Влияние тепловой обработки на двулучепреломление анизотропных одномодовых световодов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГУП «НИТИОМ ВНЦ «ГОИ им. С.И. Вавилова», С-Петербург, Россия

Влияние тепловой обработки на двулучепреломление анизотропных одномодовых световодов

К.В. Дукельский, М.А. Ероньян,

А.В. Комаров, А.Г. Андреев,

И.И. Крюков, М.К. Цибиногина

Исследовано влияние тепловой обработки на длину биений ортогональных мод анизотропных одномодовых кварцевых волоконных световодов с напрягающими элементами на основе боросиликатного стекла. С понижением температуры в диапазоне 450-300^оС двулучепреломление таких оптических волокон растет, достигая значения 0,0013.

Одной из наиболее важных характеристик анизотропных одномодовых кварцевых световодов является поляризационная устойчивость, для повышения которой необходимо увеличивать двулучепреломление. Это достигается отжигом стекловолокна при 400 - 550 ^оС ¹ в процессе его вытягивания. Специфика структурных преобразований в боросиликатном стекле свидетельствует о целесообразности снижения температуры такого процесса, что приводит к усилению структурных преобразований, однако связано с увеличением длительности достижения равновесного состояния². Снижение температуры до уровня 420-300^о С позволит проводить такую обработку световодов после нанесения полимерного покрытия, которое в инертной среде карбонизуется и способствует упрочнению оптического волокна³

Цель работы заключалась в исследовании влияния температурно-временных режимов такой обработки на длину биений анизотропных одномодовых световодов, изготовленных по ТУ ЯЕИЛ.48-2008. Их эллиптическая оболочка разделена на два изолированных сектора (рис. 1), что повышает уровень гидростатической компоненты в анизотропии напряженного состояния.

Рис. 1 Конструкция анизотропного одномодового световода с эллиптической напрягающей оболочкой, разделенной на два изолированных сектора.

Стекловолокна диаметром 125 мкм имели двойную эпоксиакрилатную оболочку толщиной ? 60 мкм. Длина волны отсечки высших мод была в пределах 1,35 - 1,45 мкм. Двулучепреломление (В) рассчитывали на основании длины биений (L_b), которую измеряли методом спектрального сканирования при длине волны л 1,5 мкм:

В= л/ L_b.

Эксперименты по влиянию температурно-временных параметров на длину биений проводили динамическим и статическим методами.

В первом методе измерения проводили в процессе нагрева и охлаждения отдельного участка ( 120 мм) исследуемого световода общей длиной около 500 мм. Нагревали волокно со скоростью 3 ^оС/мин. Охлаждение до комнатной температуры осуществляли отключением печи нагрева. Статический метод отличался от предыдущего тем, что световоды целиком выдерживали при постоянной температуре, измеряя периодически через некоторый промежуток времени длину биений при комнатной температуре.

Результаты первого метода исследований (рис. 2) свидетельствуют том, что световоды с напрягающей оболочкой из кварцевого стекла, легированного совместно оксидами бора и германия, имеют такой же характер температурной зависимости длины биений, как и световоды с боросиликатной напрягающей оболочкой¹.

На начальном участке нагрева до 100 ^оС длина биений незначительно уменьшается. Это пока не объяснимое явление наблюдается при нагреве световодов как с полимерным покрытием, так и при его отсутствии. С последующим нагревом длина биений линейно растет, что обусловлено ослаблением анизотропии упругих напряжений, возникающих из-за разницы коэффициентов термического расширения структурных элементов световода.

Рис. 2 Влияние температуры динамического метода тепловой обработки световодов на длину биений ортогональных мод.

При температуре около 300 ^оС наблюдается отклонение от линейного роста длины биений, что связано с началом структурных преобразований в стекле борсодержащей напрягающей оболочки.

В диапазоне 500-600 ^оС происходят структурные преобразования в размягченном стекле напрягающей оболочки. Повышается гидростатическая компонента анизотропии напряжений в упругой среде стекла сердцевины⁴, что приводит к снижению длины биений ортогональных мод.

Дальнейший подъем температуры до 800 ^оС ведет к резкому снижению величины двулучепреломления из-за размягчения стекла сердцевины.

После резкого охлаждения световода до комнатной температуры величина длины биений была близка к исходному значению, в то время как при длительном процессе остывания печи наблюдалось повышение двулучепреломления.

В динамическом методе исследований только часть световода подвергалась нагреву. Поэтому измеряемая величина длины биений не равна длине биений участка волокна, подвергнутого тепловой обработки. Этот метод дает только качественную картину.

Истинное значение длины биений определяли статическим методом, когда весь световод подвергали нагреву в муфельной печи с удлиненной зоной нагрева 800 мм. После определенного времени тепловой обработки при температурах 350, 400 и 450^оС в среде аргона световоды извлекали из печи и измеряли в них длину биений. Эти эксперименты показали (рис. 3), что с понижением температуры отжига длина биений уменьшается, однако длительность достижения ее постоянного значения увеличивается.

Рис. 3 Влияние температуры статического метода обработки световодов на длину биений ортогональных мод.

В работе² установлено, что для достижения равновесной структуры боросиликатного стекла при температуре 370 ^оС требуется выдержка в течение не менее 67 часов. Наши эксперименты показали, что после 48 часовой тепловой обработке при 370 ^оС и самопроизвольном остывании печи достигается стабильное значение двулучепреломления, равное 0,0013, при исходной величине 0,00081. То есть такой тепловой обработкой можно повысить двулучепреломление анизотропных световодов с эллиптической напрягающей оболочкой на 60 %.

Подобным способом исследовано также изменение длины биений анизотропного одномодового световода типа «PANDA», изготовленного японской фирмой «Fujikura». Диаметр стекловолокна был такой же, как и у наших световодов (125 мкм). После такой же тепловой обработки длина биений ортогональных мод снизилась с 3,9 до 2,22 мм на длине волны 1,55 мкм, что привело к повышению двулучепреломления на 75 % с 0,0004 до 0,0007.

Экспериментальные результаты динамического метода в процессе нагрева волокна (рис. 2) показали, что структурные изменения в напрягающей оболочке начинаются при 300 ^оС. Тепловая обработка световода при столь низкой температуре должна дать наибольший эффект по повышению двулучепреломления. Действительно, статический метод обработка световодов при 300^о С приводил к снижению длины биений, однако достижение равновесного состояния напрягающей оболочки требует очень длительной обработки (более 100 часов), что ставит под сомнение целесообразность проведения процесса при таких температурах.

Таким образом, тепловая обработка анизотропных световодов с эллиптической напрягающей оболочкой позволяет на 60 % повысить двулучепреломление и достичь особо высокого значения, равного 0,0013. Для световодов типа «PANDA» эффект от такой операции несколько выше (75 %), однако достигнутое значение двулучепреломления (0,0007) существенно ниже. Такие результаты являются следствием разной структуры световодов, определяющих повышенный гидростатический вклад в анизотропию напряжений при эллиптической напрягающей оболочке, разделенной на два изолированных сектора, по сравнению с напрягающими элементами круглой формы.

Результаты экспериментов показали также доминирующее влияние структурных преобразований в боросиликатном стекле на двулучепреломление по сравнению с механизмом возникновения анизотропии напряжений, обусловленной повышенным коэффициентом термического расширения напрягающих элементов.

анизотропный световод тепловой двулучепреломление

Литература

1. A. Ourmazd, R. D. Birch, M. P. Varnham, D. N. Payne, E. J. Tarbox. Enhancement of birefringence in polarization-maintaining fibres by thermal annealing - Electr. Lett. 1983, v.19, No 4, p. 143-144.

2. I. Сamlibel, D. A. Pinnow, F. W. Dabby Optical aging characteristics of borosilicate clad fused silica core fiber optical waveguides - Appl. Phys. Lett.1975, v. 26, No 4, p. 185-187.

3. М. А. Ероньян, Ю. Н. Кондратьев, Е. И. Ромашова, Г. Т. Петровский Упрочнение тепловой обработкой световодов из кварцевого стекла с эпоксиакрилатным покрытием - Физика и химия стекла, 1991, т. 17., № 1, с.165-167.

4. A. Ourmazd, P. Malkolm, M. P. Varnham, R. D. Birch, D. N. Payne Thermal properties of highly birefringent optical fibers and performs.- Applied optics. 1983, v 22, No 15, p. 2374-2379.

Размещено на Allbest.ru