RU2552279C1

RU2552279C1 - Method of producing optical fibre with elliptical core

Info

Publication number: RU2552279C1
Application number: RU2014107228/03A
Authority: RU
Inventors: Александр Андреевич Маковецкий; Александр Александрович Замятин; Геннадий Анатольевич Иванов; Вячеслав Александрович Аксенов; Евгений Львович Гречко
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2015-06-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: method includes chemical deposition, on the inner surface of a quartz pipe, layers of insulating and reflecting cladding and a fibre-optic core; redrawing the quartz pipe on a drawing apparatus fitted with a high-temperature furnace with azimuthal non-uniform temperature distribution in the walls of the heating element thereof, having two maximum values T_max and two minimum values T_min in two orthogonal directions, wherein 2·(T_max-T_min)/(T_max+T_min)≤0.05-0.10. The process of forming the fibre is carried out with pressure inside the workpiece pipe of 50-500 Pa. The ellipticity is in the range of 1.5-7.0.

EFFECT: simple technique of producing optical fibres by combining collapsing and drawing processes and enabling control of ellipticity of the core.

3 dwg

Description

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к технологии изготовления оптических волокон (ОВ) с высоким двулучепреломлением, сохраняющих поляризацию введенного в них излучения. Данные оптические волокна применяются в волоконно-оптических системах передачи информации, а также в интерферометрических датчиках физических величин. Одним из видов таких волокон являются ОВ, имеющие в поперечном сечении эллиптическую сердцевину и круглые (скругленные) отражательную и изолирующую оболочки, заключенные внутри опорного слоя из кварцевого стекла. Одной из технологий получения одномодовых оптических волокон с высоким двулучепреломлением является технология с использованием абразивной обработки исходной цилиндрической преформы (патент РФ №2155359 "Способ изготовления оптического волокна, сохраняющего плоскость поляризации излучения"). Данная технология включает нанесение методом модифицированного химического парофазового осаждения (MCVD-методом) слоев изолирующей и напрягающей оболочек и сердцевины на внутреннюю поверхность опорной кварцевой трубы, схлопывания трубки с нанесенными слоями в цилиндрическую преформу, абразивную обработку диаметрально противоположных наружных сторон полученной преформы путем нарезания по всей ее длине симметричных канавок, высокотемпературное кругление обработанной преформы на MCVD-станке, приводящее к формированию эллиптической напрягающей оболочки, и перетяжку скругленной преформы в оптическое волокно на вытяжной установке. Способ достаточно сложен, неэкономичен. Здесь присутствуют операции механической обработки преформ, при которых весьма велики потери стекломассы, доходящие до 10-20%.The invention relates to fiber optics, in particular to a technology for the manufacture of optical fibers (OB) with high birefringence, preserving the polarization of the radiation introduced into them. These optical fibers are used in fiber-optic information transmission systems, as well as in interferometric sensors of physical quantities. One of the types of such fibers is OM, having in cross section an elliptical core and round (rounded) reflective and insulating shells enclosed inside a quartz glass support layer. One of the technologies for producing single-mode high birefringent optical fibers is the technology using abrasive processing of the original cylindrical preform (RF patent No. 2155359 "Method for manufacturing an optical fiber preserving the plane of radiation polarization"). This technology includes applying the method of modified chemical vapor deposition (MCVD) of the layers of insulating and tensioning shells and the core to the inner surface of the supporting quartz tube, collapsing the tube with the deposited layers into a cylindrical preform, abrasively machining the diametrically opposite outer sides of the obtained preform by cutting all over it the length of the symmetrical grooves, high-temperature rounding of the machined preform on the MCVD machine, leading to the formation of an elliptical ryagayuschey shell and constriction rounded preform into an optical fiber at the exhaust installation. The method is quite complicated, uneconomical. Here there are mechanical preform processing operations, in which the loss of glass is very large, reaching up to 10-20%.

В патенте US 4184859 "Method of fabricating an elliptical core single mode fiber" описан способ изготовления одномодового оптического волокна с эллиптической сердцевиной, включающий следующие операции: изготовление заготовки на основе трубы из кварцевого стекла, внутри которой методом модифицированного химического парофазного осаждения нанесены слои изолирующей и отражательной оболочек и сердцевины; нагрев на MCVD-станке указанной заготовки с одной ее стороны по всей длине до температуры, достаточной для частичного схлопывания трубки; проведение указанной процедуры частичного схлопывания с противоположной стороны трубки, в результате чего поперечное сечение трубки становится эллиптичным (приплюснутым); полное схлопывание на MCVD-станке приплюснутой заготовки при однородном ее нагреве в цилиндрическую преформу с эллиптичной сердцевиной; вытяжка из полученной преформы оптического волокна с эллиптичной световедущей сердцевиной. Данный способ выбран в качестве прототипа изобретения. Недостатком указанного способа является многоступенчатость схлопывания преформы, что усложняет процесс изготовления волокна.In US patent 4184859 "Method of fabricating an elliptical core single mode fiber" describes a method of manufacturing a single-mode optical fiber with an elliptical core, which includes the following operations: the manufacture of a workpiece based on a quartz glass pipe, inside of which, by the method of modified chemical vapor deposition, layers of insulating and reflective are deposited shells and cores; heating on the MCVD machine of the specified workpiece from one side along the entire length to a temperature sufficient to partially collapse the tube; carrying out the specified procedure of partial collapse on the opposite side of the tube, as a result of which the cross section of the tube becomes elliptical (flattened); complete collapse of the flattened workpiece on the MCVD machine when it is uniformly heated into a cylindrical preform with an elliptical core; an extract from the obtained preform of an optical fiber with an elliptical light guide core. This method is selected as a prototype of the invention. The disadvantage of this method is the multi-stage collapse of the preform, which complicates the manufacturing process of the fiber.

Задача настоящего изобретения состоит в разработке способа изготовления оптических волокон с эллиптической сердцевиной, не использующего процесс схлопывания заготовки с нанесенными слоями на MCVD-станке, но формирующего эллиптическую форму сердцевины непосредственно во время перетяжки несхлопнутой заготовки в волокно на вытяжной установке.The objective of the present invention is to develop a method of manufacturing optical fibers with an elliptical core, not using the process of collapse of the workpiece with the deposited layers on the MCVD machine, but forming an elliptical shape of the core directly during the hauling of the non-collapsed workpiece into the fiber on the exhaust system.

Техническим результатом изобретения является упрощение технологии изготовления ОВ за счет совмещения процессов схлопывания и вытяжки, а также возможность управления эллиптичностью сердцевины вытягиваемого волокна выбором технологических параметров процесса - температуры нагревательного элемента высокотемпературной печи и разрежения внутри трубы-заготовки.The technical result of the invention is to simplify the manufacturing technology of OM by combining the processes of collapse and drawing, as well as the ability to control the ellipticity of the core of the drawn fiber by selecting technological process parameters - temperature of the heating element of the high-temperature furnace and vacuum inside the billet pipe.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления оптического волокна с эллиптической сердцевиной, включающем последовательное нанесение на внутреннюю поверхность цилиндрической кварцевой трубы слоев легированного кварцевого стекла, образующих изолирующую, светоотражающую оболочки и сердцевину, частичное схлопывание полученной заготовки путем нагревания с двух диаметрально противоположных сторон, последующее полное схлопывание полученной заготовки и вытягивание оптического волокна, частичное и полное схлопывание заготовки, а также формирование волокна осуществляется путем помещения заготовки в высокотемпературную (ВТ) печь, в которой у стенок нагревательного элемента азимутальное распределение температуры имеет два максимальных значения Т_max и два минимальных значения Т_min в двух взаимно ортогональных направлениях, при этом 2·(Т_max-Т_min)/(Т_max+Т_min)≤0.05÷0.10, а процесс вытяжки осуществляют с разрежением внутри трубы-заготовки 50÷300 Па.The problem is solved in that in a method for manufacturing an optical fiber with an elliptical core, comprising sequentially depositing on the inner surface of a cylindrical quartz tube layers of doped quartz glass forming an insulating, reflective shell and core, partial collapse of the obtained preform by heating from two diametrically opposite sides, subsequent complete collapse of the obtained preform and stretching of the optical fiber, partial and complete collapse during otovki and fiber formation is carried out by placing the preform in high temperature (HT) oven, in which at the walls of the heating element the azimuthal distribution of the temperature has two maximal values of T _max and two minimum values T _min in two mutually orthogonal directions, with 2 · (T _max -T _min ) / (T _max + T _min ) ≤0.05 ÷ 0.10, and the drawing process is carried out with a vacuum inside the billet pipe 50 ÷ 300 Pa.

Способ осуществляется следующим образом. Методом модифицированного парофазного химического осаждения на внутреннюю поверхность кварцевой трубы наносят концентричные слои изолирующей и отражающей оболочек и световедущей сердцевины, формируя трубу-заготовку. Полученную трубу-заготовку помещают в высокотемпературную печь с неоднородным азимутальным нагревом и создают разрежение внутри трубы-заготовки. За счет неоднородного азимутального нагрева и действия разрежения "луковица" перетягиваемой трубы в ее начальном (верхнем) участке оказывается приплюснутой с двух противоположных сторон, соответствующих наибольшему нагреву "луковицы". В дальнейшем этот участок "луковицы" в центре нагревательной печи, где азимутальная неоднородность температурного поля практически вырождается, трансформируется в оптическое волокно с эллиптической световедущей сердцевиной. Для используемых кварцевых труб-заготовок для создания величины эллиптичности сердцевины (отношения максимального размера эллипса к минимальному) в пределах 2÷3, что обеспечивает необходимцю величину двулучепреломления, необходимо выполнение температурного условия 2·(Т_max-Т_min)/(Т_max+Т_min)≤0.05÷0.10 и создание разрежения внутри трубы-заготовки 50÷500 Па.The method is as follows. Using the method of modified vapor-phase chemical deposition, concentric layers of an insulating and reflecting shell and a light guide core are applied to the inner surface of a quartz tube, forming a billet pipe. The resulting billet pipe is placed in a high-temperature furnace with non-uniform azimuthal heating and a vacuum is created inside the billet pipe. Due to the non-uniform azimuthal heating and the rarefaction effect, the “bulb” of the tube being pulled in its initial (upper) section is flattened from two opposite sides, corresponding to the greatest heating of the “bulb”. Subsequently, this section of the "bulb" in the center of the heating furnace, where the azimuthal heterogeneity of the temperature field practically degenerates, is transformed into an optical fiber with an elliptical light guide core. For the used quartz tubes-blanks to create a core ellipticity value (ratio of the maximum ellipse size to the minimum) within 2 ÷ 3, which provides the required birefringence value, the temperature condition 2 · (Т _max -Т _min ) / (Т _max + Т _min ) ≤0.05 ÷ 0.10 and creating a vacuum inside the billet pipe 50 ÷ 500 Pa.

Ниже приведен конкретный пример реализации способа. На тепломеханическом станке на внутреннюю поверхность вращающейся кварцевой трубы длиной 0.5 м, диаметром 25 мм и толщиной стенки 2.5 мм MCVD-методом наносят слои легированного кварцевого стекла. Сначала наносятся пять слоев технологической (изолирующей) оболочки из чистого кварцевого стекла SiO₂. Затем наносят шесть слоев отражающей оболочки из кварцевого стекла SiO₂, легированного фтором F с концентрацией 4.5 ат.%. Последним наносят слой сердцевины из кварцевого стекла SiO₂, легированного 12 моль.% GeO₂. Затем заготовку помещают в высокотемпературную печь, в которой используют азимутально неоднородный нагревательный элемент корончатого типа с внутренним диаметром 30 мм, толщиной 3.0 мм и высотой 30 мм. У стенок нагревательного элемента азимутальная неоднородность температурного поля составляла 2·(Т_max-Т_min)/(Т_max+Т_min)≈0.078; по мере удаления от стенок к оси нагревательного элемента азимутальная неоднородность температурного поля уменьшалась, практически вырождаясь в его центре. Для создания разрежения внутри трубы-заготовки используется форвакуумный насос, создавалось разрежении ΔP=250 Па. Общая длина "луковицы" составила ≈70 мм. На начальном участке "луковицы" заметны существенная приплюснутость как внешней, так и внутренней ее поверхностей, вызванная действием разрежения и неоднородного нагрева. На расстоянии ≈28 мм от начального сечения "луковицы" произошло схлопывание ее внутренней поверхности под суммарным воздействием разрежения и поверхностного натяжения с формированием эллиптической сердцевины; диаметр схлопнутого сечения составил "луковицы" ≈7.5 мм. К концу "луковицы" сечение ее схлопнутого участка трансформировалось в сечение волокна. Полученную заготовку перетянули в оптическое волокно с внешним диаметром d_в=80 мкм и эллиптичной сердцевиной с размерами осей a/b=7/3 мкм/мкм, с покрытием из УФ-отверждаемого олигоуретанакрилата толщиной 40 мкм. Режимы вытяжки: скорость вытяжки волокна VB=60 м/мин, скорость подачи заготовки V_з=1.8 мм/мин, температура в срединном сечении нагревательного элемента на его оси Т_m≈2010°C. Из заготовки длиной 20 см получено 7.5 км волокна с параметрами: диаметр волокна - 80 мкм, размер главных осей эллипса у сердцевины - 7/3 мкм/мкм, числовая апертура - 0.24, длина биений - 4 мм, параметр сохранения поляризации изучения - ≤5·10^-5 м^-1, потери (1550 нм) - ≤1.5 дБ/км.The following is a specific example of the implementation of the method. Layers of doped silica glass are applied by the MCVD method to the inner surface of a rotating quartz tube with a length of 0.5 m, 25 mm in diameter, and a wall thickness of 2.5 mm using a thermomechanical machine. First, five layers of the technological (insulating) sheath of pure silica glass SiO ₂ are applied. Then, six layers of a reflecting shell of silica glass SiO ₂ doped with fluorine F with a concentration of 4.5 at.% Are applied. The last layer is applied to the core layer of silica glass SiO ₂ doped with 12 mol.% GeO ₂ . Then the preform is placed in a high-temperature furnace, in which an azimuthally heterogeneous castellated heating element with an internal diameter of 30 mm, a thickness of 3.0 mm and a height of 30 mm is used. At the walls of the heating element, the azimuthal inhomogeneity of the temperature field was 2 · (T _max -T _min ) / (T _max + T _min ) ≈0.078; with distance from the walls to the axis of the heating element, the azimuthal inhomogeneity of the temperature field decreased, almost degenerating at its center. To create a vacuum inside the billet pipe, a fore-vacuum pump is used; a vacuum ΔP = 250 Pa was created. The total length of the onion was ≈70 mm. In the initial section of the onion, a substantial flattening of both its external and internal surfaces is noticeable, caused by the action of rarefaction and inhomogeneous heating. At a distance of ≈28 mm from the initial section of the onion, its inner surface collapsed under the combined effect of rarefaction and surface tension with the formation of an elliptical core; the diameter of the collapsed section was “bulbs” ≈7.5 mm. Toward the end of the onion, the cross section of its collapsed portion was transformed into a fiber cross section. The resulting preform was pulled into an optical fiber with an external diameter d of _в = 80 μm and an elliptical core with axis sizes a / b = 7/3 μm / μm, coated with a UV-curable oligourethane acrylate 40 μm thick. Draw modes: fiber draw speed VB = 60 m / min, workpiece feed speed V _s = 1.8 mm / min, temperature in the middle section of the heating element on its axis T _m ≈2010 ° C. From the billet 20 cm long, 7.5 km of fiber was obtained with parameters: fiber diameter - 80 μm, the size of the main axis of the ellipse at the core - 7/3 μm / μm, numerical aperture - 0.24, beat length - 4 mm, study polarization conservation parameter - ≤5 · 10 ^-5 m ^-1 , loss (1550 nm) - ≤1.5 dB / km.

На фиг.1а приведен обмеренный с помощью вольфрам-рениевой термопары осевой температурный профиль Т(x), на фиг 1б - радиальный температурный профиль T(r) и на фиг 1в - азимутальный температурный профиль нагревательного элемента ВТ-печи, использованного в экспериментах. Начало цилиндрической системы координат (x, r, φ) помещено в центр НЭ.Fig. 1a shows the axial temperature profile T (x) measured with a tungsten-rhenium thermocouple, Fig. 1b shows the radial temperature profile T (r) and Fig. 1c shows the azimuthal temperature profile of the heating element of the BT furnace used in the experiments. The origin of the cylindrical coordinate system (x, r, φ) is placed in the center of the NE.

На фиг.2 приведены фотографии двух ортогональных проекций "луковицы", сформированной при перетяжке кварцевой трубы-заготовки в волокно с эллиптической сердцевиной.Figure 2 shows photographs of two orthogonal projections of the "bulb" formed by hauling a quartz tube-blank into a fiber with an elliptical core.

На фиг.3а приведена фотография поперечного сечения ОВ с эллиптической сердцевиной, вытянутого из упомянутой выше трубы-заготовки, на фиг.3б - фотография пятна излучения гелий-неонового лазера на выходе из этого волокна в дальнем поле. На обеих фотографиях видна заметная эллиптичность световедущей сердцевины.Figure 3a shows a photograph of a cross-section of an OB with an elliptical core elongated from the billet pipe mentioned above, and Figure 3b is a photograph of a radiation spot from a helium-neon laser at the exit from this fiber in a far field. In both photographs, a noticeable ellipticity of the light guide core is visible.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать оптические волокна с эллиптической сердцевиной, сохраняющие поляризацию введенного в них излучения.Thus, the proposed method allows to obtain optical fibers with an elliptical core, preserving the polarization of the radiation introduced into them.

Claims

A method of manufacturing an optical fiber with an elliptical core, comprising sequentially depositing layers of doped quartz glass on the inner surface of the support quartz tube forming an insulating, reflective shell and core, partially collapsing the obtained preform by heating from two diametrically opposite sides, subsequent complete collapse of the obtained preform and pulling the optical fiber, characterized in that the partial and complete collapse of the workpiece, and also formed The fibers are carried out by placing the preform in a high-temperature furnace, in which the azimuthal temperature distribution at the walls of the heating element has two maximum values of T _max and two minimum values of T _min in two mutually orthogonal directions, with 2 · (T _max -T _min ) / ( T _max + T _min ) ≤0.05 ÷ 0.10, and the process is carried out with a vacuum inside the billet pipe 50 ÷ 500 Pa.