Лекции по Физико-технологическим основам волоконно-оптической техники   

6. Специальные ОВ

6.4. Микроструктурированные ОВ.

         Последние примерно десять лет в оптике бурно развивается новое научное направление – фотонные кристаллы. Фотонные кристаллы в подавляющем большинстве представляют собой искусственно создаваемые структуры с периодически изменяющейся в пространстве диэлектрической проницаемостью. Диэлектрическая проницаемость среды () показывает во сколько раз в данной среде сила взаимодействия между зарядами уменьшается по сравнению с вакуумом и связана с ПП следующим уравнением:

                                               (6.20)

где c и v –скорость света в вакууме и среде соответственно.

Основным свойством фотонных кристаллов является то, что будучи прозрачными, вообще говоря, для широкого спектра электромагнитного излучения, они оказываются непрозрачными для некоторых частотных диапазонов этого спектра. Иными словами, излучение с длиной волны, сравнимой с периодом структуры фотонного кристалла, не может распространяться поперек такой структуры. Эти спектральные диапазоны стали называть фотонными запрещенными зонами, аналогично запрещенным зонам в полупроводниках и диэлектриках, где эти зоны возникают при соединении отдельных атомов в кристалл. При этом дискретный набор разрешенных энергетических состояний электронов переходит к распределению по энергетическим зонам под действием периодического потенциала решетки кристалла.          В ОВ также можно создать периодическую структуру, состоящую из капилляров, заполненных воздухом. Такие ОВ называются микроструктурированными (МкОВ). Возможны 2 варианта: центр такого ОВ заполнен стержнем (чистым кварцевым стеклом, либо сердцевиной АкОВ) или в нем размещается отверстие (капилляр). Первые ОВ называют иногда "дырчатыми" волокнами (HF –holey fibers), а вторые – волокнами с запрещенной зоной (PBGF – photonic band gap fibers). На рис. 6.38 приведены схема и фотогра фия торца "дырчатого" ОВ. В этих волокнах дырчатая структура выполняет роль светоотражающей оболочки, поскольку капилляры, заполненные воздухом, имеют эффективный ПП меньше ПП сердцевины, расположенной в центре структуры. Такие ОВ могут быть изготовлены из однородного материала, обычно из чистого, не легированного кварцевого стекла.

Волноводные характеристики данных структур могут быть рассмотрены в рамках модели полного внутреннего отражения, применимого к обычным ОВ. Однако волноводные характеристики этих микроструктурированных ОВ существенно отличаются от характеристик традиционных волокон.

Рис. 6.38. Схема (а) и фотография (б) микроструктурированного оптического волокна.

Во-первых, разность ПП между сердцевиной и оболочкой в HF может почти на два порядка быть больше, чем в стандартных ОВ. Во-вторых, эффективный ПП оболочки HF существенно сильнее зависит от длины волны излучения, чем в стандартных ОВ, что приводит к появлению ряда уникальных характеристик. Так, при отношении диаметра отверстий (d) к их периоду (L)меньшем 0,2 ОВ являются одномодовыми во всем спектральном диапазоне прозрачности кварцевого стекла. Длина волны нулевой дисперсии (ДВНД) может быть значительно смещена в сторону коротких длин волн, в то время как для кварцевого стекла она расположена в области ~ 1,3 мкм. Для примера, на рис. 6.39 приведены рассчитанные зависимости дисперсии подобных ОВ от длины волны. Видно, что эти зависимости определяются во многом отношением d/L, а в экспериментальных образцах подобных МкОВ ДВНД удалось сместить вплоть до l = 0,55 мкм. Такие микроструктурированные ("дырчатые") ОВ обладают значительным отрицательным коэффициентом дисперсии (до -2000 пс / (нм×км)) и могут использоваться в качестве компенсаторов дисперсии в ВОСПИ, причем их использование позволяет компенсировать полную дисперсию в линии SM волокнами в 100 раз большей длины. В ИРЭ РАН построена математическая модель распространения света в «дырчатом« МкОВ, разработаны программы численных расчетов структуры волокна для обеспечения требуемых параметров и проведена экспериментальная проверка модели. Заложенное в расчетах значение ДВНД хорошо совпало с экспериментальной величиной (1,1 мкм и 1,08 мкм соответственно), измеренной в образце со структурой, предлагаемой этой моделью (4 слоя воздушных капилляров диаметром d » 1,7 мкм, расстояние между центрами отверстий L » 4 мкм при диаметре ОВ ~125 мкм). Величина потерь в подобных МкОВ зависит от качества используемого кварцевого стекла, степени очистки от механических примесей внешней поверхности капилляров и от степени осушки газа, используемого при перетяжке заготовок (сборок). В лучших зарубежных образцах величина потерь составляла ~ 0,5 дБ/км на l =1,55 мкм при длине образцов несколько км, а в отечественных образцах 4…10 дБ/км. Уже предприняты успешные попытки по сварке данных ОВ с телекоммуникационными ОВ при получении малых потерь в местах сварки.

Рис. 6.39. Теоретические зависимости дисперсии «дырчатого» МкОВ от длины волны, рассчитанные для d/Λ: 1 - 0.1, 2 – 0.2, 3 – 0.3, 4 – 0.45 и Λ=2.3 мкм

Хотя в ОВ данного типа вовсе не обязательна строгая периодичность расположения отверстий в оболочке (поскольку определяющей является величина ее среднего, эффективного ПП), тем не менее на практике отверстия обычно располагаются в виде гексагональной решетки. Варьируя конфигу-рацию расположения отверстий и их размеры (тем самым картину профиля ПП), можно изменять диаметр (площадь) модового пятна в пределах трех порядков. При этом надо иметь в виду, что уменьшение площади моды приводит к значительному увеличению нелинейных эффектов (по расчету до 60 вт-1км). В свою очередь, это ведет к расширению возможности использования таких ОВ для различных устройств, в частности, для генерации очень широкого континуума излучения («когерентного белого света») в диапазоне λ = 0,55…1.95 мкм. На рис. 6.40 приведены спектрограммы входного импульса и излучения, выходящего из микроструктурированного, "дырчатого" ОВ длиной 75 см.

Рис. 6.40. Спетрограммы входного импульса (1) и излучения (2), выходящего из "дырчатого" МкОВ длиной 75 см.

         Проведенные исследования процесса генерации спектрального суперконтинуума показали, что многомодовое МкОВ осуществляет спектрально-пространственную селекцию излучения суперконтинуума. Например, при возбуждении МкОВ титан-сапфировым лазером (λ = 800 нм) высшие моды представляют синюю часть спектра, а основная мода – красную часть. В условиях оптимизации дисперсионных характеристик, достигаемой при диаметре сердцевины многомодового МкОВ, равном 4,5 мкм и соотношении d/Λ в пределах 0,8…0,9, выполняются фазовые соотношения для процесса четырехволнового смешения с генерацией антистоксовой компоненты в высшей пространственной моде в спектральной области λ= 570…600 нм, стоксовой компоненты в области ~ 1250 нм., а самомодуляции фазы излучения накачки в основной моде происходит на длинах волокна, значительно меньших дисперсионной длины, что и обуславливает перекрытие спектрального диапазона суперконтинуума в пределах от 400 до 1300 нм. При увеличении мощности накачки ширина континуума увеличивается, как это видно из рис. 6.41. Подобный континуум можно использовать в качестве источника света в системах WDM и DWDM для значительного увеличения числа передаваемых каналов.

С целью демонстрации использования "дырчатых" ОВ в телекоммуникации был сконструирован также рамановский ВКР-лазер, работающий при длине волокна всего 3,3 м, с эффективной нелинейностью γ = 31 Вт-1×км на длине волны 1,55 мкм. Напротив, одинаково увеличивая все геометрические размеры "дырчатой" структуры, можно значительно увеличить эффективную площадь поперечного сечения моды и передавать по волокну значительно большую мощность без появления нелинейных эффектов.

Рис. 6.41. Спектры вторичного излучения, генерируемые в микроструктурированном ОВ с одним циклом отверстий при накачке титан-сапфировым лазером при мощности: 1 – 2 нДж, 2 – 3 нДж

         Следующее применение «дырчатой» структуры, которое привело к созданию ОВ, устойчивых к изгибам, было предложено корейскими учеными на конференции OFC/NFOEC,06. В этом случае 6 капиллярных отверстий, расположенных на периферии светоотражающей оболочки, позволили уменьшить высветку в оболочку и получить малые потери при радиусе изгиба до 2,5 мм.

Микроструктурирование АкОВ позволяет решить две проблемы: сформировать внешнюю оболочку, состоящую из воздушных капилляров, и увеличить площадь сердцевины, легированной РЗЭ. Наличие "дырчатой" внешней оболочки (рис. 6.30) позволило значительно повысить эффективность накачки как за счет высокой числовой апертурой этой оболочки, так и за счет ограничения площади накачки (до ~20…35 мкм). Так был создан иттербиевый лазер с выходной мощностью 3,5 Вт в одномодовом режиме при накачке на = 0,98 мкм (расширение диапазона перестройки с 1,06 до 2,68 мкм) при пороге 400 мВт и эффективности 42%.

Второй подход связан с созданием внутренней оболочки, которая обеспечивает одномодовый режим работы волокна при большой площади модового пятна сердцевины. Эта внутренняя оболочка имела форму гексагональной решетки с отверстиями ~ 2 мкм и расстоянием между ними ~ 11,5 мкм, т.е. d/L = 0.18. Сердцевина диаметром ~ 9 мкм была сформирована кварцевым стержнем, легированном иттербием (СYb » 0,6 %), алюминием и фтором для получения Dn ~ 2´10-4. При такой малой разности ПП сердцевины и внутренней оболочки удалось создать лазер, работающий в одномодовом режиме при dмод ~ 21 мкм (площадь модового пятна ~ 350 мкм2) с NA = 0,05 и выходной мощностью ~ 80 Вт при эффективности 78 %.

Отличие МкОВ типа PBGF от МкОВ типа HF состоит в том, что сердцевина периодической структуры представляет собой не стеклянный стержень, а воздушную полость (капилляр). Такая структура может направлять излучение видимого и ближнего ИК-диапазонов, когда отношение d/L превышает некоторое, для каждой симметрии конкретное, значение (как правило, d/L ³ 0,3). Волноводный режим обеспечивается при этом исключительно за счет возникновения фотонных запрещенных зон. На рис. 6.42 приведены спектры пропускания микроструктурированных волокон с полой сердцевиной и различным шагом структуры, а также фолтография торца подобного световода. С точки зрения будущего интерес к этим волокнам обусловлен следующими факторами:

свет в таких волокнах распространяется в воздухе или, что еще лучше, в вакууме и существует перспектива достижения невероятно низких потерь;

возможность использования чистого кварцевого стекла, что исключает проведение химических реакций, направленных, в частности, на его легирование для изменения ПП кварца;

используя различные формы и размеры отверстий, а также расстояние между ними, можно управлять дисперсией и нелинейными эффектами в волокне.

Рис. 6.42. Спектры пропускания МкОВ с полой сердцевиной в зависимости от шага структуры: 1 – 16 мкм, 2 – 12 мкм, 3- 8 мкм

Длительное время потери в этих световодах были значительно выше, чем в «дырчатых» МкОВ (~ 15 дБ/км вместо 0,5 дБ/км). Однако в последние годы наметился существенный прогресс. На конференции ЕСОС-2005 представитель фирмы «Fujikura» сообщил о создании МкОВ с пространственной треугольной решеткой и капиллярной сердцевиной, которая имела спектр пропускания от 1520 до 2100 нм. В обзорном докладе представителя фирмы NTT (Япония) на конференции OFC/NFOEC-06 указывалось, что удалось создать волокна, которые имели потери ~ 0,28 дБ/км, причем последние обусловлены, главным образом, негладкостью поверхности отверстий. Для устранения этого группа ученых из Саусхемптона (Англия) предложила конструкцию отверстий в виде шестиугольника вместо круга, при этом поверхностные моды подавляются и границы оказывают меньшее влияние на распространяющуюся моду.

Для получения МкОВ наибольшее распространение получили два метода получения заготовок, из которых затем вытягивали волокно. Это – метод сборки из капилляров и метод сверления. В первом случае заготовка представляет собой плотно упакованные пакеты, состоящие из центрального кварцевого штабика (HF-волокна) или центрального капилляра (PBGF-волокна), вокруг которых располагаются тонкостенные капилляры. Эти пакеты вставляются в трубку, предварительно перетянутую до требуемого диаметра. Структура будущего МкОВ определяется наружным диаметром и толщиной стенки капилляров, предварительно вытянутых из кварцевых трубок (в том числе из высоко качественных трубок "Suprasil F-300"), числом слоев этих капилляров вокруг штабика и размерами внешней трубки.. Полученная заготовка перетягивается в волокно (за один или несколько раз) при избыточном давлении внутри капилляров для предотвращения их "сжатия" во время вытяжки. Во втором случае в штабике из чистого кварцевого стекла с помощью трубочки или сверла, на торец которых нанесена алмазная крошка, просверливают отверстия, располагающиеся в определенном порядке. Далее полученная заготовка, как и в предыдущем случае, перетягивается в волокно. Каждый из указанных методов имеет свои преимущества и недостатки: в частности, метод сверления более приемлем для получения сложной структуры МОВ, а метод капиллярной сборки – для получения гексагональной решетки.

В заключение остановимся на прочности МкОВ, т.к. наличие «дырок», в принципе, могло привести к снижению прочности волокна. Однако, вытянутое и покрытое уретанакрилатным покрытием МкОВ имело распределение Вейбулла, близкое к распределению для обычных волокон, как это видно из рис. 6.42. Разрывное усилие находится вблизи ~ 5,5 кгс, а наличие низкомодового участка с пониженной прочностью у МкОВ объясняется тем, что заготовка перед вытяжкой , предварительно не обрабатывалась (не травилась, не проводилась огневая полировка и т.п.).

Рис. 6.42. Распределение Вейбулла для оптических волокон: 1 - микроструктурированное волокно, 2- стандартное одномодовое волокно



*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.