автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Волоконно-оптические светоделители (метод изготовления)

слжт - петерэтгскй! шститут точно;; ¡¿ехшки и

оптаи

На нравах рукописи

ТОГЕЕ Йордан Иванов

УДС 681.7.063

Еолоконно - оптические светоделатсла ( метод изготовления )

Спевдалы-юсть 05.11.07 -Сптэтескле и ептико - электронные криборы

а.БТСРЫФЕРАТ диссертации на соискание учёной: степени кандидата техническая наук

Сачкт - Петербург 1С92 г.

Работа выполнена в Сачкт - Петербургском институте точной механики и оптики

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

У.еыковский И.К. Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Вейко Б.Б. - кандидат технических нарт Данилов C.B. Ведущее предприятие - ШШ "Дальняя связь"

Замята диссертации состоится ДекаФРя 1992 г.

в /-Î) ч. ,20 мин. на заседании специализированного совета Д 053.26,01 "Оптические-и одтнко - электронные приборы" при Санкт - Петербургском институте точной механики и оптики по адресу: I97IOI, Саякт - Петербург, ул. Саблинская, 14,

С диссертацией можно озакомиться в библиотеке института.'

Автореферат разослан 30 ноября IS92 г. Баш отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес института: I97I0I, Санкт - Петербург, ул, Саблинская, 14, секретарю специализированного совета.

Учёный секретарь

специализированного совета Д 053.26.С

-кандидат технических наук, доцент

В.М,Красавцев

I. Общая характеристика работы

Актуальность работы. Волоконная оптика определяет одно и из направлений научно - технического прогресса з области систем телекоммуникацией, сенсорных систем измерения и контроля физических величин л локальных сетей связи таких как: телефон--ныэ сети, кабельные сети телевидения, сети евдзи между ко7,шь:о-терами и т.д. Быстрое распространение волокенно - оптических систем является следствием существенного увеличения числа информационных каналов, по сравнению с ёмкостью сигнала,.пере- ! даваемого по медным проводам. Кроме того существуют возможности обеспечения высокой чувствительности и широкого динамического диапазона измерения контролируемых величия; надетой помехозащищённости к нечувствительности к внешни,! электромагнитным воздействиям из-за диэлектрической природы оптического зелокна, а также минимальных габаритных размеров, яечтоуного потребления мощности и кх относительно низкой стоимости.

Еолокснно - оптические светоделителя (БОС) , изготовлен-янга на базе оптических волокся, входят в состав ряда волскоч-но - оптических систем и в значительней степени определяют их качество. Технологии изготовления этих элементов представляют собой закнейшее направление в волоконной оптике, которое опре-: деляет её развитие и совершенствование. Однако эти технологии далеко неуниверсальны, часто они несовершенны и не обладают достаточной производительностью. 3 болыхтнетве случаев они не обеспечивают требуемой повторяемости параметров изготовляемых БОС.

При сложившихся обстоятельствах мокет оказаться весьма перспективным изготовление БОС лазерными .методами. Их достоинствами являются преэде всего высокая локализация теплового воздействия в зоне с минимальными размерами на поверхности оптических волокон; управляемость процесса, что дает возможность, применяя обратной связи, получить оптимальные величины параметров изготовляемого ШС и васокуп степень повторяемости этих параметров; беококтатность и минимальные радиальные напряжения в зоне нагрева оптических волокон; высокая прокзво-

цителькосгь процесса.

Разпктке исолеаорсний- в облаогк изучения процессов, протекающих в сложных волоконно - оптических структурах при прохождении световой ролны, а также процессов взаимоцейстчия лазерного излучения с материала1-';! оптических подокон и сучестр.ен-■ ныл прогрегс лазерной техники, опрепеляят розиохнозти изготовления РОС указанными кетоезди.

Цель и задачи работы. Разработка принципов метода изготовления В1К;, позволяющего формировать про2пари?ельно засяннай профиль зоны рзаккспсйстрнл кексу оптическими волокнами; разработка технологической установки, реалиэукяэй ванный метоп, а также 'жепериментальное поствертазкке розяслиостк изготовления BOG и гругиа еолоконно - оптические элементы на указанной гь:зе технологической установке; 'исследование т?озмсеност8й •применения изготовленных волоконно -■ оптических элементов. -

Для состикения указанной цели потребовалось пронесение ко.'.шлекгного исследования, направленного на ренение следующих задач:

1. Исслосорание особенностей физического процесса распространения световой волны в сложных эолоконно - оптических структурах и анализ влияния формы профиля зоны взаимеюнотвия межпу оптическими волокнами на параметры ВОС,

2. Пронесение обзора технологий изготовления ВСС и формирование на этой базе концепции метопа, позволяющего формировать предварительно зацанний профиль зоны воздействия межЕу оптическими волокнами.

3. Исследование влияния параметров процесса изготовления ВСС на формируемый профиль зоны воздействия между оптическими в о л о кн аы к.

4. Формулирование требований к технологической установке для изготовления БОС, указанный *ыие штоком; еь разработка, изготовление и исследование.

5. Исслеповаяие параметров изготовленных данным способом BOG и иругкх волоконно - оптических элементов и возможностей их применения.

Метокы изслевованик.При исследовании процесса изготоь-

ления ЬОС и влияния законов изменения величин параметров этого процесса на профиль формируемой конической структуры, наряду с экспериментальными исследованиями использовался и метод имитационного моделирования протекавшего процесса изготовления БОС.

Новые научше "результата, выноси,ые на заакту.

1. Ь'.етод изготовления ВОС и других волоконно - оптических эле!,".е:;тоз,

2. Рассчётная модель покененкя кро^кля конусной структуры в зависимости от законов изменения параметров предложенного метода.

3. Установка, реаяизунхЕат предложенный метод, в которую входит зеркальная оптическая система, формирующая ка поверхности используемых оптических волокон сканирующую зону ло-> калъного плавления.

4. Способ измерения косности лазерного импульса, распространяющегося в оптическом волокне при помощи ВОС, изготовленного указанным выше способом.

5. Проекционная лазерная технологическая установка, где фокусирование лазерного излучения осуществляется при помощи фокона, изготовленного на базе оптического волокна указанным выше методой.

9

Практические результата. Автором разработан«:

- метод изготовления БОС, позволяющий формировать предварительно заданный профиль зоны взаимодействия меяду сптиче-скк:.сг волокнами и тем сгсаы позволяющий влиять более активно на величины параметров изготовляемого ВОС и на их разброс в партии элементов*.

- рассчётная модель изменения профиля конусной структуры на поверхности оптического волокна как функции законов изменения каждого кз параметроз процесса изготовления БОС.

- метод измерения мол-дссти лазерного импульса распространявшегося в оптическом волокне при помочи ВОС и проведено исследование погреинсстя данного метода.

При участии актора:

- разработана и изготовлена технологическая установка, реализующая прегложенныГг метод.

- экспериментально подтверждена возможность изготогле-ния ВОЗ и других волоконно оптических элементов, указанным вше методой на сознанной технологической установке.

■ разработана и изготовлена лазерная проекционная установка, е которой фокусирование лазерного излучения осуществляется При г.окоти фоксна, изготовленного на базе оптического волокна указанны!.! выяе метопом.

Практическое использование результата? работы отражено актом вне прения фокона, изготовленного на базе оптического волокна, указанным выяе методом на разработанной технологической установке, выданным кафедрой "Лазерной технологии" - ИШО г.Седкт - Петербурга,

Апрбания работ ь; .Материалы диссертационной работы докладывались на семинарах кафедры физической химии, волоконно и интегральной оптики" - ИгМО, г.Санкт - Петербурга.

Публикации.По материала:.! диссертации опубликована I статья и получено I авторское свисетельстзо на изобретения.

о

Структура и обтгУ работы.Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка, из 62 наименований и 2 приложений, содержит 110 страниц основного текста, 62 рисунков, II таблиц.

II. Краткое содержание работы.

Введение. Рассмотрена и обоснована актуальность работы, оформлены ее пели и задачи, новизна и основные положения, выносимые на защиту.

Глава I. Особенности Физических пронессо? распространения сретс^оА рслкы в елсакьтх ролоконко - оптических структурах.

Дровевгн анализ физических процессов распространения

сгзтоноГ' волки ~ сложных =олоконко - оптических структурах, которые представляют собой зону рзаикосе^стрия «ежпу двумя-ошшаковыми ?олокскнш.!и свето=он&ми я конической структурой, изготогленноЗ на поверхности оптического *олокна. Рассмотрены варианты взаимного расположения оптических волокон и их ' формы и вседствие зтого изменение коэффициента связи между ними. Подробно проанализированы процессы преобразования све-тороЧ голны, прохопяче? через коническую структуру, изготовленную на поверхности оптического волокна и козкзйст?ио разных участков этой структуры на преобразование прсхоаякей светом волны. Рассмотрен нркторк» плавного изменения параметров еи профиля. Представлена функциональная схема ЗОС, « ко-торс» он рассматривается как ссрмедение в разной стспони описанных выые .слоьикх ролоконко - оптических структур, а именно пвух волоконно - оптических светового? с плавно изижяютдоги-ся размерами и расстояниями кзжву ними и конической структурой со сложным поперечным сечением. Они формируют зону взаимодействия между оптическими волокнами, которая определяет параметра изготовляемого ВСС. Рассмотрены параметры, определяющие качество этих чолсконнс - оптических элементов и указаны луч-кие их значения достигнутые на сегодняшний пень. В конце главы на базе провегвлэтого анализа сделан гыроц, что форма профиля зены «закмогеГгтрия ме?:ду оптическими волокнами определяет и параметр.: изготовляемого BCCL

Глава 2. Технологии гля.изготовления BOG.

Проанализированы возмстлости различных технологий для изготовления ВОЗ, которые р ~тон или иной степени используются в практике. Более детально рассмотрены те из них, в основе которых лежит боковое взаимодействие иеяцу используемыми оптическими волокнами, такие как технология травления и скручивания оптических волокон, технология полирования оптических волокон и технология плавления оптически:; волокон. Эти технологии позволяют изготавливать ЕОС на базе всех известных сегодня оптических волокон. Особое внимание в этой главе было уделено технологии плавления оптических волокон, которая прец-

етавляет сегошя наиболее широко используемы? способ изготовления рисококачественных BOG, На базе этой технологии разработан описанный э диссертационной работе метод изготовления ВОС, позволявши,'? посредством сканирования по поверхности соприкасающихся оптических вслсксн зоной, локального Нагрева фор. мироЕать с заданной точностью предварительно определенны-;? профиль зоны взаимодействия л:ежцу оптическими волокнами. Изг-ест -но, что параметры БОС очень сильно зависят от формы зтого профиля. Показано, что данный метод даёт возможность улучшить эти параметры за счет оптимизации фор« профиля упомянутой выше / зоны, а также позволил бы уменьпить разброс величин этих параметров при изготовлении больших партий EX. Кроме того показано, что процесс скручивания оптических волокон в панком методе происходит более равномерно чем в технология плавления, он может проводиться по предварительно заданному закону и для каждой точки профиля зоны взаимодействия мекиу оптическими волокнами иметь строго определённую величину. Сформулирована взаимосвязь мекду процессами, протекающими в рачках данного метода, а также возможности их практической реализации.

Глава 5. Математические модели процесса растяжения оптического волокна при сканировании зоно"' локального плавления.

Среди множества рассмотренных в преяыпузей главе технологий, посредством которых сегодня изготавливаются ВОС была-выделена та, в которой зона взаимодействия между оптическими волокнами'формируется посредством плавления оптических волокон (технология плаЕлекия), Исходя из близости этой технологии с предложенным методом изготовления ВХ посредством сканирования зоной локального плавления, в начале этой главы рассмотрена математическая модель процесса растяжения оптического волокна при нагрева участка на его поверхности с предварительно заданной длиной.. Показано, что в этом случае минимальнее значение относительного диаметра профиля конусной структуры Do Юн и параметр этого профиля <Г однозначно определяются дяиноР"

растяжения оптического волокна и размером участка плавления на поверхности отого волокна. Следовательно в каждый момент растяжения оптического волокна при предварительно заданной длине участка плавления коническая структура имеет в первом приближении строго определенный профиль, который далеко не-оптималънь:й. Таким образом показано, что яга технология в значительной степени ограничивает возможность формирования зоны •-заимопейстяия мекпу оптическими волокнами, которая с одной стороны имела бм минимолмую длину и минимальные остаточные потери оптической мощности, а , с пругой стороны, обеспечивала бы трзбус.ч!у» степень взаи>.:оде£стшя сехпу отиии рол окнами. Математическая мопзль предложенного метопа изготовления ВОС описывает процесс растяжения оптического волокна, нагрев которого осуществляется посредством'переметавшей ся по его поверхности зоны локального плавления. Основываясь на неизменности объвма оптического материала, участвующего в формировании профиля конической структуры, выведено вираяение, которое описывает изменение относительного диаметра оптического волокна при одиночном проходе зонн локального плавления:

А. /V mí Vci - -j]

_■ 2 l ' О Уа+Ур/ 7

Di-i,Di - диаметр оптического волокна до и после прохода зоны локального плавления соответственно Vpi - скорость растлкония оптического волокна

~ скорость сканирования зоной локального плавления á2¡ - длина участка плавления D ~ размер зоны локального плавления Исследовано изменение диаметра этого оптического волокна как в зависимости от изменения соотношения между скоростью растяжения оптического волокна н скоростью сканирования зоны локального плавления, так и в зависимости от изменения соотношении между длиной участка плавления и размера зоны локального

плавления. Показано, что формируем-:'1 профиль зависит с? числа проходов зоны локального плавления, от соотношения к-.езг.Еу скоростью растяжния оптического волокна и скороствм сканирования зоны локального плавления я от «ликы участка плавления.

Математически описаны профиля конических структур полученные вследствие изменения по предварительно заг.янкому закону изменения параметров опкого из процессов, протекали* в разках пресло.иеннэго ме'тоца и яоетояноотво параметров вр.угих процессор'. Рассмотрение пресяошннкх ситуаций позволяло оценить влияние каждого отдельного процесса на форму изготавливаемо* конической структуры.

1. Параметры всех процессов (плина участка, плавления, скорость растяжения оптического волокна и скорость сканирования зоной локального плавления!, протокащих п рамках предложенного метопа являются постоянными величинами на протяжении всего цикла изготовления ВСС.

2. Скорость раетя.т.сния слкгсссхою волемна г окапоть сканирования зоной локакьного плавления яегге-гшь."« величинами на протяжении всего цикла изготовления БОС, а егина участка плавления увеличивается, при каждом прохосе зон=' локального плавления, по линейному закону на величину р

3. Скорость сканирования зоне« локального плавления и длина участка'плавления являются постоянными величинами на протяжении реего гикла изготовления ВСС, а скорость растяжения оптического волокна увеличиваемся при какпоь пеохоэз зоны локального плавления по ликерному закону ;-:а гзл1рк:ну/ /?. \'с .

Качественно исслекована нессхопммссть изменения скорости сканирования зона локального плавления для достижения оп-ти!.:ального нагрева оптического волокнз в разных течках конической структуры и на разных этапах процесса о'- формирования. На базе проьеи'.;шово анализа сделан еы?од, что прапложенный метод изготовления ЕОС посредством сканирования зоной локального плавления, имеет Возможность реализовать практически любую пре цварительяо заданную форму профиля конической структуры.

Гля^ 4. Технологическая установка для изготовления В СО методог сканирования зоной локального плавления.

Исходя из аналогичности некоторых процессов, протекающих как в прэпдогеивом метопе изготовления ВОС посредством сканирования зоно? локального плавления, так и в технологии . изготовления ВОЗ посредством плавления оптических волокон, в начале о той главы рассмотрены установки, реализуюдие технологию плавления. Проанализированы разные способы и устройства нагрева оптических волокон, на базе которых изготавливаются : 3QC. Рассмотрена конструкция технологической установки, реализу-юдой метод изготовления BOG посредством сканирования зоной локального плавления и выделены три основные части указанной установки: механическая часть, оптическая часть и схема управления-, которые присутствуют в той или иной степени во всех ее конструктивных блоках. При рассмотрении механической части технологической установки особое место выселено блоку сканирования, который обеспечивает двжвние зоны локального плавления по поверхности оптических волокон. При анализе оптической части технологической установки исследована возможность использования лазерного излучения для нагрега оптических волокон и формирования на их поверхности зеш локального плавления в виде кольпа с заданной шривОЙ. fia базе этих исследований разработана и изготовлена бзрШГШая оптическая система, формирующая указанную зону ш ШМрхноота оптических волокон и обеспечивающая ее перекег-даййО яб этой поверхности. Кегле корано место схемы управлений я'р$< автоматизации процесса изготовления ЗОС на данной технологической установке и разработана ее структурная схема. Более йодробно рассмотрены некоторые из блоков, входящих в состав этой структурной схемы, такие как блок управления длиной растяжения оптических волокон, блок управления'длиной сканирования зона локального плавления и блок-управления угла скручивания оптических волокон. В конце главы рассмотрен вопрос об изгогоелэнии ВОС и других во-локонно - оптических элементов на данной установке и исследовано влияние ei погрешности на точность изготовления предварительно заданно? формы профиля конической структуры.

Глава 3. Изготовление голоконно л оптических элементов методом сканирования аоно? локального плавления и у.х примене • ЙИ£-

В первой части панно'* главы рассмотрены результаты экспериментальной работы по изготовлению BOG и других голоконно - оптических элементов, таких ;:ак фсхс.ны и конусные структуры методом сканирования зоне:" локального плавления. Для изготовления BOG были исполъзогпнн оптические волокна типа, квари --- кварц с диаметром сердцевины 50 и 250 мкм. и с диаметром оболочки соответственно 125 и ?50 ¡.«км. БОС, (изготовленный на базе оптического волокна 50/125 мкм. имеет следующие парапет- -ры: длина зоны рззшопсГстрия vossy оптическими волокнами 26 мм., минимальный диаметр зоны -закмодэ'/ст'ы'я можду оптическими волокнами G3 мкм., длина, участка плавления II км., коэффициент деления спгйчспко? меткости Г5*/65?>, остаточные потери оптической мощности 1,5 дБ. BOG, изготорляннн* на базе оптического волокна 25С/<50 мкм. имеет следуэтдие параметры: сякна зоны взакмовеГгтвия кекду оптическими волскнгми 54 мм., минимальный диаметр зенн взаимодействия кекцу оптическими i слок-нами 14? мкм., длина участка плавления 15 мл-:., коэффициент пе ленкя оптической косности Ю7'/57й, огтаточнис потери спткчес кой мощности 3,5 дЕ. В ходе экспериментально** работы была исследована возмогкность изготовления несимметричного BOG, состоящего из оптических волокон с разными значениями диаметров* сердцевин и диаметров оболочек. Эксперименты проводились на базе оптического нотокьа типа к«ерц - кварц с диаметром сердцевины £0 мки. и дна;.'.етрем оболочки 125 мкм. Разные значения диаметров сердцевин к оболочек получены посредством отельного плавления и растяжения одного из оптических волокон по тех пор,пока диаметр его оболочки станет равен 90 мал. После -'-того процесс аналогичен описанному выше. Изготовленным текик образом В0С алеет следующие параметры: длина зоны дзаимодемствия между оптическими волокнами 24 мм., минимальный диаметр зоны взаимодействия между спт/Г^есккми волокнами 54 мкм.,- длина участка плавления 12 мм., коэффициент деления оптической косности I&/ВЕ&, остаточные потери оптической модности 2,1 дБ. Коническая структура изготовлена посредством одновременного плавления и растяжения

0ПТИЧ08хсгэ волокна метопом сканкрорания золой локального плавления, Экспериментальные исследования протопились на базе оптических волокон типа квпрц - кварц с диаметрами сердцевин 50 и 250 мим. и с писметрами оболочек соответственно 125 и "50 мтск. Исследовано влияние изменения пкаяк участка плавления на форму профиля конической структуры. На о'азе стих конических ствуптур изготовлены волоконные сето^ош с плаг-но мсня-•"ткмсн ¿мсметром (фококн). !'з оптического волокна типа хгярц -к'м'.рц с цивмотром серЕЦОзякы 50 мкм. и с пиаметрем оболочки 125 кхк. получены фоконы с жятоР от 20 до 53 мм. и с минимальным диаметром от 18 до 43 мкм. йа оптического волокна типа кварц - кварц с диаметром еерщгевкнм 250 мкм. и диаметром оболочки 350 мкм. получены фоконы с etkhoîî от 32 со 55 мм. и минин мальным пиаметрем от 35 до S0 мкм.З заключении первой части этой главы рассмотрены экспериментальные работы связанные с изготовлением последовательности из црух и трех конических структур на поверхности одного оптического волокна типа кварц - кварц с циамесрсм сердцевина; 50 мкм. и с диаметром оболочки 125 мкм. Конические структуры, изготовленные методом сканирования зоной локального плавления на поверхности одного или нескольких оптических волокон кнехт хорошее качество, плавное изменение размеров поперечного сечения с'эз трочин и ступенек.

Зо второй части этой главы рассмотрены- возмемноети применения лзгоговленкнх методом сканирования зоной локального пле-влепия ВСС и других нолоконко оптических -элементов.

Разработан способ измерения: йб'Вкости лазерного импульса, распространяющегося в оптическом вбЛокяе. Дягя этой цели лазерный импульс при прмотчи ВОС вводится' fi .замкнутый волсконно - оптическим контур, потери которого йоб'Фбя'йтм и предварительно известны. Ka®Kü? проход лазерного й'.-йуйьй'а Через контур регистрируется до того момента, в котором fefo м5чкость становится равней пли меньше величины предраритэ<1ьНо заданной пороговой моцксстк. Энея число проходов П лазеркбга й.йуль са через ?ö-локонно - оптический контур, потери в атом контура R и вели-4i2iу пороговой «очностн Фп , мощность лазерного 'лмлульса определяется слодуичим выражением:

rh -VU - ~ön

Исследована погрешность этого метопа и показано, что для ей минимизации неохоцкио, чтобы используемый ВСС был несимметричен (типа того, который был списан в перг-с? части это" главы).

Исследована возможность реализации проекционной лазерной технологической установки, в'Которой излучение от лазерного источника посредством фокона, изготовленного методом сканиро вания зоной ло; .„льного плавления и объектива направляется на плоскость обработки. Преимущество пенкой схемы заключается в том, что в ней ке нужна точная юст;. ка Fcex оптических элементов, а также низкий коэффициент потерь лазерного излучения в система от лазера ко плоскости обработки, велцчгша которого не прерывает 5СЙ.

В конце главы рассмотрены некоторые известные применения ВОС и других волокекко - оптических элементов с точки зренш возможностей предложенного метода.

III Заключение .

1. На основе провед иного теоретического анализа переноса оптической мощности мзлпу волоконными световодами при помощи теории связанных коп и переноса оптической мощности черзз возмущенные волоконные световоды с плавно кзменяхг»:иися параметрами, показано злияние формы профиля конусной структуры в зоне взаимодействия между оптикеекими волокнами па распреоз-ление оптической, модности между этими волокнами,

2. Разработан метод изготовления ВОС, яозюлпю:дий Нормировать предварительно заданный профиль зоны взаимодействия между оптическими волокнами.

3. Разработана расчзтнал модель изменения профиля конусной структуры на поверхности оптического волокна как йнкции законов изменения каждого из параметров процесса изготовления BOG,

4.Разработана и изготовлена технологическая установка, реализующая препложенный мэтоа, в которую вхопит зеркальная оптическая система, формирующая на поверхности используемых -сг-^и» ческих волокон сканирующую зону локального плавления.

5. Экспериментально подтверждена возможность изготовления ВСС и других волоконко - оптических элементов, указанным выше методом на созданной технологической установке.

6. Разработал метод измерения мощности лазерного импульса распространяющегося в оптическом волокне при помощи ВОС и проведено исследование погрешности данного метода. ■

7. Разработана и изготовлена лазерная проекционная установка, в которой фокусирование лазерного излучения осуществляется при помощи фокона, изготовленного на базе оптического волокна указанны!' выше методом.

Основное содержанке диссертации опубликовано в работах:

1. НелкоЕский И.К., Толев И. И. Автоматизированная технология волоконно - оптических светоделителей. Изв.вузов СССР -. Приборостроение. IS93 г. РЗ .

2. A.C. 87773 - Р.Болгария 1969.

Подписано к печати 24.II.SS г. Объем I п.л.

Заказ 4G3 Тираж 100 экз. Бесплатно.

Ротапринт, ИТМО. ISOOGO, С.-Петербург, лер.Грквцова, 14