световод (варианты), способ изготовления световода и волоконно-оптический усилитель

Формула изобретения

1. Световод из двуокиси кремния в качестве основного материала, с сердцевиной и оболочкой, а также с одним или несколькими повышающими показатель преломления добавками в сердцевине, отличающийся тем, что в сердцевине дополнительно содержатся неодим и связанный с ним фтор.

2. Световод по п. 1, отличающийся тем, что неодим и фтор содержатся в сердцевине в качестве соединения NdF₃.

3. Световод по пп.1 и 2, отличающийся тем, что он содержит в сердцевине дополнительно алюминий или лантан или элемент, который в состоянии образовать соединение, создающее с NdF₃ комплекс, температура испарения которого снижена по сравнению с температурой NdF₃.

4. Световод из двуокиси кремния в качестве основного материала, с сердцевиной и оболочкой, а также с одним или несколькими повышающими показатель преломления добавками в сердцевине, отличающийся тем, что в сердцевине дополнительно содержатся празеодим и связанный с ним фтор.

5. Световод по п.4, отличающийся тем, что празеодим и фтор содержатся в сердцевине в качестве соединения PrF₃.

6. Световод по пп.4 и 5, отличающийся тем, что он содержит в сердцевине дополнительно алюминий или лантан или элемент, который в состоянии образовать соединение, создающее с PrF₃ комплекс, температура испарения которого снижена по сравнению с температурой PrF₃.

7. Световод по пп.3 - 6, отличающийся тем, что алюминий или лантан содержится в сердцевине в виде соединения AlF₃ или LaF₃.

8. Способ изготовления световода, согласно которому материал сердцевины, а также материал оболочки получают путем осаждения на подложке в результате химической парофазной реакции, а полученный материал подвергают дальнейшей обработке для получения световода, отличающийся тем, что из фторида неодима или из фторида празеодима и другого соединения образуют комплекс и направляют в форме пара вместе с исходными веществами парофазной реакции к подложке так, что на ней осаждается продукт химической парофазной реакции и комплекс.

9. Способ по п.8, отличающийся тем. что в качестве соединения для образования комплекса применяют трифторид алюминия, или трифторид лантана, или другое соединение, которое образует с NdF₃ или PrF₃ комплекс, температура испарения которого четко снижена по сравнению с температурой испарения NdF₃ или PrF₃.

10. Способ по п. 8 или 9, отличающийся тем, что в качестве подложки применяют трубку из кварцевого стекла, исходные вещества химической парофазной реакции вводят в трубку-подложку вместе с образованным комплексом, вводимым в форме пара, так что путем осаждения продукта химической парофазной реакции и комплекса на внутреннюю поверхность трубки-подложки наносится покрытие, а трубку-подложку с нанесенным на внутреннюю поверхность покрытием подвергают дальнейшей обработке известным способом с образованием световода.

11. Волоконно-оптический усилитель со световодом (10) в качестве усиливающего элемента, отличающийся тем, что световод (10) имеет признаки одного из пп.1 - 7.

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается световода согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения. Световод с приведенными в нем признаками, известен, например, из telcom report 6 (1983) приложение: "Передача информации с помощью света", с. 29 - 35. Световоды, имеющие подобную структуру и состав, служат в качестве передающей среды для оптической технологии передачи информации.

Из журнала "Journal of Lightwave Technology Vol. 9, N 2 Februery 1991", с. 220 - 227, известно, что свет в диапазоне длин волн в 1530 нм может быть усилен с помощью таких световодов, если они в своей сердцевине в качестве вещества, способного к передаче лазерного излучения, содержат эрбий. Базируясь на этом, существуют волоконно-оптические усилители, которые используются с большим успехом в системах, работающих в диапазоне длин волн 1530 нм.

Совсем по другому это выглядит в отношении диапазона длин волн 1300 нм. Как констатируется во вводной части публикации PD 12/1-PD 12/4, OFC/100 C" 93, Februery 21 - 26, 1993 San Jose Convention Center, Son Jose California, для этого диапазона длин волн на сегодняшний день не существуют практически реализуемые волоконно-оптические усилители. Диапазон длин волн в 1300 нм используется сегодня многими оптическими системами передачи информации. Преимущество состоит в том, что передающие свойства световода названного выше типа в зоне 1300 нм более благоприятны, чем в зоне 1500 нм, например, минимум дисперсии таких волноводов лежит в диапазоне 1310 нм. Итак, было бы желательно иметь световод для усиления света в диапазоне длины волны 1300 нм.

В названной выше публикации среди волоконно-оптических усилителей, предложенных для диапазона 1300 нм, в качестве наиболее перспективного назван усилитель с фторидным волокном, в которое в качестве примеси введен празеодим (Pr). Световоды с фторидным стеклом в качестве основного материала - как известно из "Lasers und Optronics", август 1991 года, с. 43 - 46, в частности, с. 44, первая колонка, - обладают большими недостатками по сравнению со световодами, имеющими в качестве основного материала двуокись кремния, так как они слабы, гигроскопичны и не могут соединяться плавлением со световодом из двуокиси кремния. Та же самая проблема существует и для волоконно-оптических усилителей, которые имеют неодим (Nd) - фторидное волокно.

Было бы желательно иметь усиливающий световод для диапазона 1300 нм, основной материал которого - это двуокись кремния. Из названных выше публикаций "Journal of Light Technology", с. 220, левая колонка, известно, что нет никакого практического предложения в части введения в двуокись кремния в качестве дополнительного материала Nd, для получения волоконно-оптического усилителя, пригодного для диапазона длин волн в 1300 нм. Вследствие поглощения возбужденных состояний эффективность этой длины волны сильно ограничена.

Поэтому задача, положенная в основу изобретения, - это указание состава усилительного световода, предназначенного для диапазона длин волн 1300 нм.

Решение этой задачи с помощью неодима в качестве добавки раскрыто в пункте 1 формулы изобретения. Альтернативное решение с использованием празеодима в качестве добавки указано в пункте 4 формулы изобретения. Другие формы выполнения приведены в дополнительных пунктах формулы изобретения. Предпочтительный способ изготовления нового световода - это предмет пунктов 8 - 10 формулы изобретения. Аспект изобретения состоит в том, что благодаря новому световоду был создан также и новый волоконно-оптический усилитель. Он явился предметом пункта 11 формулы изобретения.

Изобретение поясняется подробнее, например на основе чертежей. На них показано: фиг. 1 - волоконно-оптический усилитель для диапазона длин волн 1300 нм с новым световодом в качестве усиливающего световода; фиг. 2 - устройство для осуществления предпочтительного способа изготовления нового световода; на фиг. 1 позицией 10 схематически обозначен усиливающий световод волоконно-оптического усилителя. В точках соединения 11 и 12 он соединен со световодом 13, который проводит усиливаемый оптический входной сигнал, или со световодом 14, который проводит усиленный оптический выходной сигнал волоконно-оптического усилителя. Как это принято для волоконно-оптических усилителей, имеется источник 15 оптической накачки, который в данном случае присоединен к световоду 13 через устройство 16 связи. Как обычно принято в такого рода изображениях, усиливающий световод 10 в отличие от нормальных световодов 13 и 14 изображен более толстыми линиями, хотя он имеет тот же диаметр. Длина волны света, проходящего через подобный волоконно-оптический усилитель, находится в диапазоне 1300 нм. В качестве сигнала на входе показан цифровой сигнал, также и на выходе, причем на выходе он показан в виде усиленного сигнала.

Существенным для изобретения является то, что световод, предусмотренный для диапазона 1300 нм, в виде усилительного световода, имеет следующий состав:

двуокись кремния является основным материалом всего световода и, как обычно, в сердцевине световода содержится повышающая коэффициент преломления добавка, например, GeO₂, а согласно изобретению - это дополнительно неодим (Nd) и фтор. Состав оболочки значения не имеет. Важно, что неодим связан со фтором, то есть неодим окружен ионами фтора. Ионы фтора не должны вытесняться ионами кислорода.

Окружение неодима фтором наделяет неодим желательным свойством лазерного излечения, которое необходимо для усиления света в диапазоне длин волн 1300 нм. Возможность окружить неодим фтором заключается в том, что неодим и фтор содержатся в сердцевине в виде соединения MdF₃.

Вместо неодима в сердцевине может содержаться также и празеодим (Pr). Также и в этом случае имеет силу сказанное об окружении фтором, а в случае с празеодимом преимущество состоит в том, что празеодим и фтор содержатся в сердцевине в виде соединения PrF₃.

Для изготовления световода согласно изобретению пригоден любой способ, который ведет к тому, чтобы внедрить неодим и фтор или празеодим и фтор в соединении друг с другом в сердцевину световода с двуокисью кремния в качестве основного материала.

К примеру, возможно пропустить газообразный BF₃ через нагретый порошок NdF₃ и с помощью этого подвести NdF₃ к месту, на котором должно происходить его осаждение на подложке для обеспечения введения NdF₃ в материал SiO₂.

Особым преимуществом отличается способ, при котором NdF₃ и PrF₃ в сочетании с другим соединением в форме пара вместе с исходными материалами химической парофазной реакции, в процессе которой возникает материал сердцевины, помещается вблизи подложки, так что он может осаждаться вместе с продуктами химической парофазной реакции на подложке. Например, химическая парофазная реакция может быть проведена в соответствии с известными способами MCVD в трубке-подложке, в результате чего трубка-подложка получает покрытие изнутри. Ниже такой способ приводится в качестве примера способа осаждения с помощью химической парофазной реакции.

Альтернативной такому способу MCVD, при котором подложка является кварцевой стеклянной трубкой и получает внутреннее покрытие, может быть способ, при котором трубка-подложка представляет собой стержневидный сердечник, имеющий покрытие на своей наружной поверхности, или же это может быть основание, которое вращается вокруг своей оси и на котором в результате нанесения слоя в процессе парофазной реакции в осевом направлении возникает стеклянный материал сердечника и, при необходимости, также стеклянный материал оболочки. Принцип этих трех известных вариантов способа осаждения в процессе химической парофазной реакции известен из указанной выше публикации "telcom report".

Существенным для предпочтительного варианта изготовления нового световода является то, что NdF₃ или PrF₃ вместе с соответствующим другим соединением или исходными веществами химической парофазной реакции, которая применяется для получения стеклянного материала сердцевины, подводится к подложке и получает возможность осаждения на ней вместе с продуктом химической парофазной реакции.

В описанном ниже примере выполнения соответствующего способа названное другое соединение - это фторид алюминия (AlF₃). Трифторид алюминия является соединением, которое пригодно для того, чтобы образовывать комплекс с NdF₃ или PrF₃, который имеет четко выраженную сниженную температуру испарения по сравнению с NdF₃ или PrF₃. Вместо трифторида алюминия может применяться также трифторид лантана (LaF₃) или какое-либо другое соединение, которое в состоянии образовывать названный комплекс с четко пониженной температурой испарения. В случае AlF₃ или LaF₃ возникает световод, который дополнительно к названным до этого составным частям содержит еще одну составную часть - алюминий или лантан, а именно, в соединении AlF₃ или LaF₃. Эти составные части являются следствием способа изготовления и не служат для получения необходимых оптических свойств.

Для оптических свойств существенным является следующее.

Сердцевина содержит неодим, встроенный в матрицу SiO₂ или празеодим, которые имеют полосу спектра флуоресценции, равномерно перекрывающую зону от 1280 до 1330 нм. Неодим или празеодим, при этом, постоянно окружен фтором. Усилительный световод с такой сердцевиной может быть непосредственно использован в системах передачи информации с помощью световодов, которые используют диапазон 1300 нм.

Пример выполнения предпочтительного способа поясняется ниже на фиг. 2, которая показывает устройство для осуществления способа.

Изготовление усиливающего световода происходит из полуфабриката световода и в соответствии со способом MCVD, который протекает следующим образом: закрепленная на токарном станке для обработки стекла и вращающаяся трубка-подложка, которая, как правило, состоит из кварцевого стекла, покрывается за несколько приемов слоями искусственного стекла, наносимыми на оболочку и сердцевину. Исходный материал для слоев, наносимых на оболочку и сердцевину, поступают в трубку подложку в форме газа. Посредством нагрева трубки-подложки, протекающего непрерывно в продольном направлении, с помощью кислородно-водородной горелки, на внутренние стенки трубки-подложки непрерывно - путем выделения из химической парофазной реакции - наносится слой искусственного стекла определенного состава. Длина трубки-подложки составляет обычно 1250 ем. В качестве исходных материалов для получения слоев из искусственного стекла применяются, например, тетрахлорид кремния (SiCl₄), тетрахлорид германия (GeCl₄), трихлорид окиси фосфора (OPCl₃), и при необходимости, гексафторэтан (C₂F₆) вместе с кислородом и гелием.

На фиг. 2 представлена часть зажатого в токарном станке для обработки стекла устройства для осуществления способа согласно изобретению. Это устройство состоит из трубки 1 с большим диаметром на левом конце. Его диаметр соответствует приблизительно диаметру трубки-подложки 5. Трубка 1 сужается приблизительно в середине устройства - его общая длина составляет около 350 мм - переходя в трубку 2 с меньшим диаметром. Трубка 2 окружена другой трубкой 3 с большим диаметром, которая на левом конце закрыта, соединена с трубкой 1 и которая имеет ротационно-симметричное утолщение 4.

На первом конце трубки 3 приплавлена трубка-подложка 5, на которую наносится покрытие, и которая, например, имеет длину 900 мм. Левый конец устройства, то есть трубка 1, закреплена в токарном станке 6 для обработки стекла, с возможностью вращения и производится во вращении приводом 7.

Во время эксплуатации устройства в утолщении 4 содержатся материалы, которые необходимы для осуществления способа согласно изобретению, а именно, фторид алюминия (AlF₃) в качестве комплексообразующего вещества и фторид неодима (NdF₃).

Исходные вещества фторид алюминия и фторид неодима содержится в форме порошка.

Ими в соотношении 3 - 4 к 1 (3 - 4 части AlF₃, 1 часть NLF₃) заполняется утолщение. Во время этой операции утолщение 4 и находящиеся в нем вещества не нагреваются. Только если должен быть получен слой сердцевины с примесью редкоземельного элемента, утолщение 4 и, таким образом, содержащиеся в нем вещества нагреваются до температуры 1200 - 1400^oC.

При нагревании смеси из трифторида алюминия и трифторида неодима оба эти компонента соединяются в комплекс, который при названных температурах имеет значительное давление пара, достаточное для того, чтобы вводить комплекс в газообразном состоянии в трубку-подложку.

Для трифторида неодима указывается точка плавления выше 2000^oC. Нагрев этого соединения до температуры 1300^oC не привел бы к образованию давления пара, которое необходимо для введения этого соединения в трубку-подложку. Возникающий в смеси комплекс - применяется стехиометрия 3(AlF₃)NdF₃ - поступает вместе с газовой смесью из SiCl₄. GeCl₄ кислорода, гелия и, при необходимости, гексафторэтана в трубку-подложку и заделыватся там в оксидную массу позади горелки с термофоретическим управлением. При этом важно, что заделывается комплекс (можно назвать его фторокомплексом), ионы фтора не должны вытесняться ионами кислорода.

При осуществлении предложенного способа изготовления полуфабриката световода со слоем сердцевины, который имеет в качестве примеси NdF₃ или PrF₃ или оба эти вещества, оказалось целесообразным после получения слоя сердцевины, имеющего в качестве примеси NdF₃ или PrF₃, создать в процессе проведения следующей операции еще один слой сердцевины без введения примесей, а затем перед колабрированием трубки-подложки вытравить приблизительно 70% общей толщины первого и второго слоя сердцевины, например, гексафторэтаном. В результате получается особо чистый слой сердцевины, имеющий точно прямоугольный профиль.