RU203256U1

RU203256U1 - Одномодовое эрбиевое радиационно-стойкое оптическое волокно с сохранением состояния поляризации

Info

Publication number: RU203256U1
Application number: RU2020128989U
Authority: RU
Inventors: Алексей Гурьевич Андреев; Владимир Сергеевич Ермаков; Ирина Сергеевна Азанова; Ольга Леонидовна Вохмянина; Павел Юрьевич Рогожников; Александр Станиславович Вахрушев; Даниль Илдарович Нурмухаметов; Михаил Викторович Яшков; Татьяна Владимировна Димакова
Priority date: 2020-09-01
Filing date: 2020-09-01
Publication date: 2021-03-29

Abstract

Полезная модель относится к световодам, в частности к оптическому волокну с оболочкой. Используемое оптическое волокно применяется для устройств с сохранением состояния поляризации используемых в условиях повышенного радиационного фона ионизирующего излучения, космос. Активное оптическое волокно, легированное ионами эрбия, церия и алюминия с сохранением состояния поляризации типа «Панда» предназначено для оптического усиления излучения с длиной волны излучения около 1,55 мкм или для генерации спонтанного излучения с длиной волны излучения около 1,55 мкм; применяется в качестве активного элемента для изготовления усилителя спонтанной эмиссии, применяемого в ВОГ в качестве источника излучения; оптическое волокно состоит из полимерного защитно-упрочняющего покрытия, оболочки из кварцевого стекла с легированием фосфора, сердцевины из легированного кварцевого стекла легированные оксидами эрбия, церия, алюминия и германия, т.е. имеют алюмо-германосиликатные матрицы сердцевин, и фосфоросиликатная матрица оболочки; в волокне также имеется две продольно простирающихся области, нагружающие стержни, имеющие коэффициент теплового расширения (КТР), который отличается от КТР оболочки. Это позволяет получить радиационную стойкость эрбиевого оптического волокна и сохранять состояние поляризации излучения.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель

Полезная модель относится к световодам; конструктивные элементы устройств, содержащих световоды с сохранением состояния поляризации, в частности условия космоса, повышенного радиационного фона ионизирующего излучения, атомная промышленность.

Уровень техники

Известно радиационно-стойкое оптическое волокно с редкоземельными элементами и способ радиационного упрочнения оптического волокна с редкоземельными элементами (US9025925B2, 2010), в котором имеется сердцевина и оболочка для накачки (двойная оболочка - double-clad), сердцевина включает в себя фосфоросиликатную матрицу, причем сердцевина легирована редкоземельными элементами, а редкоземельные элементы выбраны из эрбия, иттербия, неодима, тулия или эрбия-иттербия, или тулия-гольмия, а сердцевина - с добавлением церия.

Также описан способ радиационной закалки оптического волокна, включающий сердцевину, имеющую фосфоросиликатную матрицу, сердцевина легирована редкоземельными элементами выбранные из эрбия, иттербия, неодима и тулия или из эрбия-иттербия, или тулия-гольмия, и в том числе этап легирования церием сердцевину волокна. К преимуществам активного оптического волокна с двойной оболочкой можно отнести: высокое КПД накачки относительно одномодовых оптических волокон и отсутствие фотопотемнения сердцевины оптического волокна из-за состава матрицы. Недостатком является матрица сердцевины волокна, т.к. не обеспечивает необходимую ширину полосы усиления, которая определяется спектром излучения ионов эрбия в материале сердцевины оптического волокна, который необходим для усилителя спонтанной эмиссии в интерференционных датчиках таких, как волоконно-оптический гироскоп. Кроме того, недостатком является низкая апертура и, как следствие, низкая изгибоустойчивость. При этом процесс изготовления довольно сложный.

Известно оптическое волокно и способ изготовления фотопроводящего волокна (DE10059314 В4, 2000), в котором имеется алюмосиликатная матрица одномодовой сердцевины и легированна редкоземельными элементами выбранными из неодима, эрбия, тулия, гольмия, иттербия или празеодима и солегирована церием, двойная оболочка легированная фтором и окружающая одномодовую сердцевину для распространения излучения накачки, причем имеет некруглое симметричное поперечное сечение для увеличения КПД поглощения одномодовой сердцевиной накачки, к тому же в этом волокне предусмотрен, по меньшей мере, один нагружающий стержень, который проходит в продольном направлении волокна и имеет КТР, отличный от КТР материала оболочек и сердцевины, при этом патент распространяется на волокна с сохранением состояния поляризации типа «Панада», «Галстук-бабочка», «Эллипс», но показатель преломления нагружающих стержней превышает показатель преломления оболочки, по которой распространяется излучение накачки. Преимущества двойной оболочки в том, что меньшая плотность мощности в сечении, как следствие, отсутствие нелинейных эффектов, возможность вводить большие мощности и выше КПД. К преимуществам активного оптического волокна с двойной оболочкой можно отнести: высокое КПД накачки относительно одномодовых оптических волокон и отсутствие фотопотемнения сердцевины оптического волокна из-за состава матрицы и сложный процесс изготовления, нет необходимости в двойной оболочке, потому что в усилителе спонтанной эмиссии для ВОГ нет необходимости в больших мощностях, дороговизна компонентов при задействовании двойной оболочки для накачки оптического волокна.

Известно оптическое волокно (US7116887B2, 2003), в котором имеется светочувствительный сердечник, нагружающий стержень в центре которого располагается сердцевина, нагружающий стержень имеет ПП меньше чем ПП сердцевины и КТР отличающийся от КТР сердцевины, оболочка нагружающего стержня оболочка, являющаяся многомодовой сердцевиной накачки, так же имеет круглый нагружающий стержень, имеющий КТР, который отличается от КТР оболочки, благодаря чему оптическое волокно является светочувствительным и двулучепреломляющим, и при этом волокно имеет длину поляризационного биения менее 25 мм на длине волны 1550 нм. ПП сердцевины самый большой, далее ПП нагружающих стержней, затем оболочки и т.д. Преимущество двойной оболочки в том, что меньшая плотность мощности в сечении, как следствие, отсутствие нелинейных эффектов, возможность вводить большие мощности и выше КПД. К недостаткам относится сложный процесс изготовления и усложнение конструкции волокна.

Задача, на решение которой направлено техническое решение, заключается в создании эрбиевого радиационно-стойкого оптического волокна, обладающего простой конструкцией, высокой стойкостью к ионизирующему излучения и достаточной эффективностью люминесценции с широким спектром усиления для усилителя спонтанной эмиссии, предназначенного для интерферометрических датчиков и телекоммуникационных систем.

Сущность полезной модели

Данная задача достигается за счет того, что эрбиевое радиационно-стойкое оптическое волокно имеет алюмо-гермносиликатную матрицу сердцевины, легированную редкоземельными элементами - церием и эрбием; оболочка имеет фосфоросиликатную матрицу. За счет высокой концентрации церия (больше 0,4 мас. %) достигается радиационная стойкость оптического волокна, а необходимый спектр и изгибоустойчивость достигается благодаря алюмо-германосиликатной матрице сердцевины волокна, т.к. германий повышает показатель преломления сердцевины, т.е. увеличивается апертура. При использовании боросиликатных стержней с профилем показателя преломления ниже профиля показателя преломления кварца и отличном КТР от фосфоросиликатной оболочки достигается эффект сохранения состояния поляризации.

Техническим результатом является стойкость волокна к ионизирующему излучению, т.е. значение радиационно-наведенных потерь составляет не более 0,008 дБ/м/крад, и дифференциальная эффективность (отношение выходной мощности к мощности накачки на длине волны 980 нм) находящееся в промежутке от 0,15 до 0,30. Измерение дифференциальной эффективности проводится в однопроходной схеме суперлюминесцентного волоконного источника излучения (СВИ). Также техническим результатом является значение поляризационных биений волокна менее 8 мм на длине волны 1550 нм, т.е. двулучепреломление более 2×10^-4.

Эрбиевое радиационно-стойкое оптическое волокно состоит из сердцевины 1, имеющей профиль показателя преломления выше профиля показателя преломления чистого кварца; оболочки 2 с профилем показателя преломления ниже профиля показателя преломления чистого кварца, который достигается за счет фосфоросиликатной матрицей; конструктивной оболочки 3, выполненной из кварцевой трубы, которую используют при изготовлении волоконной заготовки для достижения необходимой длины волны отсечки, две продольно простирающихся области, имеющие КТР, который отличается от КТР оболочки, называемые нагружающими стержнями 4, и защитно-упрочняющего покрытия 5.

Claims

1. Радиационно-стойкое оптическое волокно содержит одну сердцевину, оболочку, окружающую указанную сердцевину, конструктивную оболочку поверх первой оболочки и защитно-упрочняющее полимерное покрытие, причем упомянутая сердцевина содержит алюмо-германосиликатную матрицу и легирована эрбием и церием, а покрывающая сердцевину оболочка имеет фосфоросиликатную матрицу.

2. Оптическое волокно по п. 1, отличающееся тем, что соотношение концентраций легирующих примесей алюминия и церия (А1 / Се) в сердцевине волокна находится в диапазоне от 5 до 20.

3. Оптическое волокно по п. 1, отличающееся тем, что сердцевина, состоящая из алюмо-германосиликатной матрицы, имеет значение апертуры сердцевины, которое находится между 0,18 и 0,24.

4. Оптическое волокно по п. 1, отличающееся тем, что сердцевина из алюмо-гермносиликатной матрицы легирована редкоземельными элементами, в частности, эрбием и церием так, что церия в сердцевине содержится более 0,4 мас. %, а эрбия не менее 0,01 мас. %.

5. Оптическое волокно п. 1, отличающееся тем, что имеются две области симметрично расположенных продольно сердцевине (нагружающие стержни), которые отличаются от окружающего стекла оболочки по коэффициенту температурного расширения и имеют боросиликатную матрицу с показателем преломления ниже показателя преломления кварца.

6. Оптическое волокно по п. 5, отличающееся тем, что длина поляризационных биений волокна менее 8 мм или, что то же самое значение двулучепреломления более 2×10^-4.