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 высокомощных волоконных лазеров и усилителей. c: сердцевина, i: внутренняя оболочка, o: внешняя оболочка.

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

Существует два разных типа волокон с двойной оболочкой. Первый был разработан в начале истории оптического волокна с целью разработки 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 высокомощными волоконными усилителями и волоконными лазерами. В этих волокнах сердцевина легирована активным легирующим материалом; он направляет и усиливает световой сигнал. Внутренняя оболочка и сердечник вместе направляют свет накачки, 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 оболочка изготавливается из материала полимера, а не из стекла.

• 1 Волокно с компенсацией дисперсии
• 2 Волокно для усилителей и волоконных лазеров
  • 2.1 Хаотические волокна
    • 2.1.1 Спиральная форма
  • 2.2 Коническая
  • 2.3 Фактор заполнения
  • 2.4 Альтернативные структуры
• 3 Примечания и ссылки

Двойное оптоволокно с оболочкой для компенсации дисперсии, внутренний слой оболочки имеет более низкий показатель преломления, чем внешний слой. Этот тип волокна также называется волокном с вдавленной внутренней оболочкой и волокном с W-профилем (из-за того, что симметричный график его профиля показателя преломления внешне напоминает букву W).

Этот тип волокна с двойной оболочкой волокно имеет преимущество очень низких потерь 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 в значительной степени спроектирована, эти волокна можно использовать для компенсации хроматической дисперсии в оптической связи и других приложениях.

Принципиальная схема волоконного лазера с двойной оболочкой и накачкой в ​​оболочке Поперечное сечение круглого DCF со смещенным сердечником Поперечное сечение DCF с прямоугольной внутренней оболочкой

В современных волокнах 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 посредством 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. 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. Эту схему накачки часто называют накачкой оболочки, которая является альтернативой традиционной накачке активной зоны, при которой свет накачки вводится в небольшую сердцевину. Изобретение накачки оболочки группой исследователей волокна Polaroid (Х. По и др.) Произвело революцию в конструкции волоконных усилителей и лазеров. Используя этот метод, современные волоконные лазеры могут обеспечивать непрерывную мощность до нескольких киловатт, в то время как сигнальный свет в сердечнике поддерживает качество луча, близкое к дифракционно ограниченному..

Форма оболочки очень важна, особенно когда диаметр сердечника мала по сравнению с размером внутренней обшивки. 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. На языке геометрической оптики большая часть лучей света накачки не проходит через сердечник и, следовательно, не может его накачать. Трассировка лучей, моделирование параксиального распространения и анализ мод дают аналогичные результаты.

Хаотические волокна

В целом моды волновода имеют «шрамы», 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, так называемые, иметь более сложную форму поперечного сечения и обеспечивать более равномерное распределение интенсивности во внутренней оболочке, что позволяет эффективно использовать свет накачки. Однако рубцевание происходит даже в хаотичных волокнах.

Форма спирали

Спиралевидная оболочка (синяя), ее кусок (красный) и 3 сегмента луча (зеленый). Виды спиралевидного волокна с двойной оболочкой.

Практически круглая форма с небольшой спиральной деформацией кажется наиболее эффективной для. В таком волокне угловой момент луча увеличивается при каждом отражении от гладкой стенки, пока луч не попадает в «кусок», на котором спиральная кривая ломается (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 в окрестности 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 спиралевидной 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. 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 хотя бы один из рубцов должен приближаться к куску, 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 сердцевиной. Нет причин локализовать рубцы в пределах угла, меньшего, чем сердцевина: малая производная от радиуса делает изготовление менее надежным; чем больше $R\; \prime \; (\varphi )\; \{\backslash \; displaystyle\; R\; \text{'}(\backslash \; phi)\}$, тем больше допустимые колебания формы без нарушения условия $R\; \prime \; (\varphi )>0\; \{\backslash \; displaystyle\; R\; \text{'}(\backslash \; phi)>0\}$. Следовательно, размер фрагмента должен быть в том же порядке, что и размер ядра.

Более строго, свойство спиралевидной области следует из теоремы о граничном поведении мод лапласиана Дирихле. Хотя эта теорема сформулирована для области без сердцевины, она запрещает режимам, избегающим сердцевины. Таким образом, мода, избегающая сердцевины, должна быть аналогичной до области без сердечника.

Стохастическая оптимизация формы оболочки подтверждает, что почти круглая спираль обеспечивает наилучшее соединение насоса с сердечником.

Коническая

Коническая двойная -облицованное волокно (T-DCF) представляет собой волокно w внешняя и внутренняя оболочки шланга и диаметр сердечника плавно изменяются с длиной. Сердечник на узкой стороне T-DCF поддерживает распространение только основной моды , тогда как на широкой стороне сердцевина может управлять многими модами. Однако экспериментально было показано, что свет, попадающий в узкий конец T-DCF, распространяется в широкую сердцевину без каких-либо изменений модового состава. В результате на широком (по существу, многомодовом) конце T-DCF свет распространяется только в моде самого низкого порядка с превосходным качеством луча. Таким образом, сужающееся волокно представляет собой уникальный и простой способ реализовать распространение (и усиление) режима основной моды в многомодовом волокне.

Фактор заполнения

Оценка эффективности накачки в оптоволокне с двойной оболочкой с $F\; =\; 0,8\; \{\backslash \; displaystyle\; F\; =\; 0,8\}$(синий) и $F\; =\; 0,9\; \{\backslash \; displaystyle\; F\; =\; 0,9\}$(красный), обсуждается в сравнении с результатами моделирования трассировки лучей (черные кривые).

Эффективность поглощения энергии накачки в волокне является важный параметр волоконного лазера с двойной оболочкой. Во многих случаях эта эффективность может быть аппроксимирована выражением

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

где

$S\; \{\backslash \; displaystyle\; S\}$- площадь поперечного сечения оболочки

$r\; \{\backslash \; displaystyle\; r\}$- радиус ядра (который считается круглым)

$\alpha \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; alpha\}$- коэффициент поглощения света накачки в сердцевина

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

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

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

Экспоненциальное поведение эффективности поглощения насоса 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 $F\; \{\backslash \; displaystyle\; F\}$приближается к единице. Значение $F\; \{\backslash \; displaystyle\; F\}$можно оценить с помощью численного анализа с распространением волн, разложением по модам или с помощью геометрической оптики трассировки лучей, 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.

Коэффициент заполнения $F\; \{\backslash \; displaystyle\; F\}$особенно быстро приближается к единице в спиральной оболочке из-за особого граничного поведения мод Дирихле Лапласиан. 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.

масштабирование мощности волоконного лазера ограничено нежелательными нелинейными эффектами, такими как вынужденное рассеяние Бриллюэна и вынужденное рамановское рассеяние. Эти эффекты сводятся к минимуму, если волоконный лазер короткий. Однако для эффективной работы насос должен поглощать сердцевину на короткой длине; вышеприведенная оценка применима в этом оптимистическом 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. 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

Для хорошей формы облицовки коэффициент заполнения $F\; \{\backslash \; displaystyle\; F\}$, определенный выше, приближается к единице; при различных видах сужения облицовки возможно следующее усиление; предлагаются нестандартные формы такой оболочки.

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.