Волоконно-оптический элемент

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(72) Авторы Дяденко Михаил Васильевич Левицкий Иван Адамович(73) Патентообладатель Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(57) Волоконно-оптический элемент, состоящий из сердцевины, выполненной из стекла,включающего , 23, 2, 23, 2, 2 и 25, прозрачной оболочки, выполненной из стекла, включающего 2, 23, 2, 23 и , и окрашенной оболочки,выполненной из стекла, включающего 2, 23, 23, 2, 2, , , , ,23 и 23, отличающийся тем, что стекло сердцевины дополнительно содержит 3 и 23 при следующем соотношении компонентов, мас. 23,0-31,5 23 14-24 2 13-18 23 12-16 2 4,5-9,5 2 2,5-5,0 25 3-6 3 1-6 23 3-8,стекло прозрачной оболочки дополнительно содержитпри следующем соотношении компонентов, мас.70-74 2 23 15-20 2 5-9 23 0,5-3,0 0,5-1,5,а стекло окрашенной оболочки дополнительно содержит 23 при следующем соотношении компонентов, мас.56,2-70,2 2 23 3-8 23 1-6 Изобретение относится к оптической промышленности, к изделиям из волоконной оптики, которые применяются в электронно-оптических системах для поворота изображения на 180 и называются твистеры. Известен волоконно-оптический элемент 1, состоящий из световедущей жилы и двух оболочек. Составы стекол содержат, мол.стекло сердцевины 2 14,3 23 28,5 23 42,8 23 7,1 23 7,1 2 0,2 23 0,6 стекло светоотражающей оболочки 2 14,3 23 28,5 23 42,8 23 3,6 23 10,6 2 0,2. Недостатком данного изобретения является наличие в составе стекол оксида висмута,который не позволяет использовать платиновые фильерные сосуды для производства оптического волокна. В результате взаимодействия 23 с платиной стекло приобретает серую либо темно-коричневую окраску в зависимости от содержания оксида висмута, что недопустимо вследствие потерь передаваемой информации стеклом для световодов, которое не должно содержать более 10-7 красящих примесей 2, 3. Кроме того, стекла сердцевины и светоотражающей оболочки характеризуются показателями преломления 2,04 и 2,03 соответственно, а значение апертуры при этом для данного волоконно-оптического элемента составляет А 0,2. Как известно 4, для обеспечения требуемого прохождения световых лучей, падающих под большим углом к оптической оси, и для создания необходимой частотно-контрастной характеристики волоконной детали, его апертурное число должно быть А 1. В связи с этим предложенные составы стекол не могут быть использованы в производстве указанных волоконно-оптических изделий. Наиболее близким к предлагаемому составу и достигаемому результату является волоконно-оптический элемент 5, составы стекол которого содержат, мас.стекло сердцевины 2 15-17,5 23 10-13 23 17-19,529-323-8 2 12-14 2 3-5 23 0,3-0,5 25 3-5 2 0,3-1,0 стекло прозрачной (светоотражающей) оболочки 2 61-69 23 12-21 23 2-9 2 9,5-14 23 0,3-0,50,1-1,00,3-2,00,3-3,0 2 0,5-5,0 2 2-10 2 0,3-1,0 стекло окрашенной (защитной) оболочки 2 58-67 23 12-21 23 2-5 2 2-10 2 3-100,5-20,5-8 23 0,010,5 23 0,01-0,30,01-0,2 2 0,5-5,00,1-0,6. Данный волоконно-оптический элемент характеризуется наличием в составе стекол световедущей жилы и оболочек чрезвычайно опасных оксидов ( класс опасности)и 23, отсутствием согласованности по показателю температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) для стекол световедущей жилы и оболочки, что приводит к появлению трещин на границе сердцевина - светоотражающая оболочка и, как следствие, к потерям передаваемой информации. Кроме того, интервал вязкости 109-1010 Пас у стекла сердцевины расположен в области температур 700-720 С, что является причиной смещения световодов от их начального местоположения при получении твистеров и, как результат, возникновения темных пятен. Задачей предлагаемого изобретения является разработка составов стекол для оптического стекловолокна, которые будут согласованы по величине ТКЛР и показателю вязко 2 15310 1 2012.02.28 сти в интервале 1013-10 Пас при изготовлении поворотников, что позволит получить качественное волоконно-оптическое изделие, обеспечивающее требуемый уровень его физико-химических свойств (апертура, температурный коэффициент линейного расширения,светопропускание, коэффициент ослабления) при отсутствии в составах опасных веществ. Решение поставленной задачи достигается тем, что волоконно-оптический элемент,состоящий из сердцевины, выполненной из стекла, включающего , 23, 2, 23,2, 2 и 25, прозрачной оболочки, выполненной из стекла, включающего 2,23, 2, 23 и , окрашенной оболочки, выполненной из стекла, включающего 2, 23, 23, 2, 2, , , , , 23 и 23, отличается тем, что сердцевина дополнительно содержит 3 и 23 при следующем соотношении компонентов, мас. 23-31,5 23 14-24 2 13-18 23 12-16 2 4,5-9,5 2 2,5-5 25 3-6 3 1-6 23 3-8,стекло прозрачной оболочки дополнительно содержитпри следующем соотношении компонентов, мас.2 70-74 23 15-20 2 5-9 23 0,5-3 0,5-1,5,а стекло окрашенной оболочки дополнительно содержит 23 при следующем соотношении компонентов, мас.2 56,2-70,2 23 3-8 23 1-6 2 7,2-16 2 5-10,5 0,2-0,6 23 0,2-0,6 23 0,3-0,6 23 0,1-0,3. Данные составы стекол обеспечивают получение твистера со значениями ТКЛР для сердцевины и светоотражающей оболочки, отличающимися на величину 1010-7 К-1, и близкие значения по величине вязкости в диапазоне 1010-108 Пас. Для приготовления шихты при варке стекол для оптического стекловолокна используют аморфный кремнезем, борную кислоту, барий азотнокислый, оксид лантана, оксид титана, оксид циркония, оксид ниобия, оксид вольфрама, оксид иттрия, глинозем, калиевую селитру, соду кальцинированную, магнезию жженую, оксид кальция, оксид кобальта,оксид хрома, оксид марганца, оксид железа. Для варки опытных стекол использовали сырьевые материалы марки квалификации хч и осч с целью предотвращения потерь при передаче информации по световоду на значительные расстояния. 3 15310 1 2012.02.28 Изобретение поясняется выполнением конкретных примеров. Пример 1. Шихту готовят традиционным порошковым способом компоненты при влажности не более 1 и величине зерен не более 1 мм взвешивают, далее смешивают и увлажняют водой для достижения влажности 3-5 с целью предотвращения пыления, после чего смесь тщательно перемешивают. Стекла для сердцевины варят в электрической печи в платиновом тигле при температуре 125010 С и вырабатывают способами свободного формования. Стекла для оболочек варят в газовой печи в корундизовых тиглях при температуре 160020 С для прозрачной и 148020 С для окрашенной оболочки и вырабатывают способами свободного формования (стекломассу отливают в формы размером 1003040 мм),затем данное стекло подвергают тонкому отжигу при температуре 650 С в течение 48 часов. На полученных образцах осуществляют измерение оптических свойств (светопропускание, показатель преломления), затем из данных заготовок получают образцы для измерения ТКЛР и вязкостных характеристик. Для производства твистеров (поворотников) используют жесткие многожильные волокна. Особенностью жесткого типа оптических волокон является невозможность их наматывания на барабан. Из стекол сердцевины и оболочек, подобранных по комплексу технологических и физико-химических свойств, фильерным способом получают одножильное волокно. Множество собранных в пакет одножильных волокон впоследствии нагревают и методом перетяжки получают многожильное волокно. Из полученных многожильных световодов прессуют блоки, которые затем отжигают и разрезают на заготовки. Для обеспечения вытягивания качественного волокна одновременно из трех стекол необходимо, чтобы вязкость стекол сердцевины и оболочек была согласована в широком интервале температур. Особенно точно должна быть подобрана вязкость стекол при температуре выработки. Изготовление твистеров, осуществляющих поворот изображения на 180, состоит в том, что на заготовку надевают муфту из графита, закрепляют ее в приспособлении токарного типа с помощью гипса, а затем нагревают в электрической печи, футерованной кварцевым стеклом. Когда температура в печи достигает значения, при которой середина заготовки размягчается, осуществляется поворот заготовки при помощи груза, укрепленного на блоке. Угол поворота контролируется лимбом, закрепленным на оси с блоком и стопором. Диаметр муфты выполняется на 0,05-0,15 мм больше диаметра заготовки, а длина равной или в 1,2-1,5 раза большей заданной зоны скрутки. Примеры предлагаемых составов стекол, а также состав прототипа стекол приведены в табл. 1, а основные свойства предлагаемых стекол, прототипа и волоконно-оптического элемента - в табл. 2, 3. Как видно из табл. 2, предлагаемые составы стекол удовлетворяют требованиям,предъявляемым к стеклам для волоконной оптики, по ряду технологических и физикохимических характеристик. Как видно из табл. 3, комбинации заявляемых составов оптических стекол по сравнению с прототипом обладают повышенным светопропусканием, что позволяет их использовать при передаче информации в широкополосных каналах связи, увеличивая при этом надежность используемого волоконно-оптического изделия. Вместе с тем заявляемые составы стекол для оптического волокна характеризуются отсутствием в своем составе экологически опасных веществ ( класс опасности). Требуемый уровень оптических характеристик (апертура А 1, высокие значения светопропускания 50-55 при толщине 5 мм) и согласованность температурного хода кривых вязкости предлагаемых составов стекол позволяют их применять для производства оптического стекловолокна методом двойного тигля. 4 Составы экспериментальных стекол Составы стекол, мас.Стекло для сердцевины 1 2 3 23 31,5 26 21 14 24 18 13 16 15 16 12 9,5 4,5 6 2,5 4 5 5 3 6 3 6 1 3 8 4 Стекло для светоотражающей оболочки 1 2 3 70 74 72,5 16 15 20 9 7,8 5 3 2,0 0,5 0,5 0,7 1 1,5 0,5 1 Стекло для защитной (окрашенной) оболочки 1 2 3 56,2 70,2 65,1 8 6,4 3 3,0 1 6 16 10 7,2 10,5 5 7 2,5 0,5 3,5 9 1 4 0,5 4,5 2,8 0,6 0,2 0,3 0,2 0,6 0,3 0,4 0,3 0,6 0,1 0,3 0,2 15310 1 2012.02.28 Таблица 2 Основные характеристики заявляемых составов Характеристики Составы Стекло для сердцевины Номер стекла 1 2 3 1. Кристаллизационная способность отсутствие отсутствие отсутствие при термообработке в интервале признаков признаков признаков кристалли- кристалли- кристалли 600-1000 С в течение 24 часов зации зации зации 2. Показатель преломления 1 1,8076 1,8922 1,8271 76,7 77,7 77,2 3. ТКЛР, 107 К-1 4. Температура, соответствующая вязкости 1225 1219,2 1223,24 845,7 848,1 850,56,5 763,4 762,7 760,110 687,3 681,2 683,112,3 648,1 645,1 644,313,5 632,3 633 631,5 1250 1250 1250 5. Температура варки опытных стекол, С Стекло для прозрачной оболочки Номер стекла 1 2 3 1. Кристаллизационная способность отсутствие отсутствие отсутствие при термообработке в интервале кристалли- кристалли- кристаллизации зации зации 600-1000 С в течение 6 часов 2. Показатель преломления 2 1,5115 1,5083 1,5143 68,4 67,1 65,2 3. ТКЛР, 107 К -1 4. Температура, соответствующая вязкости 1520,1 1518,4 1519,44 1054,3 1050,2 1052,96,5 827,2 829,4 825,110 629,3 625,4 627,012,3 590,1 589,4 590,313,5 578,4 578,2 578,9 1600 1600 1600 5. Температура варки опытных стекол, С Стекло для окрашенной оболочки Номер стекла 1 2 3 1. Кристаллизационная способность отсутствие отсутствие отсутствие при термообработке в интервале кристалли- кристалли- кристаллизации зации зации 600-1000 С в течение 6 часов 2. Показатель преломления 3 1,4986 1,5199 1,5186 74,5 75,3 75,8 3. ТКЛР, 107 К -1 4. Температура, соответствующая вязкости 1425,6 1423,8 1424,14 969,6 973,2 971,56,5 772,7 775,1 773,110 599,9 603,4 598,012,3 568,4 570,1 570,513,5 510,2 511,3 510,9 1480 1480 1480 5. Температура варки опытных стекол, С 6 15310 1 2012.02.28 Таблица 3 Комбинации стекол Апертура изделия 2 12 2 Светопропускание 550,на толщине 5 мм на толщине 15 мм Коэффициент передачи контраста (КПК), мм-1 Использование описанного изобретения возможно на РУП Завод Оптик, г. Лида,для производства оптического стекловолокна, которое находит широкое применение в медицине, компьютерной и космической технике как в республике, так и за ее пределами. Источники информации 1. Патент США, МПК 702 6/02, 2003. 2. Полухин В.Н. Исследование дисперсионных свойств силикатных и боросиликатных стекол, содержащих окислы редкоземельных элементов Афтореф.дис. канд. техн. наук. 224 с. 3. Головин Е.П. Химическая технология стеклянного волокна и волоконно-оптических элементов. - Владимир ВПИ, 1993. - 91 с. 4. Полухин В.Н. Стекла для волоконной оптики. Структура, состав, свойства и формование стеклянных волокон. МатериалыВсесоюзного симпозиума по стеклянному волокну. - М., 1968. - Ч. 1. - С. 30-34. 5. А.с. СССР 1767817, МПК 703 13/00, 1996. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7