Микроструктурированные одномодовые световоды на основе кварцевого стекла с большой сердцевиной, использующие конкуренцию мод

Размещено на http://www.allbest.ru/

Микроструктурированные одномодовые световоды на основе кварцевого стекла с большой сердцевиной, использующие конкуренцию мод

П.М Агрузов

В.В. Демидов

К.В. Дукельский

А.В. Комаров

Е.В. Тер-Нерсесянц

А.В. Хохлов

В.С. Шевандин

Приведены данные о разработке микроструктурированных световодов на основе кварцевого стекла с большой сердцевиной, отличающихся особой структурой и перспективных для передачи и генерации мощного излучения.

Микроструктурированные (дырчатые) световоды рассматриваются как перспективные оптические элементы для применения в лазерной технике в качестве активных сред, а также для передачи мощных световых потоков с заданным распределением светового излучения в поперечном сечении. Одной из проблем передачи мощного излучения является необходимость сохранения изначального гауссового распределения мощности по сечению потока, присущего многим лазерным источникам. В силу этого одномодовые световоды оказываются зачастую единственными средствами доставки излучения в сложной архитектуре производственных помещений. Достижение одномодового режима в сердцевинах большого диаметра сравнительно легко достигается в технологической практике простым масштабированием размеров микроструктурированного световода и, соответственно, диаметра сердцевины до величин около 50 мкм. Однако увеличение размеров сердцевины сопровождается тем, что вытекание излучения приобретает резко выраженный характер и фактически представляет собой спектральную "отсечку" основной моды даже в условиях размещения оптического волокна на стандартной транспортировочной бобине диаметром 16см. световод кварцевый стекло

Высказываемая нами ранее концепция об определяющей роли шага структуры светоотражающей оболочки в способности световода удерживать излучение в условиях изгиба побудила нас к дальнейшей разработке и исследованию оптических свойств микроструктурированных световодов с сердцевиной, образованной заменой не одного, а нескольких отверстий в гексагональной структуре одним элементом из кварцевого стекла. В дальнейшем были реализованы и исследованы структуры со смещенной сердцевиной и с постоянным числом отверстий в циклах. Объединяет рассматриваемые конструкции то обстоятельство, что световод становится одномодовым за счет различия коэффициентов затухания основной и высших мод. Отсечка высшей моды при этом, строго говоря, не происходит, а граница вытекания основной моды может быть смещена в коротковолновую область по сравнению с аналогом, в качестве которого фигурирует микроструктурированный световод с гексагональной структурой отверстий и центральной сердцевиной, образованной "пропуском" одного отверстия.

Структуры световодов, изготовленных в ходе выполнения работы, представлены на рис.1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Модовый состав переносимого по световоду излучения определялся методом биений при сканировании по спектру в пределах (л = 1520 - 1580 нм) ширины полосы генерации перестраиваемого полупроводникового лазера. В видимой области спектра для определения режима распространения света использовалось неперестраиваемое (л = 633 нм) излучение He-Ne лазера. Применяя этот метод в качестве дополнительного с методом модовых биений для области спектра л ~ 1550 нм (использовался экран-визуализатор), мы убедились в полном совпадении результатов оценки числа распространяющихся по световоду мод. Модовый состав излучения исследовался также и по следующей схеме: излучение полупроводниковых лазерных диодов с положением спектральных максимумов на длинах волн л = 658, 808 и 980 нм вводилось системой линз в торец исследуемого волокна. Излучение, прошедшее через оптическое волокно, направлялось на CCD-камеру.

В проводимых нами экспериментах световоды располагались на стандартных катушках с мягким подслоем для транспортировки связных оптических волокон. Диаметр катушек составлял 16см. Оценка модового состава выходящего из световодов излучения проводилась при варьировании условий ввода излучения в световод. Если при изменении условий ввода излучения менялась лишь интенсивность основной моды, а возбудить высшую моду не удавалось, то в приведенных ниже таблицах число мод обозначалось единицей. Число мод обозначалось цифрой 2 в случаях, когда в картине распределения интенсивности присутствовала примесь высшей моды как нарушение гауссового распределения, зависящее от условий ввода излучения.

Данные по зависимости числа мод от величины параметра k в двух спектральных областях для световода с 7-элементной сердцевиной диаметром 35 мкм приведены на рис.2.

Как видно из представленного материала, в 7-элементной сердцевине возможно достижение одномодового режима распространения света в пределах рабочего спектрального диапазона, если параметр k близок к значению 0.2. Более того, сравнение спектрального затухания в световодах, различающихся значением шага структуры (рис.3) показывает несомненное преимущество световода с 7-элементной сердцевиной диаметром 35 мкм по сравнению с 1-элементным аналогом.

Необходимо отметить, что по фазовым условиям (значения постоянной распространения моды или ее эффективного показателя преломления) представленные световоды являются многомодовыми, если принимать во внимание существование присущего микроструктурированным световодам "бесконечного" одномодового режима, который для 7-элементной сердцевины осуществляется при k ? 0.046. Совершенно понятно, что структура со значением параметра воздушности менее 0.04 практически нереализуема. Остается, однако, возможность режима существования единственной моды за счет различия коэффициентов затухания основной и высших мод.

Модовый состав излучения был исследован нами и в волокнах, в которых сердцевина образована заменой 19 центральных отверстий в гексагональной структуре (таблица 1).

Таблица 1

В отличие от 7-элементной сердцевины, в которой при k~0.2 высшая мода практически затухала на длине около метра, в 19-элементной сердцевине эта мода может распространяться на участках световода длиной в несколько метров и даже десятков метров. При этом коэффициент затухания высшей моды, а, следовательно, и модовый состав излучения в 19-элементной сердцевине определяется не только параметром k и размером сердцевины (величиной шага структуры), но и в значительной степени условиями расположения волокна на катушке. Под последними следует понимать стационарный изгиб, определяемый диаметром катушки, а также микроизгибы волокна.

Для всех исследованных световодов с 19-элементной сердцевиной (в том числе и для образца с наименьшим значением параметра k, составляющим менее 0.2) в прямых отрезках волокна был характерен ярко выраженный многомодовый режим передачи излучения. Сравнимая интенсивность излучения в различных модах наблюдалась на длинах до десяти метров, определяемых размерами лабораторного помещения.

При размещении световодов на катушке различие в коэффициентах затухания основной и высшей моды, обусловленное кривизной витков волокна, становилось настолько ощутимым, что оказалась возможной реализация одномодового режима распространения света.

Таким образом, совокупность представленных данных по свойствам световодов с 19-элементной сердцевиной показывает, что в этих изделиях возможно только условное достижение одномодового режима. Бесспорным преимуществом микроструктурированного световода с 19-элементной сердцевиной является стойкость к стационарному изгибу, или, в ином аспекте, расширенный рабочий спектральный диапазон. Платой же за это преимущество оказывается необходимость тщательного анализа условий расположения световода на катушке, либо в передающем тракте при транспортировке светового потока, с тем, чтобы избежать многомодового режима распространения света.

Результаты проведенного нами исследования модового состава излучения в смещенной сердцевине (таблица 2) показывают, что увеличение диаметра сердцевины с 12.5 до 20 мкм при сохранении неизменным (или приблизительно неизменным) значения параметра k сопровождается дополнительным затуханием моды высшего порядка. Повышенное затухание высшей моды может быть отнесено за счет вытекания излучения в промежутки между отверстиями в светоотражающей оболочке, размеры которых возрастают при масштабировании световода.

Для сравнения свойств световодов со смещенной сердцевиной с аналогом, в котором сердцевина находится в центре световода, были изготовлены соответствующие образцы, характеристики которых также представлены в таблице 2.

Таблица 2

Как следует из таблицы 2, модовый состав излучения, распространяющегося по световодам с центральной и смещенной сердцевинами, примерно одинаков в световодах с совпадающими или близкими значениями размеров сердцевины и параметра k. Заметным различием является вытекание основной моды на л = 658 нм в волокнах с центральной сердцевиной. Размер модового пятна в изученных образцах слабо зависит от длины волны света, что является отличительной особенностью микроструктурированных световодов.

Необходимо отметить и устойчивость моды к изгибу световода со смещенной сердцевиной, проявляющуюся в существовании заметного сигнала в области л = 658 нм. Повышенная устойчивость моды к изгибу становится понятной, если обратить внимание на некоторое снижение размеров модового пятна в смещенной сердцевине по сравнению с сердцевиной, расположенной в центре световода, при их одинаковых геометрических параметрах.

В заключение этого раздела необходимо констатировать, что для исследованного спектрального диапазона (л = 650-1000 нм) в имеющихся образцах световодов получить модовое пятно диаметром более 16 мкм нам не удалось. Даже при увеличении диаметра сердцевины с 12 до 20 мкм модовое пятно растет незначительно. Выбранные нами значения параметра k сужают размер пятна моды, а если следовать по пути снижения k, то основная мода вытекает в рассматриваемом спектральном диапазоне. Таковы общие закономерности поведения основной моды в микроструктурированных световодах как с центральной, так и со смещенной сердцевинами.

Мы также разработали и изготовили несколько серий дырчатых световодов с большой (порядка 30 мкм) сердцевиной и особой структурой в поперечном сечении. Фотографии торцов экспериментальных образцов микроструктурированных световодов, а также их некоторые оптические характеристики приведены ниже в таблице 3.

Как можно заметить, в световодах с представленной циклической структурой количество отверстий в каждом из трех порядков окружения остается неизменным, что отличает их от волокон с традиционной гексагональной геометрией сечения, в которых количество отверстий увеличивается с каждым следующим циклом.

Как видно из таблицы 3, в первой серии световодов (образец 1) мы стремились получить структуру с одинаковым значением параметра "воздушности" k в каждом цикле отверстий по аналогии с волокнами стандартной гексагональной геометрии, в которых величина k мало меняется в пределах структурированной оболочки от цикла к циклу. Мы добились реализации одномодового режима распространения света, однако величина затухания сигнала ввиду чрезмерного вытекания излучения основной моды в конструкционную оболочку световода оказалась слишком большой.

Таблица 3.

Во второй серии световодов (образцы 2, 3, 4) мы добились значительного снижения коэффициента затухания сигнала в разрабатываемых структурах. Кроме того, на выходном торце как 3-метрового, так и 30-метрового отрезков волокна нами не наблюдалось признаков возбуждения моды высшего порядка, в то время как по фазовым условиям отсечка не наступала. В представленных образцах микроструктурированных световодов режим основной моды практически реализуем за счет механизма дифференциального модового затухания сигнала.

Заметим, что величина затухания сигнала на л=1550 нм в одномодовом образце 2 довольно значительна - около 150 дБ/км. Однако световод с сердцевиной такого же размера и с традиционной гексагональной структурой в аналогичных условиях (катушка диаметром 16см) оказывается попросту неработоспособным вследствие интенсивного вытекания излучения на изгибе [1].

Дальнейшее снижение величины оптических потерь в представленных структурах может быть осуществлено за счет изменения размеров отверстий и промежутков между ними в оболочке световода. На данном этапе разработки минимальное значение затухания излучения составило величину порядка 8 дБ/км в многомодовом режиме (образец 4).

В заключение доклада можно резюмировать, что исследованные в настоящей работе микроструктурированные световоды со специфической структурой и сердцевиной, размер которой составляет от 12 до 35 мкм, отличаются от аналогов большей устойчивостью основной моды к изгибу световода. Одномодовый режим достигается за счет существенного различия в коэффициентах затухания основной и высших мод. Повышенная стойкость к изгибу расширяет спектральный рабочий диапазон представленных типов оптических волокон.

Литература

1. M. D. Nielsen, et al. Opt. Express 12, 1775 (2004).

Размещено на Allbest.ru