RU2561766C2

RU2561766C2 - Device for protection of fibre components against destruction by laser emission (versions)

Info

Publication number: RU2561766C2
Application number: RU2013156562/28A
Authority: RU
Inventors: Илья Александрович Зайцев
Original assignee: Илья Александрович Зайцев
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2015-09-10
Also published as: RU2013156562A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: in compliance with first version, this device comprises fibre with core size at some section thereof is varied along there along so that optical radiation emission is decreased in fibre section with increased core area. Decrease in radiation intensity beyond a definite level allows cancellation of optical radiation propagation. In compliance with second version, this device comprises fibre with core including an elongated cavity. The latter causes additional heat losses of optical radiation plasma. Cooling of said plasma to definite level cancels the optical radiation propagation.

EFFECT: higher reliability, lower losses.

22 cl, 11 dwg

Description

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к устройствам, защищающим световоды волоконно-оптических приборов и компонент от разрушения лазерным излучением.The invention relates to fiber optics, in particular to devices that protect the optical fibers of fiber-optic devices and components from destruction by laser radiation.

Интенсивность оптического излучения, распространяющегося в сердцевине одномодовых оптических волокон современных телекоммуникационных систем связи, чрезвычайно высока даже при небольшом уровне оптической мощности сигнального излучения. Загрязнение торца световода частицами, поглощающими оптическое излучение, может инициировать разрушение сердцевины световода лазерным излучением. В английской технической литературе это явление названо - «fiber fuse». В статьях на русском языке принятое название явления - «распространение оптического разряда». Процесс распространения оптического разряда схематически представлен на фиг.1, изображающей продольное сечение световода, имеющего сердцевину 4 и окружающую ее оболочку 3. При распространении оптического разряда (ОР) в световоде наблюдается светящаяся точка 2, движущаяся по сердцевине световода навстречу лазерному излучению. Направления распространения лазерного излучения и ОР показаны на фиг.1 стрелками 5 и 6 соответственно. После прохождения оптическим разрядом участка оптического волокна в сердцевине его образуются полости-каверны 1, расположенные периодически, вдоль оси световода. Поперечное сечение световода, проходящее через одну из полостей, показано на фиг.2. Температура сердцевины световода в зоне ОР достигает 5400 К (см. D.P. Hand and P.St.J.Russel „Solitary thermal shock waves and optical damage in optical fibers: the fiber fuse" Optics Letters Vol.13 No.9 p.767-769). Скорость распространения ОР зависит от мощности лазерного излучения. Для уровня мощности излучения в несколько Ватт порядок скорости - метр в секунду. В экспериментах с мощным импульсным излучением наблюдались скорости ОР до 3 км/с (см. Е.М. Дианов, В.Е. Фортов, И.А. Буфетов, В.П. Ефремов, А.А. Фролов, М.Я. Щелевс, В.И. Лозовойс «Детонационно-подобный режим разрушения волоконных световодов под действием интенсивного лазерного излучения" Письма в ЖЭТФ, 2006, том 83, выпуск 2,). Распространение ОР способно уничтожить километры оптического волокна. Остановить распространение ОР можно снизив интенсивность излучения ниже определенного порогового уровня, который зависит от состава, профиля показателя преломления, геометрических размеров сердцевины. Интенсивность излучения, необходимого для поддержания распространения ОР в телекоммуникационных световодах, составляет 1-3 МВт/см² (см. И.А. Буфетов, Е.М. Дианов, "Оптический разряд в волоконных световодах", УФН, 175:1 (2005), 100-103), что соответствует приблизительно 1 Вт оптической мощности в стандартном одномодовом световоде, используемом в оптоволоконных линиях связи. Образованные в сердцевине световода после прохождения ОР полости-каверны препятствуют распространению оптического излучения - необходима замена поврежденного участка волоконной линии.The intensity of optical radiation propagating in the core of single-mode optical fibers of modern telecommunication communication systems is extremely high even with a small level of optical power of signal radiation. Contamination of the fiber end with particles absorbing optical radiation can initiate the destruction of the fiber core by laser radiation. In the English technical literature this phenomenon is called - "fiber fuse". In articles in Russian, the accepted name of the phenomenon is “the propagation of an optical discharge”. The process of propagation of an optical discharge is schematically shown in Fig. 1, which shows a longitudinal section of a fiber having a core 4 and its sheath 3. When an optical discharge (OP) propagates, a luminous point 2 is observed in the fiber, moving along the core of the fiber towards the laser radiation. The directions of propagation of laser radiation and OR are shown in figure 1 by arrows 5 and 6, respectively. After the optical discharge passes through a portion of the optical fiber in its core, cavity cavities 1 are formed periodically located along the axis of the fiber. A cross section of a light guide passing through one of the cavities is shown in FIG. The temperature of the fiber core in the OP zone reaches 5400 K (see DP Hand and P. St. J. Russel „Solitary thermal shock waves and optical damage in optical fibers: the fiber fuse" Optics Letters Vol.13 No.9 p.767- 769). The OR propagation velocity depends on the laser radiation power. For a radiation power level of several watts, the order of speed is a meter per second. In experiments with high-power pulsed radiation, OR velocities of up to 3 km / s were observed (see EM Dianov, V .E. Fortov, I.A. Bufetov, V.P. Efremov, A.A. Frolov, M.Ya. Schelevs, V.I. Lozovois "Detonation-like mode of destruction of fiber optical fibers under the influence of of intense laser radiation "Letters in JETP, 2006, Volume 83, Issue 2,). The spread of OR can destroy kilometers of optical fiber. It is possible to stop the OR propagation by reducing the radiation intensity below a certain threshold level, which depends on the composition, profile of the refractive index, and the geometric dimensions of the core. The radiation intensity necessary to maintain the propagation of OR in telecommunication fibers is 1-3 MW / cm ² (see IA Bufetov, EM Dianov, “Optical Discharge in Fiber Optic Waveguides,” UFN, 175: 1 (2005 ), 100-103), which corresponds to approximately 1 W of optical power in a standard single-mode fiber used in fiber optic communication lines. Cavity cavities formed in the core of the fiber after passage through the OR prevent the propagation of optical radiation - it is necessary to replace the damaged section of the fiber line.

Для инициализации ОР требуется нагрев сердцевины световода до температуры, превышающей 1100°С. Локальный нагрев может быть получен в результате поглощения лазерного излучения частицами, находящимися на торце световода, или, например, нагревом участка световода электрической дугой. Высокие изгибные потери также могут привести к нагреву световода в результате поглощения лазерного излучения в полимерном покрытии световода.To initialize OR, heating of the fiber core to a temperature exceeding 1100 ° C is required. Local heating can be obtained as a result of the absorption of laser radiation by particles located at the end of the fiber, or, for example, by heating a portion of the fiber with an electric arc. High bending losses can also lead to heating of the fiber as a result of absorption of laser radiation in the polymer coating of the fiber.

При нагреве световода свыше 1050-1100°С возрастает поглощение излучения в стекле в результате появления электронной проводимости, вызванной термоионизацией. Рост поглощения приводит к увеличению температуры. С ростом температуры растет количество свободных носителей и, как следствие, растет поглощение. Кроме того, при повышении температуры сердцевины световода двуокись кремния SiO₂, являющаяся основным компонентом в составе стекла сердцевины, разлагается на монооксид кремния SiO и кислород. Полученный в результате термохимической реакции монооксид кремния дает основной вклад в поглощение лазерного излучения при температурах превышающих 2270 К (см. Y. Shuto, S. Yanagi, S. Asakawa, M. Kobayashi, R. Nagase "Fiber Fuse Phenomenon in Step-Index Single-ModeOptical Fibers" Journal of Quantum Electronics, Vol.40 No.8 August 2004 p.1113-1121).When the fiber is heated above 1050-1100 ° C, the absorption of radiation in the glass increases as a result of the appearance of electronic conductivity caused by thermal ionization. An increase in absorption leads to an increase in temperature. With increasing temperature, the number of free carriers increases and, as a result, absorption increases. In addition, with increasing temperature of the core of the fiber, silicon dioxide SiO ₂ , which is the main component in the composition of the glass core, decomposes into silicon monoxide SiO and oxygen. Silicon monoxide obtained as a result of a thermochemical reaction makes the main contribution to the absorption of laser radiation at temperatures exceeding 2270 K (see Y. Shuto, S. Yanagi, S. Asakawa, M. Kobayashi, R. Nagase "Fiber Fuse Phenomenon in Step-Index Single -ModeOptical Fibers "Journal of Quantum Electronics, Vol.40 No.8 August 2004 p.1113-1121).

Участок сердцевины, нагретый до высокой температуры, теплопереносом нагревает соседний участок сердцевины в направлении, встречном лазерному излучению, - таким образом происходит распространение ОР.A portion of the core heated to a high temperature by heat transfer heats the neighboring portion of the core in the direction counter to the laser radiation - thus, the propagation of OP occurs.

Известны различные варианты реализации «оптического предохранителя», цель которого - остановить распространение ОР, и, таким образом, исключить повреждение защищаемого устройства. Такой предохранитель может быть установлен на выходе волоконного лазера для того, чтобы защитить прибор от разрушения ОР, инициированным вне лазера.There are various options for implementing an “optical fuse”, the purpose of which is to stop the spread of OP, and thus eliminate damage to the protected device. Such a fuse can be installed at the output of the fiber laser in order to protect the device from the destruction of the OP initiated outside the laser.

В дальнейшем будем использовать понятие - «пороговая интенсивность излучения, необходимая для поддержания распространения ОР». Указанный параметр определяется как отношение минимальной (пороговой) мощности излучения, необходимой для поддержания распространения ОР, к эффективной площади поля моды лазерного излучения на данной длине волны излучения.In the future, we will use the concept of “threshold radiation intensity necessary to maintain the propagation of OR”. The specified parameter is defined as the ratio of the minimum (threshold) radiation power necessary to maintain the propagation of the OR to the effective area of the laser mode mode field at a given radiation wavelength.

Эффективная площадь поля основной моды, для стандартного световода со ступенчатым профилем показателя преломления, определяется исходя из радиального профиля распределения интенсивности излучения.The effective field area of the fundamental mode for a standard fiber with a stepped refractive index profile is determined based on the radial profile of the radiation intensity distribution.

A_eff - эффективная площадь моды;A _eff is the effective area of fashion;

I_(r) - радиальный профиль распределения интенсивности излучения моды;I _(r) is the radial profile of the mode radiation intensity distribution;

r - радиус в полярной системе координат, где центр - геометрический центр сердцевины;r is the radius in the polar coordinate system, where the center is the geometric center of the core;

Следовательно, световоды, имеющие одинаковую пороговую интенсивность излучения, необходимого для поддержания распространения ОР, могут иметь разные уровни мощности излучения, необходимого для распространения ОР, в случае если эффективные площади поля основных мод световодов не совпадают. Известно, что площадь поля моды световода зависит от длины волны излучения (площадь поля моды увеличивается с увеличением длины волны). Вследствие этого эффекта, в одном и том же световоде пороговая мощность, требующаяся для поддержания распространения ОР, будет выше для излучения с длиной волны 1500 нм, чем для излучения с длиной волны 1400 нм вследствие того, что для излучения с длиной волны 1500 нм площадь поля основной моды больше, чем для излучения с длиной волны 1400 нм.Consequently, optical fibers having the same threshold radiation intensity necessary to maintain the propagation of the OR can have different levels of radiation power necessary for the propagation of the OR, if the effective field areas of the main modes of the optical fibers do not coincide. It is known that the area of the mode field of a fiber depends on the radiation wavelength (the area of the mode field increases with increasing wavelength). Due to this effect, in the same fiber, the threshold power required to maintain the propagation of OR will be higher for radiation with a wavelength of 1500 nm than for radiation with a wavelength of 1400 nm due to the fact that the field area is for radiation with a wavelength of 1500 nm the main mode is larger than for radiation with a wavelength of 1400 nm.

В дальнейшем будет использоваться понятие - диаметр поля моды ДПМ (в английской литературе - MFD (Mode Field Diameter)). Существуют различные определения диаметра поля моды. Одно из них связано с ранее введенным понятием эффективной площади поля основной моды.In the future, the concept will be used - the diameter of the DPM mode field (in the English literature - MFD (Mode Field Diameter)). There are various definitions of the diameter of the mode field. One of them is associated with the previously introduced concept of the effective field area of the fundamental mode.

В патенте РФ RU 2229770 C2 предложено удалить на коротком участке световода часть оболочки световода до размера, не превышающего минимальную из двух величин: 40 мкм и четырехкратного ДПМ. При прохождении ОР участка световода-предохранителя с тонкой оболочкой давление и температура плазмы оптического пробоя уменьшаются за счет расширения или даже разрушения расплавленной тонкой оболочки световода. Подобный способ технологически сложен, поскольку требует прецизионного травления оболочки световода. Кроме того, уменьшение размера оболочки уменьшает прочность оптического волокна.In the patent of the Russian Federation RU 2229770 C2, it is proposed to remove part of the fiber sheath in a short section of the fiber to a size not exceeding the minimum of two values: 40 μm and four-fold DPM. When the OR passes through the thin-clad fuse-guide fiber, the pressure and temperature of the optical breakdown plasma decrease due to the expansion or even destruction of the molten thin cladding of the fiber. A similar method is technologically complicated because it requires precision etching of the fiber sheath. In addition, reducing the sheath size reduces the strength of the optical fiber.

В заявке на патент JP 2002-372636 предложено использовать световод, сердцевина которого увеличивается путем термодиффузии при обработке световода пламенем газовой горелки или электрической дугой. Подобные световоды с терморасширяющейся сердцевиной (ТЕС - thermally expanded core) используются в волоконной оптике, например, для согласования световодов с разными ДПМ. Увеличение сердцевины световода путем термодиффузии приводит к увеличению ДПМ и, следовательно, к уменьшению интенсивности излучения. Снижение интенсивности излучения обеспечивает повышение мощности излучения, необходимой для распространения ОР. Недостатком способа является необходимость удаления защитного покрытия световода и проведение технологически сложной операции термодиффузии.In patent application JP 2002-372636, it is proposed to use a fiber, the core of which is increased by thermal diffusion when the fiber is processed by a gas burner flame or an electric arc. Such fibers with a thermally expanding core (TEC - thermally expanded core) are used in fiber optics, for example, for matching fibers with different DPMs. An increase in the core of the fiber by thermal diffusion leads to an increase in the PDM and, consequently, to a decrease in the radiation intensity. Reducing the radiation intensity provides an increase in the radiation power necessary for the propagation of OR. The disadvantage of this method is the need to remove the protective coating of the fiber and the technologically complex operation of thermal diffusion.

В заявке на патент US 2007/0031095 A1 для снижения интенсивности излучения используется вставка многомодового световода с градиентным профилем показателя преломления. Используется свойство периодического изменения размера моды градиентного световода вдоль его продольной оси. Недостатком данного метода является наличие потерь на согласование моды одномодового оптического волокна и моды градиентного волокна. Потери сигнала на таком защитном элементе могут быть значительными.In the patent application US 2007/0031095 A1, an insert of a multimode fiber with a gradient profile of the refractive index is used to reduce the radiation intensity. The property of periodically changing the size of the mode of the gradient fiber along its longitudinal axis is used. The disadvantage of this method is the presence of losses due to the matching of the mode of a single-mode optical fiber and the gradient fiber mode. Signal loss on such a protection element can be significant.

В заявке US 2005/0220423 A1 используется соединение одномодовых оптических волокон посредством градиентной линзы, цель которой - увеличить размер пучка излучения и, таким образом, остановить распространение ОР. Использование объемной оптики приводит к необходимости точной механической юстировки, что усложняет конструкцию предохранителя и вносит значительные потери в канал сигнального излучения.In the application US 2005/0220423 A1 uses the connection of single-mode optical fibers by means of a gradient lens, the purpose of which is to increase the size of the radiation beam and, thus, stop the spread of OP. The use of volumetric optics leads to the need for precise mechanical alignment, which complicates the design of the fuse and introduces significant losses into the signal radiation channel.

Ниже описаны известные варианты оптического предохранителя, наиболее близкие к предлагаемым решениям (аналоги).Known optical fuse options closest to the proposed solutions (analogues) are described below.

Известен способ (см. D.P. Hand, T.A. Birks „Single-mode tapers as 'fibre fuse' damage circuit-breakers» Electronics Letters 1989 vol.25 No.1 p.33-34), основанный на зависимости процесса разрушения световода от интенсивности оптического излучения. Авторы способа предлагают использовать особенность зависимости размера поля основной моды излучения от диаметра сердцевины световода, в частности то, что при уменьшении диаметра сердцевины ниже определенного значения размер поля основной моды увеличивается. Предлагается использовать перетяжку световода с целью снижения интенсивности излучения в зоне уменьшенного внешнего диаметра оптического волокна. Перетяжка производится локальным разогревом световода и контролируемым растяжением его до требуемого диаметра. Следует подчеркнуть, что метод предполагает использование одномодового световода, поскольку использование такого метода для многомодового световода приведет к потерям излучения, распространяющегося в высших модах. Кроме того, уменьшение диаметра световода в зоне перетяжки понижает его прочность.A known method (see DP Hand, TA Birks "Single-mode tapers as 'fiber fuse' damage circuit-breakers" Electronics Letters 1989 vol.25 No.1 p.33-34), based on the dependence of the destruction of the fiber on the optical intensity radiation. The authors of the method propose to use the feature of the dependence of the size of the field of the main radiation mode on the diameter of the core of the fiber, in particular, when the diameter of the core decreases below a certain value, the size of the field of the main mode increases. It is proposed to use the constriction of the fiber in order to reduce the radiation intensity in the area of the reduced external diameter of the optical fiber. The constriction is carried out by local heating of the fiber and controlled stretching it to the required diameter. It should be emphasized that the method involves the use of a single-mode fiber, since the use of such a method for a multi-mode fiber will lead to the loss of radiation propagating in higher modes. In addition, a decrease in the diameter of the fiber in the waist zone reduces its strength.

Известно, что пороговая интенсивность излучения, необходимая для распространения ОР в микроструктурных волокнах, может быть в несколько раз выше, чем в стандартных одномодовых волокнах с тем же ДПМ (см. K. Kurokawa «Optical Fiber for High-Power Optical Communication „ Crystals 2012, 2, p.1382-1392). В заявке US 2013/0010817 А1 рассматривается использование микроструктурных оптических волокон в качестве оптического предохранителя. Эффект использования микроструктурного световода заключается в том, что плазма ОР имеет возможность расширяться в полости капилляров микроструктурного световода. При расширении плазмы происходит ее охлаждение. Микроструктурные световоды сложны в изготовлении и требуют специальной технологии сварки для получения удовлетворительных потерь на согласовании со стандартными световодами, имеющими сплошную оболочку и сердцевину.It is known that the threshold radiation intensity necessary for the propagation of ORs in microstructural fibers can be several times higher than in standard single-mode fibers with the same PDM (see K. Kurokawa Optical Fiber for High-Power Optical Communication Crystals 2012, 2, p. 1382-1392). US 2013/0010817 A1 discloses the use of microstructural optical fibers as an optical fuse. The effect of using a microstructural fiber is that the OR plasma has the ability to expand in the cavity of the capillaries of the microstructured fiber. As the plasma expands, it cools. Microstructure optical fibers are difficult to manufacture and require special welding technology to obtain satisfactory losses in coordination with standard optical fibers having a continuous sheath and core.

Целью изобретения является создание устройства, защищающего элементы волоконных сетей, волоконных лазеров и усилителей, от разрушения лазерным излучением в результате распространения оптического разряда. Устройство должно обладать высокой надежностью и вносить минимальные потери для сигнального излучения.The aim of the invention is to provide a device that protects the elements of fiber networks, fiber lasers and amplifiers, from destruction by laser radiation as a result of the propagation of an optical discharge. The device must have high reliability and introduce minimal losses for signal radiation.

Поставленная задача решается двумя способами.The problem is solved in two ways.

Из рассмотрения уровня техники следует, что устройство - «оптический предохранитель», защищающее волоконную линию от повреждения лазерным излучением, можно создать используя принцип уменьшения интенсивности излучения в световоде-предохранителе за счет увеличения ДПМ, либо используя механизм увеличения тепловых потерь, приводящий к охлаждению плазмы ОР. Первое устройство изобретения использует принцип увеличения ДПМ, второе устройство основано на эффекте охлаждения плазмы ОР при ее расширении.From consideration of the prior art it follows that the device is an “optical fuse” that protects the fiber line from damage by laser radiation, can be created using the principle of reducing the radiation intensity in the fuse fiber by increasing the DPM, or using a mechanism to increase heat loss, leading to cooling of the OR plasma . The first device of the invention uses the principle of increasing the PDM, the second device is based on the effect of cooling the plasma of OP when it expands.

В первом способе решение поставленной задачи обеспечивается за счет использования в качестве оптического предохранителя устройства, которое содержит специальный световод, имеющий сердцевину и по меньшей мере одну окружающую сердцевину оболочку. По меньшей мере на некоторой его части указанный световод имеет изменяющуюся по длине площадь поперечного сечения сердцевины. Изменение площади сердцевины световода, вдоль указанной части, описывается следующим образом: участок световода с площадью сердцевины S₁, переходящий в участок вдоль которого происходит увеличение площади сердцевины световода от S₁ до S₂, затем следует участок с площадью сердцевины световода S₂, переходящий в участок вдоль которого происходит уменьшение площади сердцевины световода от S₂ до S₃, затем следует участок с площадью сердцевины S₃, причем эффективная площадь поля основной моды излучения максимальна на участке световода с увеличенной площадью сердцевины S₂, площадь S₂ выбрана таким образом, чтобы интенсивность излучения, на участке световода с увеличенной площадью сердцевины S₂, была ниже интенсивности излучения, необходимой для поддержания распространения оптического разряда на данном участке. Интенсивность излучения определяется диапазоном мощностей оптического излучения, в котором устройство должно обеспечить защиту волоконно-оптического оборудования. Начальный или конечный участок световода устройства могут быть одномодовыми для длины волны используемого сигнального излучения. Начальный и конечный участок световода могут быть также одномодовыми на длине волны используемого сигнального излучения. Входной и выходной участки указанного защитного световода могут быть согласованы по распределению поля моды со световодом защищаемой линии, что обеспечивает минимальные потери сигнального излучения. Размер сердцевины указанного волновода устройства на входном участке может быть равным размеру сердцевины волновода устройства на выходном участке. Оболочка указанного световода может состоять из стекла на основе плавленого кварца. Указанный световод может быть сформирован непосредственно в защищаемой оптоволоконной линии. Кроме того, указанный световод может быть встроен в защищаемую оптоволоконную линию, посредством сварки или оптических разъемов. Размер сердцевины, на участке световода с увеличенной сердцевиной, предпочтительно определяется из условия -In the first method, the solution of the problem is ensured by using as an optical fuse a device that contains a special fiber having a core and at least one cladding surrounding the core. At least in some part of the specified fiber has a longitudinally varying cross-sectional area of the core. The change in the fiber core area along the indicated part is described as follows: a fiber section with a core area S ₁ passing into a section along which an increase in the fiber core area from S ₁ to S ₂ is followed by a section with a fiber core area S ₂ passing into portion along which there is a reduction of the fiber core area of S ₂ to S _3, followed by a portion with an area S of the core _3, wherein the fundamental mode effective area of the radiation field is maximal at the fiber portion with Uwe ichennoy area S of the core _2, the area of S ₂ is selected so that the radiation intensity at the fiber portion with the increased area S of the core ₂ was lower radiation intensity needed to maintain propagation of optical discharge at the site. The radiation intensity is determined by the range of optical radiation powers, in which the device should provide protection for fiber-optic equipment. The start or end portion of the device fiber can be singlemode for the wavelength of the signal radiation used. The start and end sections of the fiber can also be single-mode at the wavelength of the signal radiation used. The input and output sections of the specified protective fiber can be matched by the distribution of the mode field with the fiber of the protected line, which ensures minimal signal radiation loss. The size of the core of the specified waveguide of the device in the input section may be equal to the size of the core of the waveguide of the device in the output section. The cladding of said optical fiber may consist of glass based on fused silica. The specified fiber can be formed directly in the protected fiber optic line. In addition, the specified optical fiber can be embedded in a shielded fiber optic line, by welding or optical connectors. The size of the core, in the area of the fiber with an enlarged core, is preferably determined from the condition -

I<0.95*I_порог I <0.95 * I _threshold

гдеWhere

I - интенсивность излучения в сердцевине, на участке световода с увеличенной площадью сердцевины S₂, определенная при заданном уровне мощности;I is the radiation intensity in the core, in the portion of the fiber with an increased core area S ₂ , determined at a given power level;

I_порог - пороговая интенсивность излучения, требующаяся для поддержания распространения оптического разряда на указанном участке.I _threshold is the threshold radiation intensity required to maintain the propagation of the optical discharge in the specified area.

Указанный световод может быть защищен металлическим покрытием. Указанный световод может быть защищен по меньшей мере одним полимерным покрытием, имеющим высокую оптическую прозрачность в рабочем диапазоне длин волн сигнального излучения. При этом полимер защитного покрытия, нанесенный первым слоем на внешнюю оболочку указанного световода устройства, может иметь показатель преломления меньший, чем показатель преломления стекла внешней оболочки световода. Указанный световод устройства предпочтительно помещен в отводящую тепло среду.The specified fiber may be protected by a metal coating. The specified fiber can be protected by at least one polymer coating having high optical transparency in the operating wavelength range of the signal radiation. In this case, the polymer of the protective coating deposited by the first layer on the outer shell of the specified fiber of the device may have a refractive index lower than the refractive index of the glass of the outer shell of the fiber. Said device light guide is preferably placed in a heat-removing medium.

Во втором способе решение поставленной задачи обеспечивается использованием в качестве оптического предохранителя устройства, которое содержит специальный световод, имеющий сердцевину и по меньшей мере одну, окружающую сердцевину оболочку, причем по крайней мере на некотором участке указанного световода, в его сердцевине, имеется протяженная вдоль продольной оси световода полость. Данная полость может находиться в центре сердцевины указанного световода. Указанный световод устройства может иметь часть с переменной по длине площадью сердцевины. Изменение площади сердцевины световода, вдоль данной части, описывается следующим образом: участок световода с площадью сердцевины S₁, переходящий в участок вдоль которого происходит увеличение площади сердцевины световода от S₁ до S₂, затем следует участок с площадью сердцевины световода S₂, переходящий в участок вдоль которого происходит уменьшение площади сердцевины световода от S₂ до S₃, затем следует участок с площадью сердцевины S₃, причем полость в сердцевине световода имеется по меньшей мере на части световода с увеличенной площадью сердцевины S₂. Устройство может быть выполнено так, что полость указанного световода устройства заполнена газом. Возможен вариант, когда часть полости указанного световода может быть заполнена жидкостью. Указанный световод, с полостью в сердцевине, может быть защищен, по меньшей мере, одним полимерным покрытием, имеющим высокую оптическую прозрачность в рабочем диапазоне длин волн сигнального излучения. При этом, полимер защитного покрытия, нанесенный первым слоем на внешнюю оболочку указанного световода устройства, может иметь показатель преломления меньший, чем показатель преломления стекла внешней оболочки световода. Указанный световод устройства предпочтительно помещен в отводящую тепло среду.In the second method, the solution of the problem is ensured by using as an optical fuse a device that contains a special fiber having a core and at least one sheath surrounding the core, and at least in some section of the specified fiber, in its core there is an extension along the longitudinal axis fiber optic cavity. This cavity may be located in the center of the core of the specified fiber. The specified fiber of the device may have a part with a variable length of the core area. The change in the fiber core area along this part is described as follows: a fiber section with a core area S ₁ passing into a section along which an increase in the fiber core area from S ₁ to S ₂ , then a section with a fiber core area S ₂ passing into portion along which there is a reduction of the fiber core area S ₂ to S _3, followed by a portion with an area S of the core _3, wherein the cavity in the core of the fiber has at least a portion of the fiber with increased PLO adieu core S _2. The device can be made so that the cavity of the specified fiber of the device is filled with gas. It is possible that part of the cavity of the specified fiber can be filled with liquid. The specified fiber, with a cavity in the core, can be protected by at least one polymer coating having high optical transparency in the operating wavelength range of the signal radiation. In this case, the polymer of the protective coating deposited by the first layer on the outer shell of the specified fiber of the device may have a refractive index lower than the refractive index of the glass of the outer shell of the fiber. Said device light guide is preferably placed in a heat-removing medium.

Техническим результатом использования предлагаемых вариантов устройства является защита световодов и волоконных компонент оптоволоконных линий связи и волоконных лазеров от разрушения лазерным излучением. Предлагаемые варианты оптического предохранителя обладают высокой надежностью и просты в изготовлении.The technical result of the use of the proposed device options is the protection of optical fibers and fiber components of fiber optic communication lines and fiber lasers from destruction by laser radiation. The proposed optical fuse options are highly reliable and easy to manufacture.

Изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают и тем более не ограничивают весь объем притязаний предлагаемых технических решений, а являются лишь иллюстрирующими материалами частных случаев реализации.The invention is illustrated by drawings, which do not cover and, moreover, do not limit the entire scope of the claims of the proposed technical solutions, but are only illustrative materials of particular cases of implementation.

На фиг.1 схематически изображен процесс распространения оптического разряда в световоде.Figure 1 schematically shows the process of propagation of an optical discharge in a fiber.

На фиг.2 изображено сечение световода, поврежденного оптическим разрядом. Сечение сделано по линии А-А (фиг.1), где после прохождения оптического разряда образовалась полость-каверна.Figure 2 shows a cross section of a fiber damaged by an optical discharge. The section is taken along the line A-A (Fig. 1), where, after passing through the optical discharge, a cavity-cavity is formed.

На фиг.3 изображено сечение, в продольной плоскости, первого варианта световода-предохранителя с изменяющимся размером сердцевины.Figure 3 shows a cross section, in the longitudinal plane, of a first embodiment of a light guide fuse with a variable core size.

На фиг.4 изображено поперечное сечение световода по линии В-В (фиг.3) световода-предохранителя в части с увеличенной сердцевиной.Figure 4 shows the cross section of the fiber along the line BB (figure 3) of the light guide fuse in the part with an enlarged core.

На фиг.5 изображено поперечное сечение световода по линии С-С (фиг.3) световода-предохранителя.Figure 5 shows the cross section of the fiber along the line CC (figure 3) of the light guide fuse.

На фиг.6 изображено сечение, в продольной плоскости, второго варианта световода-предохранителя с полостью в сердцевине.Figure 6 shows a cross section, in the longitudinal plane, of a second embodiment of a light guide fuse with a cavity in the core.

На фиг.7 изображено поперечное сечение световода-предохранителя по линии D-D (фиг.5).In Fig.7 shows a cross section of the light guide fuse along the line D-D (Fig.5).

На фиг.8 схематически изображен профиль показателя преломления световода-предохранителя, с полостью в сердцевине, вдоль диаметральной линии сечения D-D (фиг.5).On Fig schematically shows the profile of the refractive index of the light guide fuse, with a cavity in the core, along the diametrical line section D-D (figure 5).

На фиг.9 изображено продольное сечение вблизи соединения защищаемого и защитного световодов.Figure 9 shows a longitudinal section near the connection of the protected and protective optical fibers.

На фиг.10 схематически изображены профиль показателя преломления световода и радиальное распределение интенсивности излучения основной моды сердцевины в сечении Е-Е (фиг.8), в части защитного световода, где полость отсутствует.Figure 10 schematically shows the profile of the refractive index of the fiber and the radial distribution of the radiation intensity of the main mode of the core in cross section EE (Fig. 8), in the part of the protective fiber, where the cavity is absent.

На фиг.11 схематически изображены профиль показателя преломления световода и радиальное распределение интенсивности излучения основной моды сердцевины в сечении F-F (фиг.8), в части защитного световода с полостью в сердцевине.Figure 11 schematically shows the profile of the refractive index of the fiber and the radial distribution of the radiation intensity of the main mode of the core in section F-F (Fig. 8), in part of the protective fiber with a cavity in the core.

Для того чтобы уменьшить интенсивность излучения в сердцевине, применяются световоды с большой эффективной площадью поля моды. В английской технической литературе такой тип световодов назван LMA (Large Mode Area). Применение LMA световода в виде оптического предохранителя имеет существенный недостаток. Потери излучения на согласование основной моды защитного LMA световода с основной модой сердцевины световода защищаемой линии могут быть недопустимо высокими вследствие отличающихся ДПМ световодов. Суть первого варианта изобретения заключается в использовании световода, имеющего на некоторой части увеличенную сердцевину и, соответственно, увеличенную площадь поля моды излучения, обеспечивающую остановку оптического разряда и одновременно имеющего невысокие потери на согласование с защищаемой линией. Такие характеристики достигаются при помощи световода 9 со специальным профилем продольного изменения размера сердцевины 8, схематически изображенным на фиг.3. Оболочка световода 7 может иметь переменный размер по длине световода, как это изображено на фиг.3. Возможна реализация световода, в которой диаметр оболочки не изменяется, в то время как размер сердцевины изменяется вдоль световода. Некоторый участок защитного световода имеет увеличенный размер сердцевины (поперечное сечение световода в зоне с увеличенной сердцевиной показано на фиг.4), что обеспечивает уменьшение интенсивности излучения благодаря увеличенной эффективной площади поля основной моды. Краевые участки, поперечное сечение одного из которых изображено на фиг.5, имеют уменьшенный размер сердцевины 8 и меньшую чем в центральной части эффективную площадь поля основной моды, что обеспечивает хорошее согласование с основной модой защищаемого световода. Приведенные рассуждения верны и для мод высокого порядка. Поэтому предлагаемый световод может выполнять роль оптического предохранителя также для систем, работающих на модах высокого порядка. В работе (см. И.А. Буфетов, Е.М. Дианов, "Оптический разряд в волоконных световодах", УФН, 175:1 (2005), 100-1038) показано, что порог интенсивности лазерного излучения, необходимый для распространения ОР, уменьшается линейно с ростом ДПМ. Для малых размеров ДПМ (от 2 до 7 мкм) это означает, что при увеличении эффективной площади основной моды в k раз, пороговая мощность распространения ОР увеличится в $\sqrt{(k)}$

, однако, при достижении ДПМ - 8 мкм, порог не зависит более от ДПМ и составляет 1 МВт/см². Следовательно, использование предложенного оптического предохранителя, согласованного, например, со световодом, имеющим ДПМ 10 мкм, позволит увеличить порог мощности, используемой в волоконно-оптической системе на основе такого световода, в k раз, где k - коэффициент увеличения эффективной площади поля моды в части световода-предохранителя с увеличенной сердцевиной относительно эффективной площади моды краевых участков световода-предохранителя, имеющих ДПМ близкий к 10 мкм. Оптический предохранитель, для повышения надежности, может содержать несколько, расположенных последовательно, участков световода 9 с переменным по длине световода размером сердцевины.In order to reduce the radiation intensity in the core, optical fibers with a large effective mode field are used. In the English technical literature, this type of fiber is called LMA (Large Mode Area). The use of an LMA fiber in the form of an optical fuse has a significant drawback. Losses of radiation due to matching the main mode of the protective LMA fiber with the main mode of the core of the protected line may be unacceptably high due to differing PDM fibers. The essence of the first embodiment of the invention consists in the use of a fiber with an enlarged core and, correspondingly, an increased area of the radiation mode field on some part, which ensures the stop of the optical discharge and at the same time has low losses for matching with the protected line. Such characteristics are achieved using the optical fiber 9 with a special profile of the longitudinal change in the size of the core 8, schematically depicted in figure 3. The sheath of the optical fiber 7 may have a variable size along the length of the optical fiber, as shown in Fig.3. A fiber can be realized in which the diameter of the sheath does not change, while the size of the core changes along the fiber. A certain section of the protective fiber has an enlarged core size (the cross section of the fiber in the area with the enlarged core is shown in Fig. 4), which ensures a decrease in the radiation intensity due to the increased effective field area of the main mode. The edge sections, the cross-section of one of which is shown in Fig. 5, have a reduced core size 8 and a smaller effective field area of the main mode than in the central part, which ensures good agreement with the main mode of the protected fiber. The above reasoning is also valid for high-order modes. Therefore, the proposed fiber can act as an optical fuse also for systems operating in high-order modes. It was shown in the work (see IA Bufetov, EM Dianov, “Optical Discharge in Fiber Optic Optical Fiber”, UFN, 175: 1 (2005), 100-1038) that the threshold of laser radiation intensity necessary for the propagation of optical radiation decreases linearly with an increase in the PDM. For small PDM sizes (from 2 to 7 μm), this means that with an increase in the effective area of the main mode by a factor of k, the threshold power of the OR propagation will increase by

\sqrt{(k)}

however, upon reaching a PDM of 8 μm, the threshold no longer depends on the PDM and amounts to 1 MW / cm ² . Therefore, the use of the proposed optical fuse, coordinated, for example, with a fiber having a 10 μm PDM, will increase the threshold of power used in a fiber-optic system based on such a fiber by a factor of k, where k is the coefficient of increase in the effective area of the mode field in part the fuse fiber with an enlarged core relative to the effective mode area of the edge sections of the fuse fiber having a PDM close to 10 μm. An optical fuse, to increase reliability, may contain several consecutive sections of the fiber 9 with a core size of variable length along the fiber.

Техника уменьшения размеров сердцевины на краях LMA световодов, с целью согласования их с одномодовыми световодами, известна (см. Mathieu Faucher, Yannick Keith Lize «Mode Field Adaptation for High Power Fiber Lasers" CLEO-2007), указанная техника находит применение в мощных одномодовых волоконных лазерах. Активное оптическое волокно лазера имеет сердцевину большого размера, обеспечивающую уменьшение нелинейных эффектов; на краях сердцевина уменьшена для получения низких потерь на согласование с одномодовыми световодами, имеющими, как правило, сравнительно небольшой размер поля моды. Применение указанной техники, с целью реализации нового назначения - защиты световодов от повреждения лазерным излучением, имеет несколько преимуществ перед известными решениями. Световод-предохранитель с переменным диаметром сердцевины может быть изготовлен непосредственно во время вытяжки посредством вариации диаметра световода, что обеспечивает необходимую прочность. Нет необходимости удалять защитное покрытие и проводить операции, уменьшающие прочность световода, такие как термодиффузионное расширение сердцевины световода, перетяжка, травление световода.The technique of reducing the size of the core at the edges of LMA fibers, in order to match them with single-mode fibers, is known (see Mathieu Faucher, Yannick Keith Lize "Mode Field Adaptation for High Power Fiber Lasers" CLEO-2007), this technique is used in powerful single-mode fiber active optical fiber of the laser has a large core, which reduces non-linear effects; at the edges, the core is reduced to obtain low matching losses with single-mode optical fibers, which usually have a relatively small field size The use of this technique in order to realize a new purpose - to protect optical fibers from damage by laser radiation, has several advantages over known solutions: A fuse with a variable core diameter can be made directly during drawing by varying the diameter of the optical fiber, which provides the necessary strength. There is no need to remove the protective coating and carry out operations that reduce the strength of the fiber, such as thermal diffusion expansion of the core of lights ode, hauling, etching of the fiber.

Краевые (начальный и конечный) участки световода-предохранителя могут быть одномодовыми (сердцевина световода поддерживает распространение только основной моды), что обеспечивает отсутствие нежелательного эффекта - интерференционных биений, проявляющегося в модуляции коэффициента пропускания защитного элемента с длиной волны излучения. В некоторых применениях не требуется фильтрация высших мод, поэтому возможно также использование конфигурации, в которой защитный световод по всей длине является многомодовым (сердцевина световода поддерживает распространение нескольких мод). В случае установки предлагаемого оптического предохранителя между одномодовым и многомодовым волокном достаточно, чтобы световод имел одномодовый участок с одного края (на входе либо на выходе оптического предохранителя).The edge (initial and final) sections of the fuse fiber can be single-mode (the core of the fiber supports the propagation of only the main mode), which ensures the absence of an undesirable effect - interference beats, which manifests itself in modulation of the transmittance of the protective element with a radiation wavelength. In some applications, higher mode filtering is not required, so it is also possible to use a configuration in which the protective fiber along the entire length is multimode (the core of the fiber supports the propagation of several modes). In the case of installing the proposed optical fuse between a single-mode and multimode fiber, it is sufficient that the fiber has a single-mode section from one edge (at the input or output of the optical fuse).

В случае если оптический предохранитель встраивается в разрыв защищаемой линии путем сварки или соединения посредством оптических разъемов, размер сердцевины защитного световода на его краях, стыкующихся со световодом защищаемой линии, предпочтительно одинаков и подобран исходя из минимизации рассогласования распределения полей мод защитного и защищаемого световодов. Возможно использование оптического предохранителя на соединении оптического компонента и волоконной линии или другого оптического компонента. Световоды соединяемых предохранителем элементов могут иметь разные ДПМ. В таком случае краевые участки световода-предохранителя будут иметь сердцевины (соответственно, и ДПМ) разных размеров с целью получения на обоих краевых участках оптимального согласования со световодами соединяемых устройств.If the optical fuse is built into the gap of the protected line by welding or connecting via optical connectors, the size of the core of the protective fiber at its edges that are joined to the fiber of the protected line is preferably the same and selected based on minimizing the mismatch in the distribution of the mode fields of the protective and protected fibers. It is possible to use an optical fuse at the junction of the optical component and the fiber line or other optical component. The fibers connected by the fuse elements can have different DPM. In this case, the edge sections of the fuse fiber will have cores (respectively, and PDM) of different sizes in order to obtain optimal matching at the both edge sections with the fibers of the connected devices.

Предпочтительным материалом оболочки 7 световода-предохранителя является стекло на основе плавленого кварца.The preferred cladding material 7 of the fuse fiber is fused silica glass.

Устройство-предохранитель может быть сформировано непосредственно в световоде защищаемой линии вариацией размера сердцевины световода защищаемой линии на некотором его участке, например, изменением диаметра световода по длине во время процесса вытяжки световода. Участок световода, с увеличенной сердцевиной, будет являться оптическим предохранителем, останавливающим распространение ОР.The fuse device can be formed directly in the fiber of the protected line by varying the size of the core of the fiber of the protected line in a certain section, for example, by changing the diameter of the fiber along the length during the process of drawing the fiber. The section of the fiber, with an enlarged core, will be an optical fuse that stops the spread of OR.

Световод-предохранитель может быть встроен в защищаемую волоконную линию посредством сварки или оптических разъемов.The light guide fuse can be integrated into the shielded fiber line through welding or optical connectors.

Световод-предохранитель может быть изготовлен таким образом, чтобы гарантированно обеспечить остановку оптического разряда во всем диапазоне рабочих мощностей защищаемого устройства.The light guide-fuse can be made in such a way as to ensure that the optical discharge stops in the entire range of operating capacities of the protected device.

Для этого размеры сердцевины защитного световода на участке с увеличенной сердцевиной определяются из условияFor this, the dimensions of the core of the protective fiber in the area with the enlarged core are determined from the condition

I<0.95*I_порог I <0.95 * I _threshold

гдеWhere

I - интенсивность излучения на данном участке, определенная при заданном - максимальном уровне лазерной мощности;I is the radiation intensity in this area, determined at a given - maximum level of laser power;

I_порог - пороговая интенсивность излучения поддержания распространения ОР на указанном участке.I _threshold - threshold intensity of radiation supporting the propagation of OR in the indicated area.

После остановки ОР световодом-предохранителем лазерное излучение будет рассеиваться на коротком участке световода в области остановки ОР. Для исключения возгорания защитного покрытия световода-предохранителя покрытие может быть выполнено из металла для эффективного теплоотвода или прозрачным в диапазоне длин волн используемого лазерного излучения - для исключения разогрева покрытия рассеянным излучением. Возможно использование первым слоем, наносимым на световод, полимерного покрытия с показателем преломления меньшим, чем показатель преломления стекла последней оболочки световода - для того, чтобы по крайней мере часть излучения была отведена из зоны рассеяния по образованному волноводу. Для исключения нагрева защитного световода в области остановки ОР выше критической температуры, которая определяется свойствами полимерных покрытий, световод может быть помещен в отводящую тепло среду.After the OP is stopped by the fuse-guide, the laser radiation will be scattered in a short section of the fiber in the area where the OP stops. To exclude ignition of the protective coating of the light guide-fuse, the coating can be made of metal for effective heat removal or transparent in the wavelength range of the used laser radiation - to exclude heating of the coating by scattered radiation. It is possible to use the first layer deposited on the fiber with a polymer coating with a refractive index lower than the refractive index of the glass of the last sheath of the fiber — so that at least part of the radiation is diverted from the scattering zone along the formed waveguide. To exclude heating of the protective fiber in the region where the OR stops, it is above the critical temperature, which is determined by the properties of the polymer coatings, the fiber can be placed in a heat-removing medium.

Второй вариант устройства заключается в применении в качестве оптического предохранителя световода, продольное сечение которого изображено на фиг.6. В сердцевине 13 световода 10 имеется полость 12. Оболочка световода 11 сплошная и состоит преимущественно из стекла на основе плавленого кварца. Поперечное сечение световода изображено на фиг.7. На фиг.8 схематически изображен пример профиля показателя преломления 14 такого световода - с полостью в сердцевине. Применение полости позволяет увеличить пороговую интенсивность излучения, необходимую для распространения оптического разряда, в сравнении со световодами, имеющими сплошную сердцевину и оболочку. Принцип действия такого световода основан на эффекте увеличения тепловых потерь за счет охлаждения плазмы. В стандартном световоде (со сплошной оболочкой и сердцевиной) теплоотвод от участка сердцевины, в котором стекло находится в плазменном состоянии (зона локального разогрева), происходит преимущественно через боковую поверхность разогретого до высокой температуры участка. В случае применения световода, в сердцевине которого имеется полость, охлаждение зоны локального разогрева происходит не только благодаря теплоотводу через боковую поверхность, но и благодаря эффекту охлаждения расплавленного стекла сердцевины при расширении его в объем полости. Кроме того, ионизированный газ из зоны локального разогрева, распространяется по полости навстречу лазерному излучению. При распространении в полости газ охлаждается, унося часть тепловой энергии из зоны локального разогрева. Ионизированный газ поглощает лазерное излучение, проникающее в полость, что приводит к падению мощности в зоне локального разогрева. Совокупность дополнительных механизмов охлаждения обеспечивает повышение интенсивности излучения, необходимой для поддержания распространения ОР. Диапазон оптических мощностей, для которого устройство обеспечивает остановку распространения ОР, определяется экспериментально. Зависимость оптической мощности, необходимой для поддержания распространения ОР, от размеров полости имеет сложный характер и может быть рассчитана методами математического моделирования.The second variant of the device is the use as an optical fuse of the optical fiber, a longitudinal section of which is shown in Fig.6. In the core 13 of the optical fiber 10 there is a cavity 12. The cladding of the optical fiber 11 is continuous and consists mainly of glass based on fused silica. The cross section of the fiber is shown in Fig.7. On Fig schematically shows an example of a profile of the refractive index 14 of such a fiber with a cavity in the core. The use of a cavity makes it possible to increase the threshold radiation intensity necessary for the propagation of an optical discharge, in comparison with optical fibers having a continuous core and cladding. The principle of operation of such a fiber is based on the effect of increasing heat loss due to plasma cooling. In a standard waveguide (with a continuous sheath and core), heat removal from the core portion in which the glass is in the plasma state (local heating zone) occurs predominantly through the side surface of the heated area to a high temperature. In the case of the use of a fiber with a cavity in its core, cooling of the local heating zone occurs not only due to heat removal through the side surface, but also due to the cooling effect of the molten glass of the core when it expands into the cavity volume. In addition, ionized gas from the local heating zone propagates through the cavity towards the laser radiation. When propagating in the cavity, the gas cools, taking part of the thermal energy from the local heating zone. Ionized gas absorbs laser radiation penetrating the cavity, which leads to a drop in power in the zone of local heating. The combination of additional cooling mechanisms provides an increase in the radiation intensity necessary to maintain the spread of OR. The range of optical powers for which the device stops the propagation of OPs is determined experimentally. The dependence of the optical power necessary to maintain the propagation of OR on the cavity size is complex and can be calculated by mathematical modeling methods.

Фиг.9 изображает продольное сечение в зоне стыковки защищаемого 17 и защитного световода 10. В световоде 10, вблизи от места стыковки со световодом 17 полость отсутствует, поэтому в сечении Е-Е профиль показателя преломления световода 18 и профиль основной моды излучения 19, изображенные на фиг.10, соответствуют стандартному световоду со ступенчатым профилем показателя преломления. Полость в сердцевине световода изменяет форму поля основной моды, как это представлено на фиг.11 для сечения F-F фиг.9. В центре распределения поля основной моды 20 имеется провал, соответствующий провалу в профиле показателя преломления 14. Для минимизации потерь на согласование световода, имеющего полость в сердцевине, со стандартными световодами, имеющими сплошную сердцевину, форма основной моды которых близка к гауссовой, необходимо устранить полость сердцевины в месте стыковки или сварки световодов, как это изображено на фиг.9. Полость небольшого размера, до 3 мкм, может быть сжата силами поверхностного натяжения расплавленного стекла во время сварки световодов. Полость большего диаметра можно устранить тепловой обработкой участка защитного световода, например, нагревая световод газовой горелкой и одновременно растягивая его. Параметры сердцевины световода и размеры полости подбираются исходя из требований увеличения порога мощности излучения, необходимой для распространения оптического разряда и возможности провести сжатие полости при сварке защитного и защищаемого световодов электрической дугой или при тепловой обработке защитного световода на некотором участке. Предпочтительно совпадение параметров сердцевины 16 защищаемого световода 17 и параметров сердцевины 12 защитного световода 10, получаемых после сжатия полости. В таком случае, в зоне стыковки, основные моды световодов совпадают, что обеспечивает отсутствие потерь излучения на согласовании полей мод световодов.Fig.9 depicts a longitudinal section in the docking area of the protected 17 and the protective fiber 10. In the optical fiber 10, near the place of docking with the optical fiber 17, there is no cavity, therefore, in the cross section EE the profile of the refractive index of the optical fiber 18 and the profile of the main radiation mode 19 shown 10 correspond to a standard fiber with a stepped refractive index profile. The cavity in the core of the fiber changes the shape of the main mode field, as shown in FIG. 11 for the F-F section of FIG. 9. In the center of the field distribution of the main mode 20, there is a dip corresponding to a dip in the profile of the refractive index 14. To minimize the matching losses of a fiber having a cavity in the core with standard fibers having a solid core whose main mode is close to Gaussian, it is necessary to eliminate the core cavity in the place of joining or welding of the optical fibers, as shown in Fig.9. A small cavity, up to 3 μm, can be compressed by the surface tension of the molten glass during welding of the optical fibers. A cavity of a larger diameter can be eliminated by heat treatment of the protective fiber section, for example, by heating the fiber with a gas burner and at the same time stretching it. The parameters of the fiber core and the cavity dimensions are selected based on the requirements for increasing the threshold of radiation power necessary for the propagation of the optical discharge and the ability to compress the cavity when welding a protective and protected fiber with an electric arc or during heat treatment of a protective fiber in a certain section. It is preferable that the parameters of the core 16 of the protected fiber 17 and the parameters of the core 12 of the protective fiber 10 obtained after compression of the cavity are the same. In this case, in the docking zone, the main modes of the fibers coincide, which ensures the absence of radiation losses at the matching of the fields of the modes of the fibers.

Полость предпочтительно находится в геометрическом центре сердцевины. Такое расположение необходимо для того, чтобы при сжатии полости не происходило смещение сердцевины.The cavity is preferably located in the geometric center of the core. This arrangement is necessary in order to prevent core displacement during compression of the cavity.

Для дальнейшего увеличения порога мощности излучения, необходимой для поддержания распространения ОР, следует применить способ, использованный в первом варианте изобретения - увеличение размера сердцевины световода, на некотором его участке. В зоне с увеличенным диаметром сердцевины увеличена эффективная площадь поля моды. Кроме того, увеличенный размер полости приводит к более эффективному охлаждению плазмы разряда, поэтому пороговая мощность излучения, необходимая для поддержания распространения ОР, будет повышена.To further increase the threshold of radiation power necessary to maintain the propagation of OR, the method used in the first embodiment of the invention should be applied - increasing the size of the fiber core in a certain section of it. In the zone with an increased core diameter, the effective area of the mode field is increased. In addition, the increased cavity size leads to a more efficient cooling of the discharge plasma, therefore, the threshold radiation power necessary to maintain the propagation of the OR will be increased.

Полость может быть заполнена газом. Нагрев и сжатие газа требует дополнительной энергии, которая будет отбираться от нагретого участка, что увеличит тепловые потери и, таким образом, увеличит пороговую мощность распространения оптического разряда.The cavity may be filled with gas. Heating and gas compression requires additional energy, which will be taken from the heated area, which will increase heat loss and, thus, increase the threshold power of propagation of the optical discharge.

С той же целью увеличения тепловых потерь часть полости может быть заполнена жидкостью. Затраты энергии на нагрев и испарение жидкости, а также на дальнейший нагрев пара жидкости приведут к охлаждению плазмы ОР.For the same purpose of increasing heat loss, part of the cavity can be filled with liquid. Energy costs for heating and vaporizing the liquid, as well as for further heating of the liquid vapor, will lead to cooling of the OR plasma.

Производство первого варианта световода-оптического предохранителя, с изменяющимся по длине размером сердцевины, может быть реализовано посредством вариации диаметра световода в процессе вытяжки оптического волокна из заготовки, что обеспечивает высокое качество и надежность устройства - параметры необходимые в телекоммуникационных применениях. Полость в сердцевине световода, для второго варианта оптического предохранителя, может быть изготовлена способом, подобным известному из производства световодов. В англоязычной литературе способ имеет название «Rod in Tube» - стержень в трубе. Сердцевину световода образует капилляр из стекла на основе плавленого кварца. Оболочка образована трубой, показатель преломления стекла которой меньше, чем показатель преломления стекла капилляра. Внутренний диаметр трубы оболочки и внешний диаметр капилляра геометрически согласованы. Полученная таким образом заготовка вытягивается в оптическое волокно. Во время вытяжки контролируется давление в капилляре с целью сохранения требуемого размера полости.The production of the first version of an optical fiber fuse, with a core that varies along the length, can be realized by varying the diameter of the fiber during the drawing of the optical fiber from the workpiece, which ensures high quality and reliability of the device — parameters necessary in telecommunication applications. The cavity in the core of the fiber, for the second variant of the optical fuse, can be manufactured in a manner similar to that known from the manufacture of optical fibers. In English literature, the method is called "Rod in Tube" - a rod in a pipe. A glass capillary based on fused silica forms the core of the fiber. The shell is formed by a pipe whose glass refractive index is less than the refractive index of the glass of a capillary. The inner diameter of the shell pipe and the outer diameter of the capillary are geometrically aligned. The preform thus obtained is drawn into an optical fiber. During drawing, the pressure in the capillary is controlled in order to maintain the required cavity size.

Claims

1. A device designed to protect optical fibers of fiber optic lines and fiber components of telecommunication equipment, as well as optical fibers of fiber lasers and amplifiers from destruction by laser radiation, containing a optical fiber having a core and at least one cladding surrounding the core, characterized in that at least on some part of it, the specified fiber has a length-varying cross-sectional area of the core, a change in the area of the core of the fiber along the indicated ti is described as follows: the fiber portion with an area of core S ₁ turns into a portion, along which there is an increase in the area of the fiber core from S ₁ to S _2, followed by a portion with a fiber core area S ₂ passing in section, along which there is a reduction area the fiber core from S ₂ to S ₃ , then there follows a section with a core area of S ₃ , and the effective field area of the main radiation mode is maximum in the portion of the fiber with an increased core area of S ₂ , the area S _{2 is} chosen so so that the radiation intensity in the section of the fiber with the increased core area S ₂ is lower than the radiation intensity necessary to maintain the propagation of the optical discharge in this section, the radiation intensity is determined by the range of optical radiation powers in which the device should protect the fiber-optic equipment.

2. The device according to claim 1, characterized in that the initial or final section of the specified fiber is single-mode for the wavelength of the signal radiation used.

3. The device according to claim 1, characterized in that the initial and final section of the specified fiber are single-mode for the wavelength of the signal radiation used.

4. The device according to claim 1, characterized in that the input and output sections of the specified fiber are matched by the distribution of the mode field with the fiber of the protected line, which ensures minimal loss of signal radiation.

5. The device according to claim 1, characterized in that the size of the core of the waveguide of the device in the input section is equal to the size of the core of the waveguide of the device in the output section.

6. The device according to claim 1, characterized in that the sheath of the specified fiber is composed of glass based on fused silica.

7. The device according to claim 1, characterized in that said light guide is formed directly in the protected fiber optic line.

8. The device according to claim 1, characterized in that the light guide of the device is built into the protected fiber optic line by welding or optical connectors.

9. The device according to claim 1, characterized in that the core size of the specified fiber, in the portion of the fiber with an increased core area S ₂ , is determined from the condition - I <0.95 · I _threshold
Where
I is the radiation intensity in the core in the specified area, determined at a given level of optical power used in the protected line;
I _threshold - the threshold radiation intensity required to maintain the propagation of the optical discharge in the specified area.

10. The device according to claim 1, characterized in that said fiber is protected by a metal coating.

11. The device according to claim 1, characterized in that said fiber is protected by at least one polymer coating having high optical transparency in the working wavelength range of the signal radiation.

12. The device according to claim 11, characterized in that the polymer of the protective coating deposited by the first layer on the outer shell of the specified fiber has a refractive index less than the refractive index of the glass of the outer shell of the fiber.

13. The device according to claim 1, characterized in that said fiber is placed in a heat-removing medium.

14. A device designed to protect the fibers of optical fiber networks and fiber components of telecommunication equipment, as well as high-power fiber lasers and amplifiers from destruction by laser radiation, containing a fiber waveguide having a core and at least one sheath surrounding the core, characterized in that at least in some section of the specified fiber, in its core, there is an extended cavity along the longitudinal axis of the fiber.

15. The device according to 14, characterized in that the cavity of the specified fiber is located in the center of the core of the fiber.

16. The device according to 14, characterized in that at least on some part of the specified fiber of the device has a variable length of the core area, the change in the core area of the fiber along this part is described as follows: a section of the fiber with the core area S ₁ , passing into a section along which an increase in the core area of the fiber from S ₁ to S ₂ , then follows a section with a core area of S ₂ , passing into a section along which a decrease in the core area of the fiber from S ₂ to S ₃ , then there follows a section with a core area of S ₃ , and a cavity in the core of the fiber is present at least on the part of the fiber with an increased core area of S ₂ .

17. The device according to 14, characterized in that the cavity of the specified fiber is filled with gas.

18. The device according to 14, characterized in that part of the cavity of the specified fiber is filled with liquid.

19. The device according to 14, characterized in that said light guide is protected by a metal coating.

20. The device according to 14, characterized in that said fiber is protected by at least one polymer coating having high optical transparency in the operating wavelength range of the signal radiation.

21. The device according to claim 20, characterized in that the polymer of the protective coating deposited by the first layer on the outer shell of the specified fiber has a refractive index less than the refractive index of the glass of the outer shell of the fiber.

22. The device according to p. 14, characterized in that said fiber is placed in a heat-removing medium.