RU2552590C1

RU2552590C1 - Photon-crystal chalcogenide fibre and method of its production

Info

Publication number: RU2552590C1
Application number: RU2014112808/28A
Authority: RU
Inventors: Юлия Сергеевна Скибина; Андрей Александрович Шувалов; Михаил Валерьевич Чайников; Игорь Юрьевич Силохин; Анастасия Андреевна Занишевская; Валерий Викторович Тучин; Штейнмаер Гюнтер
Priority date: 2014-04-01
Filing date: 2014-04-01
Publication date: 2015-06-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: this fibre consists of a central waveguide rod of chalcogenide glass, microstructural waveguide shell of alternating plies of said glass and air gaps and second protective microstructural shell of multicomponent glass. Proposed method comprises pre-drawing of rods. Then, chalcogenide insert if formed by laying the rods of chalcogenide glass with appropriate air gaps. Then, outer support capillaries of multicomponent glass are fitted in thick-wall tube of multicomponent glass.

EFFECT: high nonlinearity.

5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к оптической и электронной промышленностям и может быть использовано для нелинейного преобразования электромагнитного излучения в инфракрасном (ИК) диапазоне при конструировании систем для передачи и обработки информации.The invention relates to the optical and electronic industries and can be used for non-linear conversion of electromagnetic radiation in the infrared (IR) range when designing systems for transmitting and processing information.

Известны различные типы и конструкции фотонно-кристаллических волокон, которые используются в оптических приложениях и, в частности, при решении задач, связанных с управлением спектральными характеристиками оптической системы и способы их изготовления, например, известны халькогенидные волокна (US 6074968 А), имеющие стеклянную сердцевину и два слоя оболочки, второй слой оболочки имеет коэффициент преломления ниже, чем у основного стекла и выше, чем у первой оболочки стекла. Стеклянные волокна, имеющие структуру сердцевина-оболочка, обладают хорошими механическими характеристиками и сниженными потерями передаваемого сигнала в инфракрасной области спектра. Однако основным недостатком этих волокон является стандартная архитектура, а также использование дорогостоящих халькогенидных стекол и для сердцевины, и для оболочки.There are various types and designs of photonic crystal fibers that are used in optical applications and, in particular, when solving problems associated with controlling the spectral characteristics of an optical system and methods for their manufacture, for example, chalcogenide fibers (US 6074968 A) having a glass core are known and two layers of the shell, the second layer of the shell has a refractive index lower than that of the main glass and higher than that of the first glass shell. Glass fibers having a core-cladding structure have good mechanical characteristics and reduced transmission loss in the infrared region of the spectrum. However, the main drawback of these fibers is the standard architecture, as well as the use of expensive chalcogenide glasses for both the core and the sheath.

Наиболее близким решением к предлагаемому изобретению является конструкция волоконных волноводов (US 2003044159 A1, US 7142756 B2), имеющая вдоль оси волновода: цилиндрическую сердцевину, проходящую вдоль оси волновода, и оболочку из трубки, отличающуюся от сердцевины. В данном типе волокна по меньшей мере одна из частей выполнена из халькогенидного стекла, содержащего селен и теллур, благодаря чему достигается высокий индекс контрастности между элементами волновода. Недостаток таких волноводов состоит в том, что происходит касание волноведущей жилы из халькогенидного стекла с регулярным стеклом, что увеличивает потери в ИК области спектра.The closest solution to the proposed invention is the design of fiber waveguides (US 2003044159 A1, US 7142756 B2), having along the axis of the waveguide: a cylindrical core extending along the axis of the waveguide, and a shell of a tube that is different from the core. In this type of fiber, at least one of the parts is made of chalcogenide glass containing selenium and tellurium, thereby achieving a high contrast index between the elements of the waveguide. The disadvantage of such waveguides is that the waveguide of chalcogenide glass touches regular glass, which increases the losses in the infrared region of the spectrum.

Известен метод получения волокна (US 5953478 А), который представляет собой метод упрочнения халькогенидной сердцевины, при котором используют металлическое покрытие, стойкое к окислению химическими компонентами, входящими в состав халькогенидного стекла, при этом покрытие имеет температуру плавления ниже температуры размягчения халькогенидного стекла. Однако данный способ не позволяет производить вторичное перетягивание с целью изменения диаметра волокна, с сохранением покрытия, а в случае переработки требует повторного нанесения покрытия.A known method of producing fiber (US 5953478 A), which is a method of hardening a chalcogenide core, which uses a metal coating that is resistant to oxidation by the chemical components that make up the chalcogenide glass, the coating has a melting point below the softening temperature of chalcogenide glass. However, this method does not allow secondary pulling in order to change the diameter of the fiber, preserving the coating, and in the case of processing it requires re-coating.

Известен способ получения халькогенидного оптического волокна (WO 2013166401 А1) путем формирования заготовки, состоящей из халькогенидного стекла и полимерного материала, полученной экструзивным методом. Причем в процессе экструзии происходит нагревание до температуры ниже точки плавления халькогенидного стекла, что приводит к формированию полимерной оболочки, т.е. просто нанесение покрытия на уже готовый халькогенидный стержень. Предложенный способ не позволяет производить изменение диаметра халькогенидной жилы, а лишь позволяет нанести полимерное покрытие.A known method of producing a chalcogenide optical fiber (WO 2013166401 A1) by forming a preform consisting of chalcogenide glass and a polymer material obtained by extrusion method. Moreover, during extrusion, heating to a temperature below the melting point of chalcogenide glass occurs, which leads to the formation of a polymer shell, i.e. simply coating the finished chalcogenide rod. The proposed method does not allow to change the diameter of the chalcogenide vein, but only allows you to apply a polymer coating.

Наиболее близким к изобретению способом получения халькогенидного оптического волокна является способ, описанный в патенте (CN103011575 А). В нем показана возможность создания халькогенидного фотонно-кристаллического волокна методом прецизионного сверления алмазным сверлом исходной заготовки халькогенидного стекла. Главным недостатком данной технологии является невозможность получения отверстий с точностью, достигаемой при вытяжке заготовки, а также невозможность варьирования формы отверстий и плохая повторяемость изделий, не говоря о больших потерях дорогостоящего стекла.Closest to the invention, a method for producing chalcogenide optical fiber is the method described in patent (CN103011575 A). It shows the possibility of creating a chalcogenide photonic crystal fiber by the method of precision drilling with a diamond drill of the initial billet of chalcogenide glass. The main disadvantage of this technology is the inability to obtain holes with the accuracy achieved by drawing the workpiece, as well as the inability to vary the shape of the holes and poor repeatability of products, not to mention the large losses of expensive glass.

Задача предлагаемого изобретения - создание конструкции и способа изготовления фотонно-кристаллических халькогенидных волокон с твердой сердцевиной, методом сборки и перетяжки исходных заготовок. В разработке конструкции волокна, состоящего из халькогенидной микро- и нано-структуры, в отличие от известных приемов, когда используют два типа халькогенидов с различными коэффициентами показателя преломления, предлагаемое решение имеет два преимущества: во-первых, позволяет производить волокна с диаметром сердцевины, близким к оптической длине волны, которые обладают высокой нелинейностью. Во-вторых, в качестве направляющего дефекта использовано халькогенидное стекло, и нет необходимости использовать дорогое стекло для создания структурной оболочки. Более того, создание второй микроструктурной оболочки вокруг халькогенидной вставки позволит ее защитить во время процедуры вытяжки волокна. Таким образом, это решение позволит получить рентабельное производство халькогенидного волокна.The objective of the invention is the creation of a design and a method of manufacturing photonic crystalline chalcogenide fibers with a solid core, by the method of assembly and constriction of the initial blanks. In the development of a fiber structure consisting of a chalcogenide micro- and nano-structure, in contrast to the known methods, when two types of chalcogenides are used with different refractive index coefficients, the proposed solution has two advantages: firstly, it allows the production of fibers with a core diameter close to to optical wavelengths that are highly nonlinear. Secondly, chalcogenide glass was used as a guide defect, and there is no need to use expensive glass to create a structural shell. Moreover, the creation of a second microstructural shell around the chalcogenide insert will allow it to be protected during the fiber drawing procedure. Thus, this solution will provide a cost-effective production of chalcogenide fiber.

Достигается поставленная задача тем, что фотонно-кристаллическое волокно имеет центральный волноведущий стержень из халькогенидного стекла, волноведущую микроструктурную оболочку из чередующих слоев халькогенидного стекла и воздушных зазоров и вторую защитную микроструктурную оболочку, выполненную из многокомпонентного стекла. Способ его изготовления включает предварительную вытяжку стержней из халькогенидного стекла разных размеров - центральный халькогенидный стержень имеет размеры большие, чем окружающие его халькогенидные стержни, выполняющие функции волноведущей оболочки и поддержки центрального волноведущего стержня, капилляров из тонкостенных трубок стандартного многокомпонентного стекла и толстостенной трубки. Далее формируют халькогенидную вставку путем укладки стержней из халькогенидного стекла в центре большего диаметра, по его образующей меньшего диаметра, с соответствующими воздушными зазорами, а затем укладывают внешние поддерживающие тонкостенные капилляры из многокомпонентного стекла в толстостенную трубку из многокомпонентного стекла, причем внутренний диаметр соответствует размерам уложенного пакета и уже далее заготовку перетягивают в волокно необходимых размеров. Предложенная конструкция и технология позволит разработать новый тип халькогенидного волокна для гибкого управления инфракрасным излучением в нелинейно-оптических приложениях, в частности генерации суперконтинуума в средней инфракрасной области.The task is achieved in that the photonic crystal fiber has a central waveguide rod made of chalcogenide glass, a waveguide microstructural shell of alternating layers of chalcogenide glass and air gaps and a second protective microstructural shell made of multicomponent glass. The method of its manufacture includes the preliminary extraction of chalcogenide glass rods of different sizes - the central chalcogenide rod is larger than the surrounding chalcogenide rods, which act as a wave guide and support the central wave guide rod, capillaries from thin-walled tubes of standard multi-component glass and thick-walled tubes. Next, a chalcogenide insert is formed by laying rods of chalcogenide glass in the center of a larger diameter, along its forming smaller diameter, with corresponding air gaps, and then lay the external supporting thin-walled capillaries of multicomponent glass in a thick-walled tube made of multicomponent glass, and the inner diameter corresponds to the size of the stacked bag and then the preform is pulled into the fiber of the required size. The proposed design and technology will allow the development of a new type of chalcogenide fiber for the flexible control of infrared radiation in nonlinear optical applications, in particular, the generation of supercontinuum in the middle infrared region.

Ввиду недостаточной прозрачности для ИК диапазона оптического спектра у стекол многокомпонентной группы, центральная волноведущая часть волокна выполняется из халькогенидного стекла, а ввиду высокой стоимости халькогенидных стекол по сравнению со стеклами многокомпонентной группы, обкладка центрального волноведущего дефекта выполняется из капилляров из многокомпонентного стекла, подобранного по принципу близости коэффициентов температурного расширения и температур размягчения и кристаллизации.Due to insufficient transparency for the IR range of the optical spectrum in glasses of a multicomponent group, the central waveguide part of the fiber is made of chalcogenide glass, and due to the high cost of chalcogenide glasses compared to glasses of a multicomponent group, the lining of the central waveguide defect is made of capillaries made of multicomponent glass, selected according to the proximity principle coefficients of thermal expansion and softening and crystallization temperatures.

В качестве исходного материала для производства фотонно-кристаллических халькогенидных волокон с твердой сердцевиной используются круглые тонкостенные капилляры из многокомпонентного стекла и стержни различного диаметра из халькогенидного стекла. Капилляры из многокомпонентных стекол изготавливаются из расплава стекла по классической волоконной технологии путем вытяжки на установке, состоящей из печи, фильерного узла и механизма вытяжки. В печи при нагреве (не более 1000 C°) происходит размягчение стеклоблока, а форму, размер и последующую конфигурацию изделия формирует фильера, фильерный узел и работа механизма вытяжки. А стержни различного диаметра из халькогенидного стекла изготавливаются путем предварительной вытяжки необходимого диаметра.Round thin-walled capillaries made of multicomponent glass and rods of various diameters from chalcogenide glass are used as starting material for the production of photonic crystalline chalcogenide fibers with a solid core. Capillaries from multicomponent glasses are made of molten glass according to the classical fiber technology by drawing on a plant consisting of a furnace, a spinneret assembly and a drawing mechanism. When heated (not more than 1000 C °), the glass block softens, and the shape, size and subsequent configuration of the product are formed by the die, the die assembly and the operation of the drawing mechanism. And rods of various diameters from chalcogenide glass are made by preliminary drawing of the required diameter.

После этапа получения исходных заготовок капилляров и стержней они укладываются в пакет, например, как на (Фиг.1), при этом реализуется необходимое соотношение между сердцевиной и оболочкой волокна. Для эффективной локализации излучения в твердом волноведущем дефекте основной дефект (центральный халькогенидный стержень) окружают малыми халькогенидными стержнями, обеспечивая необходимые воздушные зазоры. При необходимости вытяжка производится в несколько этапов. Основным геометрическим параметром структуры, оказывающим влияние на спектральные характеристики волокна в максимальной степени, является диаметр волноведущих дефектов в структуре волокна и размеры воздушных зазоров.After the step of obtaining the initial blanks of capillaries and rods, they are placed in a package, for example, as in (Figure 1), while the necessary ratio between the core and the fiber sheath is realized. For effective localization of radiation in a solid waveguiding defect, the main defect (central chalcogenide rod) is surrounded by small chalcogenide rods, providing the necessary air gaps. If necessary, the hood is produced in several stages. The main geometric parameter of the structure that affects the spectral characteristics of the fiber to the maximum extent is the diameter of the waveguiding defects in the fiber structure and the size of the air gaps.

За счет сборки исходной заготовки из халькогенидного стекла, в качестве волноведущего дефекта, и стекла многокомпонентной группы, в качестве упрочняющей оболочки волокна, получается достаточное пропускание волокна в ИК диапазоне спектра электромагнитного излучения, необходимая локализация излучения в сердцевине для осуществления нелинейного преобразования излучения, а также удешевление волокна за счет сокращения массы дорогого халькогенидного стекла.By assembling the initial billet from chalcogenide glass, as a waveguide defect, and glass of a multicomponent group, as a reinforcing shell of the fiber, sufficient transmission of the fiber in the infrared range of the spectrum of electromagnetic radiation is obtained, the necessary localization of radiation in the core for nonlinear radiation conversion, as well as cheaper fiber by reducing the mass of expensive chalcogenide glass.

Изобретение иллюстрируют следующие примеры.The invention is illustrated by the following examples.

Пример 1.Example 1

Получаемая после перетяжки геометрия поперечного сечения волокна схематично изображена на Фиг.2. Структура волокна включает: одну центральную сердцевину из халькогенидного стекла (1) диаметром 10 мкм, которая подвешена на четырех штабиках подвесах из халькогенидного стекла (2) имеющих диаметр 5 мкм, четыре капилляра из многокомпонентного стекла (3), касающиеся четырех халькогенидных штабиков подвесов (3), трубка из многокомпонентного стекла (4) выполняет функцию защитной оболочки и необходима для улучшения прочностных характеристик волокна.Obtained after the constriction geometry of the cross section of the fiber is schematically depicted in figure 2. The structure of the fiber includes: one central core of chalcogenide glass (1) with a diameter of 10 μm, which is suspended from four chalcogenide glass suspensions (2) having a diameter of 5 μm, four capillaries of multi-component glass (3) relating to four chalcogenide suspensions (3) ), a tube made of multicomponent glass (4) serves as a protective sheath and is necessary to improve the strength characteristics of the fiber.

Изобретение проиллюстрировано следующими чертежами.The invention is illustrated by the following drawings.

На фигуре 1 представлена геометрия исходного пучка фотонно-кристаллического халькогенидного волокна.The figure 1 presents the geometry of the initial beam of photonic crystalline chalcogenide fibers.

На фигуре 2 представлена фотография полученного по предлагаемому способу волокна (поперечное сечение)The figure 2 presents a photograph obtained by the proposed method of fiber (cross section)

Claims

1. Photonic crystalline fiber, consisting of a central waveguide rod made of multicomponent glass surrounded by a microstructural shell, in the form of a periodically stacked array of capillaries made of multicomponent glass, characterized in that the central waveguide rod is made of chalcogenide glass, and the waveguide microstructural shell is made of alternating layers chalcogenide glass and air gaps.

2. The photonic crystal fiber according to claim 1, characterized in that it has a second protective microstructural shell made of multicomponent glass.

3. A method of manufacturing photonic crystalline chalcogenide fibers, including pre-drawing rods and capillaries, packing in a bag and a second constriction, characterized in that the rods are made of chalcogenide glass, and the capillaries are made of thin-walled tubes of standard multi-component glass.

4. The method according to claim 1, according to which pre-stretch the rods of chalcogenide glass of different sizes, and the Central chalcogenide rod has dimensions larger than the surrounding chalcogenide rods that perform the functions of waveguide sheath and support the central waveguide rod.

5. The method according to claim 1, according to which external supporting thin-walled capillaries of electrovacuum glass are placed around a chalcogenide insert in a thick-walled tube made of multicomponent glass, and its inner diameter corresponds to the size of the stacked bag, and then the preform is pulled into the fiber of the required size.