RU2155166C2 - Method of manufacturing single-mode fiber-optic light guides retaining emission polarization - Google Patents

Method of manufacturing single-mode fiber-optic light guides retaining emission polarization Download PDF

Info

Publication number
RU2155166C2
RU2155166C2 RU98111904/03A RU98111904A RU2155166C2 RU 2155166 C2 RU2155166 C2 RU 2155166C2 RU 98111904/03 A RU98111904/03 A RU 98111904/03A RU 98111904 A RU98111904 A RU 98111904A RU 2155166 C2 RU2155166 C2 RU 2155166C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fiber
light guide
melting point
quartz glass
polarization
Prior art date
Application number
RU98111904/03A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU98111904A (en
Inventor
А.М. Курбатов
Original Assignee
Курбатов Александр Михайлович
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Курбатов Александр Михайлович filed Critical Курбатов Александр Михайлович
Priority to RU98111904/03A priority Critical patent/RU2155166C2/en
Publication of RU98111904A publication Critical patent/RU98111904A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2155166C2 publication Critical patent/RU2155166C2/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03BMANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B37/00Manufacture or treatment of flakes, fibres, or filaments from softened glass, minerals, or slags
    • C03B37/01Manufacture of glass fibres or filaments
    • C03B37/012Manufacture of preforms for drawing fibres or filaments
    • C03B37/01205Manufacture of preforms for drawing fibres or filaments starting from tubes, rods, fibres or filaments
    • C03B37/01211Manufacture of preforms for drawing fibres or filaments starting from tubes, rods, fibres or filaments by inserting one or more rods or tubes into a tube
    • C03B37/01217Manufacture of preforms for drawing fibres or filaments starting from tubes, rods, fibres or filaments by inserting one or more rods or tubes into a tube for making preforms of polarisation-maintaining optical fibres
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03BMANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B2203/00Fibre product details, e.g. structure, shape
    • C03B2203/10Internal structure or shape details
    • C03B2203/14Non-solid, i.e. hollow products, e.g. hollow clad or with core-clad interface
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03BMANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B2203/00Fibre product details, e.g. structure, shape
    • C03B2203/30Polarisation maintaining [PM], i.e. birefringent products, e.g. with elliptical core, by use of stress rods, "PANDA" type fibres

Abstract

FIELD: fiber optics. SUBSTANCE: invention relates to fiber communication lines and construction of physical parameter transducers (fiber pressure and temperature sensors, gyroscopes, etc.). Starting cylinder light guide semifinished part is manufactured from material with melting point equal to that of quartz glass and light guiding thread from material with melting point below that of quartz glass. When drawing light guide from semifinished part with etching holes the latter are left unfilled. EFFECT: reduced laboriousness of manufacture of light guides and improved characteristic resulting in reduction of emission loss and also reduced intermode polarization link in light guide. 3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано в волоконных линиях связи, а также при конструировании датчиков физических величин (волоконных датчиков давления, температуры, гироскопов и т. д.). The invention relates to the field of fiber optics and can be used in fiber communication lines, as well as in the design of sensors of physical quantities (fiber sensors of pressure, temperature, gyroscopes, etc.).

Известен способ получения одномодового волоконного световода, сохраняющего поляризацию излучения [1]. В известном способе в начале MCDV-методом изготавливается исходная цилиндрическая заготовка световода, содержащая круглую сердцевину, отражающую оболочку и внешнюю защитную кварцевую оболочку, образованную опорной кварцевой трубой. Затем с двух диаметрально противоположных сторон этой заготовки прорезают два паза полукруглой формы на глубину 1 - 2 мм, после чего заготовку помещают внутрь опорной кварцевой трубы и сплавляют их на тепломеханическом станке. После сплавления прорезанные пазы превращаются в два сквозных отверстия, которые проходят по всей длине вновь полученной заготовки. После того, эту заготовку помещают в травильный раствор с целью формирования полученных отверстий большего диаметра. Затем в растравленные отверстия вставляют два нагружающих стержня, состоящих из материала, обладающего температурным коэффициентом линейного расширения большим, чем соответствующий коэффициент кварцевого стекла, из которого состоят опорные трубы, используемые для изготовления заготовки. После этого, полученную таким образом заготовку, сплавляют на тепломеханическом станке с последующей вытяжкой световода на установке вытяжки световодов или сразу проводят вытяжку световода без предварительного сплавления на тепломеханическом станке. A known method of obtaining a single-mode fiber waveguide, preserving the polarization of radiation [1]. In the known method, at the beginning, the MCDV method produces an initial cylindrical fiber preform containing a round core, a reflective sheath and an external protective quartz sheath formed by a supporting quartz tube. Then, from two diametrically opposite sides of this preform, two grooves of a semicircular shape are cut to a depth of 1 - 2 mm, after which the preform is placed inside the supporting quartz tube and fused with a heat-mechanical machine. After fusion, the slotted grooves turn into two through holes that extend along the entire length of the newly obtained workpiece. After that, this preform is placed in the etching solution in order to form the resulting holes of larger diameter. Then, two loading rods are inserted into the etched openings, consisting of a material having a temperature coefficient of linear expansion larger than the corresponding coefficient of silica glass, from which the support pipes used for the manufacture of the workpiece are composed. After that, the billet thus obtained is fused to a thermomechanical machine, followed by drawing of a fiber in a fiber drawing machine, or the fiber is immediately drawn without fusion on a thermomechanical machine.

Недостатком известного способа получения одномодового волоконного световода, сохраняющего поляризацию излучения является то, что стержни, вставляемые внутрь отверстий также, как правило, приходится изготавливать MCVD-методом, что приводит к значительному удорожанию световода. Другим недостатком известного метода является также и то, что при сплавлении или непосредственной вытяжке световода из заготовки вокруг нагружающих стержней могут образовываться воздушные пузырьки или даже целые воздушные полости из-за "вскипания" легкоплавких нагружающих стержней при их сплавлении с заготовкой или при их непосредственной вытяжке на установке вытяжки световодов. А так как для получения большого двулучепреломления в световоде стержни приходится располагать достаточно близко к световедущей жиле, то наличие воздушных пузырьков или полостей приводит как к возрастанию оптических потерь в световоде, так и к ухудшению свойств сохранять линейную поляризацию излучения, распространяющегося по световедущей жиле световода. A disadvantage of the known method for producing a single-mode optical fiber that preserves radiation polarization is that the rods inserted inside the holes also, as a rule, have to be manufactured using the MCVD method, which leads to a significant increase in the cost of the optical fiber. Another disadvantage of the known method is that during fusion or direct drawing of the fiber from the workpiece, air bubbles or even entire air cavities can form around the loading rods due to the “boiling” of fusible loading rods when they are fused with the workpiece or when they are directly drawn onto installation of hoods of optical fibers. And since in order to obtain large birefringence in the fiber, the rods must be positioned close enough to the fiber guide, the presence of air bubbles or cavities leads to both an increase in optical losses in the fiber and to a deterioration in the properties of maintaining the linear polarization of the radiation propagating through the fiber guide.

Целью настоящего изобретения является уменьшение трудоемкости изготовления световодов, а также улучшение их характеристик, выражающееся в уменьшении потерь излучения на распространение, а также уменьшение межмодовой поляризационной связи в световоде (улучшение свойства сохранять состояние поляризации излучения). The aim of the present invention is to reduce the complexity of the manufacture of optical fibers, as well as improving their characteristics, which is reflected in the reduction of radiation losses due to propagation, as well as a decrease in inter-mode polarization coupling in the optical fiber (improving the ability to maintain the state of polarization of radiation).

Указанная цель достигается тем, что:
1. Световедущая жила выполнена из материала с температурой плавления ниже температуры плавления кварцевого стекла, а отражающая оболочка - из материала с температурой плавления, равной температуре плавления кварцевого стекла.
This goal is achieved by the fact that:
1. The light guide core is made of material with a melting point below the melting point of silica glass, and the reflective sheath is made of material with a melting temperature equal to the melting temperature of silica glass.

2. При изготовлении исходной цилиндрической заготовки формируют дополнительную оболочку из материала с температурой плавления, меньшей по сравнению с температурой плавления кварцевого стекла и, обладающего температурным коэффициентом линейного расширения, превышающим температурный коэффициент линейного расширения кварцевого стекла. 2. In the manufacture of the initial cylindrical billet, an additional shell is formed of a material with a melting temperature lower than the melting temperature of silica glass and having a temperature coefficient of linear expansion exceeding the temperature coefficient of linear expansion of silica glass.

3. При изготовлении исходной цилиндрической заготовки формируют дополнительную оболочку из материала с температурой плавления, близкой к температуре плавления кварцевого стекла, и показателем преломления ниже показателя преломления кварцевого стекла на 3 - 6•10-3, а отражающую оболочку формируют из материала с температурным коэффициентом линейного расширения, превышающим температурный коэффициент линейного расширения кварцевого стекла.3. In the manufacture of the initial cylindrical billet, an additional shell is formed from a material with a melting point close to the melting temperature of quartz glass and a refractive index lower than the refractive index of quartz glass by 3 - 6 • 10 -3 , and a reflective shell is formed from a material with a linear temperature coefficient expansion exceeding the temperature coefficient of linear expansion of quartz glass.

Уменьшение трудоемкости изготовления световода, то есть уменьшение его стоимости, достигается за счет исключения необходимости использования нагружающих стержней, которые имеют большую трудоемкость изготовления. Reducing the complexity of the manufacture of the fiber, that is, reducing its cost, is achieved by eliminating the need to use loading rods, which have a large complexity of manufacturing.

Уменьшение потерь оптической мощности в световодах и улучшение свойств по сохранению состояния поляризации излучения достигается за счет исключения образования в непосредственной близости от световедущей жилы воздушных пузырьков при сплавлении заготовок с нагружающими стержнями. The reduction of optical power losses in the optical fibers and the improvement of the properties for preserving the state of polarization of radiation is achieved by eliminating the formation of air bubbles in the immediate vicinity of the light guide core during the fusion of billets with loading rods.

Улучшение свойств одномодовых световодов по сохранению состояния поляризации излучения согласно п. 3 формулы достигается еще и за счет тот, что дополнительная оболочка в исходной заготовке состоит из материала с пониженным показателем преломления и как следствие за счет этого в световоде возникает эффект повышенного затухания по мощности моды излучения нежелательной поляризации. The improvement of the properties of single-mode optical fibers in maintaining the state of radiation polarization according to claim 3 of the formula is also achieved due to the fact that the additional cladding in the initial billet consists of a material with a low refractive index and, as a result, the effect of increased attenuation in the optical fiber power of the radiation mode unwanted polarization.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 показана последовательность технологических операций по формированию световода, имеющего световедущую жилу эллиптической формы. На фиг. 2 показана последовательность технологических операций по формированию одномодового световода с зоной создания в круглой световедущей жиле механических напряжений эллиптической формы. На фиг. 3 показана последовательность технологических операций по созданию в круглой световедущей жиле механических напряжений зоной эллиптической формы, окруженной с внешней стороны слоем дополнительной оболочки с пониженным показателем преломления. На фиг. 4 показан принцип возникновения повышенного затухания излучения нежелательной поляризации. The invention is illustrated by drawings. In FIG. 1 shows a sequence of technological operations for the formation of a light guide having a light guide core of elliptical shape. In FIG. Figure 2 shows the sequence of technological operations for the formation of a single-mode fiber with a zone of creating elliptical mechanical stresses in a round light guide. In FIG. Figure 3 shows the sequence of technological operations for creating mechanical stresses in a round light guide vein with an elliptical zone surrounded on the outside with a layer of an additional shell with a low refractive index. In FIG. 4 shows the principle of occurrence of increased attenuation of radiation of undesirable polarization.

Свойство одномодового волоконного световода может быть достигнуто за счет формирования световедущей жилы в нем эллиптической формы. На фиг. 1 показана последовательность основных технологических операций по формированию световода с эллиптической световедущей жилой. Для этого в исходной цилиндрической заготовке 1, содержащей круглую световедущую жилу 2, отражающую оболочку 3, с двух противоположных сторон прорезают два полукруглых паза 4 шириной и глубиной ~1 - 2 мм, затем эту исходную заготовку с прорезанными пазами помещают внутрь опорной кварцевой трубы 5. После этого заготовку вместе с опорной кварцевой трубой подвергают сплавлению на тепломеханическом станке с помощью газовой горелки. После сплавления в заготовке по всей длине из-за наличия двух прорезанных в исходной заготовке пазов образуются два сквозных отверстия, которые затем подвергаются травлению в плавиковой кислоте (HF), в результате чего образуется новая заготовка 6 с отверстием 7. При изготовлении исходной цилиндрической заготовки методом внутреннего парафазного осаждения слоев легированного кварцевого стекла (MCVD - метод изготовления заготовок световодов) световедущая жила изготавливается из кварцевого стекла (SiO2) легированного германием (Ge2O3). Добавка германия в кварцевое стекло повышает показатель преломления кварцевого стекла, в результате чего световедущая жила приобретает способность канализировать оптическое излучение. Добавка германия к тому же и понижает температуру плавления материала световедущей жилы. Отражающая же оболочка в исходной цилиндрической заготовке в данном случае изготавливается из чистого кварцевого стекла (SiO2).The property of a single-mode fiber waveguide can be achieved through the formation of a light guide core in it of an elliptical shape. In FIG. 1 shows the sequence of basic technological operations for the formation of a fiber with an elliptical light guide core. For this, in the initial cylindrical billet 1, containing a round light guide core 2, reflecting the sheath 3, two semicircular grooves 4 are cut from two opposite sides with a width and depth of ~ 1 - 2 mm, then this initial billet with cut grooves is placed inside the supporting quartz tube 5. After that, the billet together with the supporting quartz tube is subjected to fusion on a thermomechanical machine using a gas burner. After fusion in the preform along its entire length, due to the presence of two grooves cut in the initial preform, two through holes are formed, which are then etched in hydrofluoric acid (HF), as a result of which a new preform 6 with hole 7 is formed. In the manufacture of the initial cylindrical preform by of internal paraphase deposition of alloyed quartz glass layers (MCVD - a method for manufacturing optical fiber preforms), the light guide core is made of quartz glass (SiO 2 ) doped with germanium (Ge 2 O 3 ). The addition of germanium to quartz glass increases the refractive index of quartz glass, as a result of which the light guide acquires the ability to channel optical radiation. The addition of germanium also lowers the melting point of the light guide core material. The reflective shell in the original cylindrical billet in this case is made of pure quartz glass (SiO 2 ).

После вытяжки световода из заготовки с вытравленными отверстиями на установке вытяжки световодов, световод 8 содержит световедущую жилу 9, отражающую оболочку 10. С внешней стороны световод покрыт защитно-упрочняющим покрытием 11. При вытяжке световода из заготовки происходит заплавление сквозных отверстий, в результате чего в световоде происходит в процессе его вытяжки перераспределение материала, в основном в направлении, соединяющем центры сквозных отверстий, в данном конкретном случае и отражающая оболочка световода и световедущая жила приобретают за счет заплавления сквозных отверстии эллиптическую форму. After the fiber is drawn from the preform with etched holes in the fiber optic hood, the fiber 8 contains a fiber guide 9, a reflective sheath 10. On the outside, the fiber is coated with a protective and reinforcing coating 11. When the fiber is drawn from the preform, the through holes melt through, resulting in a fiber during its drawing, the material is redistributed, mainly in the direction connecting the centers of the through holes, in this particular case both the reflective sheath of the fiber and the light guide sludge gain due to the melting of the through hole of an elliptical shape.

Величина двулучепреломления, определяющая способность сохранять состояние поляризации излучения в световодах с эллиптической световедущей жилой [2] пропорциональна величине:
B ~ Δ•ε,
где

Figure 00000002
- индекс разности показателей преломления;
Δn - разность показателей преломления между световедущей жилой и отражающей оболочкой;
n0 - показатель преломления плавленного кварца;
Figure 00000003

где a и b большая и малая оси эллипса световедущей жилы соответственно.The magnitude of birefringence, which determines the ability to maintain the state of polarization of radiation in optical fibers with an elliptical light guide core [2], is proportional to:
B ~ Δ • ε,
Where
Figure 00000002
- index of the difference in refractive indices;
Δn is the difference in refractive indices between the light guide core and the reflective shell;
n 0 is the refractive index of fused silica;
Figure 00000003

where a and b are the major and minor axes of the ellipse of the light guide core, respectively.

Величина ε выбирается обычно в пределах 0,4 - 0,8 и регулируется расстоянием центров сквозных отверстий от световедущей жилы и их диаметром. Температура плавления отражающей оболочки Тоб должна быть одинаковой с температурой плавления опорной кварцевой трубы Ттр и выше температуры плавления материала световедущей жилы (то есть Тоб = Тр и Тж < Тоб), в противном случае при деформации заготовки при заплавлении отверстий в процессе вытяжки световода световедущая жила остается круглой, а все деформации заготовки произойдут за счет отражающей оболочки.The value of ε is usually chosen in the range of 0.4 - 0.8 and is regulated by the distance of the centers of the through holes from the light guide core and their diameter. The melting temperature of the reflecting shell T about should be the same with the melting temperature of the supporting quartz tube T Tr and above the melting temperature of the material of the light guide core (that is, T about = T p and T W <T about ), otherwise, when the workpiece is deformed when the holes are melted in In the process of drawing the light guide, the light guide core remains round, and all deformation of the workpiece will occur due to the reflective sheath.

Двулучепреломление в световедущей жиле одномодового световода, обеспечивающее способность сохранять линейное состояние поляризации, может возникать и из-за регулярных механических напряжений [1, 3], специально создаваемых в световедущей жиле. На фиг. 2 показана последовательность технологических операции но формированию одномодового волоконною световода с круглой световедущей жилой, в которой созданы регулярные механические напряжения за счет эллиптической дополнительной оболочки, которая состоит из материала с температурным коэффициентом линейного расширения, значительно превышающим температурные коэффициенты линейного расширения кварцевого стекла и материалов световедущей жилы из отражающей оболочки [3]. Для формирования такого световода в исходной заготовке 12, имеющей световедущую жилу 13 и отражающую оболочку 14, формируют дополнительную оболочку 15. Основными требованиями к материалу дополнительной оболочки исходной заготовки являются температура плавления Тnоб должна быть значительно меньше температуры плавления материалов кварцевою стекла и материалов световедущей жилы и отражающей оболочки; а температурный коэффициент линейного расширения материала дополнительной оболочки должен быть значительно больше температурных коэффициентов линейного расширения кварцевого стекла и материалов световедущей жилы и отражающей оболочки. В этом случае оба вышеперечисленных условия могут быть выполнены, если световедущая жила состоит из кварцевого стекла (SiO2), легированного германием (Ge2O3), отражающая оболочка состоит из кварцевого стекла (SiO2) или из кварцевого стекла (SiO2) с небольшой добавкой фосфора (P2O5) и фтора (F2). Дополнительная оболочка, в этом случае, может быть выполнена из кварцевого стекла, легированного бромидом бора (B2O3).Birefringence in a light guide conductor of a single-mode fiber, providing the ability to maintain a linear state of polarization, can also occur due to regular mechanical stresses [1, 3], specially created in the light guide conductor. In FIG. Figure 2 shows the sequence of technological operations for the formation of a single-mode fiber with a round light guide, in which regular mechanical stresses are created due to the elliptical additional sheath, which consists of a material with a temperature coefficient of linear expansion significantly higher than the temperature coefficients of linear expansion of quartz glass and light guide materials made of reflective shell [3]. For the formation of such fiber in the initial blank 12 having a light-guiding core 13 and the reflecting shell 14, forming an additional shell 15. The main requirements for the material of the additional shell are original billet melting temperature T n of must be considerably lower than the melting temperature of quartz glass materials and materials of the light-guiding cores and reflective sheath; and the temperature coefficient of linear expansion of the material of the additional shell should be significantly higher than the temperature coefficients of the linear expansion of quartz glass and materials of the light guide core and reflective shell. In this case, both of the above conditions can be fulfilled if the light guide core consists of quartz glass (SiO 2 ) doped with germanium (Ge 2 O 3 ), the reflective shell consists of quartz glass (SiO 2 ) or quartz glass (SiO 2 ) with a small addition of phosphorus (P 2 O 5 ) and fluorine (F 2 ). The additional shell, in this case, can be made of silica glass doped with boron bromide (B 2 O 3 ).

В исходной заготовке затем прорезаются с двух диаметрально противоположных сторон (фиг. 2) два полукруглых паза 16 шириной и глубиной ~1 - 2 мм, а затем заготовка помещается внутрь опорной кварцевой трубы 17 и сплавляется с ней на тепломеханическом станке изготовления заготовок световодов с помощью газовой горелки. После этого, два сквозных отверстия внутри вновь полученной заготовки 18 подвергаются травлению в плавиковой кислоте для получения отверстий 19 необходимого диаметра. Полученная таким образом заготовка, помещается в высокотемпературную печь установки вытяжки световодов и из нее вытягивается одномодовый световод 20, содержащий световедущую жилу 21, отражающую оболочку 22, дополнительную оболочку 23, теперь уже эллиптической формы. С внешней стороны световод защищен защитно-упрочняющим покрытием 24. При заплавлении вытравленных сквозных отверстий (схлопывании) в заготовке в процессе вытяжки из нее одномодового световода, происходит перераспределение материала в центральной части заготовки. Происходит это в основном за счет деформации формы дополнительной оболочки, так как она имеет температуру плавления ниже температуры плавления кварцевого стекла и температуры плавления материалов отражающей оболочки и световедущей жилы, поэтому световедущая жила и отражающая оболочка при схлопывании сквозных отверстии в световоде остаются круглыми, в то время как дополнительная оболочка приобретает эллиптическую форму. При выходе световода из зоны высоко температурной печи установки вытяжки световодов происходит затвердевание материала световода, но с различной скоростью. Вначале затвердевает эллиптическая дополнительная оболочка, затем практически одновременно световедущая жила и отражающая оболочка, а также внешняя защитная кварцевая оболочка, а так как эллиптическая дополнительная оболочка состоит из материала с температурным коэффициентом линейного расширения, превышающим температурный коэффициент линейного расширения кварцевого стекла, а также соответствующий коэффициент материала в отражающей оболочке и световедущей жилы, то в световедущей жиле за счет эллиптичности своей формы дополнительная оболочка создает мощные регулярные механические напряжения, то есть световедущая жила подвергается растягивающим усилиям вдоль большой оси эллипса дополнительной оболочки. За счет фотокругового эффекта в световедущей жиле наводится двулучепреломление. Величина двулучепреломления пропорциональна величине:

Figure 00000004

где Δα - разница температурных коэффициентов линейного расширения материалов с одной стороны дополнительной оболочки, а с другой стороны материалов кварцевого стекла, отражающей оболочки и световедущей жилы;
ΔT - разница температур в высокотемпературной печи установки вытяжки световодов и комнатной температурой;
a, b - соответственно большая и малая ось эллипса дополнительной оболочки.Two semicircular grooves 16 with a width and depth of ~ 1 - 2 mm are then cut from two diametrically opposite sides in the initial preform (Fig. 2), and then the preform is placed inside the supporting quartz tube 17 and fused with it on a thermomechanical machine for manufacturing fiber optic blanks using a gas burners. After that, two through holes inside the newly obtained billet 18 are etched in hydrofluoric acid to obtain holes 19 of the required diameter. The billet thus obtained is placed in a high-temperature furnace of the fiber-optic extraction system, and a single-mode optical fiber 20 is drawn from it, comprising a light guide core 21, a reflective sheath 22, an additional sheath 23, now elliptical in shape. From the outside, the fiber is protected by a protective-hardening coating 24. When the etched through holes are melted (collapsing) in the preform during the drawing of a single-mode fiber from it, the material is redistributed in the central part of the preform. This occurs mainly due to the deformation of the shape of the additional cladding, since it has a melting temperature lower than the melting temperature of quartz glass and the melting temperature of the materials of the reflective cladding and the light guide core; therefore, the light guide conductor and reflective cladder remain round at the time of collapse of the through-hole, while as an additional shell acquires an elliptical shape. When the fiber leaves the zone of the high-temperature furnace of the installation of extracting fibers, the fiber material solidifies, but at a different speed. First, the elliptical additional shell hardens, then almost simultaneously the light guide core and the reflective shell, as well as the outer protective quartz shell, as the elliptical additional shell consists of a material with a temperature coefficient of linear expansion exceeding the temperature coefficient of linear expansion of quartz glass, as well as the corresponding material coefficient in the reflective shell and light guide core, then in the light guide core due to the ellipticity of its shape The sheath creates powerful regular mechanical stresses, i.e., the light guide core is subjected to tensile forces along the major axis of the ellipse of the additional sheath. Due to the photocircular effect, birefringence is induced in the light guide vein. The birefringence is proportional to:
Figure 00000004

where Δα is the difference in temperature coefficients of linear expansion of materials on one side of the additional shell, and on the other side of quartz glass materials, reflective shell, and light guide core;
ΔT is the temperature difference in the high-temperature furnace of the installation of extracting optical fibers and room temperature;
a, b - respectively, the major and minor axis of the ellipse of the additional shell.

Оси двулучепреломления в световедущей жиле в данном случае совпадают с большой и малой осями эллиптической формы дополнительной оболочки. При возбуждении световедущей жилы линейно-поляризованным излучением на одной из двух осей двулучепреломления одномодового волоконного световода, оно затем канализируется по нему без изменения состояния поляризации, таким образом, при наведении в световоде двулучепреломления, он приобретает способность сохранять линейное состояние поляризации канализируемого излучения. Вышеописанный световод имеет две собственные поляризационные моды x - моду и y - моду. X-мода - это мода излучения, имеющая линейную поляризацию и возбуждаемая по оси x световода (фиг. 3), а y-мода - это мода излучения, имеющая линейную поляризацию и возбуждаемая по оси y световода. Способность световода сохранять состояние поляризации излучения оценивается коэффициентом межмодовой поляризационной связи (h - параметром). Коэффициент межмодовой поляризационной связи или h-параметр, показывает какая доля мощности возбужденной, например x-моды, перекачивается из-за неидеальностей в y-моду на одном метре длины световода. Величина h-параметра, таким образом, показывает качество световода по способности сохранить состояние поляризации канализируемого излучения. The birefringence axes in the light guide conductor in this case coincide with the major and minor axes of the elliptical shape of the additional shell. When a light guide conductor is excited by linearly polarized radiation on one of the two birefringence axes of a single-mode fiber, it is then channelized through it without changing the polarization state, thus, when the birefringence is induced in the fiber, it acquires the ability to maintain a linear polarized state of the channeled radiation. The fiber described above has two eigenpolarization modes x — mode and y — mode. The X mode is a radiation mode that has linear polarization and is excited along the x axis of the fiber (Fig. 3), and the y mode is a radiation mode that has linear polarization and is excited along the y axis of the fiber. The ability of a fiber to maintain a state of radiation polarization is estimated by the intermode polarization coupling coefficient (h is a parameter). The intermode polarization coupling coefficient or h-parameter, which shows what fraction of the power of an excited, for example, x-mode, is pumped due to imperfections to the y-mode on one meter of the fiber length. The value of the h-parameter, thus, shows the quality of the fiber in its ability to maintain the polarized state of the channeled radiation.

Качество световода по способности сохранять линейное состояние поляризации можно повысить, если обеспечить некоторое повышенное затухание, например, y-поляризационной моды, при ее возникновении и распространении по световоду. Избыточные потери y-поляризационной моды можно обеспечить, если световод изготавливать следующим образом (фиг. 3). Исходная заготовка 25, содержит световедущую жилу 26, отражающую оболочку 27 и дополнительную оболочку 28. Световедущая жила как и прежде может быть изготовлена из кварцевою стекла (SiО2) с добавлением окиси германия (Ge2O3). Отражающая оболочка должна изготавливаться из материала с температурным коэффициентом линейного расширения, значительно превышающим соответствующий коэффициент остального материала световода. Отражающая оболочка может быть изготовлена, например, из кварцевого стекла (SiO2), легированного (B2O3). Дополнительная оболочка должна изготавливаться из материала с температурой плавления, приблизительно равной температуре плавления кварцевого стекла с показателем преломления ниже 3 - 6•10-3, чем показатель преломления кварцевого стекла. Этих условий можно достичь, если дополнительную оболочку изготовить из кварцевого стекла (SiO2), легированного фтором (F2). Затем в исходной заготовке с двух взаимопротивоположных сторон прорезается два полукруглых паза 29, шириной и глубиной 1 - 2 мм, после чего заготовка помещается внутрь опорной кварцевой трубы 30 и сплавляется с ней на тепломеханическом станке изготовления заготовок MCDV-методом с помощью газовой горелки. После сплавления вновь полученная заготовка 31 подвергается травлению в плавиковой кислоте с целью растравливания сквозных отверстий до необходимого диаметра 32. Далее на установке вытяжки световодов из заготовки вытягивается одномодовый волоконный световод 33, содержащий отражающую оболочку 34 эллиптической формы, дополнительную оболочку 35 также эллиптической формы. Отражающая и дополнительная оболочка приобрели эллиптическую форму из-за схлопывания сквозных отверстий к заготовке. С внешней стороны световод защищен защитно-упрочняющим покрытием 37.The quality of a fiber in terms of its ability to maintain a linear state of polarization can be improved by providing some increased attenuation, for example, of the y-polarization mode, when it arises and propagates through the fiber. Excessive losses of the y-polarization mode can be achieved if the fiber is made as follows (Fig. 3). The initial blank 25 contains a light guide core 26, a reflective sheath 27 and an additional sheath 28. The light guide core can still be made of quartz glass (SiO 2 ) with the addition of germanium oxide (Ge 2 O 3 ). The reflective cladding should be made of a material with a temperature coefficient of linear expansion significantly exceeding the corresponding coefficient of the rest of the fiber material. The reflective shell can be made, for example, of quartz glass (SiO 2 ), doped (B 2 O 3 ). The additional shell should be made of a material with a melting point approximately equal to the melting temperature of silica glass with a refractive index lower than 3 - 6 • 10 -3 than the refractive index of silica glass. These conditions can be achieved if the additional shell is made of quartz glass (SiO 2 ) doped with fluorine (F 2 ). Then, two semicircular grooves 29, with a width and depth of 1 - 2 mm, are cut through from the two opposite sides of the initial billet, after which the billet is placed inside the quartz support tube 30 and fused with it on the thermomechanical machine for manufacturing billets by the MCDV method using a gas burner. After fusion, the newly obtained preform 31 is etched in hydrofluoric acid in order to etch the through holes to the required diameter 32. Next, at the installation of extracting optical fibers from the preform, a single-mode fiber optic fiber 33 is drawn containing an elliptical reflective sheath 34, an additional sheath 35 also of an elliptical shape. The reflective and additional shell acquired an elliptical shape due to the collapse of through holes to the workpiece. From the outside, the fiber is protected by a protective-reinforcing coating 37.

Отражающая оболочка из-за эллиптичности своей формы, а также и из-за того, что она состоит из материала с температурным коэффициентом линейного расширения, значительно превышающим соответствующие коэффициенты кварцевого стекла и материалов световедущей жилы и дополнительной оболочки, наводит в световедущей жиле двулучепреломление B. На фиг. 4 показан профиль распределения показателя преломления в поперечном сечении световода вдоль оси X. Кривая 39 характеризует профиль распределения показателя преломления вдоль оси X в случае отсутствия двулучепреломления в световедущей жиле. В случае же, когда в световедущей жиле наводится двулучепреломление B, то для x-поляризационной моды показатель преломления в световедущей жиле понижается до уровня 39, а для y-поляризационной моды он понижается до уровня 40. Разница уровней показателя преломления в световедущей жиле для x-поляризационной моды и y-поляризационной моды равна величине двулучепреломления B, наведенной в световедущей жиле оболочкой эллиптической формы. В силу того, что собственные поляризационные моды одномодового волоконного световода имеют различное значение разностей показателей преломления между световедущей жилой и отражающей оболочкой (роль отражающей оболочки в направлении оси X играет уже дополнительная оболочка), то собственные поляризационные моды в световоде при одном и том же диаметре световода имеют различные длины волн отсечки, то есть длина волны отсечки для x-поляризационной моды λ x c не равна длине волны отсечки y-поляризационной моды, то есть λ x c ≠ λ y c и разность длин волн отсечки определяется величиной двулучепреломления B, наведенного в световедущей жиле. Как видно из фиг. 4 световод в направлении оси X имеет так называемый W - профиль распределения показателя преломления. Особенность W-профиля распределения показателя преломления является то, что световоды имеют на длинах волн, превышающих длину волны отсечки довольно крутые кривые роста затухания мощности канализируемого излучения и тем ниже значение показателя преломления отражающей оболочки по сравнению с показателем преломления кварцевого стекла опорной трубы, тем более резкое увеличение затухания мощности излучения происходит при увеличении длины волны излучения. Качественно кривые затухания для x-поляризационной моды и y-поляризационной моды показаны кривыми 41 и 42 для Δn = 3•10-3, где Δn - разница показателей преломления материала дополнительной оболочки и кварцевого стекла и кривыми 43, 44 для Δn = 6•10-3. Улучшение сохранения поляризации излучения в таком световоде достигается за счет более высокого затухания мощности y-поляризационной моды в световоде, по сравнению с затуханием x-поляризационной моды. Величина Δn = 3•10-3 устанавливается когда используются световоды большой длины, так как в этом случае необходимо обеспечить очень малое затухание x-поляризационной моды, а необходимая величина затухания y-поляризационной моды достигается за счет длины световода. Величина Δn = 6•10-3 используется в случае, когда требуются для использования световоды относительно небольшой длины. Кривая 45 (фиг. 4) характеризует спектральное затухание x и y-поляризационных мод при Δn = 0, то есть в этом случае разница в коэффициентах затухания мод практически равна 0 и улучшения свойств световода по сохранению состояния поляризации канализируемого излучения не происходит.The reflective cladding, due to the ellipticity of its shape, and also because it consists of a material with a temperature coefficient of linear expansion significantly exceeding the corresponding coefficients of quartz glass and materials of the light guide core and the additional shell, induces birefringence of B. FIG. 4 shows the distribution profile of the refractive index in the cross section of the fiber along the X axis. Curve 39 characterizes the distribution profile of the refractive index along the X axis in the absence of birefringence in the light guide conductor. In the case when birefringence B is induced in the light guide, then the refractive index in the light guide for the x-polarization mode decreases to level 39, and for the y-polarization mode it drops to level 40. The difference in the refractive index in the light guide for x- the polarization mode and the y-polarization mode are equal to the birefringence B induced in the light guide vein by an elliptical shell. Due to the fact that the eigenpolarizing modes of a single-mode fiber have different refractive index differences between the light guide conductor and the reflecting cladding (the additional cladding plays the role of the reflecting cladding in the X axis direction), the eigenpolarizing modes in the fiber with the same fiber diameter have different cut-off wavelengths, i.e., cut-off wavelength for the x-polarization mode λ x c is not equal to the cut-off wavelength of the y-polarization mode, i.e., λ x c ≠ λ y c and the cutoff wavelength difference is determined by the birefringence B induced in the light guide conductor. As can be seen from FIG. 4, the fiber in the direction of the X axis has the so-called W, the profile of the distribution of the refractive index. A feature of the W profile of the distribution of the refractive index is that the waveguides at wavelengths exceeding the cutoff wavelength have rather steep growth curves for the attenuation of the power of the channeled radiation and the lower the refractive index of the reflecting cladding as compared to the refractive index of the quartz glass of the support pipe, the sharper An increase in the attenuation of the radiation power occurs with an increase in the radiation wavelength. Qualitatively, the attenuation curves for the x-polarization mode and the y-polarization mode are shown by curves 41 and 42 for Δn = 3 • 10 -3 , where Δn is the difference in the refractive indices of the material of the additional shell and quartz glass and curves 43, 44 for Δn = 6 • 10 -3 . An improvement in the conservation of radiation polarization in such a fiber is achieved due to a higher attenuation of the power of the y-polarization mode in the fiber, compared with the attenuation of the x-polarization mode. The value Δn = 3 • 10 -3 is established when long waveguides are used, since in this case it is necessary to ensure very small attenuation of the x-polarization mode, and the necessary attenuation of the y-polarization mode is achieved due to the length of the fiber. The value Δn = 6 • 10 -3 is used in the case when fibers of relatively short length are required for use. Curve 45 (Fig. 4) characterizes the spectral attenuation of x and y-polarization modes at Δn = 0, that is, in this case, the difference in mode attenuation coefficients is practically equal to 0, and the properties of the fiber to maintain the polarized state of the channeled radiation do not improve.

Литература
1. А. М. Курбатов и др. Патент РФ N 2043313 "Способ получения одномодового волоконного световода".
Literature
1. A. M. Kurbatov and others. RF patent N 2043313 "Method for producing a single-mode fiber waveguide".

2. T. Kurnagai, H.Kajioka et all "Development of open-loop fiber optic gyroscopes for industrial and consumer use", SPIE vol. 1795 Fiber Optic and Laser Sensors X (1992), p.p. 74-86. 2. T. Kurnagai, H. Kajioka et all "Development of open-loop fiber optic gyroscopes for industrial and consumer use", SPIE vol. 1795 Fiber Optic and Laser Sensors X (1992), p.p. 74-86.

3. Takuma Y et afl, OFS-88. New Orleans, 1988, p. 476. 3. Takuma Y et afl, OFS-88. New Orleans, 1988, p. 476.

Claims (3)

1. Способ получения одномодового волоконного световода, сохраняющего поляризацию излучения, путем выполнения пазов глубиной 1 - 2 мм на наружной поверхности цилиндрической заготовки, содержащей световедущую жилу и отражающую оболочку, последующего ее помещения в кварцевую трубу, сплавления их, дальнейшего травления пазов до получения сквозных отверстий, отличающийся тем, что световедущая жила выполнена из материала с температурой плавления ниже температуры плавления кварцевого стекла, а отражающая оболочка - из материала с температурой плавления, равной температуре плавления кварцевого стекла. 1. A method of obtaining a single-mode fiber waveguide that preserves the polarization of radiation by making grooves 1 to 2 mm deep on the outer surface of a cylindrical billet containing a light guide core and a reflective sheath, its subsequent placement in a quartz tube, their fusion, further etching of the grooves to obtain through holes characterized in that the light guide core is made of material with a melting point below the melting point of silica glass, and the reflective sheath is made of material with a temperature Melting equal to the melting temperature of quartz glass. 2. Способ получения одномодового волоконного световода по п.1, отличающийся тем, что при изготовлении исходной цилиндрической заготовки формируют дополнительную оболочку из материала с температурой плавления, меньшей по сравнению с температурой плавления кварцевого стекла, и обладающего температурным коэффициентом линейного расширения, превышающим температурный коэффициент линейного расширения кварцевого стекла. 2. The method of producing a single-mode fiber waveguide according to claim 1, characterized in that in the manufacture of the initial cylindrical billet, an additional sheath is formed from a material with a melting point lower than the melting point of silica glass and having a temperature coefficient of linear expansion greater than the temperature coefficient of linear quartz glass expansion. 3. Способ получения одномодового волоконного световода по п.1, отличающийся тем, что при изготовлении исходной цилиндрической заготовки формируют дополнительную оболочку из материала с температурой плавления, близкой к температуре плавления кварцевого стекла, и показателем преломления ниже показателя преломления кварцевого стекла на 3 - 6 • 10-3, а отражающую оболочку формируют из материала с температурным коэффициентом линейного расширения, превышающим температурный коэффициент линейного расширения кварцевого стекла.3. The method for producing a single-mode fiber waveguide according to claim 1, characterized in that in the manufacture of the initial cylindrical billet, an additional cladding is formed from a material with a melting point close to the melting point of silica glass and a refractive index lower by 3-6 • than the refractive index of silica glass 10 -3 , and the reflective shell is formed from a material with a temperature coefficient of linear expansion exceeding the temperature coefficient of linear expansion of quartz glass.
RU98111904/03A 1998-06-22 1998-06-22 Method of manufacturing single-mode fiber-optic light guides retaining emission polarization RU2155166C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98111904/03A RU2155166C2 (en) 1998-06-22 1998-06-22 Method of manufacturing single-mode fiber-optic light guides retaining emission polarization

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98111904/03A RU2155166C2 (en) 1998-06-22 1998-06-22 Method of manufacturing single-mode fiber-optic light guides retaining emission polarization

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU98111904A RU98111904A (en) 2000-05-10
RU2155166C2 true RU2155166C2 (en) 2000-08-27

Family

ID=20207563

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU98111904/03A RU2155166C2 (en) 1998-06-22 1998-06-22 Method of manufacturing single-mode fiber-optic light guides retaining emission polarization

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2155166C2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2552279C1 (en) * 2014-02-25 2015-06-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук Method of producing optical fibre with elliptical core
RU2576686C1 (en) * 2015-03-02 2016-03-10 Михаил Артемьевич Ероньян Mcvd method of making workpieces for single-mode light guides
RU2803758C1 (en) * 2023-03-07 2023-09-19 Артем Викторович Ероньян Method for manufacturing blanks for light guides

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Итоги науки и техники. Серия: Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов, т.2. - М., 1989, с. 22 - 24. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2552279C1 (en) * 2014-02-25 2015-06-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук Method of producing optical fibre with elliptical core
RU2576686C1 (en) * 2015-03-02 2016-03-10 Михаил Артемьевич Ероньян Mcvd method of making workpieces for single-mode light guides
RU2803758C1 (en) * 2023-03-07 2023-09-19 Артем Викторович Ероньян Method for manufacturing blanks for light guides

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2565879C (en) Long wavelength, pure silica core single mode fiber and method of forming the same
EP2388871B1 (en) Multiclad optical fiber, optical fiber module, fiber laser, and fiber amplifier
EP0637762B1 (en) Polarized wave holding optical fiber, production method therefor, connection method therefor, optical amplifier, laser oscillator and polarized wave holding optical fiber coupler
EP0905834B1 (en) Silica-based optical fiber comprising low refractive index intermediate cladding
US4978377A (en) Method of assembling a fiber optic preform from discrete preformed elements
EP0606583B1 (en) Achromatic optical fiber coupler
US4447127A (en) Low loss single mode fiber
CN101164000B (en) Optical fiber fabrication
US7406236B2 (en) Optical fiber and optical fiber coupler, erbium-doped optical fiber amplifier, and optical waveguide using the same
JP2007536580A5 (en)
EP1739464A1 (en) Polarization-maintaining optical fiber and optical fiber gyro
CA1248386A (en) Quadruple-clad optical fiberguide
EP0681196B1 (en) Fiber optic coupler exhibiting low nonadiabatic loss
EP1058137B1 (en) Method of manufacturing polarization-maintaining optical fiber coupler
RU2472188C2 (en) Radiation-proof light guide for fibre-optic gyroscope
RU2155166C2 (en) Method of manufacturing single-mode fiber-optic light guides retaining emission polarization
RU2301782C1 (en) Method of manufacture of the single-mode fiber light guide keeping the polarization of its light emission
US7013678B2 (en) Method of fabricating graded-index optical fiber lenses
RU2627018C1 (en) Radiation-resistant single-mode light guide with large linear birefringence for fiber-optic gyroscope
EP1533634B1 (en) Optical fiber, optical fiber coupler including the same, erbium loaded optical fiber amplifier and light guide
RU2223522C2 (en) Single-mode single-polarization light guide
RU2259576C2 (en) Method of making single-mode fiber light-guide with linear double-refraction
RU2164698C2 (en) Method for producing single-mode optical fiber
RU2062257C1 (en) Workstock for single-mode fibre light guide with maintenance of radiation polarization
RU2250482C1 (en) Polarizing single-mode light guide

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20060623