FI78670C - Foerfarande foer framstaellning av formfaelttransformerande kvartsfiber. - Google Patents

Description

78670

Menetelmä muotokentän muuntavan kyartsikuidun valmistamiseksi Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen menetelmä muotokentän muuntavan kvartsikuidun val-mistamiseks i.

Menetelmän avulla voidaan valmistaa kvartsilasista yksimuo-toisia optisia kuituja, joissa ytimen geometria muutuu tasaisesti kuidun sisällä siten, että ydin on kuidun toisessa päässä halutussa suhteessa litistynyt ja toisessa päässä pyöreä. Ytimen muuttuva geometria muuntaa myös ytimessä etenevää optista muotokenttää.

Menetelmän mukaisesti valmistettuja kuituja voidaan käyttää parantamaan kytkentähyötysuhdetta yksimuotokuidun ja puolijohdelaserin tai kuidun ja integroidun optiikan valokanavan välillä sekä välielementtinä polarisaation säilyttävien kuitujen ja normaalien yksimuotokuitujen välillä.

Aiemmin erilaisten optisten valokanavien välistä kytkentä-vaimennusta pienentämään on käytetty sädettä levittäviä linssisysteemejä tai kuidun päähän valmistettua taperia, jolloin kuidun ja ytimen halkaisijat kasvavat kuidun päässä. Valokanavan poikkileikkaus tällöin kasvaa, mutta säilyy geometrialtaan muuttumattomana. Vaihtoehtoisen ratkaisun ongelmaan esittivät Shigihara K., Shiraishi K. ja Kawakami S. julkaisun ECOC86, Barcelona 1986, sivuilla 185-188 artikkelissa " Modal field transformer between dissimilar wavequi-des" sekä julkaisun Journal of Applied Physics 60(12), 1986, sivuilla 4293-4296 artikkelissa " Modal field transforming fiber between dissimilar wavequides ". He valmistivat diffu-sointimenetelmällä ensimmäisen optisen kuidun, jossa ytimen poikkileikkaus muuttuu suorakulmaisesta ympyrän muotoiseksi noin 10 cm matkalla. Kuitu valmistettiin BK7-lasista käyttäen ytimessä thallium-seostusta.

2 78670

Tunnetun tekniikan epäkohtana on se, että muuntimessa syntyvä vaimennus on kuitenkin suhteellisen suuri. Koska muodonmuutos aikaansaadaan suhteellisen alhaisessa lämpötilassa (600°C), ei muunninta voida käyttää korkeissa lämpötiloissa, koska tällöin muodonmuutos jatkuu aiheuttaen muuntimen ominaisuuksien huonontumisen. Lisäksi menetelmässä joudutaan käyttämään kalliita erikoismateriaaleja.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatussa tekniikassa esiintyvät haitat ja saada aikaan aivan uudentyyppinen menetelmä muotokentän muuntavan kvartsikuidun valmistamiseksi .

Keksintö perustuu siihen, että geometrialtaan muuttuva ydin saadaan aikaan aihion valmistuksessa siten, että aihio valmistetaan kahdesta komponentista: kvartsisesta substraatti-putkesta ja sen sisäpintaan kiinnitettävästä MCVD (Modified Chemical Vapour Deposition) -menetelmällä valmistetusta ydinkuidusta.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

Syntyvä muotokentän muunnin on hyvin pienivaimennuksinen, koska se on valmistettu kvartsista MCVD-tekniikkaa käyttäen, jolloin lasin epäpuhtauksien määrä voidaan saada erittäin pieneksi. Lisäksi kuidun ydin muutuu tasaisesti ja ytimen litistymissuhde on hallittavissa yhtä parametria, nimittäin putken sisäsäteen ja kuidun säteen suhdetta, muuttamalla. Syntyvät kuidut ovat samaa materiaalia kuin normaalit tieto-liikennekuidut ja ovat siten tietoliikennekuitujen kanssa hyvin yhteensopivia.

Kehitetyt valmistusmenetelmät sallivat muotokentän muuntimen pituuden valinnan väljissä rajoissa. Muunnikuiduissa ytimen poikkipinta-ala säilyy koko kuidun pituudella vakiona. Mene- 3 78670 telmää voidaan kuitenkin muuttaa myös siten, että kuidun ytimen poikkipinta-ala muuttuu.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten piirustusten mukaisen sovellutusesimerkin avulla.

Kuvio 1 esittää kaaviollisesti putken kollapsoinnista tehdyn matemaattisen mallin lähtökohtia.

Kuvio 2 esittää kuvioon 1 perustuvan mallin mukaisesti laskettuja ytimien poikkileikkauksia.

Kuvio 3 esittää kaaviollisena sivukuvantona yhtä keksinnön mukaista ydinkuidun esiliittämistapaa ympäröivään putkeen.

Kuvio 4 esittää leikkauskuvantona keksinnön mukaisella menetelmällä aikaansaatua kuidun ytimen litistymistä.

Kuvio 5 esittää kaaviollisena sivukuvantona toista keksinnön mukaista ydinkuidun esiliittämistapaa ympäröivään putkeen.

Kuvio 6 esittää kaaviollisena sivukuvantona kolmatta keksinnön mukaista ydinkuidun esiliittämistapaa ympäröivään putkeen .

Kuvio 7 esittää kaaviollisena sivukuvantona keksinnön mukaista ydinkuidun liittämistapaa ympäröivään putkeen elliptisen kuidun valmistamiseksi.

Varsinaisia muotokentän muunninkomponentteja voidaan valmistaa kolmella eri menetelmäversiolla. Menetelmäversiot poikkeavat toisistaan ydinkuidun putken seinämään liittämisen osalta. Toistaiseksi parhaaksi on osoittautunut menetelmä, jossa aihioputki, johon kuitu aiotaan kiinnittää, on kollap-soitu kartioksi noin 15 - 30 mm matkalta.

Keksinnön mukaisen menetelmän matemaattinen malli voidaan esittää kuvion 1 avulla. Lasketaan muunnos R-säteisen putken seinämäkoordinaatistosta R'-säteisen putken seinämäkoordi-naatistoon: 4 78670 f Käytetään seuraavia merkintöjä: R = ko1lapsoimattoman putken sisäsäde R1 = kollapsoidun putken sisäsäde x,y = mielivaltaisen pisteen koordinaatit putken seinämän sisällä, kun karteesisen koordinaatiston origo on sijoitettu putken akselille tarkastelutasossa x' , y1 = pisteen (x,y) koordinaatit kollapsoidun putken seinämän sisällä, kun karteesisen koordinaatiston origo on sijoitettu putken akselille tarkastelutasossa (£ = pisteen (x, y) tai (x', y') ja putken kes kipisteen kautta kulkevan suoran sekä x-akselin muodostama kulma

Koska kollapsoitaessa jokainen piste liikkuu vain säteen suuntaisesti eli kuvaan 1 merkitty kulma <f> ei muutu, niin R-säteisen putken pisteille (x, y) ja saman putken pisteille (x', y'), kun putki on kollapsoitu siten, että säde on R', voidaan kirjoittaa yhtälö (1).

y1 x' - = - (1) y x

Yhtälö (2) kertoo sen, että kollapsoitaessa putken seinämän poikkipinta-ala säilyy.

χ2 + y2 _ r2 = xi2 + y*2 _ r<2 (2)

Yhtälöistä (1) ja (2) voidaan ratkaista koordinaatit x' ja y', jotka ovat annetun pisteen (x, y) koordinaatit R'- sä-teisessä kollapsoidussa aihioputkessa.

5 78670 Λ I R2 - R* 2 ' x' = ± y 1--* x (3) » x2 + y2 \ j R2 - R’2 1 y· = ± \ j 1--* y (4) x2 + y2

Kaviossa 2 on esitetty edellä johdettujen muunnosyhtälöiden avulla laskettuja ytimen poikkileikkauksia.

Koska kuitu kollapsoinnin alussa on vain osittain kvartsi-seinämän sisällä, aiheutuu tästä pieni poikkeama teoreettiseen poikkileikkaukseen. Lopputuloksena on kuitenkin varsin hyvin teoreettista muunnosta vastaava kuidun ytimen litistyminen, joka kasvaa siirryttäessä kuidun siihen päähän, jossa kuitu on ollut kiinnitettynä kauimmaksi putken pituuskeski-akselista.

Muotokentän muuntimia voidaan kuvion 3 mukaisesti valmistaa menetelmällä, jossa ensin normaalia MCVD-tekniikkaa käyttäen valmistetaan voimakkaasti germaniumoksidilla seostettu kuitu 1, jonka ytimen taitekerroinero Δ n on noin 2,0*10~3... 2,8*10"3, ja jota kuitua ei päällystetä. Kuidun 1 halkaisija on tyypillisesti n. 70 - 150 pm ja ytimen halkaisija n. 20 -70 pm. Toisessa vaiheessa valmistetaan ohutseinäiseen kvart-siaihioputkeen 2 kartiomainen suippeneva osa 3 kuumentamalla lasisorvissa pyöritettävää putkea ulkopuolelta vety-happi-liekillä muutaman senttimetrin matkalta. Aihioputken 2 s isä-halkaisija on tyypillisesti 5 - 10 mm ja seinämäpaksuus välillä 0,5 - 0,7 mm. Valmistetusta päällystämättömästä kuidusta 1 katkaistaan lyhyt pätkä (pituus n. 15...30 mm), joka kiinnitetään ohuen aihioputken 2 kartiomaiseksi kollapsoidun osan 3 s isäseinämään kuumentamalla kartiota 3 ulkopuolelta kuidun kohdalta vety-happiliekin avulla. Kuviossa on esitetty yhden muunninelementin osuus aihiossa ennen lopullista kollapsointia. Kuumennettaessa aihion 2 seinämä 3 ja kuitu 1 pehmenevät ja tarttuvat pysyvästi toisiinsa. Kun kuitu on 6 78670 kiinnitetty kvartsiputkeen tehdyn kartion sisäseinämään 3, kartion osuus aihioputkesta 2 kollapsoidaan sorvissa kuumentamalla umpinaiseksi aihioksi, seuraava kuidunpätkä voidaan liittää vastaavalla tavalla samaan aihioon 2 edellisen perään tehtyyn uuteen kartioon. Kun aihioputkeen on kerrotulla tavalla valmistettu haluttu määrä erillisiä muotokentänmuun-ninaihioita, muodostunut umpinainen lasisauva vedetään optiseksi kuiduksi tavalliseen tapaan käyttäen grafiittivastus-uunia ja päällystetään kuitu suojamateriaalilla. Syntyneessä kuidussa muotokentän muuntavat erilliset komponentit ovat peräkkäin ja ne voidaan erottaa toisistaan katkaisemalla kuitu sopivista kohdista.

Kollapsoinnin vaikutus kuidun 1 ytimen poikkileikkaukseen voidaan matemaattisesti kuvata koordinaatistomuunnoksella, jossa eri etäisyyksillä putken keskipisteestä olevat alueet deformoituvat eri tavoilla (yhtälöt 3 ja 4).

Kartionmuotoiseen putkenseinämään 3 kiinnitetty ympyränmuotoinen kuitu 1 muutuu siten, että se pää 4, joka oli kauim-pana putken pituuskeskiakselista 5 (kartion leveämmän pään seinämällä) litistyy eniten ja pää 6, joka oli kartioputken 7 keskipisteessä säilyy ympyrän muotoisena. Muutos näiden kahden tilan välillä tapahtuu jatkuvana kuidun pituuden suunnassa. Kartion pituus A määrää syntyvän muotokentän muuntimen pituuden.

Kuviossa 4 on esitetty kuitu, jonka ydin on toisesta päästään pyöreä, toisesta litistynyt.

Aihiotangon sisään jääviä noin 15 - 30 mm pituisia deformoi-tuja ydinelementtejä 1 voidaan yhteen putkeen 2 sijoittaa n. 4...10 kappaletta. Kun kaikki elementit on valmistettu, saatu aihiotanko vedetään kuiduksi siten, että ydinelementeistä tulee yksimuotoisia ja kuitu päällystetään silikonikumilla.

Vedetystä yhtenäisestä kuidusta, joka sisältää useita erillisiä muotokentän muunninkomponentteja, yksittäiset komponentit voidaan löytää esim. HeNe-laserin avulla. He-Ne-valo 7 78670 kytketään kuidun päässä olevan elementin ytimeen ja etsitään taivuttamalla elementtien välissä oleva kohta, jossa ei ole ydintä. Kun valo saapuu ytimettömään alueeseen, se alkaa edetä monimuotoisesti. Kuidun taivutus ytimettömässä kkoh-dassa vaikuttaa tällöin muotojakautumaan, joka näkyy muutoksena kuidusta ulos tulevassa valossa. Kuitu katkaistaan tällaisessa kohdassa, jossa taivutus vaikuttaa muotojakautumaan .

Kuvion 5 mukaisesti toinen tapa valmistaa muunnielementtejä on kiinnittää yhtenäinen ydinkuitu 8 putken 9 sisäseinämään siten, että se kulkee putken 9 pituuskeskiakselin 10 kautta kuvion mukaisesti käyrämuotoon taivutettuna ja on kiinnitetty taivutuskäyrän minimeistä 11 ja maksimeista 12 putken sisäpinnan ala- ja yläreunaan.

Kuvion 6 mukaisesti aihioputki 13 voidaan kollapsoida noin 50 mm välein lähes umpeen. Kollapsoinnin jälkeen aihioputken 13 sisäpinnalle kiinnitetään yhtenäinen ydinkuitu 14 ja kol-lapsoidaan putki 13 umpinaiseksi aihiotangoksi. Tämän jälkeen aihio voidaan vetää kuiduksi.

Geometrisesti hyvin hallittua, lähes elliptistä, polarisaation säilyttävää kuitua voidaan valmistaa seuraavassa esitettävällä yksinkertaisella tavalla. Ensin valmistetaan MCVD-menetelmällä kuitu 15, jonka ytimen taitekerroin on samansuuruinen kuin haluttavan elliptisen kuidun ydin. Ytimen koko on kuitenkin huomattavasti suurempi. Valmistettu kuitu 15, jota ei ole päällystetty, kiinnitetään sopivan kokoisen putken 16 sisäseinämään vety-happiliekin avulla. Putki 16 kollapsoidaan aihiotangoksi 17, jolloin seinämään kiinnitetty kuitu ja sen ydin muuttuvat elliptisiksi muunnosyhtälöi-den (3) ja (4) mukaisesti.

Valmistuksessa voidaan käyttää tavallista MCVD-menetelmää, jolloin varsinainen ydin on vaimennukseltaan samaa luokkaa kuin tiedonsiirtokuiduissa. Ytimen muotoon vaikuttaa vain putken sisähalkaisija, joten kuidun ydin on hyvin homogeeni- 8 78670 nen ja valmistus erittäin toistettava. Ytimen elliptisyys on helposti säädettävissä. Menetelmän avulla voidaan helposti valmistaa kuituja, joissa on useita elliptisiä ytimiä.

Jos halutaan vain lievästi elliptisiä ydinrakenteita, voidaan käyttää hyvin pieniä substraattiputkia (.φ <10 mm), jolloin syntyvä aihio on myös hyvin ohut ja kuitua saadaan melko vähän. Ongelma voidaan ratkaista käyttämällä paksumpaa ydinkuitua ja sliivaamalla syntynyt ohut aihio isomman putken sisään.

Käyttämällä valmiiksi yksimuotoista ydinkuitua voidaan valmistaa noin 15...40 mm pitkä muotokentänmuunnintanko, jota ei tarvitse vetää kuiduksi. Tällainen komponentti voi olla käyttökelpoinen joissakin tapauksissa esim. IO-valokanavien ja kuidun välillä. Komponenttia valmistettaessa substraatti-putken sisähalkaisija voitaisiin valita ytimelle haluttavan litteyden perusteella välittämättä putken ulkohalkaisijasta.

Claims (7)

9 78670

1. Menetelmä muotokentän muuntavan kvartsikuidun valmistamiseksi, jossa menetelmässä - kvartsilasiputken (2) sisälle sovitetaan optinen kuitu (1), - kuitua (1) ja putkea (2) lämmitetään näiden liittämiseksi toisiinsa, ja - yhteen liitetyt kuitu (1) ja putki (2) luhistetaan ja vedetään haluttuun mittaan, tunnettu siitä, että - kuitu (1) esikiinnitetään esim. vety-happiliekin avulla putkeen (2) ennen kuidun (l) ja putken (2) lopullista yhdistämistä siten, että kuidun (1) litistettäväksi tarkoitettu osa (4) sijoitetaan kau-immaksi putken (2) pituuskeskiakselista (5) ja vastaavasti pyöreäksi jäävä osa (6) kuidusta (1) sijoitetaan mahdollisimman lähelle putken (2) pi-tuuskeskiakselia (5).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että putki (2) esiluhistetaan paikallisesti, jolloin syntyy kartiomainen pinta (3), kuitu (1) esikiinnitetään kartiopintaan (3) ja putki-kuitu-yhdistelmä (1, 2) luhistetaan yhteen.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että putki (2) esiluhistetaan sellaiselta matkalta, että kartiomaisen.pinnan aksiaaliseksi pituudeksi muodostuu n. 15 - 30 mm. 78670 ίο

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että putki (13) esiluhistetaan paikallisesti säännöllisin välimatkoin ja kuitu (14) kiinnitetään putken (13) sisäpintaan ja rakenne (13, 14) luhistetaan yhteen.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että putki (13) esiluhistetaan n. 50 mm:n välein.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kuitu (8) esikiinnitetään putkeen (9) käyrämuotoon taivutettuna käyrän minimien (11) ja maksimien (12) kohdalta ja rakenne (8, 9) luhistetaan yhteen.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kuidun (8) peräkkäisten kiinnityspisteiden välinen aksiaalinen etäisyys on n. 50 mm. n 78670