RU2627018C1 - Radiation-resistant single-mode light guide with large linear birefringence for fiber-optic gyroscope - Google Patents
Radiation-resistant single-mode light guide with large linear birefringence for fiber-optic gyroscope Download PDFInfo
- Publication number
- RU2627018C1 RU2627018C1 RU2016129256A RU2016129256A RU2627018C1 RU 2627018 C1 RU2627018 C1 RU 2627018C1 RU 2016129256 A RU2016129256 A RU 2016129256A RU 2016129256 A RU2016129256 A RU 2016129256A RU 2627018 C1 RU2627018 C1 RU 2627018C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fiber
- light guide
- radiation
- refractive index
- quartz glass
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
Abstract
Description
Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано в волоконно-оптических гироскопах и других датчиках физических величин, а также в волоконных линиях связи и мощных волоконных технологических лазерах.The invention relates to the field of fiber optics and can be used in fiber optic gyroscopes and other sensors of physical quantities, as well as in fiber communication lines and powerful fiber technological lasers.
Известна конструкция одномодового волоконного световода [1] с большим линейным двулучепреломлением типа "Панда", которая используется при изготовлении волоконно-оптических гироскопов. Световод содержит световедущую жилу, отражающую оболочку и внешнюю защитную оболочку, состоящую из нелегированного кварцевого стекла. Отражающая оболочка состоит из легированного кварцевого стекла и имеет показатель преломления равный показателю преломления чистого кварцевого стекла, из которого состоит внешняя защитная оболочка. Для формирования отражающей оболочки обычно используется кварцевое стекло, легированное окисью фосфора и окисью фтора, которые понижают температуру плавления кварцевого стекла, но при их определенном соотношении обеспечивается показатель преломления легированного кварцевого стекла отражающей оболочки равный показателю преломления чистого кварцевого стекла внешней защитной оболочки. Световедущая жила изготавливается из кварцевого стекла, легированного окисью германия (германатное волокно) или из кварцевого стекла, легированного окисью фосфора (фосфатное волокно). Добавка окиси германия или фосфора повышает показатель преломления кварцевого стекла и понижает температуру его плавления. Температура плавления материала световедущей жилы и температура плавления материала отражающей оболочки обеспечиваются практически одинаковыми. Светотовод содержит также два нагружающих стержня круговой формы, которые располагаются симметрично по обе стороны от световедущей жилы и состоят из легированного кварцевого стекла с коэффициентом теплового расширения, превышающим коэффициенты теплового расширения материалов световедущей жилы, отражающей оболочки и внешней защитной оболочки. Вместо нагружающих стержней круговой формы могут также использоваться нагружающие зоны эллиптической формы [2] или с любой другой конфигурацией, например, в виде галстука-бабочки [3], которая создает в световедущей жиле регулярные механические напряжения в одном из двух перпендикулярных направлений в поперечном сечении световода. При регулярных механических напряжениях в световедущей жиле световода, которые наводятся нагружающими зонами, в ней возникает двулучепреломление [1], за счет которого световод приобретает способность сохранять состояние линейной поляризации канализируемого оптического излучения при возбуждении ее по одной из осей двулучепреломления. Обычно нагружающие зоны формируют из кварцевого стекла, легированного окисью бора, которая значительно увеличивает коэффициент теплового расширения кварцевого стекла, а также понижает его показатель преломления. Световод содержит также защитно-упрочняющее покрытие, состоящее, как правило, из полимерного материала типа уретан-акрилата. Легирование кварцевого стекла окисью германия или окисью фосфора приводит к тому, что в световоде возрастает коэффициент затухания оптического излучения при его распространении в световедущей жиле при воздействии на него радиационного облучения. Это приводит к потере работоспособности волоконно-оптического гироскопа при его работе, например, в открытом космосе. Коэффициент затухания в световоде при воздействии радиации возрастает при увеличении легирования световедущей жилы окисью германия или фосфора. Содержание фосфора в световедущей жиле при воздействии радиационного облучения приводит к более сильному затуханию излучения по сравнению с легированием световедущей жилы окисью германия. Поэтому фосфатные волокна не могут рассматриваться в качестве радиационно-стойких световодов. Для повышения радиационной стойкости необходимо стремиться к уменьшению доли германия в световедущей жиле. Для использования световодов типа «Панда» в волоконно-оптических гироскопах необходимо обеспечить размер пятна основной моды световода (MFD) на уровне 6-8 мкм для того, чтобы максимально уменьшить потери оптического излучения при стыковке световодов с канальными волноводами фазовых модуляторов интегрально-оптических схем, входящих в состав кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа. Для обеспечения малого размера MFD основной моды световода необходимо достаточно большое содержание германия в световедущей жиле, что в свою очередь приводит к значительной потере его радиационной стойкости. Для повышения радиационной стойкости германатных волокон необходимо стремиться к снижению содержания германия в световедущей жиле. Прирост потерь в германатных волокнах можно определить из следующего соотношенияThe known design of a single-mode fiber [1] with a large linear birefringence type "Panda", which is used in the manufacture of fiber optic gyroscopes. The light guide contains a light guide core, a reflective sheath and an outer protective sheath consisting of undoped quartz glass. The reflective shell consists of doped quartz glass and has a refractive index equal to the refractive index of pure quartz glass, of which the outer protective shell consists. To form a reflective shell, quartz glass doped with phosphorus oxide and fluorine oxide is usually used, which lower the melting point of the quartz glass, but at a certain ratio, the refractive index of the doped quartz glass of the reflective shell is equal to the refractive index of pure quartz glass of the outer protective shell. Light conductor is made of quartz glass doped with germanium oxide (germanate fiber) or from quartz glass doped with phosphorus oxide (phosphate fiber). The addition of germanium oxide or phosphorus increases the refractive index of silica glass and lowers its melting point. The melting temperature of the material of the light guide core and the melting temperature of the material of the reflective shell are provided almost the same. The light guide also contains two circular loading rods, which are located symmetrically on both sides of the light guide core and consist of doped quartz glass with a thermal expansion coefficient exceeding the thermal expansion coefficients of the light guide core, reflective sheath, and external protective sheath. Instead of circular loading rods, elliptical loading zones [2] or with any other configuration, for example, in the form of a bow tie [3], which creates regular stresses in the light guide in one of two perpendicular directions in the fiber cross section, can also be used . At regular mechanical stresses in the light guide conductor of the fiber, which are induced by the loading zones, birefringence arises in it [1], due to which the fiber acquires the ability to maintain the state of linear polarization of the channeled optical radiation when it is excited along one of the birefringence axes. Typically, the loading zones are formed from quartz glass doped with boron oxide, which significantly increases the thermal expansion coefficient of quartz glass and also lowers its refractive index. The light guide also contains a protective hardening coating, consisting, as a rule, of a polymeric material such as urethane-acrylate. Doping quartz glass with germanium oxide or phosphorus oxide leads to an increase in the attenuation coefficient of optical radiation in a fiber as it propagates in a light guide core when exposed to radiation. This leads to a loss of operability of the fiber-optic gyroscope during its operation, for example, in open space. The attenuation coefficient in a fiber under the influence of radiation increases with increasing doping of the light guide core with germanium or phosphorus oxide. The phosphorus content in the light guide conductor when exposed to radiation leads to a stronger attenuation of radiation compared with the doping of the light guide conductor with germanium oxide. Therefore, phosphate fibers cannot be considered as radiation-resistant fibers. To increase radiation resistance, it is necessary to strive to reduce the proportion of germanium in the light guide conductor. To use Panda-type optical fibers in fiber-optic gyroscopes, it is necessary to provide a spot size of the main optical fiber mode (MFD) of 6-8 μm in order to minimize the loss of optical radiation when the optical fibers are connected to channel waveguides of phase modulators of integrated optical circuits, included in the composition of the ring interferometer fiber optic gyroscope. To ensure the small size of the MFD of the main fiber mode, a sufficiently high germanium content in the light guide conductor is required, which in turn leads to a significant loss of its radiation resistance. To increase the radiation resistance of germanate fibers, it is necessary to strive to reduce the germanium content in the light guide conductor. The increase in losses in germanate fibers can be determined from the following ratio
α=48,4×(D)0,53×(Δn)0,4 (дБ/км),α = 48.4 × (D) 0.53 × (Δn) 0.4 (dB / km),
где D - доза жесткого радиационного облучения в кГр., Δn - разность показателей преломления материалов световедущей жилы и отражающей оболочки световода. Помимо возрастания потерь при радиационном облучении в германатном световоде, сохраняющем поляризацию излучения, возникают дополнительные потери из-за нагружающих зон, создающих в световедущей жиле двулучепреломление. Дело в том, что в световоде у которого показатель преломления материала отражающей оболочки равен показателю преломления внешней защитной кварцевой оболочки излучение концентрируется не полностью в световедущей жиле и канализируемое излучение частично выходит за пределы световедущей жилы и распостраняется вне ее. Иными словами, размер диаметра основной моды световода превышает диаметр световедущей жилы. Диаметр световедущей жилы 2ρ и диаметр пятна основной моды (MFD) по уровню 1/е2 можно определить из следующих соотношенийwhere D is the dose of hard radiation in kGy., Δn is the difference in the refractive indices of the materials of the light guide core and the reflective sheath of the fiber. In addition to the increase in losses due to radiation in a germanate fiber, which preserves the polarization of radiation, additional losses arise due to loading zones, which create birefringence in the light guide core. The fact is that in a fiber with a refractive index of the material of the reflecting cladding equal to the refractive index of the outer protective quartz cladding, the radiation is not concentrated completely in the light guide conductor and the canalized radiation partially extends beyond the light guide conductor and extends outside it. In other words, the diameter of the main fiber mode exceeds the diameter of the light guide core. The diameter of the light guide core 2ρ and the spot diameter of the main mode (MFD) from the
2ρ=Vсλ/π(2,92×Δn)1/2 2ρ = V with λ / π (2.92 × Δn) 1/2
MFD=2ρ×[0,65+1,619 Vc -3/2],MFD = 2ρ × [0.65 + 1.619 V s -3/2 ],
где Vc - нормализованная частота германатного световода;where V c is the normalized frequency of the germanate fiber;
λ - рабочая длина волны излучения источникаλ is the working wavelength of the radiation source
Для обеспечения необходимой точности волоконно-оптического гироскопа в световоде его чувствительной катушки должна осуществляться эффективная фильтрация высших мод, в противном случае интерференция высших мод значительно снижает стабильность разности фаз в кольцевом интерферометре гироскопа, а это в свою очередь значительно снижает его точность. Для эффективной фильтрации высших мод нормализованная частота должна удовлетворять соотношению Vc≤2,6, исходя из этого диаметр пятна основной рабочей моды MFD всегда больше диаметра световедущей жилы германатного световода и поэтому часть канализируемого оптического излучения распространяется в отражающей оболочке и нагружающих зонах.To ensure the necessary accuracy of the fiber-optic gyroscope, the higher modes must be effectively filtered in the fiber of its sensitive coil; otherwise, higher-mode interference significantly reduces the stability of the phase difference in the ring gyroscope interferometer, and this in turn significantly reduces its accuracy. For effective filtering of higher modes, the normalized frequency must satisfy the ratio V c ≤2.6, based on this, the spot diameter of the main working mode MFD is always larger than the diameter of the light guide core of the germanate fiber and therefore part of the channeled optical radiation propagates in the reflective sheath and loading zones.
Для получения максимальной величины двулучепреломления в световедущей жиле, которая обеспечивает малый коэффициент межмодовой поляризационной связи (малый h - параметр), необходимо располагать нагружающие зоны как можно ближе к световедущей жиле. Расстояние нагружающих зон до световедущей жилы составляет обычно порядка одного диаметра световедущей жилы и поэтому излучение частично распространяется по нагружающим зонам. Это приводит к возрастанию потерь оптического излучения в световодах с большим двулучепреломлением из-за дополнительных потерь при распространении части излучения по нагружающим зонам. При воздействии на световод радиационного облучения неизбежно возникают дополнительные потери излучения, так как кварцевое стекло, легированное окисью бора имеет большие потери излучения при воздействии на него радиации.To obtain the maximum birefringence in the light guide conductor, which provides a small coefficient of intermode polarization coupling (small h is the parameter), it is necessary to arrange the loading zones as close as possible to the light guide conductor. The distance of the loading zones to the light guide conductor is usually of the order of the same diameter of the light guide conductor and therefore the radiation partially propagates through the loading zones. This leads to an increase in the loss of optical radiation in fibers with large birefringence due to additional losses during the propagation of part of the radiation along the loading zones. When radiation is exposed to a fiber, additional radiation losses will inevitably occur, since silica glass doped with boron oxide has large radiation losses when exposed to radiation.
Для повышения радиационной стойкости световода при формировании его световедущей жилы в качестве легирующей добавки используется окись азота, которая как и окись германия повышает показатель преломления кварцевого стекла [4]. Дополнительные потери оптического излучения в азотных световодах можно определить из следующего соотношенияTo increase the radiation resistance of the fiber when forming its light guide, nitric oxide is used as an alloying agent, which, like germanium oxide, increases the refractive index of silica glass [4]. Additional losses of optical radiation in nitrogen fibers can be determined from the following relation
α=[0,44+11.25 Δn]×(D)0,53 (дБ/км).α = [0.44 + 11.25 Δn] × (D) 0.53 (dB / km).
Как можно видеть из приведенного соотношения для прироста потерь оптического излучения его величина значительно меньше, чем в германатных световодах и зависит от концентрации азота в световедущей жиле (концентрация азота определяет величину Δn). Для прироста потерь в световодах с беспримесной световедущей жилой, то есть со световедущей жилой, состоящей из чистого кварцевого стекла справедливо следующее соотношениеAs can be seen from the above relation, for the increase in losses of optical radiation, its value is much smaller than in germanate fibers and depends on the concentration of nitrogen in the light guide (nitrogen concentration determines the value Δn). For the increase in losses in optical fibers with an unalloyed light guide conductor, that is, with a light guide conductor consisting of pure quartz glass, the following relation is valid
α=0,44×(D)0,53 (дБ/км).α = 0.44 × (D) 0.53 (dB / km).
Как видно из приведенного соотношения, прирост потерь в световоде с кварцевой световедущей жилой все-таки несколько меньше, чем в световодах с азотной световедущей жилой. Таким образом, имеется некоторая зависимость прироста потерь излучения при воздействии радиационного облучения на световоды с азотнотной световедущей жилой от концентрации азота в ней.As can be seen from the above relation, the increase in losses in a fiber with a quartz light guide is still somewhat less than in fibers with a nitrogen light guide. Thus, there is some dependence of the increase in radiation losses upon exposure to fibers with a nitric light guide conductor on the concentration of nitrogen in it.
Но использование окиси азота в качестве легирующей добавки в световоде приводит также и к повышенным потерям излучения при распространении в световедущей жиле на длине волны излучения 1505 нм. В высокоточных волоконно-оптических гироскопах, как правило, используются эрбиевые волоконные суперлюминесцентные источники, излучающие широкополосное излучение с центральной длиной волны излучения в районе 1540 нм. Таким образом, повышенные потери оптического излучения в азотных волокнах на длине волны излучения 1505 нм. приводят как к искажению спектра излучения источника, так и к ослаблению полезного сигнала волоконно-оптического гироскопа. Искажение спектра излучения приводит к нестабильности масштабного коэффициента гироскопа, а ослабление амплитуды полезного сигнала к возрастанию шумов и к нестабильности его нулевого сигнала. Для устранения искажений спектра излучения источника излучения волоконно-оптического гироскопа и уменьшения потерь оптического излучения необходимо стремиться к снижению содержания азота в световедущей жиле световода. В азотных световодах с большим линейным двулучепреломлением возникают также дополнительные потери из-за частичного распространения излучения по нагружающим зонам, создающих механические напряжения в световедущей жиле световода.But the use of nitric oxide as a dopant in the fiber also leads to increased radiation losses when propagating in the light guide at a radiation wavelength of 1505 nm. In high-precision fiber-optic gyroscopes, as a rule, erbium fiber superluminescent sources are used that emit broadband radiation with a central radiation wavelength in the region of 1540 nm. Thus, the increased loss of optical radiation in nitrogen fibers at a radiation wavelength of 1505 nm. lead to both a distortion of the radiation spectrum of the source and a weakening of the useful signal of the fiber-optic gyroscope. The distortion of the radiation spectrum leads to instability of the scale factor of the gyroscope, and the weakening of the amplitude of the useful signal leads to an increase in noise and to the instability of its zero signal. To eliminate the distortion of the radiation spectrum of the radiation source of the fiber-optic gyroscope and reduce the loss of optical radiation, it is necessary to strive to reduce the nitrogen content in the light guide core of the fiber. In nitrogen fibers with high linear birefringence, additional losses also occur due to the partial propagation of radiation through the loading zones, which create mechanical stresses in the light guide core of the fiber.
Целью настоящего изобретения является повышение точности волоконно-оптического гироскопа в условиях воздействии радиационного облучения.The aim of the present invention is to improve the accuracy of a fiber optic gyroscope under conditions of exposure to radiation.
Указанная цель достигается тем, что отражающую оболочку световода формируют из кварцевого стекла с пониженным показателем преломления относительно показателя преломления кварцевого стекла защитной оболочки, равного показателю преломления нагружающих зон с точностью ±2×10-3, при этом обеспечивают 1,3≤τ/ρ≤4,6, где τ - радиус отражающей оболочки, а ρ - радиус световедущей жилы.This goal is achieved by the fact that the reflective cladding of the fiber is formed from quartz glass with a reduced refractive index relative to the refractive index of the quartz glass of the protective shell equal to the refractive index of the loading zones with an accuracy of ± 2 × 10 -3 , while providing 1.3≤τ / ρ≤ 4.6, where τ is the radius of the reflective sheath, and ρ is the radius of the light guide core.
Повышение точности волоконно-оптического гироскопа достигается за счет повышения радиационной стойкости световода его чувствительной катушки. Повышение радиационной стойкости световодов достигается за счет снижения концентрации легирующих добавок в кварцевое стекло при формировании его световедущей жилы, а также за счет более «плотной упаковки» оптического излучения в световедущей жиле (диаметр пятна основной моды излучения MFD меньше диаметра световедущей жилы). Уменьшение концентрации легирующих добавок в световедущую жилу и более «плотная упаковка» излучения в световедущей жиле достигается за счет изменения показателя преломления материала отражающей оболочки.Improving the accuracy of a fiber-optic gyroscope is achieved by increasing the radiation resistance of the fiber of its sensitive coil. An increase in the radiation resistance of optical fibers is achieved by reducing the concentration of dopants in the quartz glass during the formation of its light guide core, as well as through a more “dense packing” of optical radiation in the light guide core (the diameter of the spot of the main radiation mode MFD is smaller than the diameter of the light guide core). A decrease in the concentration of alloying additives in the light guide conductor and a more “tight packing” of radiation in the light guide conductor is achieved by changing the refractive index of the material of the reflective sheath.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг. 1 показан одномодовый волоконный световод со скомпенсированным профилем показателя преломления. На Фиг. 2 приведены графики роста потерь оптического излучения при воздействии радиационного облучения в световодах с различными легирующими добавками. На Фиг. 3 показаны конструкции поперечного сечения одномодовых световодов с большим линейным двулучепреломлением. На Фиг. 4 показана конструкция поперечного сечения радиационно-стойкого одномодового световода с большим линейным двулучепреломлением для волоконно-оптического гироскопа. На Фиг. 5 показано распределение показателя преломления в поперечном сечении световода типа «Панда» по линии, соединяющей геометрические центры нагружающих стержней. На Фиг. 6 приведены спектральные потери излучения в световоде с азотной световедущей жилой в отрезках световода длиной 1 м (график 1) и 1000 м (график 2), вертикальная линия 3 соответствует рабочей центральной длине волны излучения источника гироскопа 1540 нм.The invention is illustrated by drawings. In FIG. 1 shows a single-mode fiber waveguide with a compensated refractive index profile. In FIG. Figure 2 shows graphs of the growth of optical radiation losses due to radiation exposure in optical fibers with various dopants. In FIG. Figure 3 shows the cross-sectional designs of single-mode optical fibers with large linear birefringence. In FIG. 4 shows a cross-sectional design of a radiation-resistant single-mode fiber with a large linear birefringence for a fiber optic gyroscope. In FIG. Figure 5 shows the distribution of the refractive index in the cross section of a Panda-type fiber along the line connecting the geometric centers of the loading rods. In FIG. Figure 6 shows the spectral radiation loss in a fiber with a nitrogen light guide in sections of a fiber 1 m long (graph 1) and 1000 m (graph 2),
Для изготовления одномодового световода для волоконно-оптического гироскопа, как правило, используется исходный световод 1 с компенсированным профилем распределения показателя преломления, показанный на ФИГ. 1. Световод содержит световедущую жилу 2, отражающую оболочку 3, внешнюю защитную оболочку, состоящую из чистого кварцевого стекла 4 и полимерное защитно-упрочняющее покрытие 5. Световод имеет диаметр световедущей жилы 2ρ, диаметр отражающей оболочки 2τ, диаметр световода и защитно-упрочняющего покрытия dсв и Dзуп соответственно. В поперечном сечении световод имеет профиль распределения показателя преломления 6. Световод называется с компенсированным профилем распределения показателя преломления из-за того, что показатели преломления отражающей оболочки и внешней защитной кварцевой оболочки одинаковы. Внешняя защитная оболочка состоит из чистого кварцевого стекла. Для повышения показателя преломления световедущей жилы используется либо окись германия, либо окись фосфора. Содержание фосфора и германия в световедущей жиле повышает показатель преломления кварцевого стекла, увеличивает его коэффициент температурного расширения, а также снижает температуру его плавления. В связи с этим, в случае формирования отражающей оболочки из чистого кварцевого стекла на границе отражающей оболочки со световедущей жилой неизбежно возникают механические напряжения, которые приводят к возрастанию коэффициента затухания оптического излучения при распространении излучения, а также к хаотически изменяющемуся по длине линейному двулучепреломлению из-за искажений формы световедущей жилы при изготовлении заготовки световода. Для устранения нежелательных потерь оптического излучения необходимо при формировании отражающей оболочки обеспечить не только одинаковый показатель преломления материала отражающей оболочки с чистым кварцевым стеклом, из которого состоит внешняя защитная оболочка, но и обеспечить одинаковый коэффициент теплового расширения с материалом световедущей жилы. Поэтому отражающая оболочка формируется из кварцевого стекла, легированного окисью фосфора и фтором. Окись фосфора повышает коэффициент преломления кварцевого стекла, добавка фтора наоборот понижает показатель преломления кварцевого стекла. В результате материал отражающей оболочки имеет одинаковый показатель преломления с кварцевым стеклом внешней защитной оболочки, а также одинаковые с материалом световедущей жилы коэффициент температурного расширения и температуру плавления. В этом случае на границе отражающей оболочки и световедущей жилы отсутствуют механические напряжения, а также искажения формы световедущей жилы. Показатель преломления защитно-упрочняющего покрытия превышает показатель преломления чистого кварцевого стекла внешней защитной оболочки световода. Это необходимо для быстрого затухания оболочечных мод световода.For the manufacture of a single-mode fiber for a fiber optic gyroscope, as a rule, the
На Фиг. 2 показаны графики прироста потерь оптического излучения при воздействии радиационного облучения в световодах с различными легирующими добавками в световедущей жиле [2]. На графике 7 показан рост потерь излучения в световоде со световедущей жилой, легированной окисью германия (германатные световоды). На графике 8 показан рост потерь в германатном световоде, но с дополнительной добавкой в световедущую жилу помимо окиси германия еще и окиси фосфора (фосфатные световоды). На графике 9 показан рост потерь оптического излучения со световедущей жилой окиси азота. На графике 10 показан рост оптических потерь в световодах с беспримесной световедущей жилой, то есть со световедущей жилой из чистого кварцевого стекла. На графиках справа показаны остаточный прирост потерь оптического излучения в волокнах по истечении длительного времени. Как следует из этих графиков фосфатные световоды не пригодны для использования в волоконно-оптических гироскопах при их эксплуатации в условиях открытого космоса. Они скорее могут быть использованы в качестве датчиков радиационного облучения. Германатные световоды в составе волоконно-оптических гироскопов могут быть использованы при малых дозах облучения. Азотные световоды и световоды с беспримесной световедущей жилой демонстрируют достаточно низкий прирост потерь оптического излучения при воздействии радиационного облучения и могут быть использованы в волоконно-оптических гироскопах, которые эксплуатируются в условиях интенсивного радиационного облучения.In FIG. Figure 2 shows the graphs of the increase in the loss of optical radiation when exposed to radiation in optical fibers with various dopants in the light guide [2]. Figure 7 shows the increase in radiation loss in a fiber with a light guide core doped with germanium oxide (germanate fibers). Figure 8 shows the increase in losses in the germanate fiber, but with an additional addition to the fiber conductor, in addition to germanium oxide and phosphorus oxide (phosphate fibers). Figure 9 shows the increase in the loss of optical radiation from light guide residential nitric oxide. Figure 10 shows the growth of optical losses in optical fibers with an unalloyed light guide conductor, that is, with a light guide conductor made of pure quartz glass. The graphs on the right show the residual increase in the loss of optical radiation in the fibers after a long time. As follows from these graphs, phosphate fibers are not suitable for use in fiber-optic gyroscopes during their operation in open space. Rather, they can be used as radiation sensors. Germanate fibers as part of fiber-optic gyroscopes can be used at low doses. Nitrogen optical fibers and optical fibers with an uncomplicated light guide core show a rather low increase in optical radiation losses due to radiation exposure and can be used in fiber-optic gyroscopes that are operated under conditions of intense radiation exposure.
На Фиг. 3 показаны конструкции поперечного сечения одномодовых световодов с большим линейным двулвулучепреломлением. Линейное двулучепреломление в световодах возникает за счет регулярных механических напряжений, которые создаются в световедущей жиле нагружающими зонами, которые располагаются симметрично по обе стороны от нее. Одномодовый световод типа «Панда» 11 содержит световедущую жилу 12, отражающую оболочку 13, внешнюю защитную оболочку, состоящую из чистого кварцевого стекла 14, два нагружающих стержня круговой формы 15 (нагружающие зоны) и защитно-упрочняющее покрытие 16. Защитно-упрочняющее покрытие представляет собой уретан-акрилатное полимерное покрытие, которое наносится с помощью фильер на световод в процессе его вытяжки с последующим его отверждением либо с помощью облучения ультрафиолетовым облучением либо с помощью высокой температуры, которую создает специальная термопечь. Нагружающие стержни изготавливаются из кварцевого стекла, легированного окисью бора. Боросиликатное стекло имеет пониженный показатель преломления относительно показателя преломления чистого кварцевого стекла внешней защитной оболочки световода, а также имеет большой температурный коэффициент расширения по отношению к чистому кварцевому стеклу. За счет разности температурных коэффициентов теплового расширения при вытяжке световода из заготовки в его световедущей жиле при остывании световода (температура вытяжки световода из заготовки осуществляется при ее разогреве до 2000°С) в его световедущей жиле с помощью нагружающих стержней возникают сильные механические напряжения. Световедущая жила испытывает сильное растяжение вдоль линии, соединяющей центры нагружающих стержней и за счет этих регулярных механических напряжений в световедущей жиле возникает двулучепреломление, которое приводит к возникновению в световедущей жиле ортогональных друг другу «медленной» и «быстрой» поляризационных осей распространения. При возбуждении линейной поляризации излучения, которая совпадает с одной из двух поляризационных осей, оно распространяется по всей длине световода без изменения своей поляризации по всей длине световода. Нагружающие зоны могут быть и другой конфигурации. Известна конструкция световода с большим линейным двулучепреломлением типа «галстук-бабочка» 17. Световод содержит световедущую жилу 18, отражающую оболочку 19, внешнюю защитную кварцевую оболочку 20, нагружающие зоны, напоминающие по форме «галстук-бабочку» 21 и защитно-упрочняющее покрытие 22. Известна также и конструкция световода с большим линейным двулучепреломлением 23 с нагружающими зонами, имеющими форму эллиптической оболочки. Световод содержит световедущую жилу 24, отражающую оболочку 25, внешнюю защитную кварцевую оболочку 26, нагружающую зону эллиптической формы 27 и защитно-упрочняющее покрытие 28. Как и во всех рассмотренных выше случаях, нагружающая зона эллиптической формы состоит из боросиликатного кварцевого стекла.In FIG. Figure 3 shows the cross-sectional designs of single-mode optical fibers with large linear birefringence. Linear birefringence in optical fibers arises due to regular mechanical stresses that are created in the light guide by loading zones, which are located symmetrically on both sides of it. A single-mode fiber of the
Для повышения радиационной стойкости германатных волокон необходимо снижать концентрацию германия в световедущей жиле, но снижение концентрации приводит к снижению показателя преломления световедущей жилы. При снижении показателя преломления световедущей жилы возрастает как радиус световедущей жилы, так и MFD. Для эффективной стыковки с канальными волноводами интегрально-оптической схемы волоконно-оптического гироскопа необходимы, MFD лежащие в пределах 6,5-8,0 мкм. Для того чтобы обеспечить эти значения MFD необходимы концентрации германия в световедущей жиле, при которых показатель преломления кварцевого стекла повышается (Δn) от 0,0125 до 0,0085.To increase the radiation resistance of germanate fibers, it is necessary to reduce the concentration of germanium in the light guide conductor, but a decrease in concentration leads to a decrease in the refractive index of the light guide conductor. With a decrease in the refractive index of the light guide conductor, both the radius of the light guide conductor and the MFD increase. For effective docking with channel waveguides of the integrated optical circuit of a fiber optic gyroscope, MFDs lying in the range of 6.5-8.0 microns are necessary. In order to ensure these MFD values, germanium concentration in the light guide conductor is required, at which the refractive index of silica glass rises (Δn) from 0.0125 to 0.0085.
На Фиг. 4 показана конструкция поперечного сечения радиационного одномодового световода с большим линейным двулучепреломлением для волоконно-оптического гироскопа 29. Световод содержит световедущую жилу 12, отражающую оболочку с пониженным относительно чистого кварцевого стекла показателем преломления 30, нагружающие зоны в виде стержней круговой формы 14, внешнюю защитную кварцевую оболочку 15 и защитно-упрочняющее покрытие 16. Одномодовые световоды с нагружающими зонами в виде стержней круговой формы известны как световоды типа «Панда». На Фиг. 4 также представлен профиль распределения показателя преломления в сечении световода по оси перпендикулярной прямой, соединяющей геометрические центры нагружающих стержней. Световедущая жила имеет показатель преломления 31 и состоит из кварцевого стекла, легированного либо окисью германия, либо окисью азота. Отражающая оболочка состоит из кварцевого стекла, легированного фтором и имеет пониженный показатель преломления 32 относительно показателя преломления чистого кварцевого стекла 33 внешней защитной оболочки световода. Разность показателей преломления между световедущей жилой и защитной оболочкой равна Δn+, а разность показателей преломления между отражающей оболочкой и защитной оболочкой равна Δn-. Показатель преломления защитно-упрочняющего покрытия 34 несколько выше показателя преломления защитной оболочки. Это необходимо для эффективной фильтрации оболочечных мод световода. Параметры излучения в световоде с отражающей оболочкой, имеющей пониженный показатель преломления по сравнению с показателем преломления материала защитной оболочки могут быть определены из следующих соотношенийIn FIG. 4 shows a cross-sectional design of a single-mode radiation fiber with a large linear birefringence for a fiber-
MFD=2ρ[0,65+1,619/V3/2]MFD = 2ρ [0.65 + 1.619 / V 3/2 ]
2ρ=Vотс×λотс/π[2,92×(Δn++Δn-)]1/2 2ρ = V ss × λ ss / π [2.92 × (Δn + + Δn - )] 1/2
V=Vотс×λотс/λр V = V ss × λ ss / λ p
Vотс=0,996/[1,143-(Z/1+Z)1/2]V sb = 0.996 / [1.143- (Z / 1 + Z) 1/2 ]
Z=Δn-/Δn+ Z = Δn - / Δn +
λотс - длина волны отсечки основной моды,λ FR - wavelength cutoff of the main mode,
λр - рабочая длина волны источника излучения.λ p - the working wavelength of the radiation source.
На Фиг. 5 показано распределение показателя преломления в поперечном сечении световода типа «Панда» по линии, соединяющей геометрические центры нагружающих стержней. Нагружающие стержни изготавливаются из кварцевого стела, легированного бором, имеют пониженный относительно кварцевого стекла защитной оболочки показатель преломления 35 и находятся от световедущей жилы на расстоянии Δ. Разность показателей преломления материала отражающей оболочки и материала нагружающих стержне равна Δnст. Световод с отражающей оболочкой, имеющей пониженный показатель преломления относительного чистого кварцевого стекла защитной оболочки позволяет при уменьшении концентрации легирующих добавок (окиси германия или окиси азота) в световедущую жилу повысить радиационную стойкость одномодовых световодов с большим линейным двулучепреломлением. Пониженный показатель преломления отражающей оболочки световода позволяет также снизить потери оптического излучения при воздействии радиационного облучения за счет того, что излучение концентрируется в световедущей жиле и дополнительных потерь излучения при распространении по отражающей оболочке и нагружающим стержням, как это происходит в компенсированных по показателю преломления световодах, не возникает. При распространении излучения по кварцевому стеклу, легированному окисью фосфора и фтором (отражающая оболочка компенсированного световода) или окисью бора (нагружающие стержни) возникают дополнительные потери при радиационном облучении. Ниже в приведенных таблицах приведены результаты расчетов диаметров световедущей жилы 2ρ, MFD, длин волн отсечки основной моды, длин волн осечки первой высшей моды, затухания высшей моды для различных значений Δn+ и соотношения τ/ρ. Для получения максимального двулучепреломления в световоде необходимо располагать нагружающие зоны как можно ближе к световедущей жиле и обеспечивать максимальную величину разности коэффициентов температурного расширения материалов нагружающих стержней и материала защитной оболочки световода. Коэффициент температурного расширения боросиликатных стержней определяется концентрацией содержания окиси бора, которая может быть определена с помощью понижения показателя преломления кварцевого стекла при его легировании окисью бора. При максимально возможной степени легирования кварцевого стекла окисью бора при изготовлении нагружающих стержней для световодов «Панда» понижение показателя преломления боросиликатного стекла Δn. составляет величину 0,012. При расчетах параметров, приведенных в таблицах, учитывалось влияние на параметры излучения нагружающих стержней, а также использовалось значение Δncn=±0, 002In FIG. Figure 5 shows the distribution of the refractive index in the cross section of a Panda-type fiber along the line connecting the geometric centers of the loading rods. The loading rods are made of a quartz stele doped with boron, have a refractive index lower than that of the quartz glass of the protective shell, and are located at a distance Δ from the light guide core. The difference in the refractive indices of the material of the reflecting shell and the material of the loading rod is Δn Art . A fiber with a reflective cladding having a lower refractive index of the relative pure silica glass of the protective sheath allows, with a decrease in the concentration of dopants (germanium oxide or nitric oxide) in the light guide, to increase the radiation resistance of single-mode fibers with high linear birefringence. The reduced refractive index of the reflecting cladding of the fiber also allows to reduce the loss of optical radiation when exposed to radiation due to the fact that the radiation is concentrated in the light guide and additional radiation losses during propagation through the reflecting cladding and loading rods, as occurs in optical fibers compensated by the refractive index, arises. When radiation propagates through quartz glass doped with phosphorus oxide and fluorine (reflective shell of a compensated fiber) or boron oxide (loading rods), additional losses occur during radiation exposure. The tables below show the results of calculations of the diameters of the light guide core 2ρ, MFD, the cutoff wavelengths of the main mode, the misfire wavelengths of the first higher mode, the attenuation of the higher mode for various Δn + values and the ratio τ / ρ. To obtain maximum birefringence in the fiber, it is necessary to arrange the loading zones as close as possible to the light guide conductor and to ensure the maximum value of the difference in the thermal expansion coefficients of the materials of the loading rods and the material of the fiber sheath. The coefficient of thermal expansion of borosilicate rods is determined by the concentration of boron oxide, which can be determined by lowering the refractive index of silica glass when doped with boron oxide. At the maximum possible degree of doping of quartz glass with boron oxide in the manufacture of loading rods for Panda fibers, a decrease in the refractive index of borosilicate glass Δn. amounts to 0.012. When calculating the parameters given in the tables, the influence of the loading rods on the radiation parameters was taken into account, and the value Δn cn = ± 0, 002 was also used
При расчетах значений 2ρ, MFD и соотношения τ/ρ также использовался критерий возрастания оптических потерь не более 0,1 дБ/км при диаметре намотки световода 30 мм. Из расчетов следует, что отношение диаметров отражающей оболочки к диаметру световедущей жилы находится в пределах 1,3≤τ/ρ≤2,8. При снижении требований к затуханию первой высшей моды до уровня 10 дБ/м, что вполне возможно при использовании в чувствительной катушке высокоточного гироскопа световодов длиной до нескольких километров, допустимо справедливость соотношения τ/ρ≤4,6. Но с другой стороны, при превышении этого значения профиль распределения показателя преломления становится более близок к компесированному профилю 6 (ФИГ. 1). Внешняя защитная оболочка, которая имеет показатель преломления чистого кварцевого стекла, практически не участвует в формировании параметров излучения и MFD начинает превышать диаметр световедущей жилы 2ρ и излучение частично начинает распространяться в отражающей оболочке световода и нагружающих стержнях и поэтому начинают возрастать потери излучения при радиационном облучении световода.When calculating the values of 2ρ, MFD and the ratio τ / ρ, we also used the criterion for the increase in optical losses of not more than 0.1 dB / km with a fiber winding diameter of 30 mm. From the calculations it follows that the ratio of the diameters of the reflecting cladding to the diameter of the light guide core is within 1.3≤τ / ρ≤2.8. If the requirements for the attenuation of the first higher mode are reduced to the level of 10 dB / m, which is quite possible when using a high-precision gyroscope in the sensitive coil of optical fibers with a length of several kilometers, the validity of the ratio τ / ρ≤4.6 is acceptable. But on the other hand, when this value is exceeded, the distribution profile of the refractive index becomes closer to the combined profile 6 (FIG. 1). The outer protective shell, which has a refractive index of pure silica glass, practically does not participate in the formation of radiation parameters and the MFD begins to exceed the diameter of the light guide core 2ρ and the radiation partially begins to propagate in the reflective shell of the fiber and the loading rods and therefore the radiation losses begin to increase during radiation exposure of the fiber.
В радиационно-стойких световодах с азотной световедущей жилой наблюдается повышенный уровень потерь оптического излучения на длине волны излучения 1505 нм. На фиг. 6 приведена запись спектральных потерь излучения в азотном световоде со скомпенсированной по показателю преломления отражающей оболочкой с концентрацией азота, которая обеспечивает разность показателей преломления между световедущей жилой и чистым кварцевым стеклом защитной оболочки на уровне 0,011. Из графиков следует, что наблюдается рост оптических потерь излучения и на рабочей длине источника 1540 нм, который обычно используется в высокоточных гироскопах. В этом случае пик потерь оптического излучения на длине волны излучения 1505 нм приводит не только к возрастанию потерь до 3-4 дБ/км, но и к искажению спектра излучения источника, что негативно сказывается на стабильности масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа. Понижение показателя преломления отражающей оболочки при тех же значениях MFD позволяет значительно снизить потери оптического излучения в световоде за счет снижения концентрации азота в световедущей жиле.In radiation-resistant optical fibers with a nitrogen light guide, an increased level of optical radiation loss is observed at a radiation wavelength of 1505 nm. In FIG. Figure 6 shows the recording of spectral radiation losses in a nitrogen fiber with a reflective shell with a nitrogen concentration compensated by the refractive index, which provides a difference in the refractive index between the light guide core and the clear quartz glass of the protective sheath at a level of 0.011. From the graphs it follows that there is an increase in the optical loss of radiation at the working length of the source 1540 nm, which is usually used in high-precision gyroscopes. In this case, the peak of optical radiation loss at a radiation wavelength of 1505 nm leads not only to an increase in losses of up to 3-4 dB / km, but also to a distortion of the radiation spectrum of the source, which negatively affects the stability of the scale factor of a fiber-optic gyroscope. A decrease in the refractive index of the reflecting cladding at the same MFD values can significantly reduce the loss of optical radiation in the optical fiber due to a decrease in the nitrogen concentration in the light guide conductor.
ЛитератураLiterature
[1] Tajima K., Sasaki Y., J. Lightwave Technol. v. LT-7, no. 4, pp. 674-679, 1989.[1] Tajima K., Sasaki Y., J. Lightwave Technol. v. LT-7, no. 4, pp. 674-679, 1989.
[2] Simpson J.R. et al., J. Lightwave Technol. vol. LT-1, pp. 370-373, 1983.[2] Simpson J.R. et al., J. Lightwave Technol. vol. LT-1, pp. 370-373, 1983.
[3] Varnham M.P. Et al., Electron. Lett., v. 19, no. 17, pp. 679-680, 1983.[3] Varnham M.P. Et al., Electron. Lett., V. 19, no. 17, pp. 679-680, 1983.
[4] Томашук А.Л., Голант K.M., Забежайлов M.O. «Разработка волоконных световодов для применения при повышенном уровне радиации» Волоконно-оптические технологии, материалы и устройства, 2001, №4, с. 52-65.[4] Tomashuk A.L., Golant K.M., Zabezhailov M.O. “Development of fiber optical fibers for use at elevated levels of radiation” Fiber-optic technologies, materials and devices, 2001, No. 4, p. 52-65.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016129256A RU2627018C1 (en) | 2016-07-18 | 2016-07-18 | Radiation-resistant single-mode light guide with large linear birefringence for fiber-optic gyroscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016129256A RU2627018C1 (en) | 2016-07-18 | 2016-07-18 | Radiation-resistant single-mode light guide with large linear birefringence for fiber-optic gyroscope |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2627018C1 true RU2627018C1 (en) | 2017-08-02 |
Family
ID=59632396
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016129256A RU2627018C1 (en) | 2016-07-18 | 2016-07-18 | Radiation-resistant single-mode light guide with large linear birefringence for fiber-optic gyroscope |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2627018C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2020022921A1 (en) * | 2018-07-23 | 2020-01-30 | Общество с ограниченной ответственностью "Уникальные волоконные приборы" (ООО "УВП") | Method and device for the distributed measurement of birefringence in polarization-maintaining fibres (embodiments) |
| RU203256U1 (en) * | 2020-09-01 | 2021-03-29 | Публичное акционерное общество "Пермская научно-производственная приборостроительная компания" (ПАО "ПНППК") | Single-mode polarization-resistant erbium radiation-hardened optical fiber |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2250482C1 (en) * | 2003-09-16 | 2005-04-20 | Курбатов Александр Михайлович | Polarizing single-mode light guide |
| US7050672B1 (en) * | 1999-08-20 | 2006-05-23 | Fujikura Ltd. | Polarization-maintaining optical fiber and polarization-maintaining optical fiber component |
| RU2469363C2 (en) * | 2009-04-08 | 2012-12-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Фиберус" | High birefringence, linear polarisation supporting radiation-resistant fibre-optic guide (versions) |
| RU2472188C2 (en) * | 2010-04-02 | 2013-01-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры" | Radiation-proof light guide for fibre-optic gyroscope |
-
2016
- 2016-07-18 RU RU2016129256A patent/RU2627018C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7050672B1 (en) * | 1999-08-20 | 2006-05-23 | Fujikura Ltd. | Polarization-maintaining optical fiber and polarization-maintaining optical fiber component |
| RU2250482C1 (en) * | 2003-09-16 | 2005-04-20 | Курбатов Александр Михайлович | Polarizing single-mode light guide |
| RU2469363C2 (en) * | 2009-04-08 | 2012-12-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Фиберус" | High birefringence, linear polarisation supporting radiation-resistant fibre-optic guide (versions) |
| RU2472188C2 (en) * | 2010-04-02 | 2013-01-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры" | Radiation-proof light guide for fibre-optic gyroscope |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2020022921A1 (en) * | 2018-07-23 | 2020-01-30 | Общество с ограниченной ответственностью "Уникальные волоконные приборы" (ООО "УВП") | Method and device for the distributed measurement of birefringence in polarization-maintaining fibres (embodiments) |
| RU203256U1 (en) * | 2020-09-01 | 2021-03-29 | Публичное акционерное общество "Пермская научно-производственная приборостроительная компания" (ПАО "ПНППК") | Single-mode polarization-resistant erbium radiation-hardened optical fiber |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4515436A (en) | Single-mode single-polarization optical fiber | |
| Dianov et al. | Germania-based core optical fibers | |
| US4447125A (en) | Low dispension single mode fiber | |
| EP1116968B1 (en) | Multimode optical fiber with high-order mode removing function | |
| Lin | Optoelectronic technology and lightwave communications systems | |
| EP2856225B1 (en) | Multimode optical fiber and system comprising such fiber | |
| US20110305251A1 (en) | Multi-cladding optical fiber, optical fiber module, fiber laser, and fiber amplifier | |
| KR20100098691A (en) | Bend resistant multimode optical fiber | |
| EP2921889B1 (en) | Polarization-maintaining optical fiber | |
| JP2011059687A (en) | Multimode optical fiber having improved bending loss | |
| JP2008547049A (en) | High SBS threshold optical fiber containing aluminum dopant | |
| JP2012514772A (en) | Low bending loss optical fiber with low refractive index glass ring | |
| US4439007A (en) | Low dispersion single mode fiber | |
| US7907807B2 (en) | Pure silica core, high birefringence, single polarization optical waveguide | |
| Dostovalov et al. | Femtosecond-pulse inscribed FBGs for mode selection in multimode fiber lasers | |
| KR100594062B1 (en) | Optical fiber having the low discontinuity of the residual stress | |
| US6947650B1 (en) | Long wavelength, pure silica core single mode fiber and method of forming the same | |
| GB2116744A (en) | Optical fiberguide | |
| JPWO2008108404A1 (en) | Photonic bandgap fiber | |
| RU2627018C1 (en) | Radiation-resistant single-mode light guide with large linear birefringence for fiber-optic gyroscope | |
| Shibata et al. | Fabrication of polarization-maintaining and absorption-reducing fibers | |
| RU2472188C2 (en) | Radiation-proof light guide for fibre-optic gyroscope | |
| Kurbatov et al. | New optical W-fiber Panda for fiber optic gyroscope sensitive coil | |
| RU2250482C1 (en) | Polarizing single-mode light guide | |
| JP4578733B2 (en) | Long-period optical fiber grating using polarization-maintaining optical fiber |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20200826 |