RU2301782C1

RU2301782C1 - Method of manufacture of the single-mode fiber light guide keeping the polarization of its light emission

Info

Publication number: RU2301782C1
Application number: RU2005133132/03A
Authority: RU
Inventors: Александр Михайлович Курбатов (RU); Александр Михайлович Курбатов
Original assignee: Александр Михайлович Курбатов
Priority date: 2005-10-27
Filing date: 2005-10-27
Publication date: 2007-06-27

Abstract

FIELD: glass industry; methods of manufacture of the single-mode fiber light guide keeping polarization of its light emission.

SUBSTANCE: the invention is pertaining to the field of the fiber optics and may be used in the fiber communication links, and also in the fiber sensors of the physical quantities. The technical problem of the present invention is improvement of the polarization and operational characteristics of the single-mode fiber light guide, and also the increased efficiency of the glass fiber drawing-out. The billet has the cut grooves with the width "h" and the depth d_g, at that h ≤ d_g. At that the through holes which have been formed in the billet after the source billet fiber fusion splicing with the support quartz tubes are used as the guiding holes for the tool making the drilling operations and polishing of the round holes. Then the billet with the inserted load-applying rods before the single-mode fiber light guide drawing-out is redrawn into the billet of the smaller diameter with its simultaneous fusion with the load-applying rods.

EFFECT: the invention ensures improvement of the polarization and operational characteristics of the single-mode fiber light guide, the increased efficiency of the glass fiber drawing-out.

4 dwg

Description

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано в волоконных линиях связи, а также в волоконных датчиках физических величин.The invention relates to the field of fiber optics and can be used in fiber communication lines, as well as in fiber sensors of physical quantities.

Известен способ изготовления одномодового световода с большим линейным двулучепреломлением, сохраняющего линейное состояние поляризации оптического излучения, распространяющегося по световедущей жиле световода [1, 2]. Вначале методом внешнего парофазного осаждения (VAD-метод) изготавливается исходная заготовка диаметром 20 мм, которая в своей центральной части содержит световедущую жилу, затем она "жакетируется" опорными кварцевыми трубами до диаметра 48 мм. Затем по обе стороны от световедущей жилы ультразвуком просверливают два сквозных круглых отверстия так, чтобы их геометрические центры и геометрический центр световедущей жилы располагались на одной прямой линии. После этого в просверленные отверстия вставляют нагружающие стержни, состоящие из кварцевого стекла, легированного окисью бора, и из полученной таким образом заготовки вытягивается одномодовый волоконный световод типа "Панда". При вытяжке из заготовки со вставленными в нее стержнями используют вакуумирование пространства между поверхностью отверстий в заготовке и нагружающими стержнями. Это делается с целью исключения образования пузырьков воздуха на границе поверхности отверстий и поверхности нагружающих стержней при вытяжке из заготовки на установке вытяжки световодов. Недостатком известного способа изготовления световода "Панда" является то, что не удается с достаточной степенью точности обеспечить расположение геометрических центров нагружающих стержней и световедущей жилы на одной прямой линии на большой длине заготовки, из-за чего может увеличиться количество брака волокна.A known method of manufacturing a single-mode fiber with a large linear birefringence, preserving the linear state of polarization of optical radiation propagating through the light guide core of the fiber [1, 2]. Initially, by the method of external vapor-phase deposition (VAD-method), an initial billet with a diameter of 20 mm is made, which in its central part contains a light guide core, then it is "jacketed" by supporting quartz tubes up to a diameter of 48 mm. Then, on both sides of the light guide core, two through circular holes are drilled with ultrasound so that their geometric centers and the geometric center of the light guide core are in a straight line. After that, loading rods, consisting of quartz glass doped with boron oxide, are inserted into the drilled holes, and a single-mode Panda type optical fiber is drawn from the preform thus obtained. When drawing from a workpiece with rods inserted into it, vacuum is used between the surface of the holes in the workpiece and the loading rods. This is done in order to prevent the formation of air bubbles at the boundary of the surface of the holes and the surface of the loading rods when drawing from the workpiece at the installation of extracting optical fibers. A disadvantage of the known method for manufacturing the Panda fiber is that it is not possible to ensure that the geometric centers of the loading rods and the light guide core are located in one straight line over the long length of the workpiece, which may increase the number of fiber rejects.

Известен другой способ изготовления одномодового световода с большим линейным двулучепреломлением, сохраняющего линейное состояние поляризации излучения, типа "Панда" [3]. Вначале изготавливается исходная заготовка для световода, содержащая световедущую жилу, отражающую оболочку и внешнюю защитную кварцевую оболочку. Затем с двух диаметрально противоположных сторон вдоль боковой поверхности по всей длине исходной заготовки прорезаются два паза. После этого заготовку помещают внутрь опорной кварцевой трубы и сплавляют с ней на тепломеханическом станке изготовления заготовок (операция "жакетирования" заготовки). После "жакетирования" заготовки с двух диаметрально противоположных сторон от световедущей жилы за счет прорезанных ранее пазов внутри "жакетированной" заготовки образуются два сквозных отверстия, которые подвергаются травлению в плавиковой кислоте до необходимого диаметра. После этого в растравленные отверстия вставляют нагружающие стержни, состоящие из кварцевого стекла, легированного окисью бора, и из полученной таким образом сборной заготовки на установке вытяжки световодов вытягивается одномодовый световод "Панда" [4]. После вытяжки из заготовки со вставленными в отверстия нагружающими стержнями световод в поперечном сечении содержит световедущую жилу, два нагружающих стержня, располагающихся по обе стороны от нее таким образом, что геометрические центры жилы и нагружающих стержней располагаются на одной прямой линии, внешнюю защитную кварцевую оболочку и полимерное защитно-упрочняющее покрытие. Недостатком известного способа изготовления одномодового световода "Панда" является то, отверстия в заготовке после процесса травления получаются неидеально круговой формы, что приводит к ухудшению поляризационных характеристик световода. Другим недостатком известного способа изготовления световода можно считать слишком длительный процесс растравливания отверстий в заготовке после "жакетирования" исходной заготовки с нарезанными пазами. Стандартная скорость травления кварцевого стекла в плавиковой кислоте HF составляет величину ~0,1 мм/ч, поэтому на травление заготовок в зависимости от состояния раствора и величины диаметра нагружающих стержней тратится от 20 до 40 часов. Еще одним недостатком известного способа изготовления световода является наличие воздушных пузырьков, которые могут образовываться внутри световода при его вытяжке из заготовки со вставленными в нее нагружающими стержнями. Наличие воздушных пузырьков внутри световода приводит к потере прочности световода, а также к ухудшению его поляризационных характеристик.There is another method of manufacturing a single-mode fiber with a large linear birefringence, preserving the linear state of radiation polarization, such as "Panda" [3]. Initially, an initial blank for the fiber is manufactured, containing a light guide core, a reflective sheath and an external protective quartz sheath. Then, from two diametrically opposite sides along the lateral surface, two grooves are cut along the entire length of the initial blank. After that, the workpiece is placed inside the supporting quartz tube and fused with it on a thermomechanical machine for the manufacture of workpieces (operation "jacketing" of the workpiece). After “jacketing” the workpiece from two diametrically opposite sides of the light guide core, through holes previously cut through the “jacketed” workpiece, two through holes are formed that are etched in hydrofluoric acid to the required diameter. After that, loading rods consisting of quartz glass doped with boron oxide are inserted into the etched holes, and the Panda single-mode fiber is pulled from the prefabricated billet thus obtained at the optical fiber extraction unit [4]. After drawing from the preform with the loading rods inserted into the holes, the light guide in cross section contains a light guide core, two loading rods located on both sides of it so that the geometric centers of the core and loading rods are located on one straight line, the outer protective quartz sheath and the polymer protective hardening coating. The disadvantage of this method of manufacturing a single-mode fiber "Panda" is that the holes in the workpiece after the etching process are not ideal circular shape, which leads to a deterioration in the polarization characteristics of the fiber. Another disadvantage of the known method of manufacturing a fiber can be considered too long the process of etching the holes in the workpiece after the "jacketing" of the original workpiece with cut grooves. The standard etching rate of silica glass in HF hydrofluoric acid is ~ 0.1 mm / h; therefore, it takes from 20 to 40 hours to etch blanks depending on the state of the solution and the diameter of the loading rods. Another disadvantage of the known method of manufacturing a fiber is the presence of air bubbles that can form inside the fiber when it is drawn from the workpiece with inserted loading rods. The presence of air bubbles inside the fiber leads to a loss in the strength of the fiber, as well as to a deterioration in its polarization characteristics.

Целью настоящего изобретения является улучшение его поляризационных и эксплуатационных характеристик, а также увеличение производительности вытяжки волокна.The aim of the present invention is to improve its polarization and operational characteristics, as well as to increase the productivity of fiber drawing.

Указанная цель достигается тем, что пазы нарезают шириной h и глубиной d_П, причем h≤d_П, при этом сквозные отверстия, образовавшиеся в заготовке после сплавления исходной заготовки с опорными кварцевыми трубами используют в качестве направляющих отверстий для производящего сверление и полировку круглых отверстий инструмента, после чего заготовку со вставленными нагружающими стержнями перед вытяжкой световода перетягивают в заготовку меньшего диаметра с одновременным сплавлением ее с нагружающими стержнями.This goal is achieved by the fact that the grooves are cut with a width h and a depth d _P , and h≤d _P , while the through holes formed in the workpiece after fusion of the original workpiece with supporting quartz tubes are used as guide holes for drilling and polishing round holes of the tool after which the preform with inserted loading rods before drawing the fiber is pulled into the preform of a smaller diameter while fusing it with the loading rods.

Улучшение поляризационных характеристик световода достигается за счет идеальной круглой формы нагружающих зон, образующихся по обе стороны от световедущей жилы в световоде. Круговая форма нагружающих зон достигается за счет того, что полукруглые пазы в исходной заготовке нарезаются одинаковой ширины и глубины, а также за счет сверления сквозных отверстий. Улучшение поляризационных характеристик достигается также и за счет того, что по всей длине световода удается обеспечить нахождение на одной прямой линии геометрических центров световедущей жилы и нагружающих зон. Это достигается за счет того, что сквозные отверстия, образованные пазами после сплавления исходной заготовки с опорной кварцевой трубой, используются как направляющие отверстия для инструмента, производящего сверление и полировку отверстий в заготовке необходимого диаметра. Улучшение эксплуатационных характеристик световода достигается за счет увеличения прочностных характеристик световода. Прочность световода увеличивается за счет исключения воздушных пузырьков внутри световода, которые образовываются на границе сплавления нагружающих стержней со стенками отверстий в заготовке при вытяжке световода на установке вытяжки световодов. Операция предварительного сплавления заготовки с нагружающими стержнями на тепломеханическом станке изготовления заготовок с одновременным перетягиванием заготовки в заготовку меньшего диаметра позволяет избежать образования воздушных пузырьков внутри заготовки. Увеличение производительности вытяжки волокна достигается за счет увеличения длины заготовки. С помощью сверления отверстий по направляющим отверстиям, которые образованы пазами при сплавлении исходной заготовки с опорной кварцевой трубой, удается обеспечить необходимую точность расположения на одной прямой линии геометрических центров световедущей жилы и нагружающих стержней на большой длине заготовки. При сверлении без направляющих отверстий длина заготовки для вытяжки световода с нужными характеристиками значительно меньше.The improvement of the polarization characteristics of the fiber is achieved due to the perfect round shape of the loading zones formed on both sides of the light guide core in the fiber. The circular shape of the loading zones is achieved due to the fact that the semicircular grooves in the original workpiece are cut of the same width and depth, as well as by drilling through holes. The improvement of polarization characteristics is also achieved due to the fact that along the entire length of the fiber it is possible to ensure that the geometric centers of the light guide conductor and loading zones are located on one straight line. This is achieved due to the fact that the through holes formed by the grooves after fusion of the initial billet with the supporting quartz tube are used as guide holes for the tool, drilling and polishing holes in the billet of the required diameter. Improving the operational characteristics of the fiber is achieved by increasing the strength characteristics of the fiber. The strength of the fiber increases due to the exclusion of air bubbles inside the fiber, which are formed at the boundary of the fusion of the loading rods with the walls of the holes in the billet during the drawing of the fiber at the installation of the extraction of optical fibers. The operation of pre-fusion of the workpiece with the loading rods on a thermomechanical machine for the manufacture of workpieces while dragging the workpiece into a workpiece of a smaller diameter avoids the formation of air bubbles inside the workpiece. An increase in fiber drawing performance is achieved by increasing the length of the preform. By drilling holes along the guide holes that are formed by the grooves during fusion of the initial billet with a supporting quartz tube, it is possible to ensure the necessary accuracy of the location of the geometric centers of the light guide core and the loading rods along the long length of the workpiece on one straight line. When drilling without guide holes, the length of the workpiece for drawing a fiber with the desired characteristics is much shorter.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг.1 показан процесс формирования заготовки со сквозными отверстиями вдоль всей длины заготовки. На Фиг.2 показан принцип рассверливания отверстий в заготовке. На Фиг.3 показан процесс сплавления заготовки с нагружающими стержнями с одновременным ее перетягиванием в заготовку меньшего диаметра. На Фиг.4 показан общий вид поперечного сечения заготовки и вытянутого из нее световода «Панда».The invention is illustrated by drawings. Figure 1 shows the process of forming a workpiece with through holes along the entire length of the workpiece. Figure 2 shows the principle of drilling holes in the workpiece. Figure 3 shows the fusion process of the workpiece with the loading rods with its simultaneous pulling into the workpiece of a smaller diameter. Figure 4 shows a General view of the cross section of the workpiece and the Panda fiber extended from it.

Одномодовый волоконный световод, сохраняющий состояние линейной поляризации, типа "Панда" изготавливается следующим образом. Вначале изготавливается исходная заготовка 1 (Фиг.1), содержащая световедущую жилу 2 и внешнюю защитную кварцевую оболочку 3. Световедущая жила обычно состоит из кварцевого стекла, легированного германием. Внешний слой кварцевой оболочки образован опорной кварцевой трубой, а внутренний слой формируется за счет осаждения на внутреннюю поверхность опорной кварцевой трубы (MCVD-метод) чистого кварцевого стекла. Для снижения потерь оптической мощности излучения, распространяющегося по световедущей жиле, вокруг световедущей жилы может наносится дополнительная оболочка, имеющая меньшую чем чистое кварцевое стекло температуру плавления [5], но с показателем преломления, равным показателю преломления чистого кварцевого стекла. Затем с двух диаметрально противоположных сторон в исходной заготовке алмазным кругом на плоскошлифовальном станке прорезаются, например, два полукруглых паза 4 шириной h и глубиной d_П, в результате получается заготовка 5. После этого заготовка с прорезанными в ней пазами помещается внутрь опорной кварцевой трубы 6 и сплавляется с ней на тепломеханическом станке изготовления заготовок, в результате получается заготовка 7, в которой после сплавления исходной заготовки с опорной кварцевой трубой образовались два сквозных отверстия 8. При последующем растравливании сквозных отверстий в травильном растворе до необходимого диаметра очень трудно получить отверстия под нагружающие стержни круговой формы. Поэтому в данной ситуации целесообразно использовать сверление отверстий с целью получения сквозных отверстий идеальной круговой формы. Сверление отверстий можно, например, выполнить с помощью алмазного инструмента 9 (Фиг.2), имеющего на одном из своих концов конусообразный участок 10. Алмазный инструмент своим конусообразным участком вставляется в сквозное отверстие в заготовке, занимая положение показанное пунктирной линией 11, и далее производится рассверливание отверстий, используя при этом первичные сквозные отверстия как направляющие, в результате сверления в заготовке 12 получаются отверстия 13 идеальной круглой формы. Условие h≤d_П необходимо для того, чтобы при рассверливании отверстий автоматически обеспечивалась одинаковость расстояний круглых отверстий до световедущей жилы, что является обязательным условием получения высоких поляризационных характеристик световода. Геометрические центры сквозных отверстий, получающиеся после сплавления исходной заготовки с пазами, должны лежать на одной прямой линии с геометрическим центром световедущей жилы. Этого можно с высокой степенью точности добиться при нарезании на плоскошлифовальном станке пазов практически на любой длине заготовки, что в результате позволяет получить в конечном счете высокоточное сверление отверстий на большой длине заготовки.A single-mode fiber waveguide preserving the state of linear polarization, such as "Panda" is made as follows. Initially, an initial blank 1 is made (FIG. 1), comprising a light guide core 2 and an external protective quartz shell 3. The light guide core usually consists of quartz glass doped with germanium. The outer layer of the quartz shell is formed by a supporting quartz tube, and the inner layer is formed by deposition of pure quartz glass on the inner surface of the supporting quartz tube (MCVD method). To reduce the loss of optical power of the radiation propagating through the light guide, an additional shell may be applied around the light guide, having a melting point lower than pure quartz glass [5], but with a refractive index equal to that of pure quartz glass. Then, for example, two semicircular grooves 4 of width h and depth d _{P are} cut from two diametrically opposite sides in the initial blank with a diamond wheel on a surface grinding machine, resulting in blank 5. After this, the blank with the grooves cut through it is placed inside the supporting quartz tube 6 and it is fused with it on a thermomechanical machine for the manufacture of billets, the result is a billet 7, in which, after fusion of the initial billet with a supporting quartz tube, two through holes 8 are formed. subsequent etching through holes in the etching solution to the required diameter is very difficult to obtain holes for the loading rods of a circular shape. Therefore, in this situation, it is advisable to use hole drilling in order to obtain through holes of an ideal circular shape. Drilling holes can, for example, be performed using a diamond tool 9 (Figure 2), having a conical section 10 at one of its ends. The diamond tool is inserted into the through hole in the workpiece with its conical section, occupying the position shown by the dashed line 11, and then produced drilling holes, using the primary through holes as guides, as a result of drilling in the workpiece 12, holes 13 of an ideal round shape are obtained. The condition h≤d _{P is} necessary so that when drilling holes the same distance of round holes to the light guide core is automatically ensured, which is a prerequisite for obtaining high polarization characteristics of the fiber. The geometric centers of the through holes resulting from the fusion of the initial workpiece with the grooves should lie in a straight line with the geometric center of the light guide core. This can be achieved with a high degree of accuracy when cutting grooves on virtually any length of a workpiece by a surface grinding machine, which ultimately results in high-precision drilling of holes over a long workpiece length.

После рассверливания и полировки отверстий в них вставляются нагружающие стержни 14 (Фиг.3). В качестве нагружающих стержней обычно используются стержни, состоящие из кварцевого стекла, легированного бором. Затем заготовка со вставленными в нее нагружающими стержнями помещается на тепломеханический станок изготовления заготовок и подвергается разогреву с помощью газовой горелки 15 (Фиг.3), при этом правый конец заготовки с помощью специального механизма перемещается вправо со скоростью V₁, а сама газовая горелка перемещается влево со скоростью V₂. С помощью подбора температуры разогрева заготовки со вставленными в нее стержнями и величин скоростей V₁ и V₂ можно обеспечить перетягивание заготовки со вставленными в нее стержнями в заготовку меньшего диаметра 16 с одновременным сплавлением заготовки с нагружающими стержнями, в результате этой операции мы получаем монолитный кварцевый стержень. При перетягивании и сплавлении с нагружающими стержнями заготовки возможен подбор таких режимов перетягивания, при которых удается избежать образования воздушных пузырьков на границе сплавления нагружающих стержней с заготовкой.After drilling and polishing the holes, the loading rods 14 are inserted into them (Figure 3). As loading rods, rods consisting of quartz glass doped with boron are usually used. Then the workpiece with inserted loading rods is placed on a thermomechanical machine for the manufacture of workpieces and is heated using a gas burner 15 (Figure 3), while the right end of the workpiece using a special mechanism moves to the right at a speed of V ₁ , and the gas burner moves to the left with a speed of V ₂ . By selecting the heating temperature of the workpiece with the rods inserted into it and the velocities V ₁ and V _2, it is possible to pull the workpiece with the rods inserted into it into a workpiece of smaller diameter 16 while fusing the workpiece with loading rods, as a result of this operation we obtain a monolithic quartz rod . When pulling and alloying with the loading rods of the workpiece, it is possible to select such modes of pulling, in which it is possible to avoid the formation of air bubbles at the interface of the fusion of the loading rods with the workpiece.

Поперечное сечение перетянутой заготовки содержит нагружающие зоны 17 (Фиг.4) и световедущую жилу 18. Из полученной таким образом заготовки затем на установке вытяжки световодов вытягивается одномодовый волоконный световод "Панда" 19, который защищен полимерным защитно-упрочняющим покрытием 20.The cross section of the tightened preform contains loading zones 17 (Fig. 4) and a light guide core 18. From the preform thus obtained, then, at the fiber optic hood installation, a single-mode fiber optic Panda 19 is pulled, which is protected by a polymer protective and reinforcing coating 20.

ЛитератураLiterature

[1] Yutaka SASAKI "Long-Length Low-Loss Polarization-Maintaining Fibers" Journal of Lightwave technology, vol.LT-5, №9, September, 1987.[1] Yutaka SASAKI "Long-Length Low-Loss Polarization-Maintaining Fibers" Journal of Lightwave technology, vol. LT-5, No. 9, September, 1987.

[2] Y.Sasaki, K.Tajima, and S.Seikai "26-km-long polarization-maintaining optical fiber" Electron. Lett., vol.23, pp.127-128, 1987.[2] Y.Sasaki, K. Tajima, and S. Seikai "26-km-long polarization-maintaining optical fiber" Electron. Lett., Vol. 23, pp. 127-128, 1987.

[3] A.M.Курбатов и др. Способ получения одномодового волоконного световода. Патент РФ №2043313, приоритет изобретения 25.07.1986 г.[3] A.M. Kurbatov et al. A method for producing a single-mode fiber waveguide. RF patent No. 2043313, priority of the invention 07/25/1986

[4] A.M.Курбатов Способ получения одномодового волоконного световода. Патент РФ №2164698, дата приоритета 20.11.1998 г.[4] A.M. Kurbatov A method for producing a single-mode fiber waveguide. RF patent No. 2164698, priority date 11/20/1998

[5] A.M.Курбатов и др. Заготовка для одномодового волоконного световода, сохраняющего поляризацию излучения. Патент РФ №2062257, дата приоритета 09.04.1990 г.[5] A.M. Kurbatov et al. Procurement for a single-mode fiber waveguide preserving the polarization of radiation. RF patent No. 2062257, priority date 04/09/1990

Claims

A method of manufacturing a single-mode fiber with linear birefringence with circular loading zones, which consists of cutting two grooves from two diametrically opposite sides in the initial preform for a single-mode optical fiber, fusing the initial preform with grooves with supporting quartz tubes, placing internal alloyed quartz rods in the openings, vacuuming air cavities in the workpiece, fusion of the workpiece with loading rods and extraction from the obtained workpiece fiber, excellent schiysya in that the grooves cut into a width d and a depth h _n, wherein _n h≤d, wherein the through holes formed in the workpiece after the initial fusing the preform to the reference quartz tubes used as guide holes for drilling and producing polishing tool round holes, then the preform with inserted loading rods before drawing the fiber is pulled into the preform of a smaller diameter while fusing it with the loading rods.