можно получать микроструктурированные волоконные световоды с постоянным внешним диаметром, но изменяющейся по длине структурой, т.е. с изменяющимися оптическими параметрами (например, величиной дисперсии) вдоль световодов.

Еще одним путем изменения температуры верхней части заготовки от запаянного конца до входа в печь с помощью дополнительного нагревателя является создание профиля температуры в нем, что приводит к изменению средней температуры этой части заготовки по мере ее опускания в печь в процессе вытяжки световода. Этот путь также позволяет получать микроструктурированные волоконные световоды с постоянным внешним диаметром и изменяющейся по длине структурой, т.е. с изменяющимися параметрами вдоль световодов.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 показаны поперечные сечения простой заготовки с одним отверстием и вытянутого из нее микроструктурированного волоконного световода.

На фиг.2 приведен пример поперечного сечения заготовки для микроструктурированного волоконного световода с 60 отверстиями.

На фиг.3 изображена общая схема вытяжки микроструктурированных волоконных световодов.

На фиг.4 приведен график изменения внешнего диаметра вытянутого простого микроструктурированного волоконного световода с одним отверстием по мере опускания заготовки в печь.

На фиг.5 показаны фотографии поперечного сечения вытянутого микроструктурированного волоконного световода с 60 отверстиями при разных положениях заготовки в печи.

На фиг.6 изображена схема вытяжки микроструктурированных волоконных световодов с дополнительным нагревателем для регулировки температуры части заготовки от запаянного конца до входа в печь.

Рассмотрим для простоты процесс вытягивания заготовки из кварцевого стекла (для конкретизации параметров; в качестве материала для изготовления световодов используют подходящие для конкретной задачи материалы) с начальным внешним диаметром D 1 и одним отверстием диаметром d 1 в микроструктурированный волоконный световод с внешним диаметром D 2 и отверстием диаметром d 2 (см. фиг.1). Положим также, что скорость подачи заготовки в печь при вытягивании равна ν 1, а скорость вытягивания световода - ν 2. Общая схема рассматриваемого случая изображена на фиг.3. Верхний конец заготовки запаян и часть заготовки от этого конца до входа в печь находится при температуре Т 1. Таким образом, газ, содержащийся в отверстии, может двигаться только в сторону вытягиваемого световода. Температура в центре печи (в области перетяжки) равна Т 2. Из условия непрерывности течения кварцевого стекла при вытягивании следует:

где S 1 и S 2 - площадь поперечного сечения кварцевого стекла в заготовке и в световоде.

Можно показать, что при типичных параметрах процесса вытяжки микроструктурированного волоконного световода в области заготовки и до конуса вытягивания давление газа Р успевает установиться и одинаково по всему объему полости заготовки (Р 1 = Р 2). Также можно показать, что течение газа относительно стенок световода в направлении движения пренебрежимо мало, так что в вытянутом световоде вещество газа связано со стенками и неподвижно относительно них. Далее, поскольку разные части заготовки поддерживаются при различной температуре, плотность газа ρ i в разных частях полости заготовки будет разной в соответствии с уравнением состояния идеального газа:

где i = 1 или 2, μ - молярная масса вещества газа, R - универсальная газовая постоянная.

В стационарном (установившемся) случае из условия сохранения количества вещества газа следует:

где s 1 и s 2 -площадь поперечного сечения воздушных отверстий в заготовке и в микроструктурированном волоконном световоде, соответственно. Тогда с учетом соотношения (2) получаем:

С учетом (1) это соотношение можно переписать в виде:

Для простого случая с одним отверстием соотношение (4) приводится к виду:

В типичном случае для кварцевого стекла Т 1 = 300 K и Т 2 2100 K, тогда Т 2/Т 1 = 7. Таким образом, из выражения (6) можно заключить что, по сравнению с пропорциональным вытягиванием имеет место значительное относительное раздувание отверстий: размеры отверстий при вытягивании в световод уменьшаются в раз меньше, чем внешний диаметр световода (с учетом d 1<<D 1), что существенно отличается от приведенных в известном способе (Патент США № US005802236, G02В6/22, 1998) соотношений (~1,05). Это раздувание отверстий будет стабильным и постоянным до тех пор, пока поддерживается постоянной температура верхней части заготовки от ее запаянного конца до печи, т.е. пока запаянный конец заготовки не войдет в печь.

Изменяя и контролируя температуру части заготовки от запаянного конца до входа в печь с помощью дополнительного нагревателя, можно легко контролировать и менять структуры получаемых микроструктурированных волоконных световодов. Например, изменение Т 1 в диапазоне от 300 K до 1200 K приводит к изменению степени раздувания отверстий ~2,65 до ~1,32.

Необходимо подчеркнуть, что при наличии в заготовке отверстий разных размеров (d 1i) их степени раздувания в типичных случаях (d 1i<<D 1) практически равны, а в общем случае могут быть точно учтены, что легко позволяет изготавливать структуры световодов с отверстиями разных размеров.

Некоторое уточнение приведенных выше соотношений, в частности выражения (5), требуется в случае достаточно больших отверстий (более 20 мкм) в изготавливаемых микроструктурированных волоконных световодах. В таком случае требуется учесть охлаждение световода после вытяжки до температуры Т 3 (около 300 K) и соответствующее уменьшение давления газа в нем, что приводит к образованию потока газа и некоторому уменьшению степени раздувания отверстий. В общем случае соотношение (5) можно представить в виде:

где 0 < θ < 1. Параметр θ зависит от диаметра отверстий, от скорости вытяжки световода (в частности, θ~0 для d 2<20 мкм и ν 2>10 м/мин) и может быть оценен при более детальном рассмотрении процесса вытяжки либо определен экспериментально при конкретных параметрах вытяжки.

На фиг. 1 показаны поперечные сечения простой заготовки с одним отверстием и вытянутого из нее микроструктурированного волоконного световода. Внешний диаметр заготовки равен D 1, а диаметр отверстия в ней - d 1. Микроструктурированный волоконный световод имеет внешний диаметр D 2 и отверстие диаметром d 2. Масштаб изображений существенно разный: на практике диаметр заготовки обычно составляет около 1 - 2 см, а диаметр стандартного световода - 125 мкм.

На фиг.2 приведен пример поперечного сечения заготовки для микроструктурированного волоконного световода с 60 отверстиями. Все отверстия имеют диаметр d и расположены на расстоянии Λ от ближайших отверстий. Отсутствующее в центре структуры отверстие служит для образования световедущей сердцевины микроструктурированного волоконного световода.

На фиг.3 изображена общая схема вытяжки микроструктурированных волоконных световодов. Верхний конец заготовки 1 запаян и приварен к вспомогательному стержню 2, который закреплен в системе подачи заготовки. Часть заготовки от области сварки до входа в печь находится при комнатной температуре, то есть Т 1 ≈ 300 K. Система подачи обеспечивает при вытягивании подачу заготовки в печь со скоростью ν 1. Для нагрева заготовки до температуры вытяжки служит печь 3. Температура в центре печи в зоне перетяжки для кварцевого стекла составляет около 1800°С, то есть Т 2 ≈ 2100 K. Вытяжка микроструктурированного волоконного световода 4 производится со стороны нижнего конца заготовки с помощью приемного устройства, обеспечивающего вытяжку световода со скоростью ν 2.

На фиг.4 приведен график изменения внешнего диаметра вытянутого простого микроструктурированного волоконного световода с одним отверстием по мере опускания заготовки в печь. Первый участок (область, отмеченная цифрой 1) соответствует процессу установления степени раздувания световода. В начальный момент под действием сил поверхностного натяжения в расплавленной заготовке отверстие полностью схлопывается. Затем, по мере погружения заготовки в печь, объем полости уменьшается и давление газа внутри заготовки начинает расти. Это приводит к появлению небольшого отверстия во внутренней полости вытягиваемого световода. Потом, когда это раздувание достигает величины, определяемой формулой (6), баланс количества вещества газа начинает выполняться и достигается стационарное состояние, поэтому давление и диаметр световода далее не растет (область, отмеченная цифрой 2). Постоянство геометрии обеспечивает до тех пор, пока верхний холодный конец заготовки имеет постоянную температуру Т 1. По мере уменьшения заготовки холодный конец приближается к печи и с некоторого расстояния начинается повышение Т 1. Это приводит к уменьшению раздувания в соответствии с формулой (6) (область, отмеченная цифрой 3).

На фиг.5 показаны фотографии поперечного сечения вытянутого микроструктурированного волоконного световода с 60 отверстиями при разных положениях заготовки в печи. На верхней фотографии показано поперечное сечение вытянутого световода, относящееся к стационарному режиму, когда раздувание достигло величины, определяемой формулой (4). На средней фотографии показано поперечное сечение вытянутого световода, относящееся к началу погружения заготовки в печь, когда раздувание слегка уменьшилось. На нижней фотографии показано поперечное сечение вытянутого световода, относящееся к концу заготовки, когда раздувание практически отсутствует.

На фиг.6 изображена схема вытяжки микроструктурированных волоконных световодов с дополнительным нагревателем 5 для регулировки температуры верхней части заготовки от запаянного конца до входа в печь (остальные обозначения те же, что и на фиг.3). Изменяя и контролируя температуру этой части заготовки с помощью дополнительного нагревателя, можно легко контролировать и менять структуры получаемых микроструктурированных волоконных световодов. Например, изменение Т 1 в диапазоне от 300 K до 1200 K приводит к изменению степени раздувания отверстий от ~2,65 до ~1,32. Изменяя каким-либо путем температуру этой части заготовки в процессе вытяжки световодов, можно получать микроструктурированные волоконные световоды с постоянным внешним диаметром, но изменяющейся по длине структурой, т.е. с изменяющимися оптическими параметрами (например, величиной дисперсии) вдоль световодов.


Способ изготовления микроструктурированных волоконных световодов
Способ изготовления микроструктурированных волоконных световодов
Способ изготовления микроструктурированных волоконных световодов
Способ изготовления микроструктурированных волоконных световодов
Способ изготовления микроструктурированных волоконных световодов
Способ изготовления микроструктурированных волоконных световодов
Источник поступления информации: Роспатент

Всего документов: 15
Всего документов: 19

Похожие РИД в системе

Защитите авторские права с едрид