Волокно с двойной оболочкой

Профиль показателя преломления волокна с двойной оболочкой с компенсацией дисперсии. c: сердцевина, i: внутренняя оболочка, o: внешняя оболочка.

Профиль показателя преломления волокна с двойной оболочкой для мощных волоконных лазеров и усилителей. c: сердцевина, i: внутренняя оболочка, o: внешняя оболочка.

Волокно с двойной оболочкой ( DCF ) - это класс оптических волокон со структурой, состоящей из трех слоев оптического материала вместо обычных двух. Самый внутренний слой называется сердцевиной . Он окружен внутренней облицовкой , которая окружена внешней облицовкой . Три слоя изготовлены из материалов с разными показателями преломления .

Есть два разных типа волокон с двойной оболочкой. Первый был разработан в начале истории оптического волокна с целью создания дисперсии оптических волокон. В этих волокнах сердцевина несет большую часть света, а внутренняя и внешняя оболочки изменяют волноводную дисперсию сигнала, направляемого сердцевиной. Второй тип волокна был разработан в конце 1980-х годов для использования с волоконными усилителями большой мощности и волоконными лазерами . В этих волокнах сердцевина легирована активным легирующим материалом; он одновременно направляет и усиливает световой сигнал. Внутренняя оболочка и сердцевина вместе направляют насос.свет, который обеспечивает энергию, необходимую для усиления в сердечнике. В этих волокнах сердцевина имеет самый высокий показатель преломления, а внешняя оболочка - самый низкий. В большинстве случаев внешняя облицовка выполнена не из стекла, а из полимерного материала .

Волокно с компенсацией дисперсии [ править ]

В оптоволокне с двойной оболочкой для компенсации дисперсии внутренний слой оболочки имеет более низкий показатель преломления, чем внешний слой. Этот тип волокна также называют волокном с вдавленной внутренней оболочкой и волокном с W-профилем (из-за того, что симметричный график его профиля показателя преломления внешне напоминает букву W). ^[1]

Преимущество этого типа волокна с двойной оболочкой состоит в очень низких потерях на микроизгибе . Он также имеет две точки с нулевой дисперсией и низкую дисперсию в гораздо более широком диапазоне длин волн, чем стандартное однослойное волокно. Поскольку дисперсия таких волокон с двойной оболочкой может быть значительно увеличена, эти волокна можно использовать для компенсации хроматической дисперсии в оптических коммуникациях и других приложениях.

Волокно для усилителей и волоконных лазеров [ править ]

Принципиальная схема волоконного лазера с двойной оболочкой и накачкой в ​​оболочку

Поперечное сечение круглого DCF со смещенным сердечником

Поперечное сечение DCF с прямоугольной внутренней облицовкой ^[2]

В современных волоконных световодах с двойной оболочкой для мощных волоконных усилителей и лазеров внутренняя оболочка имеет более высокий показатель преломления, чем внешняя оболочка. Это позволяет внутренней оболочке направлять свет за счет полного внутреннего отражения так же, как и сердцевина, но для другого диапазона длин волн. Это позволяет использовать в качестве источника оптической накачки диодные лазеры , которые имеют высокую мощность, но низкую яркость излучения . Свет накачки может быть легко введен в большую внутреннюю оболочку и распространяется через внутреннюю оболочку, в то время как сигнал распространяется в меньшей сердцевине. Легированная сердцевина постепенно поглощает свет оболочки по мере его распространения, стимулируя процесс усиления. Такую схему накачки часто называют накачкой оболочки., который является альтернативой традиционной накачке сердечника , при которой свет накачки вводится в небольшой сердечник. Изобретение накачки оболочки группой исследователей волокна Polaroid (Х. По и др. ) Произвело революцию в конструкции волоконных усилителей и лазеров. ^[3] Используя этот метод, современные волоконные лазеры могут производить непрерывную мощность до нескольких киловатт, в то время как сигнальный свет в сердечнике поддерживает качество луча, близкое к дифракционно ограниченному . ^[4]

Форма оболочки очень важна, особенно когда диаметр сердцевины мал по сравнению с размером внутренней оболочки. Круговая симметрия в волокне с двойной оболочкой кажется наихудшим решением для волоконного лазера; в этом случае многие моды света в оболочке пропускают сердцевину и, следовательно, не могут использоваться для ее накачки. ^[5] Говоря языком геометрической оптики , большая часть лучей света накачки не проходит через сердечник и, следовательно, не может его накачать. Трассировка лучи , ^[6] моделирование приосевого распространения ^[7] и анализ режима ^[8] дают аналогичные результаты.

Хаотические волокна [ править ]

В целом моды волновода имеют «рубцы», соответствующие классическим траекториям. Рубцы могут обойти сердцевину, тогда мода не связана, и бесполезно возбуждать такую ​​моду в волоконном усилителе с двойной оболочкой. Рубцы могут быть распределены более или менее равномерно в так называемых хаотических волокнах ^[9], которые имеют более сложную форму поперечного сечения и обеспечивают более равномерное распределение интенсивности во внутренней оболочке, что позволяет эффективно использовать свет накачки. Однако рубцевание происходит даже в хаотичных волокнах.

Форма спирали [ править ]

Практически круглая форма с небольшой спиральной деформацией кажется наиболее эффективной для хаотических волокон . В таком волокне угловой момент луча увеличивается при каждом отражении от гладкой стенки, пока луч не попадает в «кусок», на котором спиральная кривая прерывается (см. Рисунок справа). Сердечник, расположенный вблизи этого фрагмента, более регулярно перехватывается всеми лучами по сравнению с другими хаотическими волокнами. Такое поведение лучей имеет аналогию в волновой оптике. На языке режимов все режимы имеют ненулевую производную вблизи блока и не могут избежать ядра, если оно находится там. Один из примеров режимов показан на рисунке ниже и справа. Хотя в некоторых режимах видны рубцы и широкие пустоты, ни одна из этих пустот не покрывает ядро.

Свойство ДКФ со спиральной оболочкой можно интерпретировать как сохранение углового момента. Квадрат производной моды на границе можно интерпретировать как давление. Моды (как и лучи), касаясь спиралевидной границы, передают ей некоторый угловой момент. Эта передача углового момента должна компенсироваться давлением на кусок. Следовательно, ни один режим не может избежать этого фрагмента. Режимы могут показывать сильные рубцы вдоль классических траекторий (лучей) и широкие пустоты, но по крайней мере один из рубцов должен приближаться к фрагменту, чтобы компенсировать угловой момент, передаваемый спиральной частью.

Интерпретация с точки зрения углового момента указывает на оптимальный размер куска. Нет причин делать чанк больше ядра; большой кусок не сможет локализовать рубцы в достаточной степени, чтобы обеспечить соединение с сердечником. Нет причин локализовать рубцы в пределах угла, меньшего, чем сердцевина: малая производная от радиуса делает изготовление менее надежным; чем больше , тем больше допустимые колебания формы без нарушения условия . Следовательно, размер чанка должен быть того же порядка, что и размер ядра.${\ Displaystyle R '(\ phi)}$${\ Displaystyle R '(\ phi)> 0}$

Более строго, свойство спиральной области следует из теоремы о граничном поведении мод лапласиана Дирихле . ^[10] Хотя эта теорема сформулирована для области без сердцевины, она запрещает режимы, избегающие сердцевины. Таким образом, режим без ядра должен быть аналогичен режиму безъядерного домена.

Стохастическая оптимизация формы оболочки подтверждает, что почти круглая спираль обеспечивает наилучшее соединение накачки с сердечником. ^[11]

Конический [ править ]

Коническое волокно с двойной оболочкой (T-DCF) - это волокно, внешняя и внутренняя оболочки которого, а также диаметры сердцевины плавно меняются в зависимости от длины. Сердечник на узкой стороне T-DCF поддерживает распространение только основной моды , тогда как на широкой стороне сердцевина может направлять многие моды. Однако экспериментально было показано, что свет, попадающий в узкий конец T-DCF, распространяется в широкую сердцевину без каких-либо изменений модового состава. ^[12] В результате на широком (по существу многомодовом) конце T-DCF свет распространяется только в моде низшего порядка с превосходным качеством луча. Таким образом, сужающееся волокно - это уникальный и простой способ реализовать распространение (и усиление) режима основной моды в многомодовом волокне.

Фактор заполнения [ править ]

Оценки эффективности накачки в световоде с двойной оболочкой (синий) и (красный), обсуждаемые в ^[2], по сравнению с результатами моделирования трассировки лучей ^[6] (черные кривые).${\ displaystyle F = 0,8}$${\ displaystyle F = 0,9}$

Эффективность поглощения энергии накачки в волокне является важным параметром волоконного лазера с двойной оболочкой. Во многих случаях эта эффективность может быть аппроксимирована ^[2]

${\ displaystyle 1- \ exp \ left (-F {\ frac {\ pi r ^ {2}} {S}} \ alpha L \ right),}$

куда

${\ displaystyle S}$ площадь поперечного сечения облицовки

${\displaystyle r}$ - радиус сердечника (который считается круглым)

${\displaystyle \alpha }$- коэффициент поглощения света накачки в сердечнике

${\displaystyle L}$ - длина волокна с двойной оболочкой, а

${\displaystyle F}$- безразмерный регулировочный параметр, который иногда называют «коэффициентом заполнения»; .${\displaystyle 0<F<1}$

Фактор заполнения может зависеть от начального распределения света накачки, формы оболочки и положения сердечника внутри нее.

Экспоненциальное поведение эффективности поглощения накачки в активной зоне неочевидно. Можно было ожидать, что некоторые моды оболочки (или некоторые лучи) лучше связаны с сердечником, чем другие; следовательно, «истинная» зависимость может быть комбинацией нескольких экспонент. Только сравнение с моделированием оправдывает это приближение, как показано на рисунке выше и справа. В частности, это приближение не работает для круговых волокон, см. Начальную работу Бедо и др., Цитируемую ниже. Для хаотических волокон приближается к единице. Величину можно оценить численным анализом с распространением волн, разложением по модам или с помощью геометрической оптики трассировки лучей.${\displaystyle F}$${\displaystyle F}$, а значения 0,8 и 0,9 являются лишь эмпирическими регулировочными параметрами, которые обеспечивают хорошее согласование простой оценки с численным моделированием для двух конкретных классов волокон с двойной оболочкой: круглого смещения и прямоугольного. Очевидно, что приведенная выше простая оценка не работает, когда параметр смещения становится малым по сравнению с размером оболочки.

Фактор заполнения особенно быстро приближается к единице в спиральной оболочке из-за особого граничного поведения мод лапласиана Дирихле . ^[10] Разработчики волокна с двойной оболочкой ищут разумный компромисс между оптимизированной формой (для эффективного соединения насоса с сердечником) и простотой изготовления преформы, используемой для вытяжки волокон.${\displaystyle F}$

Масштабирование мощности лазера волокна ограниченно нежелательными нелинейные эффекты , такие как ВРМБЫ и вынужденное комбинационное рассеяние . Эти эффекты сводятся к минимуму, если волоконный лазер короткий. Однако для эффективной работы насос должен поглощаться сердечником на короткой длине; приведенная выше оценка применима в этом оптимистичном случае. В частности, чем выше скачок показателя преломления от внутренней к внешней оболочке, тем лучше ограничен насос. В качестве предельного случая шаг индекса может быть порядка двух от стекла до воздуха. ^[13] Оценка с коэффициентом заполнения дает оценку того, насколько коротким может быть эффективный волоконный лазер с двойной оболочкой из-за уменьшения размера внутренней оболочки.

Альтернативные структуры [ править ]

Для хорошей формы облицовки коэффициент заполнения , определенный выше, приближается к единице; возможно следующее усиление при различных видах сужения облицовки; ^[14] Предложены нетрадиционные формы такой облицовки. ^[15]${\displaystyle F}$

Планарные волноводы с активной усиливающей средой занимают промежуточное положение между обычными твердотельными лазерами и волоконными лазерами с двойной оболочкой. Планарный волновод может ограничивать многомодовую накачку и высококачественный сигнальный луч, обеспечивая эффективное соединение накачки и выход с ограничением дифракции. ^{[7] [16]}

Примечания и ссылки [ править ]