Волоконний конвертор діаметра поля моди, спосіб локальної зміни показника заломлення оптичних хвильоводів та спосіб виготовлення заготівок для оптичних хвильоводів

1 Волоконний конвертор діаметра поля моди, який містить відрізок волоконного світловоду (1), що включає оболонку (2) з кварцового скла, серцевину (3) з легованого кварцового скла, причому діаметр серцевини (3) змінюється по довжині відрізка волоконного світловоду (1), збільшуючись до його кінця (4), який відрізняється тим, що серцевина (3) світловоду (1) легована легуючою домішкою, за яку використовують азот, і концентрація цієї легуючої домішки становить від 0,01 до 5 ат % 2 Спосіб локальної зміни показника заломлення волоконного світловоду (1), при здійсненні якого нагрівають відрізок волоконного світловоду (1), що складається з оболонки (2) і серцевини (3), кожна з яких виконана на основі кварцового скла, і щонай менше одна з них легована, здійснюють локальну термодифузію в оболонку (2) елементів, що входять до складу серцевини (3), та/або локальну термодифузію у серцевину (3) елементів, що входять до складу оболонки (2), який відрізняється тим, що здійснюють локальну термодифузію при нагріванні відрізка волоконного світловоду (1), серцевина (3) якого легована азотом із концентрацією від 0,01 до 5 а т % , причому нагрівання здійснюють струмом електричної дуги (10) або випромінюванням (16) інфрачервоного лазера (15) 3 Спосіб за п 2, який відрізняється тим, що нагрівання відрізка волоконного світловоду (1) періодично переривають, а під час періодичного переривання здійснюють відносне переміщення області нагрівання уздовж осі волоконного світловоду (1) на відстань, що кратна просторовому періоду зміни показника заломлення 4 Спосіб за п 2, який відрізняється тим, що здійснюють локальну термодифузію легуючих домішок фосфору, алюмінію, натрію, калію, ЛІТІЮ, цезію, германію, фтору, бору та/або щонайменше одного з рідкісноземельних елементів 5 Спосіб за п 2, який відрізняється тим, що відрізок волоконного світловоду (1) нагрівають струмом електричної дуги (10) розміром від 5 мА до 500 мА протягом часу від 0,1 до 600 хвил , при цьому електричну дугу (10) локалізують в області з розміром від 1 мм до 15 мм уздовж осі світловоду (1) і створюють за допомогою електродів (5) із загостреними кінцями, а після нагрівання відрізок світловоду (1) сколюють перпендикулярно його осі в області, що відповідає заданому розміру моди 6 Спосіб за п 2, який відрізняється тим, що електричну дугу (10) переміщають уздовж осі світловоду (1) з перемінною швидкістю та/або змінюють струм електричної дуги (10) 7 Спосіб за п 2, який відрізняється тим, що перед проведенням термодифузм світловод (1) зварюють ІЗ ДОПОМІЖНИМ СВІТЛОВОДОМ (7) 8 Спосіб за п 2, який відрізняється тим, що нагрівають випромінюванням (16) СО-лазера, СО2лазера, ербієвого лазера або гольмієвого лазера 9 Спосіб за п 2, який відрізняється тим, що нагрівають відрізок волоконного світловоду (1) з сер о ю 47454 цевиною (3) на основі оксинітриду кремнію Si3 N4 SiO2 10 Спосіб за п 7, який відрізняється тим, що нагрівають відрізок волоконного світловоду (1) з оболонкою (2), легованою фтором та/або бором 11 Спосіб виготовлення заготівок для волоконних СВІТЛОВОДІВ на основі кварцового скла, легованого азотом, що включає подачу в опорну трубку (24) суміші (25) молекулярних газових реагентів, які містять у своєму складі атоми азоту, кисню і кремнію, збудження в ній НВЧ-розряду (27) і осадження продуктів реакції, що протікає в суміші, на внутрішній поверхні (26) опорної трубки (24), який відрізняється тим, що молекулярні газові реагенти, які подають в опорну трубку (24), змішують так, що на кожний атом кремнію приходиться менше п'яти атомів кисню, а на кожні 1000 атомів кисню дово диться більше 1 атома азоту 12 Спосіб за п 11, який відрізняється тим, що в якості суміші (26) молекулярних газових реагентів використовують щонайменше одну із сумішей SiCI4+O2+N2, SiCI4+O2+NO2, S1CI4+O2+N2O3, S1CI4+O2+N2O4, S1CI4+O2+N2O, SiCI4+O2+NO та/або SiCI4+O2+NH3 13 Спосіб за п 11, який відрізняється тим, що температура опорної трубки (24) становить від 900 до 1300°С 14 Спосіб за п 11, який відрізняється тим, що потужність (27), необхідна для збуджування в опорній трубці (24) НВЧ-розряду (32), становить від 0,1 до 10 кВт 15 Спосіб за п 11, який відрізняється тим, що тиск газових реагентів усередині опорної трубки (24) становить від 0,05 до 50 мм рт ст Винахід стосується області волоконної оптики Відомий ВОЛОКОННИЙ конвертор діаметра поля моди, що містить відрізок волоконного світловоду, який включає оболонку з кварцового скла, серцевину з кварцового скла, легованого германієм, причому діаметр серцевини змінюється по довжині відрізка волоконного світловоду, збільшуючись до його кінця (див , наприклад, статтю К Shiraishi, Y Aizava, S Kawakami «Beam expanding fiber using thermal diffusion ofdopant» IEEE Journal of Lightwave Technology, 1990,- vol 8,- № 8,- P 11511161) У цьому конверторі поздовжню зміну діаметра серцевини одержують за рахунок перерозподілу радіального профілю легування при термодифузм германію, що формує структуру показника заломлення світловоду зміни діаметра поля моди, що пов'язано з обмежено, концентрацією фтору, ZRE можна ввести в серцевину разом із германієм Крім того, дифузія фтору неминуче призводить до появлення у такому СВІТЛОВОДІ областей із зниженим показником заломлення, що є перешкодою для стикування зі стандартними світловодами Відомий спосіб локальної зміни показника заломлення волоконного світловоду, який включає ЗОВНІШНІЙ вплив на світловод (див, наприклад, статтю К О Hill, Y FUJII, DC Johnson and В S Kawasaki «Photosensitivity in optical fiber waveguides application toreflection filter fabrication» Appl Phys Lett,- 1978,- vol 32,- № 1 0 , - P 647649) Зміна показника заломлення відбувається внаслідок фоторефрактивного ефекту і обумовлена наявністю дефектів, які призводять до появлення характерних смуг у спектрі поглинання серцевини світловоду При цьому має місце двофотонна взаємодія У волоконному СВІТЛОВОДІ відбувається інтерференція променів, що входять, і відбитих від торця променів, унаслідок чого у СВІТЛОВОДІ виникає періодична зміна показника заломлення Недоліком цього конвертора є складність технологи виготовлення, що обумовлено малістю коефіцієнту дифузії германію в кварцовому склі, унаслідок чого для створення конвертора потрібен значний час термообробки світловоду Крім того, дифузія протікає ефективно лише при температурах 1600-1800°С, близьких до температури плавлення, що призводить до деформацій СВІТЛОВОДІВ Найбільш близьким до даного пристрою є волоконний конвертор діаметра поля моди, що містить відрізок волоконного світловоду, що включає оболонку з кварцового скла, серцевину з легованого кварцового скла, причому діаметр серцевини змінюється по довжині відрізка волоконного світловоду, збільшуючись до його кінця (див , наприклад, патент США 5381503, МПК G02 В 6/10) У цьому пристрої серцевина первісно легована германієм і фтором На відміну від германію фтор знижує показник заломлення кварцового скла, і, крім того, має більш високий коефіцієнт термодифузм при температурах 1600-1800°С Унаслідок цього при нагріванні світловоду з подвійним легуванням серцевини фтор швидше проникає в оболонку, що призводить до ефективного збільшення показника заломлення скла серцевини і тим самим до зменшення діаметра поля моди Недоліком цього пристрою є складність технологи виготовлення конвертора і малий діапазон Недоліком цього способу є складність технологи, мала зміна показника заломлення Д(~10 6 ), неможливість варіювання періоду решітки, яка формується, висока вартість і складність у експлуатації пристрою, що реалізує даний спосіб Відомий спосіб локальної зміни показника заломлення волоконного світловоду, що включає ЗОВНІШНІЙ вплив на світловод (див, наприклад, статтю G Meltz, W W Morey, W Н Glen «Formation of Bragg gratings in optical fibers by a transverse holographic method» Opt Lett,- 1989,vol14,- №15, P 823-825) У даному способі на волоконний світловод впливають лазерним випромінюванням із довжиною хвилі поблизу 240нм Решітку у волоконному СВІТЛОВОДІ формують з використанням ефекту інтерференції, спрямовуючи два пучки під кутом Э до поверхні світловоду Змінюючи кут О, можна варіювати період решітки, яка формується Недоліком цього способу є складність техно 47454 л о т локальної зміни показника заломлення волоконного світловоду Відомий спосіб локальної зміни показника заломлення волоконного світловоду, який включає ЗОВНІШНІЙ вплив на світловод (див, наприклад, статтю К О Hill, F Bilodean, В Malo, D C Malo, DC Johnson, I S Kmner «Efficient mode conversion in telecommunication fibre using externally writing gratings» Electron Lett,- 1990,-vol 26,- P 12701272) У цьому способі фоточутливий волоконний світловод засвічують з боку бічної поверхні випромінюванням ультрафіолетового лазера, що пройшов крізь щілину В області впливу відбувається фотоіндуковане локальне збільшення показника заломлення, що відповідає запису одиничного штриха решітки Далі засвічування переривають, а світловод переміщають уздовж його осі щодо лазерного пучка на довжину, рівну періоду решітки, після чого записують наступний штрих решітки Шляхом періодичного повторення процедур засвічування і переміщення світловоду уздовж його осі формують періодичну ПОСЛІДОВНІСТЬ ділянок серцевини з різним показником заломлення, що являє собою решітку Недоліками цього способу є складність технологи локальної зміни показника заломлення через використання ультрафіолетового лазерного випромінювання, обмеженість типів волоконних світловодів, що мають фоточутливість Крім того, використовувані ультрафіолетові лазери мають відносно високу вартість, складність в експлуатації та недостатньо високу надійність, а їх випромінювання небезпечно для очей людини Найбільш близьким до даного способу локальної зміни показника заломлення волоконного світловоду, при здійсненні якого здійснюють нагрівання відрізка волоконного світловоду, який має оболонку та серцевину, кожна з яких виконана на основі кварцового скла, а по меншій мірі одна з них легована, здійснюють локальну термодифузію в оболонку елементів, що входять до складу серцевини, та/або локальну термодифузію в серцевину елементів, що входять до складу оболонки (див , наприклад, патент США № 5381503, МПК G 02 В 6/10) У цьому способі відрізок волоконного світловоду нагрівають у електропечі опору Подвійне легування германієм та фтором значно ускладнює технологію виготовлення волоконних СВІТЛОВОДІВ для конвертора Недоліком цього способу є також неможливість управління законом зміни показника заломлення серцевини уздовж осі світловоду, який визначається розподілом температури усередині нагрівача і не може бути змінений під час процесу Ще одним його недоліком є деформація світловоду при його нагріванні внаслідок релаксації поперечних напруг, які виникають при фіксації світловоду Відомий спосіб виготовлення заготівки для волоконних СВІТЛОВОДІВ на основі кварцового скла, що включає подачу в опорну трубку суміші молекулярних газових реагентів, які містять у своєму складі атоми кисню та кремнію, і осадження продуктів реакції, що протікає в суміші, на внутрішній поверхні опорної трубки (див , наприклад, Довідник по волоконно-оптичним ЛІНІЯМ зв'язку/Л М Андрушко, В А Вознесенський, В Б Каток та ш , Під ред С В Свєчнікова та Л М Андрушко,Київ,- "Техніка",- 1988,- С 69) Недоліком цього способу є неможливість одержання скла, легованого азотом, у заготівці при характерних для цього способу умовах термодинамічної рівноваги Найбільш близьким до способу, що заявляється, є спосіб виготовлення заготівок для волоконних СВІТЛОВОДІВ на основі кварцового скла, легованого азотом, що включає подачу в опорну трубку суміші молекулярних газових реагентів, що містять у своєму складі атоми азоту, кисню та кремнію, збуджування в ній НВЧ (надвисока частота)розряду і осадження продуктів реакції, що протікає в суміші, на внутрішній поверхні опорної трубки (див , наприклад, статтю Е М Dianov, К М Golant, R R Kharpko, A S Kurkov, A L Tomashuk «Lowhydrogen silicon oxymtnde optical fibers prepared by SPCVD» IEEE Journal of Lightwave Technology,1995,- vol 13,- № 7,- P 1471-1474) В його основі лежить формування серцевини заготівки світловоду шляхом плазмохімічного синтезу шарів кварцового скла легованого азотом на внутрішній СТІНЦІ опорної трубки з кварцового скла за технологією SPCVD Недоліком цього способу є складність технологи через відсутність у ньому технологічних параметрів процесу синтезу заготівки, за допомогою яких можна відновлюючи регулювати концентрацію азоту в кварцовому склі, необхідну для одержання необхідної різниці Дп показників заломлення серцевини і оболонки волоконного світловоду В основу винаходу поставлене завдання спрощення технології виготовлення волоконних СВІТЛОВОДІВ і пристроїв на їх основі Поставлене завдання вирішується тим, що у відомому волоконному конверторі діаметра поля моди, знаходиться відрізок волоконного світловоду, який включає оболонку з кварцового скла і серцевину з легованого кварцового скла, причому діаметр серцевини змінюється по довжині відрізка волоконного світловоду, збільшуючись до його кінця, згідно з винаходом серцевина світловоду легована легуючою домішкою, у якості якої використовується азот, і концентрація цієї легуючої домішки становить від 0,01 до 5ат % Поставлене завдання вирішується також тим, що у відомому способі виготовлення волоконного конвертора діаметра поля моди, при здійсненні якого здійснюють нагрівання відрізку волоконного світловоду, який має оболонку і серцевину, кожна з яких виконана на основі кварцового скла і щонайменше одна з них легована, згідно з винаходом здійснюють локальну термодифузію при нагріванні відрізка волоконного світловоду, серцевина якого легована азотом із концентрацією від 0,01 до 5ат%, причому нагрівання здійснюють струмом електричної дуги або випромінюванням інфрачервоного лазера Зокрема, нагрівання відрізка волоконного світловоду періодично переривають, а під час періодичного переривання здійснюють відносне переміщення області нагрівання уздовж осі волоконного світловоду на відстань, кратну просторовому періоду зміни показника заломлення Зокрема, здійснюють локальну термодифузію 47454 легуючих домішок фосфору, алюмінію, натрію, калію, ЛІТІЮ, цезію, германію, фтору, бору та/або щонайменше одного із рідкісноземельних елементів Зокрема, відрізок волоконного світловоду нагрівають струмом електричної дуги розміром від 5мА до 500мА на протязі часу від 0,1 до 600 хв , при цьому електричну дугу локалізують в області з розміром від 1мм до 15мм уздовж осі світловоду і створюють за допомогою електродів із загостреними кінцями, а після нагрівання відрізок світловоду сколюють перпендикулярно його осі в області, що відповідає заданому розміру моди Зокрема, електричну дугу переміщають уздовж осі світловоду з перемінною швидкістю та/або змінюють струм електричної дуги Зокрема, для усунення деформацій, які є наслідком механічних напруг при фіксації світловоду у двох точках, перед проведенням термодифузм світловод зварюють із допоміжним світловодом Зокрема, нагрівають випромінюванням СОлазера, СОг-лазера, ербієвого лазера або гольмієвого лазера Зокрема, нагрівають відрізок волоконного світловоду із серцевиною на основі оксинітриду кремнію Si3 N4 S1O2 Зокрема, відрізок волоконного світловоду з оболонкою, легованою фтором та/або бором Поставлене завдання вирішується також тим, що у відомому способі виготовлення заготівок для волоконних СВІТЛОВОДІВ на основі кварцового скла, легованого азотом, що включає подачу в опорну трубку суміші молекулярних газових реагентів, які містять у своєму складі атоми азоту, кисню та кремнію, збуджування в ній НВЧ-розряду і осадження продуктів реакції, що протікає в суміші, на внутрішній поверхні опорної трубки, згідно з винаходом молекулярні газові реагенти, які подаються в опорну трубку, змішують так, що на кожний атом кремнію доводиться менше п'ятьох атомів кисню, а на кожні 1000 атомів кисню доводиться більш 1 атома азоту Зокрема, у якості суміші молекулярних газових реагентів використовують щонайменше одну із сумішей ЭСЦ + О2 + N2, S1CI4 + О2 + NO2, S1CI4 + О2 + N2O3, S1CI4 + О2 + N2O4, S1CI4+ О2 + N2O, S1CI4 + О2 + NO та/або SiCI4 + О2 + NH3 Зокрема, температура опорної трубки становить від 900 до 1300°С Зокрема, потужність, необхідна для збуджування в опорній трубці НВЧ-розряду, становить від 0,1 до 10кВт Зокрема, тиск газових реагентів усередині опорної трубки становить від 0,05 до 50мм рт ст Волоконний конвертор діаметра моди, спосіб локальної зміни показника заломлення волоконних СВІТЛОВОДІВ і спосіб виготовлення заготівок для волоконних СВІТЛОВОДІВ, що використовуються при виготовленні конвертора, зв'язані єдиним винахідницьким задумом і разом забезпечують вирішення вищевказаного технічного завдання Короткий опис креслень Надалі винахід пояснюється кресленнями, описом конкретних варіантів його виконань із посиланнями на супутні креслення, на яких фіг 1 зображує конструкцію волоконного кон 8 вертора діаметра поля моди, розподіл електричного поля Е(г) по діаметру серцевини, залежності діаметра серцевини d та м показника заломлення п від z уздовж осі світловоду, фіг 2 зображує блок-схему пристрою для виготовлення волоконного конвертора діаметра поля моди за допомогою електричної дуги, фіг 3 зображує блок-схему пристрою для виготовлення волоконного конвертора діаметра поля моди за допомогою СО-лазера, фіг 4 зображує діаграму спрямованості випромінювання світловоду до проведення термодифузм, фіг 5 зображує діаграму спрямованості випромінювання світловоду після проведення термодифузм, фіг 6 зображує блок-схему пристрою для модуляції показника заломлення за допомогою електричної дуги, фіг 7 зображує блок-схему пристрою для модуляції показника заломлення за допомогою лазера, фіг 8 зображує характерний спектр пропускання створеної за допомогою термодифузм довгоперюдної решітки довжиною 20мм, фіг 9 зображує блок-схему пристрою, який реалізує спосіб виготовлення заготівок Опис варіантів здійснення винаходу Волоконний конвертор діаметра поля моди (фіг 1) містить відрізок волоконного світловоду 1 з оболонкою 2 і серцевиною 3, причому до кінця 4 відрізка світловоду 1 діаметр d серцевини 3 збільшується, а м ефективний показник заломлення п зменшується У пристрої для виготовлення волоконного конвертора діаметра поля моди за допомогою електричної дуги (фіг 2) електроди 5 із загостреними кінцями розташовані перпендикулярно осі відрізка волоконного світловоду 1 Світловод 1 закріплений фіксатором 6 Допоміжний СВІТЛОВОД 7 закріплений у трикоординатному мікрометричному позицюнері 8 за допомогою фіксатора 9 Переміщення електричної дуги 10 вздовж осі світловоду здійснюють транслятором 11 із кроковим двигуном 12 Електроди підключені до блоку живлення 13, що задає струм дуги Комп'ютер 14 управляє переміщенням електричної дуги та и струмом У пристрої для виготовлення волоконного конвертора діаметра поля моди за допомогою СОлазера 15 (фіг 3) пучок випромінювання 16 фокусують на світловод 1 лінзою 17 Регулятор потужності 18 змінює інтенсивність лазерного випромінювання 16 Транслятор 19 із кроковим двигуном 12 переміщає світловод 1 уздовж його осі відносно пучка випромінювання 16 Комп'ютер 14 управляє регулятором потужності 18 і переміщенням транслятора 19 Для визначення розміру моди вимірюють діаграму спрямованості випромінювання, яке виходить із волоконного конвертора (фіг 4 та 5) Пристрій (фіг 2), який реалізує спосіб, що заявляється, працює таким чином Світловод 1 зварюють за допомогою електричної дуги 10 із допоміжним світловодом 7, який спочатку юстирують за допомогою мікрометрично 47454 го позицюнера 8 Далі дугу локалізують на відрізку світловоду 1, у якому здійснюють термодифузію або переміщають уздовж нього Розмір області нагрівання при нерухомих електродах 5 становить 0,1-5мм в залежності від відстаней між електродами 5 і струму дуги 10 Час впливу електричної дуги 10 на локальну область світловоду 1 залежить від швидкості переміщення електродів 5 уздовж світловоду 1 Змінюючи ШВИДКІСТЬ переміщення дуги 10, можна варіювати закон, по якому змінюється діаметр серцевини 3 по довжині відрізка волоконного світловоду 1 у міру наближення до його кінця 4 Після проведення термодифузм світловод 1 сколюють перпендикулярно осі в області, ВІДПОВІДНІЙ необхідному розміру моди, поблизу області зварювання з допоміжним світловодом 7 Альтернативний пристрій (фіг 3), який реалізує даний спосіб, працює таким чином Світловод 1 зварюють за допомогою пучка лазерного випромінювання 16 із допоміжним світловодом 7, який спочатку юстирують, за допомогою мікрометричного позицюнера 8 Далі світловод 1 разом із допоміжним світловодом 9 переміщають за допомогою транслятора 19 уздовж їхньої осі щодо пучка лазерного випромінювання 16 Час впливу випромінюванням СО-лазера на локальну область світловоду 1 залежить від швидкості переміщення світловоду 1 щодо лазерного пучка 16 Змінюючи ШВИДКІСТЬ переміщення світловоду 1, можна варіювати закон, згідно з яким змінюється діаметр серцевини 3 по довжині відрізка волоконного світловоду 1 по мірі наближення до його кінця 4 Закон зміни діаметра серцевини 3 уздовж осі світловоду 1 також може бути заданий шляхом керування інтенсивністю лазерного випромінювання за допомогою регулятора потужності 18 при рівномірному переміщенні світловоду 1 відносного лазерного пучка 16 Розмір області нагрівання при нерухомому СВІТЛОВОДІ 1 може становити 0,0115мм у залежності від фокусної відстані лінзи 17 та м положення Після проведення термодифузм світловод 1 сколюють перпендикулярно осі в області, ВІДПОВІДНІЙ необхідному розміру моди, поблизу області зварювання із допоміжним світловодом 7 Для виключення перетворення моди серцевини в моди оболонки довжина відрізка світловоду L, на якому відбувається зміна діаметра моди, і діаметр серцевини d повинні бути зв'язані співвідношенням L » d Практично це забезпечується якщо І_>1мм Така плавна зміна діаметра серцевини забезпечується, якщо нерухому електричну дугу локалізують в області з розміром від 1мм до 5мм уздовж осі світловоду, варіюючи відстань між загостреними кінцями електродів 5 і струм електричної дуги 10, або дугу переміщають уздовж осі світловоду прогріваючи ділянку світловоду довжиною від 1 до 15мм Від відстані між електродами і струму дуги залежить також температура, до якої нагрівається відрізок світловоду 1 В залежності від типу легуючих домішок, як показав наш досвід, струм електричної дуги повинен бути від 5мА до 500мА Для забезпечення необхідної термодифузм тривалість впливу дуги 10 на світловод 1 повинна становити від 0,1 із до 600 хв , а швидкість переміщення дуги уздовж осі світловоду може 10 варіюватися від 1мкм/сдо 1см/с Стикування волоконного конвертора діаметра поля моди з іншими волоконними елементами полегшується внаслідок того, що профіль показника заломлення конвертора не містить ділянок із зниженим показником заломлення, неминучих при використанні фтору в якості однієї із легуючих домішок При цьому, як показав наш досвід, концентрація азоту повинна становити від 0,01 до 5ат % У пристрої для періодичної модуляції показника заломлення за допомогою електричної дуги (фіг 6) електроди 5 розташовані перпендикулярно осі волоконного світловоду 1 з оболонкою 2 і серцевиною 3 Світловод закріплений фіксаторами 6 та 9 Електроди підключені до блоку живлення 13, що задає струм електричної дуги 10 За допомогою транслятора 11 із кроковим двигуном 12, призначеного для переміщення електродів 5 уздовж осі світловоду, створюються періодичні локальні області 20, у яких через термодифузм показник заломлення серцевини відрізняється від його значення в областях, не схильних до термодифузм, як вказано на фіг 6 залежності показника заломлення серцевини п від координати z уздовж осі світловоду Для контролю модуляції показника заломлення пристрій (фіг 6) містить джерело білого світла 21 оптичний спектроаналізатор 22 Комп'ютер 14 управляє кроковим двигуном ^транслятора 11 і задає режим електричної дуги, керуючи блоком живлення 13 У пристрої для модуляції показника заломлення за допомогою лазера 15 (фіг 7) лазерне випромінювання 16 фокусують лінзою 17 на серцевину 3 волоконного світловоду 1 Час впливу задають оптичним затвором 23, а переміщення світловоду щодо лазерного пучка 16 - транслятором 19 із кроковим двигуном 12, який управляється комп'ютером 14 Суть даного винаходу полягає в новому механізмі модуляції показника заломлення серцевини З волоконного світловоду 1 Якщо в найближчому аналозі показник заломлення змінюється унаслідок фоторефрактивного ефекту при впливі ультрафіолетовим випромінюванням, то згідно з винаходом - через термодифузи елементів, що входять до складу серцевини 3 та/або оболонки 2 при нагріванні локальної ділянки світловоду 1 дуговим електричним розрядом 10 (фіг 6) або випромінюванням 16 інфрачервоного лазера 15 (фіг 7) Результатом дифузії є локальна зміна показника заломлення серцевини 3, тобто запис одного штриха решітки Цілком решітка формуються шляхом послідовного запису окремих штрихів при зміщенні області нагрівання уздовж осі волоконного світловоду 1 на довжину кратну періоду решітки Штрихи решітки можна записувати, послідовно зміщуючи волоконний світловод 1 щодо джерела нагрівання 10 (фіг 6) або 16 (фіг 7) або навпаки на один період решітки, на два періоди, проходячи ДВІЧІ ПО ОДНІЙ Й ТІЙ ЖЄ ДІЛЯНЦІ СВІТЛОВОДУ 1 І Т Д Температура і час запису штрихів решітки залежать від ХІМІЧНИХ складів серцевини 3 і оболонки 2 волоконного світловоду 1 і легко- можуть бути визначені за допомогою стандартних експериментів У кварцевих світловодах 1 із серцевиною З, легованою GeO2, дифузія Ge протікає ефективно 11 при температурах, вищих за 1400°С Повільне протікання дифузії призводить до великого часу запису, а висока температура, близька до температури плавлення S1O2, може призводити до деформацій волоконного світловоду 1 Від ЦЬОГО недоліку ВІЛЬНІ, зокрема, кварцові світловоди 1 із серцевиною 3 на основі оксинітриду кремнію S13N4 S1O2 або світловоди 1 із кварцовою серцевиною 3 і оболонкою 2, легованою фтором, оскільки коефіцієнти дифузії N та F у S1O2 значно вище, ніж для Ge Як наслідок, їх дифузія ефективно протікає при значно менших температурах, а для запису одного штриха решітки потрібен значно менший час Локальний нагрів волоконного світловоду 1 забезпечується дуговим електричним розрядом 10, аналогічним застосовуваному в установках для зварювання волоконних СВІТЛОВОДІВ Вибором відстані між електродами 5 і струму дуги 10 можна змінювати довжину зони нагрівання і температуру Зокрема, відстань між електродами 5 може знаходитися в інтервалі від D до 100D и більш, де D ЗОВНІШНІЙ діаметр оболонки 2 волоконного світловоду 1, а струм - від 5мА до 50мА і більше Для локального нагрівання може бути використаний лазер 15 із довжиною хвилі випромінювання 16, на якій матеріал світловоду 1 має значне поглинання, порядку 0 1-10см-1 Для цієї мети можуть бути застосовані інфрачервоні лазери, наприклад, СО-лазер із довжиною хвилі біля 5мкм, СОг -лазер із довжиною хвилі біля Юмкм, ербієвий лазер із довжиною хвилі 2,76мкм та гольмієвий лазер із довжиною хвиль 2,947мкм Хоча поглинання у чистому кварцовому склі на довжині хвилі випромінювання ербієвого лазера становить менше 5 10 2 см \ воно може бути збільшене на декілька порядків за рахунок лінії коливального поглинання ОН-зв'язку в кварцовому СВІТЛОВОДІ (довжина хвилі 2,76мкм), який містить воду За допомогою електричної дуги 10 може бути досягнутий мінімальний розмір області, що нагрівається, приблизно рівний зовнішньому діаметру волоконного світловоду 1, що становить 125мкм При впливі випромінюванням інфрачервоних лазерів цей розмір може становити менше Юмкм У довгоперюдних решітках через резонансний зв'язок мод серцевини 3 та оболонки 2 відбувається селективне перекачування енергії з моди серцевини 3 у моду оболонки 2 і и швидка дисіпація, у зовнішньому полімерному покритті, нанесеному поверх оболонки 2 Ці резонансні довжини хвиль визначаються періодом решітки і звичайно становлять 200-400мкм Саме наявність цього ефекту є доказом існування модуляції показника заломлення волоконного світловоду 1 У порівнянні з найближчим аналогом даний винахід має такі переваги Використання термодифузм дозволяє модулювати показник заломлення і у світловодах 1 зі слабким фоторефрактивним ефектом, Використовується просте у виготовленні і експлуатації, а, значить відносно дешеве джерело нагрівання - дуговий електричний розряд 10 або інфрачервоний лазер 15 Випромінювання 16 інфрачервоного лазера 15 і електричної дуги 10 більш безпечно для людини, 47454 12 ніж випромінювання ультрафіолетового лазера Спосіб, що заявляється, при використанні електричної дуги 10 (фіг 6) реалізується таким чином Волоконний світловод 1 із знятим полімерним захисним покриттям фіксують у затискачах 6 і 9, закріплених нерухомо, далі, за допомогою мікрометричного позицюнера 8 і крокового двигуна 12 роблять установку електродів 5 по осі z світловоду 1, що відповідає першій області зміни показника заломлення, після чого включають блок живлення 13 електричної дуги 10 і роблять нагрів світловоду 1 протягом заданого часу, після чого блок живлення 13 дуги 10 виключають Далі, за допомогою транслятора 11 із кроковим двигуном 12 роблять зміщення електродів 5 по осі z світловоду 1 на наступну область зміни показника заломлення, що відстоїть від першої на період модуляції показника заломлення, після чого знову включають блок живлення 13 електричної дуги 10 і роблять нагрів світловоду 1 протягом заданого часу, потім блок живлення 13 дуги 10 виключають Зазначені операції повторюють періодично так, щоб число їх повторень відповідало необхідному числу періодів модуляції показника заломлення серцевини 3 волоконного світловоду 1 Управління кроковим двигуном 12 транслятора 11 і блоком живлення 13 електричної дуги 10 із дотриманням необхідної ПОСЛІДОВНОСТІ і періодичності операцій здійснюють комп'ютером 14, при виконанні відповідної програми Для контролю процесу формування решітки показника заломлення реєструють спектр пропускання волоконного світловоду 1, схильного до нагрівання, за допомогою оптичного спектроаналізатору 22 і джерела білого світла 21 Процес може бути зупинений після досягнення необхідної глибини ПІКІВ поглинання, що відповідають резонансній взаємодії моди серцевини 3 з модами оболонки 2 Для періодичної модуляції показника заломлення за допомогою інфрачервоного лазера 15 використовують пристрій (фіг 7), де, на відміну від пристрою (фіг 6), світловод 1 фіксує у затискачах 6 та 9, закріплених на рухливій частині транслятора 19, який забезпечує переміщення волоконного світловоду 1 щодо пучка випромінювання 16 інфрачервоного лазера 15, що здійснює локальний нагрів світловоду 1 Пучок фокусують лінзою 17 і періодично переривають оптичним затвором 15 Пристрій (фіг 7) працює згідно з алгоритмом, аналогічно описаному вище пристрою (фіг 6) і який реалізується комп'ютером 14 На кресленні пристрою (фіг 9), що реалізує даний спосіб виготовлення заготівок волоконних СВІТЛОВОДІВ, показана опорна кварцова трубка 24, суміш молекулярних газових реагентів 25, зона осадження 26, НВЧ-потужність 27, яка подається за допомогою хвилеводу 28 у кільцевий зазор 29, поверхнева плазмова хвиля ЗО, узгоджувальний пристрій 31 з поршнем 32 і плазмовий стовп 33 Суміш молекулярних газових реагентів 25 складу SiCU + О2 + N2 поступає в опорну трубку 24 із кварцового скла під тиском декількох мм рт ст З протилежного боку до трубки 24 підводять НВЧпотужність 27, під дією якої в суміші підтримується стаціонарний розряд, формуючи плазмовий стовп 33 В якості реагентів 25 використовують осушені 14 13 47454 кисень та азот разом із тетрахлоридом кремнію діаметру моди 43мкм Реагенти 25, попадаючи в область плазмового Таким чином, використання винаходів, що застовпа 33, зазнають ХІМІЧНИХ перетворень завдяки являються, дозволило збільшити діаметр моди з появі у суміші активних радикалів, які "напрацьо4,9мкм до 43мкм Виготовлення волоконного конвуються" у суміші з незбуджених молекул при їх вертора діаметра поля моди в порівнянні з найвзаємодії з "гарячими електронами" плазми У реближчим аналогом за рахунок зменшення необзультаті тетрахлорид кремнію перетворюється в хідних технологічних операцій значно оксид кремнію, який адсорбувається стінками опоспрощується Завдяки використанню допоміжного рної кварцової трубки 24 і доокиснюється в ресвітловоду 7, що підварюється до світловоду 1, зультаті гетерогенної реакції за участю азотякий піддається термодифузм, цілком усунуті девміщуючих радикалів, до дюксиду кремнію, форформації світловоду 1 при проведенні термодифумуючи таким чином зону осадження 26 легованого зм, яка є у найближчому аналозі наслідком релаккварцового скла Міняючи довжину плазмового сації напруг Волоконний конвертор моди, стовпа 33 зміною НВЧ-потужності 27, що підвовиконаний згідно з винаходом, у ВІДМІННОСТІ ВІД диться, можна реалізувати режим сканування зони найближчого аналогу не має в профілі показника осадження 26 уздовж опорної кварцової трубки 24 заломлення областей із зниженим показником і тим самим здійснити режим пошарового осазаломлення, що робить його цілком сумісним із дження скла на м внутрішній поверхні стандартними Коефіцієнт термодифузм азоту в кварцовому склі набагато вище коефіцієнту термодифузи германію Цим спрощується технологія виготовлення конвертора, оскільки, на відміну від найближчого аналога, відпадає необхідність уведення додаткової домішки з високим коефіцієнтом термодифузм для одержання розширювальної серцевини З (фіг 1) і, крім того, зменшується тривалість процесу термодифузм По закінченні процесу осадження опорна кварцова трубка 24 із нанесеним на внутрішню поверхню шаром легованого азотом скла схлопується в стрижень при нагріванні в полум'ї пальника З отриманої таким чином заготівки витягають одномодовий світловод 1 З кварцового волоконного світловоду 1 з серцевиною 3, легованою азотом, виготовили волоконний конвертор, який збільшує діаметр моди приблизно на порядок Концентрация азоту в серцевині 3 становила 1ат% Вихідний світловод 1 мав діаметр серцевини 3, рівний 4,5мкм з різницею показників заломлення серцевини 3 і оболонки 2, що становить Дп=0 012 Розмір області, що прогрівається нерухомою дугою становив 0,3 мм, струм електричної дуги - 14мА, довжина ділянки світловоду, що прогрівається - 5мм Швидкість переміщення дуги поступово змінювали від 500мкм/сек до Юмкм/сек по мірі переміщення до місця зварювання світловоду 1 із допоміжним світловодом 7 Тривалість впливу становила 1 хв У процесі проведення термодифузм не спостерігалося будь-яких деформацій світловоду, оскільки світловод 1 був закріплений лише в одній точці фіксатором 6, а з іншого боку зварений із допоміжним світловодом 7, який спочатку юстирують за допомогою мікрометричного позицюнера 8 (фіг 2) Діаметр моди розраховувався з діаграми спрямованості випромінювання, що виходить з світловоду, яке вводиться від лазерного діода з протилежного торця На фіг 4 показана діаграма спрямованості випромінювання світловоду 1 до проведення термодифузм Видно, що м ширина за рівнем половинної інтенсивності становить 7,1°, що відповідає діаметру моди світловоду 4 9мкм На фіг 5 вказана діаграма спрямованості випромінювання світловоду після проведення термодифузм Видно, що м ширина за рівнем половинної інтенсивності зменшилася до 0,8° що відповідає Записували також довгоперюдні решітки в кварцовому волоконному СВІТЛОВОДІ 1 із серцевиною 3 із S13N4 S1O2 діаметром 4,5мкм і оболонкою 2 із S1O2 діаметром 120мкм, різницею показників заломлення серцевини і оболонки Дп=0,012, причому концентрація азоту становила 1 атом % У першому варіанті джерелом нагрівання був дуговий електричний розряд 10 (фіг 6) Дугу 10 переміщали уздовж осі світловоду 1 за допомогою транслятора 6 на відстань 250мкм, контрольовану 3 точністю Юмкм Відстань між електродами 5 і струм дуги 10 вибирали рівними 150мкм і 5мА ВІДПОВІДНО, так що розмір області 20, де показник заломлення змінився, приблизно рівнявся діаметру світловоду 1 Цей розмір контролювали за допомогою мікроскопа по характерному розмірі області СВІТІННЯ серцевини 3, який рівняється біля 120мкм Час запису кожного штриха становив 1сек Крок решітки - 250мкм, загальне число штрихів - 80 Спектр пропускання (фіг 8) контролювали за допомогою оптичного спектроаналізатора 22 На спектрі видно сім ПІКІВ поглинання, які відповідають резонансному перекачуванню моди сердцевини 3 в осісиметричні моди оболонки 2, що мають різні поперечні індекси Це однозначно свідчить про періодичну модуляцію показника заломлення сердцевнни 3 волоконного світловоду 1 і формування довгоперюдної решітки показника заломлення серцевини З Для виготовлення заготівки, для волоконного світловоду 1 з оболонкою 2 із нелегованого кварцового скла, серцевиною 3 із скла, легованого азотом, і розміром Дп=0 02 опорну кварцову трубку 24 діаметром 20мм і товщиною стінок 2мм нагрівають до температури 1300°С В опорну трубку 24 подають суміш 25 складу SiCU + О2 + N2 при повному тиску І м м р т с т НВЧ-потужність 27 змінюють у діапазоне 1 -5кВт Необхідний рівень легування скла азотом одержують при співвідношенні масових витрат [SiCI4] [О2]=0,92 та [О2] [N2]=0,5 При цьому відношення кількостей атомів кисню і кремнію, які надходять у реактор в одиницю часу становить 2,2, а атомів азоту і кисню - 2 Для виготовлення заготівки для волоконного світловоду 1 з оболонкою 2 із нелегованого кварцового скла, серцевиною 3 із скла, легованого азотом, і розміром Дп=0 01, опорну трубку 24 діамет 15 ФІГ. 1 16 47454 ром 20мм і товщиною стінок 2мм нагрівають до температури 1300°С В опорну трубку 24 подають суміш 25 складу SiCU + О2 + N2 при повному тиску 1мм рт ст НВЧ-потужність 27 змінюють у діапазоне 1-5кВт Необхідний рівень легування скла азотом одержують при співвідношенні масових витрат [SiCI4] [О2]=0,76 та [О2] [N2]=0,5 При цьому відношення кількостей атомів кисню й кремнію, які надходять у реактор в одиницю часу становить 2,6, а азоту і кисню - 2 Промислове застосування Винаходи стосуються області волоконної оптики і промислово застосовні у волоконних коліматорах випромінювання, пристроях стикування волоконних СВІТЛОВОДІВ, спектральних фільтрах, оптичних ізоляторах, довгоперюдних решіток, компенсаторах дисперсії, каскадних конверторах на змушеному комбінаційному розсіюванні, у датчиках фізичних величин (показника заломлення, температури, напруг і т д ), елементах для придушення випромінювання на заданих довжинах хвиль, наприклад, піка посиленої спонтанної люмінесценції на довжині хвилі 1,53мкм у ербієвих волоконних підсилювачах, спонтанної люмінесценції в області 1,06мкм у неодимових підсилювачах і лазерах, що працюють у інших спектральних діапазонах, а також для згладжування спектра посилення ербієвих волоконних підсилювачів, використовуваних, зокрема, у системах із спектральним ущільненням каналів ФІГ, 2 47454 17 18 ФІГ. 6 ФІГ. З ФІГ. 4 ФІГ. 7 ФІГ. 5 -10 19 47454 20 ФІГ. 8 ФІГ, 9 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71