АНИЗОТРОПНЫЙ ОДНОМОДОВЫЙ СВЕТОВОД С ЭЛЛИПТИЧНОЙ ГЕРМАНОСИЛИКАТНОЙ СЕРДЦЕВИНОЙ И ДЕПРЕССИРОВАННОЙ ОБОЛОЧКОЙ
УДК 681.7.068
АНИЗОТРОПНЫЙ ОДНОМОДОВЫЙ СВЕТОВОД С ЭЛЛИПТИЧНОЙ ГЕРМАНОСИЛИКАТНОЙ СЕРДЦЕВИНОЙ И ДЕПРЕССИРОВАННОЙ ОБОЛОЧКОЙ
© 2014 г.
М. А. Бисярин*, доктор физ-мат. наук; С. В. Буреев**, аспирант; М. А. Ероньян**, доктор техн. наук; А. В. Комаров**; А. Ю. Кулеш***; Л. Г. Левит**, канд. хим. наук; И. К. Мешковский***, доктор техн. наук; Е. Ю. Уткин***; А. В. Хохлов**
*Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург
**Научно-исследовательский и технологический институт оптического материаловедения ВНЦ «ГОИ им. С. И. Вавилова», Санкт-Петербург
***Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий механики и оптики, Санкт-Петербург
Е-mail: eronyan@mail.ru
Исследованы свойства анизотропных одномодовых волоконных световодов с эллиптичной высоколегированной германием сердцевиной и эллиптичной оболочкой, легированной фтором. При разности показателей преломления сердцевины и оболочки, равной 0,033, и соотношении осей сердцевины около 2 двулучепреломление примерно составляет 0,00037. Изготовленные световоды, несмотря на дифференциальные оптические потери ортогональных мод на вытекание излучения, отличаются низким уровнем поляризационной устойчивости. Степень сохранения поляризации излучения в них (≈ 0,003 м–1) на два порядка хуже, чем у световодов промышленного производства, что обусловлено, вероятно, локальной микродеформацией низковязкого стекла сердцевины.
Ключевые слова: анизотропный одномодовый световод, эллиптичная сердцевина, депрессированная оболочка, двулучепреломление, длина биений.
Коды OCIS: 060.2420
Поступила в редакцию 05.10.2013
Одной из наиболее важных характеристик кварцевых анизотропных одномодовых волоконных световодов (АОВС) является сохранение поляризации излучения, что обеспечивается двулучепреломлением материала сердцевины. Существуют два принципиально разных по конструкции и технологии изготовления типа таких оптических волокон. Наиболее распространенный способ их изготовления реализует двулучепреломление за счет анизотропии механических напряжений в световодах типа «Panda», «Bow-tie» и с эллиптичной напрягающей оболочкой. Другой существенно менее трудоемкий метод изготовления АОВС обеспечивает двулучепреломление за счет создания эллиптичной формы сердцевины и повышенного содержания диоксида германия GeO2 в ней [1]. Последний тип световодов выгодно отличается от предыдущих оптической и поляризацион-
ной устойчивостью при изгибе волокна и изменении температуры, однако имеет очень высокие оптические потери, на уровне 40 дБ/км [2]. Этот недостаток долгое время сдерживал освоение технологии таких световодов промышленностью.
В настоящее время разработаны практические рекомендации по существенному снижению оптических потерь одномодовых световодов с высоким содержанием GeO2 [3], что стимулирует дальнейшее развитие АОВС с эллиптичной сердцевиной. Степень сохранения поляризации излучения в них можно повысить за счет вытекания одной из ортогональных мод при наличии вокруг сердцевины эллиптичной депрессированной оболочки [4]. Здесь уместно отметить, что в опубликованных работах по изучению АОВС с эллиптичной германосиликатной сердцевиной много внимания уделено
“Оптический журнал”, 81, 2, 2014
73
повышению двулучепреломления, однако данных по степени сохранения поляризации не представлено.
Целью настоящей работы является изготовление и исследование поляризационных свойств АОВС с эллиптичной германосиликатной сердцевиной и эллиптичной депрессированной оболочкой.
Заготовку для вытягивания световодов изготавливали модифицированным методом химического парофазного осаждения. На внутреннюю поверхность кварцевой трубки осаждались слои легированного кварцевого стекла оболочки и сердцевины с последующим высокотемпературным сжатием трубки в круглую заготовку. При осаждении слоев оболочки парогазовая смесь (ПГС) содержала SiCl4, SiF4 и кислород. В качестве газа-носителя паров SiCl4 использовали SiF4, обеспечивая тем самым повышенное содержание фтора в газовой фазе. Стекло сердцевины легировалось диоксидом германия при дополнительном введении в ПГС около 1 об % фреона-12 (СF2Cl2). Разность показателей преломления (Dn), измеренная на рефрактометре Р101, сердцевины и депрессированной оболочки относительно показателя преломления кварцевого стекла наружной оболочки составила 0,025 и −0,0085. Легирование оболочки фтором позволяет понизить содержание GeO2 в сердцевине при заданном значении Dn, равном 0,033, обеспечивая тем самым снижение оптических потерь.
С двух противоположных сторон круглой
заготовки нарезались канавки (рис. а). В про-
цессе высокотемпературного округления заго-
товки сердцевина и депрессированная оболочка
принимали эллиптичную форму. Соотношение
осей эллипса равно 2 (0,77/0,38 мм) в сердце-
вине и 1,3 (6,88/5,37 мм) в оболочке (рис. б).
Дальнейшее повышение эллиптичности серд-
цевины нецелесообразно, так как двулучепре-
ломление в этом случае будет зависеть только от (Dn)2 [3].
Из заготовки вытягивались два АОВС со
скоростью 60 м/мин при температуре графито-
вого нагревателя печи нагрева заготовок 1950 и 2100 оС. Для обеспечения одномодового режи-
ма распространения излучения на длине вол-
ны 1,55 мкм волокно имело диаметр 60 мкм.
Световоды защищались эпоксиакрилатным по-
крытием толщиной 40 мкм.
Исследованы следующие свойства АОВС:
длина волны отсечки высшей моды (lс) методом изгиба, длина биений ортогональных мод (Lb) методом сканирования по оптическому спектру и поляризующие свойства по соотношению мощностей излучения (Рх/Ру) на выходе из световода.
Длина волны отсечки слабо увеличивается с температурой нагрева заготовки: при 1950 оС − lс = 1,29 мкм, а при 2100 оС − lс = 1,34 мкм. Это явление обусловлено, вероятно, увеличени-
ем диаметра сердцевины световода из-за диф-
фузии германия.
(а) (б) 1Y
22
3 4
Х
Поперечное сечение заготовки световода после нарезания канавок (а) и после округления (б). 1 – конструктивная оболочка, 2 – депрессированная оболочка, 3 – нарезанная канавка, 4 – сердцевина.
74 “Оптический журнал”, 81, 2, 2014
Длина биений ортогональных мод не зависит от такого изменения температуры вытягивания и равна 4 мм при длине волны, равной l = 1,5 мкм, что определяет высокий уровень двулучепреломления (B)
B = l/Lb ≈ 0,00037.
Такое значение B соответствует характеристикам АОВС промышленного производства. Здесь целесообразно отметить, что в световодах с эллиптичной напрягающей оболочкой двулучепреломление существенно зависит от температуры вытягивания [5].
Несмотря на довольно высокий уровень двулучепреломления, поляризационная устойчивость излучения в исследуемых световодах оказалась низкой. Степень сохранения поляризации излучения (h) Х-моды была на уровне 0,003 м−1. Это существенно хуже характеристик аналогичных АОВС с эллиптичной напрягающей оболочкой, у которых параметр h равен (5−7)×10−5 м−1 при диаметре волокна 40 мкм и однослойном полимерном покрытии [6]. Слабая поляризационная устойчивость ис-
следуемых АОВС обусловлена, вероятно, низкой вязкостью сердцевины и, как следствие, ее локальной деформацией высоковязкими неоднородностями кварцевого стекла конструктивной оболочки.
Повышенные оптические потери на вытекание Y-моды создают поляризующий эффект исследуемых световодов: соотношение мощностей излучения (Рx/Рy) на выходе из волокна длиной 100 м составляет 0,5 при равномерном возбуждении мод на входе.
Таким образом, результаты настоящих исследований показали, что в АОВС с эллиптичной высоколегированной германием сердцевиной и эллиптичной депрессированной оболочкой достигается достаточно высокий уровень двулучепреломления, однако степень сохранения поляризации излучения в них существенно хуже, чем у световодов типа “Panda”, “Bowtie” и с эллиптичной напрягающей оболочкой.
Настоящая работа выполнена в НИУ ИТМО при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (проект № 02.G25.31.0044).
* * * * *
ЛИТЕРАТУРА
1. Dyott R.B., Cozens J.R., Morris D.G. Preservation of polarisation in optical-fiber waveguides with elliptical cores // Electron. Lett. 1979. V. 15. P. 380−382.
2. Payne D.N., Barlow A.J., Ramskov H.J.J. Development of low and high-birefrigence optical fibers // IEEE Transactions on microwave theory and techniques. 1982. V. MTT-30. № 4. P. 323−334.
3. Лихачев М.Е., Бубнов М.М., Семенов С.Л., Хопин В.Ф., Салганский М.Ю., Гурьянов А.Н., Дианов Е.М. Оптические потери в одномодовых и многомодовых световодах с высокой концентрацией GeO2 и P2O5 // Квант. электрон. 2004. Т. 34. № 3. С. 241−246.
4. Marrone M.J. Polarisation holding in long-length polarizing fibers // Electron. Lett. 1985. V. 21. № 6. P. 244−245.
5. Андреев А.Г., Буреев С.В., Ероньян М.А., Комаров А.В., Крюков И.И., Мазунина Т.В., Полосков А.А., Тер-Нерсесянц Е.В., Цибиногина М.К. Повышение двулучепреломления в анизотропных одномодовых волоконных световодах с эллиптичной напрягающей оболочкой // Оптический журнал. 2012. Т. 79. № 9. С. 107−109.
6. Буреев С.В., Дукельский К.В., Ероньян М.А., Злобин П.А., Комаров А.В., Левит Л.Г., Страхов В.И., Хохлов А.В. Технология крупногабаритных заготовок анизотропных одномодовых световодов с эллиптической оболочкой // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 4. С. 85−87.
“Оптический журнал”, 81, 2, 2014
75
АНИЗОТРОПНЫЙ ОДНОМОДОВЫЙ СВЕТОВОД С ЭЛЛИПТИЧНОЙ ГЕРМАНОСИЛИКАТНОЙ СЕРДЦЕВИНОЙ И ДЕПРЕССИРОВАННОЙ ОБОЛОЧКОЙ
© 2014 г.
М. А. Бисярин*, доктор физ-мат. наук; С. В. Буреев**, аспирант; М. А. Ероньян**, доктор техн. наук; А. В. Комаров**; А. Ю. Кулеш***; Л. Г. Левит**, канд. хим. наук; И. К. Мешковский***, доктор техн. наук; Е. Ю. Уткин***; А. В. Хохлов**
*Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург
**Научно-исследовательский и технологический институт оптического материаловедения ВНЦ «ГОИ им. С. И. Вавилова», Санкт-Петербург
***Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий механики и оптики, Санкт-Петербург
Е-mail: eronyan@mail.ru
Исследованы свойства анизотропных одномодовых волоконных световодов с эллиптичной высоколегированной германием сердцевиной и эллиптичной оболочкой, легированной фтором. При разности показателей преломления сердцевины и оболочки, равной 0,033, и соотношении осей сердцевины около 2 двулучепреломление примерно составляет 0,00037. Изготовленные световоды, несмотря на дифференциальные оптические потери ортогональных мод на вытекание излучения, отличаются низким уровнем поляризационной устойчивости. Степень сохранения поляризации излучения в них (≈ 0,003 м–1) на два порядка хуже, чем у световодов промышленного производства, что обусловлено, вероятно, локальной микродеформацией низковязкого стекла сердцевины.
Ключевые слова: анизотропный одномодовый световод, эллиптичная сердцевина, депрессированная оболочка, двулучепреломление, длина биений.
Коды OCIS: 060.2420
Поступила в редакцию 05.10.2013
Одной из наиболее важных характеристик кварцевых анизотропных одномодовых волоконных световодов (АОВС) является сохранение поляризации излучения, что обеспечивается двулучепреломлением материала сердцевины. Существуют два принципиально разных по конструкции и технологии изготовления типа таких оптических волокон. Наиболее распространенный способ их изготовления реализует двулучепреломление за счет анизотропии механических напряжений в световодах типа «Panda», «Bow-tie» и с эллиптичной напрягающей оболочкой. Другой существенно менее трудоемкий метод изготовления АОВС обеспечивает двулучепреломление за счет создания эллиптичной формы сердцевины и повышенного содержания диоксида германия GeO2 в ней [1]. Последний тип световодов выгодно отличается от предыдущих оптической и поляризацион-
ной устойчивостью при изгибе волокна и изменении температуры, однако имеет очень высокие оптические потери, на уровне 40 дБ/км [2]. Этот недостаток долгое время сдерживал освоение технологии таких световодов промышленностью.
В настоящее время разработаны практические рекомендации по существенному снижению оптических потерь одномодовых световодов с высоким содержанием GeO2 [3], что стимулирует дальнейшее развитие АОВС с эллиптичной сердцевиной. Степень сохранения поляризации излучения в них можно повысить за счет вытекания одной из ортогональных мод при наличии вокруг сердцевины эллиптичной депрессированной оболочки [4]. Здесь уместно отметить, что в опубликованных работах по изучению АОВС с эллиптичной германосиликатной сердцевиной много внимания уделено
“Оптический журнал”, 81, 2, 2014
73
повышению двулучепреломления, однако данных по степени сохранения поляризации не представлено.
Целью настоящей работы является изготовление и исследование поляризационных свойств АОВС с эллиптичной германосиликатной сердцевиной и эллиптичной депрессированной оболочкой.
Заготовку для вытягивания световодов изготавливали модифицированным методом химического парофазного осаждения. На внутреннюю поверхность кварцевой трубки осаждались слои легированного кварцевого стекла оболочки и сердцевины с последующим высокотемпературным сжатием трубки в круглую заготовку. При осаждении слоев оболочки парогазовая смесь (ПГС) содержала SiCl4, SiF4 и кислород. В качестве газа-носителя паров SiCl4 использовали SiF4, обеспечивая тем самым повышенное содержание фтора в газовой фазе. Стекло сердцевины легировалось диоксидом германия при дополнительном введении в ПГС около 1 об % фреона-12 (СF2Cl2). Разность показателей преломления (Dn), измеренная на рефрактометре Р101, сердцевины и депрессированной оболочки относительно показателя преломления кварцевого стекла наружной оболочки составила 0,025 и −0,0085. Легирование оболочки фтором позволяет понизить содержание GeO2 в сердцевине при заданном значении Dn, равном 0,033, обеспечивая тем самым снижение оптических потерь.
С двух противоположных сторон круглой
заготовки нарезались канавки (рис. а). В про-
цессе высокотемпературного округления заго-
товки сердцевина и депрессированная оболочка
принимали эллиптичную форму. Соотношение
осей эллипса равно 2 (0,77/0,38 мм) в сердце-
вине и 1,3 (6,88/5,37 мм) в оболочке (рис. б).
Дальнейшее повышение эллиптичности серд-
цевины нецелесообразно, так как двулучепре-
ломление в этом случае будет зависеть только от (Dn)2 [3].
Из заготовки вытягивались два АОВС со
скоростью 60 м/мин при температуре графито-
вого нагревателя печи нагрева заготовок 1950 и 2100 оС. Для обеспечения одномодового режи-
ма распространения излучения на длине вол-
ны 1,55 мкм волокно имело диаметр 60 мкм.
Световоды защищались эпоксиакрилатным по-
крытием толщиной 40 мкм.
Исследованы следующие свойства АОВС:
длина волны отсечки высшей моды (lс) методом изгиба, длина биений ортогональных мод (Lb) методом сканирования по оптическому спектру и поляризующие свойства по соотношению мощностей излучения (Рх/Ру) на выходе из световода.
Длина волны отсечки слабо увеличивается с температурой нагрева заготовки: при 1950 оС − lс = 1,29 мкм, а при 2100 оС − lс = 1,34 мкм. Это явление обусловлено, вероятно, увеличени-
ем диаметра сердцевины световода из-за диф-
фузии германия.
(а) (б) 1Y
22
3 4
Х
Поперечное сечение заготовки световода после нарезания канавок (а) и после округления (б). 1 – конструктивная оболочка, 2 – депрессированная оболочка, 3 – нарезанная канавка, 4 – сердцевина.
74 “Оптический журнал”, 81, 2, 2014
Длина биений ортогональных мод не зависит от такого изменения температуры вытягивания и равна 4 мм при длине волны, равной l = 1,5 мкм, что определяет высокий уровень двулучепреломления (B)
B = l/Lb ≈ 0,00037.
Такое значение B соответствует характеристикам АОВС промышленного производства. Здесь целесообразно отметить, что в световодах с эллиптичной напрягающей оболочкой двулучепреломление существенно зависит от температуры вытягивания [5].
Несмотря на довольно высокий уровень двулучепреломления, поляризационная устойчивость излучения в исследуемых световодах оказалась низкой. Степень сохранения поляризации излучения (h) Х-моды была на уровне 0,003 м−1. Это существенно хуже характеристик аналогичных АОВС с эллиптичной напрягающей оболочкой, у которых параметр h равен (5−7)×10−5 м−1 при диаметре волокна 40 мкм и однослойном полимерном покрытии [6]. Слабая поляризационная устойчивость ис-
следуемых АОВС обусловлена, вероятно, низкой вязкостью сердцевины и, как следствие, ее локальной деформацией высоковязкими неоднородностями кварцевого стекла конструктивной оболочки.
Повышенные оптические потери на вытекание Y-моды создают поляризующий эффект исследуемых световодов: соотношение мощностей излучения (Рx/Рy) на выходе из волокна длиной 100 м составляет 0,5 при равномерном возбуждении мод на входе.
Таким образом, результаты настоящих исследований показали, что в АОВС с эллиптичной высоколегированной германием сердцевиной и эллиптичной депрессированной оболочкой достигается достаточно высокий уровень двулучепреломления, однако степень сохранения поляризации излучения в них существенно хуже, чем у световодов типа “Panda”, “Bowtie” и с эллиптичной напрягающей оболочкой.
Настоящая работа выполнена в НИУ ИТМО при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (проект № 02.G25.31.0044).
* * * * *
ЛИТЕРАТУРА
1. Dyott R.B., Cozens J.R., Morris D.G. Preservation of polarisation in optical-fiber waveguides with elliptical cores // Electron. Lett. 1979. V. 15. P. 380−382.
2. Payne D.N., Barlow A.J., Ramskov H.J.J. Development of low and high-birefrigence optical fibers // IEEE Transactions on microwave theory and techniques. 1982. V. MTT-30. № 4. P. 323−334.
3. Лихачев М.Е., Бубнов М.М., Семенов С.Л., Хопин В.Ф., Салганский М.Ю., Гурьянов А.Н., Дианов Е.М. Оптические потери в одномодовых и многомодовых световодах с высокой концентрацией GeO2 и P2O5 // Квант. электрон. 2004. Т. 34. № 3. С. 241−246.
4. Marrone M.J. Polarisation holding in long-length polarizing fibers // Electron. Lett. 1985. V. 21. № 6. P. 244−245.
5. Андреев А.Г., Буреев С.В., Ероньян М.А., Комаров А.В., Крюков И.И., Мазунина Т.В., Полосков А.А., Тер-Нерсесянц Е.В., Цибиногина М.К. Повышение двулучепреломления в анизотропных одномодовых волоконных световодах с эллиптичной напрягающей оболочкой // Оптический журнал. 2012. Т. 79. № 9. С. 107−109.
6. Буреев С.В., Дукельский К.В., Ероньян М.А., Злобин П.А., Комаров А.В., Левит Л.Г., Страхов В.И., Хохлов А.В. Технология крупногабаритных заготовок анизотропных одномодовых световодов с эллиптической оболочкой // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 4. С. 85−87.
“Оптический журнал”, 81, 2, 2014
75