Патент на изобретение №2229770
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ВОЛОКОННЫХ ЛИНИЙ ОТ РАЗРУШЕНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
(57) Реферат: Изобретение относится к области лазерной техники и волоконной оптики. Устройство содержит отрезок волоконного световода, сердцевина которого имеет неизменный диаметр по всей длине указанного отрезка. Оболочка отрезка волоконного световода, по меньшей мере, на одном участке длиной L 10D указанного отрезка световода имеет уменьшенный диаметр d поперечного сечения, находящийся в диапазоне D С (в электрической дуге или с помощью горелки), нанесения на торец световода, поглощающего лазерное излучение вещества, изгиба световода с достаточно малым радиусом. В частности, процесс распространения волны оптического разряда может быть инициирован при прикосновении выходного торца световода (торца, из которого выходит лазерное излучение) к поглощающей свет поверхности (в том числе к металлической).
Фактически при инициировании процесса в сердцевине световода образуется плотная плазма, которая, с одной стороны, поглощает излучение, распространяющееся по световоду, а с другой стороны, за счет теплопроводности передает окружающим холодным слоям материала тепловую энергию. Нагреваемые таким образом области сердцевины, находящиеся в поле лазерного излучения, начинают в свою очередь поглощать излучение. В этом и заключается механизм распространения оптического разряда по сердцевине световода, который аналогичен механизму распространения фронта медленного химического горения в газах и твердых телах (Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. Гидродинамика, М.: Наука, 1986, гл. XIV, §128 Медленное горение, с. 662-670). Здесь слово “медленный” означает “распространяющийся с дозвуковой скоростью”.
После распространения волны разряда в сердцевине световода в большинстве случаев образуются полости (или пузыри) размерами порядка нескольких микрон, причем полости могут формировать периодическую структуру вдоль сердцевины световода (см. фиг.2.). Формирование таких полостей полностью нарушает световедущие свойства волоконного световода.
Способ заключается в создании и использовании своеобразных предохранителей от распространения волны оптического разряда по волоконным световодам. Известно, что процесс разрушения световода под действием излучения существенно зависит от интенсивности лазерного излучения в световоде. Для снижения интенсивности лазерного излучения, хотя бы на некотором участке волоконной линии связи, авторы предложили вводить в волоконную линию отрезок световода с перетяжкой, см. фиг.3, где 5 – область перетяжки световода, 6 – отражающая оболочка световода, преимущественно кварцевая, заштрихована на фиг.3, 7 – сердцевина световода, 8 – пунктирная линия, показывающая границы поля моды лазерного излучения в световоде и его изменение с изменением диаметра сердцевины, 9 – осевая линия световода. Как можно видеть из фиг.3, отрезок световода с перетяжкой является отрезком световода, на некотором участке которого диаметр поперечного сечения световода имеет меньшую величину, причем пропорционально уменьшены и все другие размеры, описывающие структуру поперечного сечения световода, например диаметр сердцевины световода. Перетяжку на фиг.3 можно рассматривать как совокупность двух последовательно соединенных фоконов. При прохождении света через область перетяжки изменяется (увеличивается) диаметр поля моды в световоде, что приводит к снижению интенсивности излучения и, при благоприятных обстоятельствах, к остановке процесса распространения оптического разряда. (Под диаметром поля моды (часто обозначаемую как MFD-mode field diameter) в световоде мы подразумеваем обычно используемую в волоконной оптике величину, характеризующую поперечный размер пространственной области, занятой полем излучения в одномодовом световоде, как она определяется, например, в книге G.Keiser. Optical Fiber Communications. (Third edition) McGraw Hill, 2000, p.63-64, and referencies in it).
Как можно видеть на графике фиг.5, где представлена зависимость, полученная экспериментально, путем измерения зависимости минимально необходимой мощности лазерного излучения в сердцевине световода для поддержания распространения волны оптического разряда для световодов различных типов: для германатных (т.е. сердцевина которых содержит в основном SiO2 и GeO2) и фосфорного световода (т.е. сердцевина которого содержит в основном SiO2 и Р2O5). Цифры у экспериментальных точек указывают тип световода: 1-фосфоросиликатный световод, 2-7 – германосиликатные световоды. При увеличении диаметра поля моды в световоде пороговое значение мощности для поддержания распространения оптического разряда возрастает. На этом основано действие наиближайшего аналога.
В результате повреждается не вся волоконная линия, а только отрезок между точкой инициирования и точкой остановки волны разряда. Подчеркнем, что данный метод, реализованный в устройстве, применим только для одномодовых световодов, так как только в таких световодах снижается интенсивность излучения при включении в линию перетяжки. Таким образом, с помощью описанного метода осуществляется остановка нежелательных процессов, и защищается от разрушения та часть линии связи, которая лежит между указанным отрезком волокна и источником лазерного излучения.
Основными недостатками данного устройства для защиты волоконных линий связи являются:
а) в предложенном устройстве имеет место изменение параметров сердцевины световода, что может привести к дополнительным потерям и искажению полезного сигнала, например, из-за частичного его отражения;
б) при увеличении мощности интенсивность излучения в сердцевине световода возрастает, в том числе и в области перетяжки, что приведет к прохождению волны оптического разряда через область перетяжки без остановки. Таким образом, при увеличении мощности излучения устройство теряет свою эффективность.
К недостаткам данного устройства также относится технологическая сложность его изготовления, заключающаяся в необходимости плавления световода и прецезионного его растяжения.
В рамках указанного описания авторы вводят ряд определений, касающихся параметров оптического волокна для однозначного понимания существа заявленного технического решения. Авторы вводят понятие параметра d поперечного сечения световода. Определим этот параметр d поперечного сечения рассматриваемого отрезка световода как диаметр оболочки из плавленого кварца световода в рассматриваемом сечении, если световод обладает цилиндрической симметрией относительно оси, и определим параметр d как удвоенное минимальное расстояние от геометрического центра сечения сердцевины световода до границы кварцевой оболочки, если форма световода не обладает цилиндрической симметрией (в случае цилиндрического световода определение этого параметра совпадает с определением d, данным выше как диаметра оболочки световода).
В соответствии с вышеизложенным, задачей настоящего изобретения является обеспечение устройства для защиты волоконных линий от разрушения волной оптического разряда, распространяющегося по световоду под действием лазерного излучения, которое при увеличении мощности лазерного излучения в световоде сохраняло бы свою эффективность, не внося при этом дополнительных оптических потерь в волоконную линию связи.
Указанный результат достигается за счет обеспечения устройства для защиты волоконной линии от разрушения под действием лазерного излучения, содержащего отрезок волоконного световода, сердцевина которого имеет неизменный диаметр по всей длине указанного отрезка, а оболочка отрезка волоконного световода, по меньшей мере, на одном участке длиной L 10D указанного отрезка световода имеет параметр поперечного сечения, находящийся в диапазоне D 10D указанного отрезка световода находится в диапазоне D min(4D, 40 мкм), где D – диаметр поля моды в одномодовом волоконном световоде, по которому распространяется лазерное излучение (до уменьшения размеров оболочки). (В уровне техники по волоконной оптике данная величина часто обозначается как MFD-mode field diameter). С другой стороны, для ограничения различного рода искажений, которые может вносить такое сужение в канал передачи излучения, наименьшее значение параметра d должно быть больше D (см. фиг.4).
Кроме того, те же эксперименты показывают (см., например, фиг.9), что для остановки процесса распространения волны оптического разряда необходимо, чтобы длина участка световода L с уменьшенным значением параметра d была не менее 10D, то есть L 10D.
Для остановки волны оптического разряда можно использовать и другие формы поперечного сечения (отличные от круговой) световода с уменьшенными размерами оболочки. В таком случае параметр d определим как удвоенное минимальное расстояние от геометрического центра сечения сердцевины световода до границы кварцевой оболочки (в случае цилиндрического световода определение этого параметра совпадает с определением d, данным выше как диаметра оболочки световода в области сужения). Но поскольку изготовление аксиально-симметричных (или почти аксиально-симметричных) волоконных элементов значительно проще по технологии, то в качестве примеров рассматриваются только такие конструкции.
Таким образом, предлагаемое устройство для защиты волоконных световодов от разрушения волной оптического разряда представляет собой отрезок волоконного световода, на некотором участке которого длиной L уменьшен параметр d световода до величин, указанных на фиг.4 как заштрихованная область. При этом сердцевина световода остается практически неизмененной, а вносимые изменения в волноводные свойства волоконного световода минимальными.
В итоге защита волоконной линии достигается тем, что в ней размещают, по меньшей мере, один отрезок световода с измененной формой поперечного сечения, или изменяют форму поперечного сечения некоторого участка световода в защищаемой линии таким образом, чтобы
а) диаметр сердцевины световода оставался неизмененным, б) параметр d световода в области измененного поперечного сечения составлял d min(4D, 40 мкм) при длине такой области L 10D.
Изобретение поясняется на примере предпочтительного варианта его осуществления со ссылками на сопроводительные чертежи, при этом одинаковые элементы на чертежах обозначены одними и теми же позициями.
На фиг.1 представлена схема распространения волны оптического разряда по световоду согласно известному уровню техники.
На фиг.2 представлена фотография периодической структуры пузырей в сердцевине световода (световод LEAF, Corning), образованной под действием излучения Nd:YAG лазера с длиной волны 1.06 мкм и мощностью 4.2 Вт. Излучение распространялось слева направо. Масштаб: каждое деление шкалы – 10 мкм.
На фиг.3 представлена cхема, иллюстрирующая реализацию способа защиты световода от разрушения под действием лазерного излучения согласно известному уровню техники.
На фиг.4 представлены графики, иллюстрирующие значения диаметра оболочки d из стекла на основе плавленого кварца, которые обеспечивают функционирование защитных элементов согласно изобретению в зависимости от диаметра поля моды световода (заштрихованная область).
На фиг.5 представлена зависимость, полученная экспериментально, путем измерения зависимости минимально необходимой мощности лазерного излучения в сердцевине световода для поддержания распространения волны оптического разряда для световодов различных типов: для германатных (т.е. сердцевина которых содержит в основном SiO2 и GeO2) и фосфорного световода.
На фиг.6 представлена схема, иллюстрирующая предлагаемое устройство для защиты световода от разрушения под действием лазерного излучения согласно настоящему изобретению.
На фиг.7 представлено поперечное сечение предлагаемого устройства по линии А-А (см. фиг.6).
На фиг.8 представлена фотография сработавшего устройства для защиты волоконных линий связи, реализующего предлагаемый способ, соответствует 65 мкм, ширина – 250 мкм. Лазерное излучение распространялось слева направо.
На фиг.9 представлена фотография устройства для защиты волоконных световодов в оптических линиях связи от разрушения под действием лазерного излучения согласно изобретению, где а – вид устройства до возбуждения волны оптического разряда в световоде, b – вид устройства после срабатывания – после остановки волны оптического разряда, с – увеличенное изображение области, приблизительно обозначенной окружностью на фиг.9, b.
При инициировании оптического разряда в световоде он движется навстречу лазерному излучению (см. фиг.1), и при отсутствии препятствий на его пути разряд пройдет все расстояние по световоду до источника излучения. После прохождения оптического разряда оптическое волокно теряет свои волноводные свойства из-за нарушения структуры сердцевины световода (см. фиг.2).
На фиг.6 представлен возможный вариант схемы устройства для защиты световода от разрушения под действием лазерного излучения согласно настоящему изобретению. Устройство для защиты световода представляет собой отрезок световода согласно фиг.6, где 7 – сердцевина световода, 6 – оболочка световода, 8 – пунктирные линии, показывающие положение поля моды в световоде, расстояние между ними равно диаметру D поля моды лазерного излучения в световоде, 10 – участок волоконного световода с уменьшенным диаметром отражающей оболочки. Сечение по линии А-А показано на фиг.7.
Устройство включается, например, с помощью сварки, в состав защищаемой волоконной линии и функционирует следующим образом. При распространении волны оптического разряда по световоду, как описано выше, в области сердцевины 7 из-за высокой температуры возникают давления порядка 104 атмосфер. Эта величина близка к пределу разрушения материала световода, нагретого из-за теплопроводности и излучения из области плазмы до температур в несколько сот градусов, поэтому при достаточно тонкой оболочке световода такое давление приводит к разрушению световода, падению давления в области сердцевины, резкому снижению плотности поглощающей лазерное излучение плазмы, соответствующему снижению поглощения излучения и, как следствие, остановке волны оптического разряда.
Таким образом, в волоконных линиях устанавливают, по меньшей мере, один отрезок световода с уменьшенной толщиной кварцевой оболочки 6, при этом совершенно не деформируя сердцевину 7 согласно фиг.6. Данная операция, с одной стороны, не вносит существенных искажений в канал распространения сигнала (сердцевина не деформируется), а с другой – способ изготовления таких устройств предохранения прост: можно простым химическим травлением уменьшить диаметр оболочки световода.
Реализованный вариант устройства для защиты волоконных световодов от разрушения под действием лазерного излучения представлен на фотографии фиг.9. Устройство представляет собой отрезок волоконного световода с диаметром поля моды 8.9 мкм, внешний диаметр которого на некотором отрезке (в данном случае длиной около 1 мм) уменьшен путем травления этого отрезка в растворе кислоты HF. Лазерное излучение распространялось справа налево. На фиг.9а показано устройство до момента срабатывания. Излучение мощностью до 5 Вт проходило по нему беспрепятственно. На фиг.9b представлен вид того же устройства, после того как вне его была инициирована волна оптического разряда, которая распространялась слева направо по световоду. После того как волна достигла точки световода с диаметром оболочки около 30 мкм, ее распространение прекратилось. Минимальный диаметр световода в устройстве на фиг.9 составлял 20 мкм.
Слева от точки остановки (на фиг.9b обозначена кружком) наблюдается тот же характер разрушения световода, как и световода с нормальным диаметром кварцевой оболочки – периодическая последовательность пустот в сердцевине световода. Незадолго до точки остановки размеры пустот увеличиваются, и процесс распространения оптического разряда прекращается. Причем остановка распространения разряда сопровождается или расширением участка световода (фиг.9b, с), или разрушением световода в точке остановки (фиг.8).
Устройство для защиты волоконных световодов может быть также выполнено путем формирования отрезка световода с уменьшенным диаметром кварцевой оболочки непосредственно на световоде волоконной линии, защиту которой необходимо осуществить, а не на специальном отрезке световода, который затем вваривается в защищаемую волоконную линию. В этом случае отпадает необходимость проводить дополнительную сварку световодов, что приводит к дополнительным потерям излучения в линии, но подразумевает изготовление соответствующих сужений световодов фактически в полевых условиях, что имеет свои отрицательные стороны.
Для защиты протяженных телекоммуникационных линий необходимо располагать такие защитные устройства периодически вдоль линии, чтобы в случае непредвиденного возникновения волны оптического разряда в телекоммуникационной сети был выведен из строя только один промежуток.
Предлагаемое устройство может использоваться в телекоммуникационных линиях связи, а конкретнее для защиты световодов от разрушения под действием лазерного излучения. Кроме того, устройства согласно изобретения могут использоваться в процессах лазерной обработки материалов, в лазерной хирургии и других медицинских лазерных установках для защиты излучающего лазера.
Формула изобретения 1. Устройство для защиты волоконной линии от разрушения под действием лазерного излучения, содержащее отрезок волоконного световода, сердцевина которого имеет неизменный диаметр по всей длине указанного отрезка, а оболочка отрезка волоконного световода, по меньшей мере, на одном участке длиной L 10 D указанного отрезка световода имеет параметр d поперечного сечения, находящийся в диапазоне D 10 D указанного отрезка световода находится в диапазоне DРИСУНКИ
PD4A – Изменение наименования обладателя патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение
(73) Новое наименование патентообладателя:
Адрес для переписки:
Извещение опубликовано: 20.08.2009 БИ: 23/2009
|
||||||||||||||||||||||||||

10D указанного отрезка световода имеет уменьшенный диаметр d поперечного сечения, находящийся в диапазоне D
С (в электрической дуге или с помощью горелки), нанесения на торец световода, поглощающего лазерное излучение вещества, изгиба световода с достаточно малым радиусом. В частности, процесс распространения волны оптического разряда может быть инициирован при прикосновении выходного торца световода (торца, из которого выходит лазерное излучение) к поглощающей свет поверхности (в том числе к металлической).
Фактически при инициировании процесса в сердцевине световода образуется плотная плазма, которая, с одной стороны, поглощает излучение, распространяющееся по световоду, а с другой стороны, за счет теплопроводности передает окружающим холодным слоям материала тепловую энергию. Нагреваемые таким образом области сердцевины, находящиеся в поле лазерного излучения, начинают в свою очередь поглощать излучение. В этом и заключается механизм распространения оптического разряда по сердцевине световода, который аналогичен механизму распространения фронта медленного химического горения в газах и твердых телах (Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. Гидродинамика, М.: Наука, 1986, гл. XIV, §128 Медленное горение, с. 662-670). Здесь слово “медленный” означает “распространяющийся с дозвуковой скоростью”.
После распространения волны разряда в сердцевине световода в большинстве случаев образуются полости (или пузыри) размерами порядка нескольких микрон, причем полости могут формировать периодическую структуру вдоль сердцевины световода (см. фиг.2.). Формирование таких полостей полностью нарушает световедущие свойства волоконного световода.
Способ заключается в создании и использовании своеобразных предохранителей от распространения волны оптического разряда по волоконным световодам. Известно, что процесс разрушения световода под действием излучения существенно зависит от интенсивности лазерного излучения в световоде. Для снижения интенсивности лазерного излучения, хотя бы на некотором участке волоконной линии связи, авторы предложили вводить в волоконную линию отрезок световода с перетяжкой, см. фиг.3, где 5 – область перетяжки световода, 6 – отражающая оболочка световода, преимущественно кварцевая, заштрихована на фиг.3, 7 – сердцевина световода, 8 – пунктирная линия, показывающая границы поля моды лазерного излучения в световоде и его изменение с изменением диаметра сердцевины, 9 – осевая линия световода. Как можно видеть из фиг.3, отрезок световода с перетяжкой является отрезком световода, на некотором участке которого диаметр поперечного сечения световода имеет меньшую величину, причем пропорционально уменьшены и все другие размеры, описывающие структуру поперечного сечения световода, например диаметр сердцевины световода. Перетяжку на фиг.3 можно рассматривать как совокупность двух последовательно соединенных фоконов. При прохождении света через область перетяжки изменяется (увеличивается) диаметр поля моды в световоде, что приводит к снижению интенсивности излучения и, при благоприятных обстоятельствах, к остановке процесса распространения оптического разряда. (Под диаметром поля моды (часто обозначаемую как MFD-mode field diameter) в световоде мы подразумеваем обычно используемую в волоконной оптике величину, характеризующую поперечный размер пространственной области, занятой полем излучения в одномодовом световоде, как она определяется, например, в книге G.Keiser. Optical Fiber Communications. (Third edition) McGraw Hill, 2000, p.63-64, and referencies in it).
Как можно видеть на графике фиг.5, где представлена зависимость, полученная экспериментально, путем измерения зависимости минимально необходимой мощности лазерного излучения в сердцевине световода для поддержания распространения волны оптического разряда для световодов различных типов: для германатных (т.е. сердцевина которых содержит в основном SiO2 и GeO2) и фосфорного световода (т.е. сердцевина которого содержит в основном SiO2 и Р2O5). Цифры у экспериментальных точек указывают тип световода: 1-фосфоросиликатный световод, 2-7 – германосиликатные световоды. При увеличении диаметра поля моды в световоде пороговое значение мощности для поддержания распространения оптического разряда возрастает. На этом основано действие наиближайшего аналога.
В результате повреждается не вся волоконная линия, а только отрезок между точкой инициирования и точкой остановки волны разряда. Подчеркнем, что данный метод, реализованный в устройстве, применим только для одномодовых световодов, так как только в таких световодах снижается интенсивность излучения при включении в линию перетяжки. Таким образом, с помощью описанного метода осуществляется остановка нежелательных процессов, и защищается от разрушения та часть линии связи, которая лежит между указанным отрезком волокна и источником лазерного излучения.
Основными недостатками данного устройства для защиты волоконных линий связи являются:
а) в предложенном устройстве имеет место изменение параметров сердцевины световода, что может привести к дополнительным потерям и искажению полезного сигнала, например, из-за частичного его отражения;
б) при увеличении мощности интенсивность излучения в сердцевине световода возрастает, в том числе и в области перетяжки, что приведет к прохождению волны оптического разряда через область перетяжки без остановки. Таким образом, при увеличении мощности излучения устройство теряет свою эффективность.
К недостаткам данного устройства также относится технологическая сложность его изготовления, заключающаяся в необходимости плавления световода и прецезионного его растяжения.
В рамках указанного описания авторы вводят ряд определений, касающихся параметров оптического волокна для однозначного понимания существа заявленного технического решения. Авторы вводят понятие параметра d поперечного сечения световода. Определим этот параметр d поперечного сечения рассматриваемого отрезка световода как диаметр оболочки из плавленого кварца световода в рассматриваемом сечении, если световод обладает цилиндрической симметрией относительно оси, и определим параметр d как удвоенное минимальное расстояние от геометрического центра сечения сердцевины световода до границы кварцевой оболочки, если форма световода не обладает цилиндрической симметрией (в случае цилиндрического световода определение этого параметра совпадает с определением d, данным выше как диаметра оболочки световода).
В соответствии с вышеизложенным, задачей настоящего изобретения является обеспечение устройства для защиты волоконных линий от разрушения волной оптического разряда, распространяющегося по световоду под действием лазерного излучения, которое при увеличении мощности лазерного излучения в световоде сохраняло бы свою эффективность, не внося при этом дополнительных оптических потерь в волоконную линию связи.
Указанный результат достигается за счет обеспечения устройства для защиты волоконной линии от разрушения под действием лазерного излучения, содержащего отрезок волоконного световода, сердцевина которого имеет неизменный диаметр по всей длине указанного отрезка, а оболочка отрезка волоконного световода, по меньшей мере, на одном участке длиной L
min(4D, 40 мкм), где D – диаметр поля моды в одномодовом волоконном световоде, по которому распространяется лазерное излучение (до уменьшения размеров оболочки). (В уровне техники по волоконной оптике данная величина часто обозначается как MFD-mode field diameter). С другой стороны, для ограничения различного рода искажений, которые может вносить такое сужение в канал передачи излучения, наименьшее значение параметра d должно быть больше D (см. фиг.4).
Кроме того, те же эксперименты показывают (см., например, фиг.9), что для остановки процесса распространения волны оптического разряда необходимо, чтобы длина участка световода L с уменьшенным значением параметра d была не менее 10D, то есть L
D указанного отрезка световода имеет параметр d поперечного сечения, находящийся в диапазоне D