CC BY
6ВКВО-2023- РАДИОФОТОНИКА И ФИС
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СУБМИКРОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
Ружицкая Д.Д., Миньков К.Н.*
Российский квантовый центр, г. Москва * E-mail: k.n.minkov@yandex.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-100-101
Cубволновые оптические волокна (СОВ) - это оптические волокна (ОВ) с диаметром, приближенным к длине волны излучения. Они обладают высокой плотностью мощности, большим выпадающим полем и управляемой дисперсией волновода [1]. СОВ применяются в различных волоконно-оптических устройствах, где требуются компактные размеры, короткие оптические пути и низкое энергопотребление [1-2]. Они успешно используются в оптических соединениях, разветвителях и фильтрах [2-3]. Кроме того, СОВ широко применяются в создании чувствительных сенсоров, абсорбционной спектроскопии и других приложениях [3-4].
Особый интерес представляет применение СОВ в волоконных элементах связи для оптических микрорезонаторов МШГ. Микрорезонаторы с МШГ имеют малые размеры и высокую добротность, и они используются в различных нелинейно-оптических процессах и квантовой оптике. СОВ являются предпочтительным способом связи с микрорезонаторами и обеспечивают эффективность связи до 99,95% [4-6]. С развитием фотоники и использованием микрорезонаторов из разных материалов и геометрий, возникла потребность в создании большого количества СОВ с диаметром около 400 нм. Для этого необходимо разработать методики и установки, позволяющие получать СОВ с заданными характеристиками.
Для этой цели была автоматизирована установка из [7]. В процессе оптимизации были выполнены следующие задачи: 1) усовершенствование системы подачи топливной смеси; 2) оптимизирован и полностью автоматизирован процесс вытягивания СОВ; 3) автоматизирована процедура контроля параметров СОВ в процессе вытяжки при помощи оригинально разработанного ПО.
Предлагаемая установка для получения СОВ состоит из трех Функциональных систем: системы подачи топливной смеси, механической системы подвижек, осуществляющих автоматизированное перемещение и растяжение ОВ, и оптической системы для контроля параметров, изготовленного СОВ. Схема установки показана на рис.1.
1 о
IZZh
19
5 4
/ ч ( 1
1 2
®_
■а -<!*
I 2
)
2 О
21
Рисунок 1. Схема автоматизированной установки по производству субмикронных оптических волокон
Система подачи топливной смеси включает следующие элементы: 1) блок питания: служит для поджига, тушения и отключения пламени; 2) электролизер OGO HHO: состоит из пар проводящих пластин и электролита - водного раствора гидроксида калия (ОСЧ KOH) объемом 100 мл. Использование ОСЧ в гранулах КОН обеспечивает более чистое пламя. 3) Бабблер - сосуд, который отделяет пену от топливной смеси. Пена возвращается в электролизер, а горючая смесь направляется в систему жидкостных затворов. 4) Водный затвор: содержит дистиллированную воду и предотвращает возгорание смеси. 5) Затвор с этиловым спиртом: очищает кислородно-водородную
ВКВ0-2023- РАДИОФОТНИКА И ФИС
смесь. 6) Осушители: содержат гранулы цеолита и удаляют пары воды и спирта из топливной смеси. 7) Регулятор расхода газа (клапан РРГ20): контролирует расход газа с точностью до 0.1%, что позволяет управлять температурой пламени. 8) Оптическая плита: на которой установлена система управления пламенем (9). Система управления пламенем: включает датчик контроля температуры и механизмы поджига и тушения пламени. Для поджига используется высокочастотная дуга с током 5 А, а для тушения - сжатый воздух через металлическую трубочку.
Механическая система на оптической плите осуществляет растяжение и перемещение ОВ. Она состоит из двух частей: системы растяжения ОВ (11) (левая часть на рис. 1) и системы заклеивания растянутого ОВ (правая часть рис. 1). Система растяжения ОВ (11) включает две подачи с V-образными направляющими. Они имеют четыре степени свободы и расположены на одной оси. Эти подачи осуществляют растяжение волокна и установлены в раму на третьей подаче. Третья подача выполняет возвратно-поступательные движения относительно неподвижного сопла, обеспечивая равномерный нагрев нужной длины волокна. Четвертая подача, которая находится в системе управления пламенем (9), перемещает сопло к волокну. Это позволяет осуществлять поджиг и тушение пламени вдали от волокна, минимизируя риск повреждения волокна.
После достижения необходимой геометрии СОВ, вытянутая часть перемещается в правую часть установки для заклеивания растянутого ОВ. Для этого используются направляющие (13). Система заклеивания растянутого ОВ включает вилку (15), на которой растянутый участок ОВ фиксируется с помощью специального клея. Вилка представляет собой П-образный универсальный держатель волокна, который облегчает работу с волокном во время экспериментов. Для подвода вилки используется система (17), которая позволяет подвести вилку снизу растянутого волокна и зафиксировать его в специально изготовленной катушке (14). Затем ультрафиолетовые диоды (16) полимеризуют нанесенный клей. После этого катушка с заклеенным волокном помещается в переносной кейс, а само волокно скручивается на специальные катушки.
Установка оснащена системой видеонаблюдения (18) для визуального контроля процесса растяжения. Система состоит из двух видеокамер. Первая камера расположена горизонтально и позволяет контролировать растяжение или провисание оптического волокна. Вторая камера расположена вертикально над соплом и контролирует положение сопла относительно волокна.
Оптическая система установки предназначена для наблюдения и контроля параметров ОВ в процессе растяжения. Она включает непрерывный лазер (19) с длиной волны 1550 нм, к которому подключено ОВ, фотодетектор (20) и осциллограф (21).
Полученные образцы СОВ имеют адиабатический переход к центру перетяжки и обеспечивают коэффициент пропускания не менее 90%. Диаметр получаемых волокон варьируется от 400 нм до 90 мкм, а длина вытянутого участка может достигать 100 мм.
СОВ, полученная на автоматизированной установке, обладает необходимой жесткостью для минимизации влияния электрического заряда на элементы связи с оптическими микрорезонаторами МШГ. Это важно для обеспечения эффективной и стабильной связи с микрорезонатором. Работа поддержана Российским научным фондом (проект № 20-12-00344).
На рис. 2 показан микрорезонатор с МШГ (1), изготовленный из кристалла BaMgF4 с радиусом образующей 600 мкм и добротностью Q=5-108 установленный в держатель (2). Для возбуждения МШГ используется источник излучения с длиной волны 1550 нм, а СОВ (3) подводится с помощью вилки (4). Достигнутый коэффициент связи с микрорезонатором составляет 90%.
Литература
1. Tong L., et al, Opt. Comm. 85, 4641-4647 (2012)
2. Sumetsky M., Opt. Lett. 13, 3420-3422 (2006)
3. Lue. J. et. al. Opt. Express. 13, 2135-2140 (2005)
4. Matsko A.B., Ilchenko V. IEEE J. Sel. Top. Quant/Electron. 12, 3-14 (2006)
5. Little B.E., et al, J. Lightwave Technology 17, 704-715 (1999)
6. Городецкий М. Л., Оптические микрорезонаторы с гигантской добротностью, Физматлит, Москва (2011)
7. Иванов А.Д., Миньков К.Н., Самойленко А.А. Оптический журнал, 84, 86-91, (2017)
