патент
№ RU 2677499
МПК C03C25/46

Кварцевое оптическое волокно с оловянным покрытием

Авторы:
Демидов Владимир Витальевич Тер-Нерсесянц Егише Вавикович Хохлов Александр Вадимович
Все (9)
Номер заявки
2018100801
Дата подачи заявки
10.01.2018
Опубликовано
17.01.2019
Страна
RU
Дата приоритета
21.02.2024
Номер приоритета
Страна приоритета
Как управлять
интеллектуальной собственностью
Реферат

Изобретение относится к волоконной оптике. Волокно включает сердцевину и светоотражающую оболочку из кварцевого стекла с нанесенным на нее оловянным покрытием. Оловянное покрытие модифицировано висмутом в пропорции BiSn, где х=99,5±0,05 масс. %. Толщина стабилизированного оловянного покрытия предпочтительна от 20 до 60 мкм для оптического волокна диаметром от 125 до 480 мкм и от 40 до 80 мкм для оптического волокна диаметром от 500 до 1200 мкм. Технический результат – получение оптического волокна с прочным гладким без крупных дефектов оловянным покрытием, способного к долговременной эксплуатации в различных температурных условиях в широком диапазоне от -50 до +200°С. 2 з.п. ф-лы, 3 пр.

Формула изобретения

1. Кварцевое оптическое волокно с оловянным покрытием, конструкция которого включает сердцевину и светоотражающую оболочку из кварцевого стекла с нанесенным на нее оловянным покрытием, отличающаяся тем, что покрытие выполнено из олова, модифицированного висмутом в пропорции Bi100-xSnx, где x=99,5±0,05 масс. %, при этом содержание примесей в исходном олове, за исключением висмута, не превышает 0,5 масс. %.
2. Кварцевое оптическое волокно по п. 1, которое имеет диаметр от 125 до 480 мкм, изготовлено с оловянным покрытием толщиной предпочтительно от 20 до 60 мкм.
3. Кварцевое оптическое волокно по п. 1, которое имеет диаметр от 500 до 1200 мкм, изготовлено с оловянным покрытием толщиной предпочтительно от 40 до 80 мкм.

Описание

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности, к технике телекоммуникационных и специальных оптических волокон, и предназначено для изготовления оптических волокон на основе кварцевого стекла с оловянным покрытием, устойчивым к разрушению при температуре окружающей среды ниже +13,2°С вследствие фазового перехода из β-состояния (белое олово) в α-состояние (серое олово).

Из уровня техники известно устройство для изготовления покрытого металлом оптического волокна и металлизированное оптическое волокно, полученное с помощью этого устройства, по патенту РФ №21913, опубл. 27.02.2002 по индексам МПК С03В 37/027, С03С 25/12. В данной полезной модели заявлено оптическое волокно с металлизированным покрытием толщиной от 5 до 50 мкм, выполненным из меди и полученным при поддержании температуры расплавленной меди в устройстве нанесения металлического покрытия в диапазоне от 1083 до 1110°С, либо выполненным из олова и полученным при поддержании температуры расплавленного олова в устройстве нанесения металлического покрытия в диапазоне от 231 до 260°С, либо выполненным из алюминия и полученным при поддержании температуры расплавленного алюминия в устройстве нанесения металлического покрытия в диапазоне от 660 до 690°С.

Недостаток известного технического решения заключается в том, что покрытие из олова чистотой 99,9% подвержено фазовому переходу из β-состояния в α-состояние при температуре окружающей среды ниже +13,2°С. Отрицательный эффект такой концентрации олова выражается в сужении диапазона рабочих температур оптического волокна, а также в разрушении оловянного покрытия, исключающем эксплуатацию оптического волокна в отрезках любой протяженности.

Известен волоконно-оптический кабель по патенту Великобритании №2404994, опубл. 16.02.2005 по индексам МПК С03С 25/10, С03С 25/18, Е21В 47/12, G02B 6/02, G02B 6/44, на основе кварцевого оптического волокна с металлическим покрытием толщиной от 50 до 550 мкм. Металлическое покрытие получают методом намораживания расплава. В качестве металлов используют никель, медь, хром, олово, золото, алюминий или их сочетания.

К недостатку этого решения следует отнести то обстоятельство, что для обеспечения необходимого уровня механической прочности оптического волокна в его конструкцию вносятся существенные изменения, а именно, толщина светоотражающей оболочки увеличивается до 200-5000 мкм.

За прототип заявляемого технического решения выбран патент РФ №21913.

Задача нового изобретения заключается в получении кварцевого оптического волокна телекоммуникационного и специального применения со стабилизированным оловянным покрытием, способного к долговременной эксплуатации в различных температурных условиях. Технический результат - увеличение диапазона рабочих температур кварцевого оптического волокна со стабилизированным оловянным покрытием относительно аналога с нестабилизированным оловянным покрытием за счет расширения температурного диапазона эксплуатации волокна от +13,2°С до -50°С. Верхняя граница рассматриваемого диапазона в случае кварцевого оптического волокна как со стабилизированным, так и нестабилизированным оловянным покрытием остается неизменной и составляет +200°С.

Задача изобретения решается с помощью конструкции кварцевого оптического волокна, включающего сердцевину и светоотражающую оболочку из кварцевого стекла с нанесенным на нее оловянным покрытием, в которой, в отличие от прототипа, оловянное покрытие выполнено из олова, модифицированного висмутом в следующей пропорции: Bi100-xSnx, где х=99,5±0,05 масс. %. Для получения гладкого без крупных дефектов покрытия целесообразно модифицировать олово висмутом с долей последнего 0,5±0,05 масс. %. При этом обеспечение высоких прочностных характеристик в заявленном диапазоне рабочих температур для оптического волокна с диаметром от 125 до 480 мкм достигается при толщине модифицированного висмутом оловянного покрытия от 20 до 60 мкм, а для оптического волокна с диаметром от 500 до 1200 мкм - при толщине модифицированного висмутом оловянного покрытия от 40 до 80 мкм.

Таким образом, включение висмута в состав оловянного покрытия стабилизирует олово, позволяя достичь прочного гладкого без крупных дефектов покрытия, устойчивого к длительному воздействию различных температур в широком диапазоне.

Получение стабилизированного оловянного покрытия на кварцевом оптическом волокне осуществляют методом намораживания расплава олова с введенным в его состав висмутом в пропорции Bi100-xSnx, где х=99,5±0,05 масс. %. Для достижения прочного гладкого без крупных дефектов оловянного покрытия на кварцевом оптическом волокне, отличающегося отсутствием оголенных участков волокна и наплывов олова, содержание примесей в исходном олове, за исключением висмута, не должно превышать 0,5 масс. %.

Изготовление кварцевого оптического волокна с покрытием из олова, модифицированного висмутом, осуществляют следующим образом. Оптическое волокно, имеющее температуру, близкую к температуре лабораторного помещения, проходит через ванну с расплавом олова и введенного в его состав висмута. Созданные за счет большой разности температур приповерхностного слоя оптического волокна и расплава условия нестационарного теплообмена инициируют процесс кристаллизации оловянного покрытия на поверхности волокна.

Ключевыми параметрами, определяющими толщину намораживаемого оловянного покрытия, являются:

- диаметр оптического волокна;

- температура приповерхностного слоя оптического волокна до попадания в ванну с расплавом (близка к температуре лабораторного помещения ~25°С);

- температура расплава (~240°С);

- высота слоя расплава (~1 мм);

- скорость вытягивания оптического волокна (10-50 м/мин).

В общем случае при заданных значениях диаметра оптического волокна, температуры лабораторного помещения, температуры расплава и высоты слоя расплава толщина намораживаемого оловянного покрытия регламентируется скоростью прохождения волокна через ванну с расплавом. Оптимальная толщина оловянного покрытия составляет от 20 до 60 мкм для оптического волокна с диаметром от 125 до 480 мкм и от 40 до 80 мкм для оптического волокна с диаметром от 500 до 1200 мкм. Получение оловянного покрытия толщиной, меньшей заявленных значений, сопровождается образованием неустранимых крупных дефектов покрытия и, как следствие, приводит к ухудшению прочностных характеристик оптического волокна.

Все признаки, определяющие оптимальные параметры конструкции предлагаемого оптического волокна с покрытием из олова, модифицированного висмутом, определены опытным путем.

Пример №1.

Изготовлен контрольный, отличный от заявляемого, образец кварцевого оптического волокна с оловянным покрытием: диаметр сердцевины составляет 400 мкм, диаметр светоотражающей оболочки - 425 мкм, толщина покрытия - 45 мкм, длина образца - 20 м. В состав оловянного покрытия введен висмут в пропорции Bi100-xSnx, где х=99,8 масс. %.

Покрытие из олова, модифицированного висмутом, на оптическом волокне характеризуется высокой равномерностью и отсутствием видимых дефектов (средний размер дефектов пренебрежимо мал - менее 1 мкм).

Образец полученного оптического волокна с оловянным покрытием был помещен в специальные условия, в которых температура окружающей среды поддерживалась на уровне -50°С, а для катализа фазового перехода олова из β-состояния в α-состояние использовалось серое олово. Выдержка волокна в указанных условиях в течение четырех недель имела своим следствием частичное разрушение, а в течение последующих двух недель -полное разрушение оловянного покрытия.

Таким образом, несмотря на достижение равномерности и бездефектности оловянного покрытия на кварцевом оптическом волокне, введения в состав олова 0,2 масс. % висмута недостаточно для обеспечения устойчивости покрытия к воздействию заявленных температурных условий.

Пример №2.

Изготовлен образец кварцевого оптического волокна с оловянным покрытием: диаметр сердцевины составляет 400 мкм, диаметр светоотражающей оболочки - 425 мкм, толщина покрытия - 45 мкм, длина образца - 20 м. В состав оловянного покрытия введен висмут в пропорции Bi100-xSnx, где х=99,5 масс. %.

Покрытие из олова, модифицированного висмутом, на оптическом волокне характеризуется равномерностью и наличием незначительных дефектов (наплывов олова), средний размер которых превышает аналогичный параметр, приведенный в Примере №1, и составляет не более 2 мкм.

Выдержка полученного оптического волокна в условиях, аналогичных указанным в Примере №1, не привела к сколько-нибудь заметному разрушению оловянного покрытия в течение десяти недель и ухудшению прочностных характеристик волокна. По этой причине введение 0,5 масс. % висмута в состав оловянного покрытия на кварцевом оптическом волокне следует считать достаточным для обеспечения устойчивости покрытия к воздействию заявленных температурных условий при сохранении высоких показателей гладкости покрытия и механической прочности волокна.

Пример №3.

Изготовлен контрольный, отличный от заявляемого, образец кварцевого оптического волокна с оловянным покрытием: диаметр сердцевины составляет 400 мкм, диаметр светоотражающей оболочки - 425 мкм, толщина покрытия - 45 мкм, длина образца - 20 м. В состав оловянного покрытия введен висмут в пропорции Bi100-xSnx, где х=99,2 масс. %.

Покрытие из олова, модифицированного висмутом, на оптическом волокне характеризуется наличием крупных дефектов (наплывов олова), средний размер которых превышает 1000 мкм, и оголенных участков волокна.

Выдержка полученного оптического волокна в условиях, аналогичных указанным в Примере №1, не привела к сколько-нибудь заметному разрушению оловянного покрытия в течение десяти недель. Однако использование такого волокна нецелесообразно ввиду нарушения герметичности покрытия и наличия чрезмерно крупных дефектов, способствующих деградации прочностных характеристик. Появление дефектов обусловлено различием во времени намораживания кристаллов олова и висмута на поверхности оптического волокна (процесс роста кристаллов висмута происходит быстрее).

Использование стабилизированного оловянного покрытия (олово модифицировано висмутом) позволяет расширить диапазон рабочих температур кварцевых оптических волокон телекоммуникационного и специального применения, в том числе, одномодовых, квазиодномодовых, маломодовых и многомодовых, со ступенчатым и градиентным профилем показателя преломления, с низкой временной дисперсией, с сохранением линейного состояния поляризации излучения и поляризующих, активированных ионами редкоземельных металлов, фоточувствительных, с несколькими сердцевинами, с депрессированной оболочкой, с сердцевиной из многокомпонентных стекол, микроструктурированных и фотонно-кристаллических, с полимерной светоотражающей или защитной оболочкой, с углеродным покрытием.

Как компенсировать расходы
на инновационную разработку
Похожие патенты