МОДОВЫЙ СОСТАВ ИЗЛУЧЕНИЯ В МИКРОСТРУКТУРИРОВАННЫХ СВЕТОВОДАХ СО СМЕЩЕННОЙ СЕРДЦЕВИНОЙ
ОПТИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 666.189.21: 666.22
МОДОВЫЙ СОСТАВ ИЗЛУЧЕНИЯ В МИКРОСТРУКТУРИРОВАННЫХ СВЕТОВОДАХ СО СМЕЩЕННОЙ СЕРДЦЕВИНОЙ
© 2010 г. В. В. Демидов; К. В. Дукельский, канд. техн. наук; В. С. Шевандин, доктор техн. наук Научно-исследовательский и технологический институт оптического материаловедения ВНЦ “ГОИ им. С.И. Вавилова”, Санкт-Петербург Е-mail: volokno@goi.ru, victor@goi.ru
Исследован модовый состав излучения, распространяющегося по микроструктурированным световодам с сердцевиной, смещенной относительно центра световода на размер шага структуры. Показано, что одномодовый режим световода достигается при тех же геометрических параметрах структурированной оболочки, что и в световоде с центральной сердцевиной. Модовое пятно в световодах со смещенной сердцевиной меньше одноименного параметра в световодах с сердцевиной, расположенной в центре, при одинаковых размерах сердцевин. По этой причине устойчивость основной моды к изгибу световода при распространении по смещенной сердцевине выше, чем в световоде с центральной сердцевиной.
Ключевые слова: микроструктурированный световод, модовое пятно.
Коды OCIS: 060.2270, 060.2280, 060.2400, 060.2430. Поступила в редакцию 15.12.2009.
Микроструктурированные (дырчатые) световоды рассматриваются как перспективные оптические элементы для применения в лазерной технике в качестве активных сред, а также для передачи и нелинейно-оптического преобразования мощных световых потоков с заданным распределением светового излучения в поперечном сечении. Эти возможности определяются такими отличительными особенностями микроструктурированных световодов, как существование только основной моды в неограниченном спектральном диапазоне, возможность смещения нулевой дисперсии групповой скорости распространения волны в видимый диапазон спектра, достижение одномодового режима в сердцевинах большого (более 10 мкм) диаметра. Последнее из упомянутых преимуществ микроструктурированных световодов сравнительно легко достигается в технологической практике простым масштабированием размеров световода [1–5] и, соответственно, диаметра сердцевины до значений около 50 мкм. Единственное ограничение, которое при этом накладывается
на геометрические параметры световода, – это соблюдение соотношения d/Λ < 0,46, где d – диаметр отверстия в гексагональной структуре светоотражающей оболочки, Λ – шаг структуры. Однако, поскольку условия эксплуатации оптических волокон так или иначе сопряжены с их многократным изгибом, рабочая спектральная область оказывается ограниченной вытеканием излучения основной моды на изгибе дырчатого световода в коротковолновой части оптического диапазона [5–7]. Вытекание излучения носит резко выраженный характер и фактически представляет собой спектральную “отсечку” основной моды даже в условиях размещения оптического волокна на стандартной транспортировочной бобине диаметром 16 см с мягким подслоем, на которой обычно проводится измерение оптических параметров световодов. Положение “отсечки” определяется размером сердцевины и параметром k = d/Λ. Увеличение размеров сердцевины, вызванное желанием ограничить развитие нелинейно-оптических процессов, приводит к смещению коротковолновой рабочей границы
“Оптический журнал”, 77, 6, 2010
55
в ИК область спектра. При увеличении диаметра сердцевины до 35 мкм [5] дырчатый световод превращается в “одночастотный” оптический элемент для работы исключительно в области λ = 1550 нм. Увеличение содержания воздуха в светоотражающей структурированной оболочке, т. е. увеличение параметра k, отодвигает “отсечку” основной моды в коротковолновую область, но способно привести к нежелательному присутствию излучения высшей моды при d/Λ > 0,46. На практике одномодовый микроструктурированный световод может быть реализован при значении d/Λ = 0,50 [8], но столь незначительное изменение содержания воздуха по сравнению с теоретически задаваемым значением не приводит к заметному смещению коротковолнового вытекания излучения основной моды световода.
Альтернативным способом увеличения диаметра сердцевины одномодового дырчатого световода стало ее образование в результате заполнения стеклом не одного центрального отверстия в гексагональной дырчатой структуре, а 7 или 19 отверстий. Такие световоды с большой сердцевиной использовались в качестве волоконных лазеров [1, 2] и генерировали стимулированное излучение в режиме основной поперечной моды. Оказалось, что достижение одномодового режима работы в световодах с многоэлементной сердцевиной возможно и в условиях распространения высшей моды, но при этом необходимо создать структуру, в которой затухание высшей моды существенно превосходило бы затухание основной моды световода [3, 4]. В работе [4] показано, что в оптическом дырчатом волокне с 7-элементной сердцевиной диаметром 25–35 мкм реализуется одномодовый режим передачи излучения с затуханием излучения основной моды около 40 дБ/км для λ = 1550 нм (определяемым в основном механическими примесями) и затуханием излучения высшей моды порядка 6 дБ/м для того же значения длины волны.
В настоящей работе приведены результаты исследования условий для существенно разного значения затухания основной и высшей мод за счет смещения сердцевины световода относительно ее обычного положения в центре световода. Высшая мода, в отличие от основной, характеризуется большей степенью проникновения излучения в структурированную оболочку [9, 10]. При смещении сердцевины могут быть созданы условия для повышенного вытекания периферийной области поля высшей моды в конструкционную оболочку световода. В этом случае одномодовый режим переноса излуче-
ния может устанавливаться на определенных длинах световода, даже если не выполнены фазовые условия отсечки высшей моды. Еще одно обстоятельство, которое способствовало реализации микроструктурированных световодов со смещенной сердцевиной, – относительная техническая простота достижения такой структуры. Процессы изготовления преформ и световодов из сплошных сред “обычными” методами газофазного осаждения предусматривают вращение заготовки вокруг оси. В последнем случае смещение световедущей сердцевины относительно центра заготовки представляет собой трудную технологическую задачу.
Для проведения исследований модового состава излучения в зависимости от структуры дырчатых волокон были получены экспериментальные образцы световодов по двухступенчатой технологии [11].
Оптические микроструктурированные волокна вытягивались из преформ, представляющих собой гексагональную систему из капилляров в опорной внешней трубе. Один из капилляров заменялся на микроштабик для образования световедущей сердцевины. Опорная труба, капилляры и микроштабик изготавливались из синтетического кварцевого стекла.
Были вытянуты серии световодов с диаметром сердцевины 12,5, 20 и 22 мкм. Для сравнения оптических свойств полученных волокон с аналогом были изготовлены световоды с центральной сердцевиной диаметром 20 и 22 мкм. Фотографии торцов исследованных световодов приведены на рис. 1. В каждой серии световодов изменялось относительное содержание воздуха (параметр k) в структурированной оболочке. Для этого варьировался один из двух существенных параметров технологического процесса – давление в воздушных каналах или температура вытягивания.
Модовый состав излучения исследовался на установке, схема которой приведена на рис. 2. Излучение полупроводниковых лазерных диодов с положением спектральных максимумов на длинах волн λ = 658, 808 и 980 нм вводилось системой двух линз в торец исследуемого волокна. Излучение, прошедшее через оптическое волокно, направлялось на CCD-камеру, расположенную на расстоянии от 5 до 10 мм от торца световода, т. е. регистрировалось поперечное распределение интенсивности излучения в дальней зоне. CCD-камера соединялась интерфейсом IEEE1394 с компьютером, а обработка полученных данных проводилась с помощью лицензионно-
56 “Оптический журнал”, 77, 6, 2010
12
34
Рис. 1. Фотографии торцов исследованных световодов. 1, 2 – со смещенной сердцевиной; 3, 4 – с центральной сердцевиной. Величина параметра содержания воздуха k в образцах составляет 0,35 (1), 0,60 (2), 0,67 (3), 0,82 (4).
Лазерный диод
Фокусирующая система
Исследуемый световод
CCDкамера
Компьютер
Рис. 2. Схема установки для исследования модового состава излучения.
го программного обеспечения OriginPro7.50 и MatCad14.
В качестве примера на рис. 3 приведены результаты исследования картины модовых пятен в световоде со смещенной на 1 шаг сердцевиной. Как видно из рисунка, переносимое световодом излучение для λ = 658 и 808 нм представлено основной модой, для λ = 980 нм – суперпозицией основной и первой высшей мод.
Необходимо особо оговорить метод получения того или иного модового состава излучения в исследованных образцах световодов. Как по-
= 658 нм
1,75 1,4
1,05
0,7 0,35
= 808 нм
3,5 2,8
2,1
1,4 0,7
= 980 нм
4,5 3,6
2,7
1,8 0,9
0
100 200
0
100 200
0
112 224
Рис. 3. Пример картины модовых пятен в световоде с сердцевиной, смещенной на 1 шаг структуры, для трех рабочих длин волн источника излучения. Размерность по осям координат представлена условными единицами.
“Оптический журнал”, 77, 6, 2010
57
казано в работах [3, 4], условия размещения образцов на измерительных катушках могут существенным образом влиять на затухание излучения высшей моды и в этой связи требуют тщательного контроля.
В проводимых нами экспериментах световоды располагались на стандартных катушках с мягким подслоем для транспортировки связных оптических волокон. Диаметр катушек составлял 16 см. Оценка модового состава выходящего из световодов излучения проводилась при варьировании условий ввода излучения в световод. Для этого входной торец засвечивался с изменением апертуры входящего в образец светового потока или угла между осью световода и осью вводимого в него излучения. В этих условиях наиболее легко возбуждалась основная мода с характерным гауссовым распределением интенсивности света. 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. Эти условия иногда удавалось подобрать таким образом, что на экране CCD-камеры присутствовала только характерная двудольная картина высшей моды.
Присутствие высшей моды на выходном торце исследуемого световода могло наблюдаться и в результате механического воздействия на световод – например, при надавливании на витки, расположенные ближе к выходному торцу. Однако такой световод нами не рассматривался в качестве многомодового, поскольку представлял собой оптический элемент с местным возмущением световодного тракта, вызывающим конверсию мод.
Результаты исследования модового состава излучения в смещенной сердцевине диаметром 12,5 и 20,0 мкм приведены в табл. 1 и 2 соответственно.
Как видно из сравнения данных табл. 1 и 2, увеличение диаметра сердцевины с 12,5 до 20 мкм при сохранении неизменным (или приблизительно неизменным) значения параметра k сопровождается дополнительным затуханием моды высшего порядка. Увеличение размеров сердцевины ведет к увеличению приведенной частоты V световода в соответствии с выражением [6, 10, 12] V = 2πλ–1Λ(nc2 – n2cl)1/2, где nc
и ncl – показатель преломления сердцевины и эффективный показатель преломления оболочки соответственно. Увеличение параметра V, казалось бы, должно было приводить к возрастанию числа мод или, по крайней мере, к большей устойчивости существующих мод к искажениям световода, в частности к его изгибу. В эксперименте, однако, наблюдается противоположная тенденция – затухание высшей моды становится сильнее. Повышенное затухание высшей моды можно объяснить вытеканием излучения в промежутки между отверстиями в светоотражающей оболочке [13], размеры которых возрастают при масштабировании световода.
В предыдущей работе [3] для световода с центральной сердцевиной показано, что этот же физический процесс является причиной появления примеси высшей моды при смещении по спектру в ИК область. При увеличении длины волны излучения и неизменных размерах промежутков между отверстиями вытекание высшей моды становится слабее и она в большей мере проявляется на выходе световода.
Для сравнения свойств световодов со смещенной сердцевиной с аналогом, в котором сердцевина находится в центре световода, были изготовлены соответствующие образцы, характеристики которых представлены в табл. 3.
Необходимо пояснить, что длина световодов с центральной сердцевиной при их изготовлении составила 20 м, что не отвечает корректному сравнению с данными по световодам со смещенной сердцевиной, длина которых составляла 10 м. Поэтому нами дополнительно были проведены исследования модового состава для 10-метровых образцов волокон с центральной сердцевиной, результаты которых полностью совпали с данными табл. 3.
Сравнение табл. 2 и 3 показывает, что модовый состав излучения, распространяющего-
Таблица 1. Модовый состав излучения в сердцевине диаметром 12,5 мкм, смещенной на 1 шаг структуры. Длина образца 10 м
Номер образца
Параметр содержания воздуха, k
Модовый состав для длины волны, нм
658 808 980
1смещ. 2смещ. 3смещ. 4смещ.
0,35 0,47 0,52 0,57
111 222 222 2 2 >2
58 “Оптический журнал”, 77, 6, 2010
Таблица 2. Модовый состав излучения в сердцевине диаметром 20 мкм, смещенной на 1 шаг структуры. Длина образца 10 м
Номер образца
Параметр содержания воздуха, k
Модовый состав для длины волны, нм
658 808 980
5смещ. 6смещ. 7смещ.
0,51 0,60 0,81
111 111 222
ся по световодам с центральной и смещенной сердцевиной, примерно одинаков в световодах с совпадающими или близкими значениями размеров сердцевины и параметра k. Заметным различием является вытекание основной моды на λ = 658 нм в волокнах с центральной сердцевиной, что не позволило оценить размер пятна моды. В проведенных нами экспериментах регистрируемое на пороге чувствительности излучение с λ = 658 нм на выходе образцов 1–5 (табл. 3) имело аномально малую расходимость, порядка нескольких единиц 10–3 рад. Это свидетельствовало об аномальном расширении пятна моды,
следствием которого было ее вытекание в упомянутой области спектра.
Нами также была проведена численная оценка размеров пятна основной моды в тех случаях, когда наблюдался одномодовый режим распространения излучения.
Известно, что гауссов пучок в свободном пространстве имеет угловую расходимость tgα = = λ/πw, где α – половинный угол, w – значение радиуса пятна на выходе световода. Привлекая определяемое из эксперимента значение модового пятна W в дальней зоне (на экране CCDкамеры), получим tgα = W/L, где L – расстояние от торца волокна до экрана. Окончательно выражение для w приобретает вид w = λL/πW. Определение размеров модового пятна W в дальней зоне проводилось на уровне 1/е2 от максимального значения интенсивности света. Результаты определения размеров пятна основной моды приведены в табл. 4. В названии образцов нашло отражение геометрическое положение сердцевины световода.
Как видно из табл. 4, размер модового пятна в изученных образцах слабо зависит от длины волны света, что является отличительной особенностью микроструктурированных световодов [7].
Таблица 3. Модовый состав излучения в световодах с центральный сердцевиной. Длина образца 20 м
Номер образца
Диаметр
Параметр
сердцевины, мкм содержания воздуха, k
Модовый состав для длины волны, нм 658 808 980
1центр. 2центр. 3центр. 4центр. 5центр. 6центр. 7центр.
20 20 20 22 22 22 20
0,55 0,65 0,67 0,65 0,67 0,72 0,82
вытекание вытекание вытекание вытекание вытекание
1 2
вытекание 1 1 1 1 1 2
1 1 1 1 1 1 2
Таблица 4. Зависимость размера пятна основной моды от геометрических параметров световодов
Номер образца
Диаметр сердцевины, мкм
Параметр содержания воздуха, k
Длина образца, м
Диаметр модового пятна для длины волны, нм
658 808 980
1смещ. 5смещ. 6смещ. 4центр. 5центр. 6центр.
12,5 20 20 22 22 22
0,35 0,51 0,60 0,65 0,67 0,72
10
10,4
11,8
11,8
10
13,4
14,1
14,2
10
12,3
13,0
13,4
20
вытекание
15,3
15,8
20
вытекание
13,9
14,9
20
12,6
13,7
14,0
“Оптический журнал”, 77, 6, 2010
59
Представленные в табл. 4 результаты показывают, что при неизменном размере сердцевины и увеличении параметра k происходит некоторое уменьшение модового пятна. Особенно отчетливо это наблюдается для центральной сердцевины диаметром 22 мкм. Уменьшение модового пятна находит естественное объяснение, если принять во внимание свойства аналога – световода со сплошной оболочкой. Увеличение значения k в структурированной оболочке эквивалентно увеличению разности показателей преломления сердцевины и оболочки. В оптике световодов, изготовленных из сплошных сред, обсуждаемое явление сужения модового пятна при увеличении разности показателей преломления или уменьшения длины волны света подробно изучено [14].
Необходимо отметить и устойчивость моды к изгибу световода со смещенной сердцевиной, проявляющуюся в существовании заметного сигнала в области λ = 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 статьи необходимо констатировать, что для исследованного спектрального диапазона (λ = 650–1000 нм) в имеющихся образцах световодов получить модовое пятно диаметром более 16 мкм нам не удалось. Даже при увеличении диаметра сердцевины с 12,5 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 [5]. Таковы общие закономерности поведения основной моды в микроструктурированных световодах как с центральной, так и со смещенной сердцевинами. Преимуществом световодов со смещенной сердцевиной является расширение границы вытекания основной моды на изгибе световода приблизительно на 100–200 нм в коротковолновую область спектра.
ЛИТЕРАТУРА
1. Limpert J., Deguil-Robin N., Manek-Honninger I., Salin F., Roser F., Liem A., Schreiber T., Nolte S., Zellmer H., Tunnermann A., Broeng J., Petersson A., Jakobsen C. High-power rod-type photonic crystal fiber laser // Opt. Express. 2005. V. 13. № 4. P. 1055–1058.
2. Limpert J., Schmidt O., Rothhardt J., Roser F., Schreiber T., Tunnermann A., Ermeneux S., Yvernault P., Salin F. Extended single-mode photonic crystal fiber lasers // Opt. Express. 2006. V. 14. № 7. P. 2715–2720.
3. Агрузов П.М., Дукельский К.В., Козлов А.С., Комаров А.В., Петров М.П., Тер-Нерсесянц Е.В., Хохлов А.В., Шевандин В.С. Модовый состав дырчатых волокон с большой семиэлементной сердцевиной // Оптический журнал. 2008. Т. 75. № 11. С. 73–76.
4. Дукельский К.В., Комаров А.В., Тер-Нерсесянц Е.В., Хохлов А.В., Шевандин В.С Микроструктурированные световоды с большой сердцевиной // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 12. С. 62–65.
5. Nielsen M.D., Mortensen N.A., Albertsen M., Folkenberg J.R., Bjarklev A., Bonacinni D. Predicting macrobending loss for large-mode area photonic crystal fibers // Opt. Express. 2004. V. 12. № 8. P. 1775–1779.
6. Birks T.A., Knight J.C., Russel P.St.J. Endlessly single-mode photonic crystal fibers // Opt. Lett. 1997. V. 22. № 13. P. 484–485.
7. Nielsen M.D., Folkenberg J.R., Mortensen N.A., Bjarklev A. Bandwidth comparison of photonic crystal fibers and conventional single-mode fibers // Opt. Express. 2004. V. 12. № 3. Р. 430–435.
8. Nielsen M.D., Jacobsen C., Mortensen N.A., Folkenberg J.R., Simonsen H.R. Low-loss photonic crystal fibers for transmission systems and their dispersion properties // Opt. Express. 2004. V. 12. № 7. P. 1372–1376.
9. Kacik D., Turek I., Martincek I., Canning J., Issa N.A., Lyytikainen K. Intermodal interference in a photonic crystal fibre // Opt. Express. 2004. V. 12. № 15. P. 3465–3470.
10. Vigne Y., Rosenbluh M. Spatial modes in a PCF fiber generated continuum // Opt. Express. 2005. V. 13. № 24. P. 9721–9725.
11. Дукельский К.В., Кондратьев Ю.Н, Хохлов А.В., Шевандин В.С., Желтиков А.М., Коноров С.О., Серебрянников Е.Е., Сидоров-Бирюков Д.А., Федотов А.Б., Семенов С.Л. Микроструктурированные световоды с кварцевой сердцевиной для получения спектрального суперконтинуума в фемтосекундном диапазоне // Оптический журнал. 2005. Т. 72. № 7. С. 57–60.
12. Mortensen N.A., Folkenberg J.R., Nielsen M.D., Hansen K.P. Modal cut-off and the V-parameter in photonic crystal fibers // Opt. Lett. 2003. V. 28. № 20. P. 1879–1881.
13. Russel P.St.J. Photonic-crystal fibers // J. Lightwave Techn. 2006. V. 24. № 12. P. 4729–4749.
14. Jeunhommer L.B. Single-mode fiber optics. Principles and applications. N. Y. and Basel: M. Dekker, Inc., 1983. 275 р.
60 “Оптический журнал”, 77, 6, 2010
УДК 666.189.21: 666.22
МОДОВЫЙ СОСТАВ ИЗЛУЧЕНИЯ В МИКРОСТРУКТУРИРОВАННЫХ СВЕТОВОДАХ СО СМЕЩЕННОЙ СЕРДЦЕВИНОЙ
© 2010 г. В. В. Демидов; К. В. Дукельский, канд. техн. наук; В. С. Шевандин, доктор техн. наук Научно-исследовательский и технологический институт оптического материаловедения ВНЦ “ГОИ им. С.И. Вавилова”, Санкт-Петербург Е-mail: volokno@goi.ru, victor@goi.ru
Исследован модовый состав излучения, распространяющегося по микроструктурированным световодам с сердцевиной, смещенной относительно центра световода на размер шага структуры. Показано, что одномодовый режим световода достигается при тех же геометрических параметрах структурированной оболочки, что и в световоде с центральной сердцевиной. Модовое пятно в световодах со смещенной сердцевиной меньше одноименного параметра в световодах с сердцевиной, расположенной в центре, при одинаковых размерах сердцевин. По этой причине устойчивость основной моды к изгибу световода при распространении по смещенной сердцевине выше, чем в световоде с центральной сердцевиной.
Ключевые слова: микроструктурированный световод, модовое пятно.
Коды OCIS: 060.2270, 060.2280, 060.2400, 060.2430. Поступила в редакцию 15.12.2009.
Микроструктурированные (дырчатые) световоды рассматриваются как перспективные оптические элементы для применения в лазерной технике в качестве активных сред, а также для передачи и нелинейно-оптического преобразования мощных световых потоков с заданным распределением светового излучения в поперечном сечении. Эти возможности определяются такими отличительными особенностями микроструктурированных световодов, как существование только основной моды в неограниченном спектральном диапазоне, возможность смещения нулевой дисперсии групповой скорости распространения волны в видимый диапазон спектра, достижение одномодового режима в сердцевинах большого (более 10 мкм) диаметра. Последнее из упомянутых преимуществ микроструктурированных световодов сравнительно легко достигается в технологической практике простым масштабированием размеров световода [1–5] и, соответственно, диаметра сердцевины до значений около 50 мкм. Единственное ограничение, которое при этом накладывается
на геометрические параметры световода, – это соблюдение соотношения d/Λ < 0,46, где d – диаметр отверстия в гексагональной структуре светоотражающей оболочки, Λ – шаг структуры. Однако, поскольку условия эксплуатации оптических волокон так или иначе сопряжены с их многократным изгибом, рабочая спектральная область оказывается ограниченной вытеканием излучения основной моды на изгибе дырчатого световода в коротковолновой части оптического диапазона [5–7]. Вытекание излучения носит резко выраженный характер и фактически представляет собой спектральную “отсечку” основной моды даже в условиях размещения оптического волокна на стандартной транспортировочной бобине диаметром 16 см с мягким подслоем, на которой обычно проводится измерение оптических параметров световодов. Положение “отсечки” определяется размером сердцевины и параметром k = d/Λ. Увеличение размеров сердцевины, вызванное желанием ограничить развитие нелинейно-оптических процессов, приводит к смещению коротковолновой рабочей границы
“Оптический журнал”, 77, 6, 2010
55
в ИК область спектра. При увеличении диаметра сердцевины до 35 мкм [5] дырчатый световод превращается в “одночастотный” оптический элемент для работы исключительно в области λ = 1550 нм. Увеличение содержания воздуха в светоотражающей структурированной оболочке, т. е. увеличение параметра k, отодвигает “отсечку” основной моды в коротковолновую область, но способно привести к нежелательному присутствию излучения высшей моды при d/Λ > 0,46. На практике одномодовый микроструктурированный световод может быть реализован при значении d/Λ = 0,50 [8], но столь незначительное изменение содержания воздуха по сравнению с теоретически задаваемым значением не приводит к заметному смещению коротковолнового вытекания излучения основной моды световода.
Альтернативным способом увеличения диаметра сердцевины одномодового дырчатого световода стало ее образование в результате заполнения стеклом не одного центрального отверстия в гексагональной дырчатой структуре, а 7 или 19 отверстий. Такие световоды с большой сердцевиной использовались в качестве волоконных лазеров [1, 2] и генерировали стимулированное излучение в режиме основной поперечной моды. Оказалось, что достижение одномодового режима работы в световодах с многоэлементной сердцевиной возможно и в условиях распространения высшей моды, но при этом необходимо создать структуру, в которой затухание высшей моды существенно превосходило бы затухание основной моды световода [3, 4]. В работе [4] показано, что в оптическом дырчатом волокне с 7-элементной сердцевиной диаметром 25–35 мкм реализуется одномодовый режим передачи излучения с затуханием излучения основной моды около 40 дБ/км для λ = 1550 нм (определяемым в основном механическими примесями) и затуханием излучения высшей моды порядка 6 дБ/м для того же значения длины волны.
В настоящей работе приведены результаты исследования условий для существенно разного значения затухания основной и высшей мод за счет смещения сердцевины световода относительно ее обычного положения в центре световода. Высшая мода, в отличие от основной, характеризуется большей степенью проникновения излучения в структурированную оболочку [9, 10]. При смещении сердцевины могут быть созданы условия для повышенного вытекания периферийной области поля высшей моды в конструкционную оболочку световода. В этом случае одномодовый режим переноса излуче-
ния может устанавливаться на определенных длинах световода, даже если не выполнены фазовые условия отсечки высшей моды. Еще одно обстоятельство, которое способствовало реализации микроструктурированных световодов со смещенной сердцевиной, – относительная техническая простота достижения такой структуры. Процессы изготовления преформ и световодов из сплошных сред “обычными” методами газофазного осаждения предусматривают вращение заготовки вокруг оси. В последнем случае смещение световедущей сердцевины относительно центра заготовки представляет собой трудную технологическую задачу.
Для проведения исследований модового состава излучения в зависимости от структуры дырчатых волокон были получены экспериментальные образцы световодов по двухступенчатой технологии [11].
Оптические микроструктурированные волокна вытягивались из преформ, представляющих собой гексагональную систему из капилляров в опорной внешней трубе. Один из капилляров заменялся на микроштабик для образования световедущей сердцевины. Опорная труба, капилляры и микроштабик изготавливались из синтетического кварцевого стекла.
Были вытянуты серии световодов с диаметром сердцевины 12,5, 20 и 22 мкм. Для сравнения оптических свойств полученных волокон с аналогом были изготовлены световоды с центральной сердцевиной диаметром 20 и 22 мкм. Фотографии торцов исследованных световодов приведены на рис. 1. В каждой серии световодов изменялось относительное содержание воздуха (параметр k) в структурированной оболочке. Для этого варьировался один из двух существенных параметров технологического процесса – давление в воздушных каналах или температура вытягивания.
Модовый состав излучения исследовался на установке, схема которой приведена на рис. 2. Излучение полупроводниковых лазерных диодов с положением спектральных максимумов на длинах волн λ = 658, 808 и 980 нм вводилось системой двух линз в торец исследуемого волокна. Излучение, прошедшее через оптическое волокно, направлялось на CCD-камеру, расположенную на расстоянии от 5 до 10 мм от торца световода, т. е. регистрировалось поперечное распределение интенсивности излучения в дальней зоне. CCD-камера соединялась интерфейсом IEEE1394 с компьютером, а обработка полученных данных проводилась с помощью лицензионно-
56 “Оптический журнал”, 77, 6, 2010
12
34
Рис. 1. Фотографии торцов исследованных световодов. 1, 2 – со смещенной сердцевиной; 3, 4 – с центральной сердцевиной. Величина параметра содержания воздуха k в образцах составляет 0,35 (1), 0,60 (2), 0,67 (3), 0,82 (4).
Лазерный диод
Фокусирующая система
Исследуемый световод
CCDкамера
Компьютер
Рис. 2. Схема установки для исследования модового состава излучения.
го программного обеспечения OriginPro7.50 и MatCad14.
В качестве примера на рис. 3 приведены результаты исследования картины модовых пятен в световоде со смещенной на 1 шаг сердцевиной. Как видно из рисунка, переносимое световодом излучение для λ = 658 и 808 нм представлено основной модой, для λ = 980 нм – суперпозицией основной и первой высшей мод.
Необходимо особо оговорить метод получения того или иного модового состава излучения в исследованных образцах световодов. Как по-
= 658 нм
1,75 1,4
1,05
0,7 0,35
= 808 нм
3,5 2,8
2,1
1,4 0,7
= 980 нм
4,5 3,6
2,7
1,8 0,9
0
100 200
0
100 200
0
112 224
Рис. 3. Пример картины модовых пятен в световоде с сердцевиной, смещенной на 1 шаг структуры, для трех рабочих длин волн источника излучения. Размерность по осям координат представлена условными единицами.
“Оптический журнал”, 77, 6, 2010
57
казано в работах [3, 4], условия размещения образцов на измерительных катушках могут существенным образом влиять на затухание излучения высшей моды и в этой связи требуют тщательного контроля.
В проводимых нами экспериментах световоды располагались на стандартных катушках с мягким подслоем для транспортировки связных оптических волокон. Диаметр катушек составлял 16 см. Оценка модового состава выходящего из световодов излучения проводилась при варьировании условий ввода излучения в световод. Для этого входной торец засвечивался с изменением апертуры входящего в образец светового потока или угла между осью световода и осью вводимого в него излучения. В этих условиях наиболее легко возбуждалась основная мода с характерным гауссовым распределением интенсивности света. 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. Эти условия иногда удавалось подобрать таким образом, что на экране CCD-камеры присутствовала только характерная двудольная картина высшей моды.
Присутствие высшей моды на выходном торце исследуемого световода могло наблюдаться и в результате механического воздействия на световод – например, при надавливании на витки, расположенные ближе к выходному торцу. Однако такой световод нами не рассматривался в качестве многомодового, поскольку представлял собой оптический элемент с местным возмущением световодного тракта, вызывающим конверсию мод.
Результаты исследования модового состава излучения в смещенной сердцевине диаметром 12,5 и 20,0 мкм приведены в табл. 1 и 2 соответственно.
Как видно из сравнения данных табл. 1 и 2, увеличение диаметра сердцевины с 12,5 до 20 мкм при сохранении неизменным (или приблизительно неизменным) значения параметра k сопровождается дополнительным затуханием моды высшего порядка. Увеличение размеров сердцевины ведет к увеличению приведенной частоты V световода в соответствии с выражением [6, 10, 12] V = 2πλ–1Λ(nc2 – n2cl)1/2, где nc
и ncl – показатель преломления сердцевины и эффективный показатель преломления оболочки соответственно. Увеличение параметра V, казалось бы, должно было приводить к возрастанию числа мод или, по крайней мере, к большей устойчивости существующих мод к искажениям световода, в частности к его изгибу. В эксперименте, однако, наблюдается противоположная тенденция – затухание высшей моды становится сильнее. Повышенное затухание высшей моды можно объяснить вытеканием излучения в промежутки между отверстиями в светоотражающей оболочке [13], размеры которых возрастают при масштабировании световода.
В предыдущей работе [3] для световода с центральной сердцевиной показано, что этот же физический процесс является причиной появления примеси высшей моды при смещении по спектру в ИК область. При увеличении длины волны излучения и неизменных размерах промежутков между отверстиями вытекание высшей моды становится слабее и она в большей мере проявляется на выходе световода.
Для сравнения свойств световодов со смещенной сердцевиной с аналогом, в котором сердцевина находится в центре световода, были изготовлены соответствующие образцы, характеристики которых представлены в табл. 3.
Необходимо пояснить, что длина световодов с центральной сердцевиной при их изготовлении составила 20 м, что не отвечает корректному сравнению с данными по световодам со смещенной сердцевиной, длина которых составляла 10 м. Поэтому нами дополнительно были проведены исследования модового состава для 10-метровых образцов волокон с центральной сердцевиной, результаты которых полностью совпали с данными табл. 3.
Сравнение табл. 2 и 3 показывает, что модовый состав излучения, распространяющего-
Таблица 1. Модовый состав излучения в сердцевине диаметром 12,5 мкм, смещенной на 1 шаг структуры. Длина образца 10 м
Номер образца
Параметр содержания воздуха, k
Модовый состав для длины волны, нм
658 808 980
1смещ. 2смещ. 3смещ. 4смещ.
0,35 0,47 0,52 0,57
111 222 222 2 2 >2
58 “Оптический журнал”, 77, 6, 2010
Таблица 2. Модовый состав излучения в сердцевине диаметром 20 мкм, смещенной на 1 шаг структуры. Длина образца 10 м
Номер образца
Параметр содержания воздуха, k
Модовый состав для длины волны, нм
658 808 980
5смещ. 6смещ. 7смещ.
0,51 0,60 0,81
111 111 222
ся по световодам с центральной и смещенной сердцевиной, примерно одинаков в световодах с совпадающими или близкими значениями размеров сердцевины и параметра k. Заметным различием является вытекание основной моды на λ = 658 нм в волокнах с центральной сердцевиной, что не позволило оценить размер пятна моды. В проведенных нами экспериментах регистрируемое на пороге чувствительности излучение с λ = 658 нм на выходе образцов 1–5 (табл. 3) имело аномально малую расходимость, порядка нескольких единиц 10–3 рад. Это свидетельствовало об аномальном расширении пятна моды,
следствием которого было ее вытекание в упомянутой области спектра.
Нами также была проведена численная оценка размеров пятна основной моды в тех случаях, когда наблюдался одномодовый режим распространения излучения.
Известно, что гауссов пучок в свободном пространстве имеет угловую расходимость tgα = = λ/πw, где α – половинный угол, w – значение радиуса пятна на выходе световода. Привлекая определяемое из эксперимента значение модового пятна W в дальней зоне (на экране CCDкамеры), получим tgα = W/L, где L – расстояние от торца волокна до экрана. Окончательно выражение для w приобретает вид w = λL/πW. Определение размеров модового пятна W в дальней зоне проводилось на уровне 1/е2 от максимального значения интенсивности света. Результаты определения размеров пятна основной моды приведены в табл. 4. В названии образцов нашло отражение геометрическое положение сердцевины световода.
Как видно из табл. 4, размер модового пятна в изученных образцах слабо зависит от длины волны света, что является отличительной особенностью микроструктурированных световодов [7].
Таблица 3. Модовый состав излучения в световодах с центральный сердцевиной. Длина образца 20 м
Номер образца
Диаметр
Параметр
сердцевины, мкм содержания воздуха, k
Модовый состав для длины волны, нм 658 808 980
1центр. 2центр. 3центр. 4центр. 5центр. 6центр. 7центр.
20 20 20 22 22 22 20
0,55 0,65 0,67 0,65 0,67 0,72 0,82
вытекание вытекание вытекание вытекание вытекание
1 2
вытекание 1 1 1 1 1 2
1 1 1 1 1 1 2
Таблица 4. Зависимость размера пятна основной моды от геометрических параметров световодов
Номер образца
Диаметр сердцевины, мкм
Параметр содержания воздуха, k
Длина образца, м
Диаметр модового пятна для длины волны, нм
658 808 980
1смещ. 5смещ. 6смещ. 4центр. 5центр. 6центр.
12,5 20 20 22 22 22
0,35 0,51 0,60 0,65 0,67 0,72
10
10,4
11,8
11,8
10
13,4
14,1
14,2
10
12,3
13,0
13,4
20
вытекание
15,3
15,8
20
вытекание
13,9
14,9
20
12,6
13,7
14,0
“Оптический журнал”, 77, 6, 2010
59
Представленные в табл. 4 результаты показывают, что при неизменном размере сердцевины и увеличении параметра k происходит некоторое уменьшение модового пятна. Особенно отчетливо это наблюдается для центральной сердцевины диаметром 22 мкм. Уменьшение модового пятна находит естественное объяснение, если принять во внимание свойства аналога – световода со сплошной оболочкой. Увеличение значения k в структурированной оболочке эквивалентно увеличению разности показателей преломления сердцевины и оболочки. В оптике световодов, изготовленных из сплошных сред, обсуждаемое явление сужения модового пятна при увеличении разности показателей преломления или уменьшения длины волны света подробно изучено [14].
Необходимо отметить и устойчивость моды к изгибу световода со смещенной сердцевиной, проявляющуюся в существовании заметного сигнала в области λ = 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 статьи необходимо констатировать, что для исследованного спектрального диапазона (λ = 650–1000 нм) в имеющихся образцах световодов получить модовое пятно диаметром более 16 мкм нам не удалось. Даже при увеличении диаметра сердцевины с 12,5 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 [5]. Таковы общие закономерности поведения основной моды в микроструктурированных световодах как с центральной, так и со смещенной сердцевинами. Преимуществом световодов со смещенной сердцевиной является расширение границы вытекания основной моды на изгибе световода приблизительно на 100–200 нм в коротковолновую область спектра.
ЛИТЕРАТУРА
1. Limpert J., Deguil-Robin N., Manek-Honninger I., Salin F., Roser F., Liem A., Schreiber T., Nolte S., Zellmer H., Tunnermann A., Broeng J., Petersson A., Jakobsen C. High-power rod-type photonic crystal fiber laser // Opt. Express. 2005. V. 13. № 4. P. 1055–1058.
2. Limpert J., Schmidt O., Rothhardt J., Roser F., Schreiber T., Tunnermann A., Ermeneux S., Yvernault P., Salin F. Extended single-mode photonic crystal fiber lasers // Opt. Express. 2006. V. 14. № 7. P. 2715–2720.
3. Агрузов П.М., Дукельский К.В., Козлов А.С., Комаров А.В., Петров М.П., Тер-Нерсесянц Е.В., Хохлов А.В., Шевандин В.С. Модовый состав дырчатых волокон с большой семиэлементной сердцевиной // Оптический журнал. 2008. Т. 75. № 11. С. 73–76.
4. Дукельский К.В., Комаров А.В., Тер-Нерсесянц Е.В., Хохлов А.В., Шевандин В.С Микроструктурированные световоды с большой сердцевиной // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 12. С. 62–65.
5. Nielsen M.D., Mortensen N.A., Albertsen M., Folkenberg J.R., Bjarklev A., Bonacinni D. Predicting macrobending loss for large-mode area photonic crystal fibers // Opt. Express. 2004. V. 12. № 8. P. 1775–1779.
6. Birks T.A., Knight J.C., Russel P.St.J. Endlessly single-mode photonic crystal fibers // Opt. Lett. 1997. V. 22. № 13. P. 484–485.
7. Nielsen M.D., Folkenberg J.R., Mortensen N.A., Bjarklev A. Bandwidth comparison of photonic crystal fibers and conventional single-mode fibers // Opt. Express. 2004. V. 12. № 3. Р. 430–435.
8. Nielsen M.D., Jacobsen C., Mortensen N.A., Folkenberg J.R., Simonsen H.R. Low-loss photonic crystal fibers for transmission systems and their dispersion properties // Opt. Express. 2004. V. 12. № 7. P. 1372–1376.
9. Kacik D., Turek I., Martincek I., Canning J., Issa N.A., Lyytikainen K. Intermodal interference in a photonic crystal fibre // Opt. Express. 2004. V. 12. № 15. P. 3465–3470.
10. Vigne Y., Rosenbluh M. Spatial modes in a PCF fiber generated continuum // Opt. Express. 2005. V. 13. № 24. P. 9721–9725.
11. Дукельский К.В., Кондратьев Ю.Н, Хохлов А.В., Шевандин В.С., Желтиков А.М., Коноров С.О., Серебрянников Е.Е., Сидоров-Бирюков Д.А., Федотов А.Б., Семенов С.Л. Микроструктурированные световоды с кварцевой сердцевиной для получения спектрального суперконтинуума в фемтосекундном диапазоне // Оптический журнал. 2005. Т. 72. № 7. С. 57–60.
12. Mortensen N.A., Folkenberg J.R., Nielsen M.D., Hansen K.P. Modal cut-off and the V-parameter in photonic crystal fibers // Opt. Lett. 2003. V. 28. № 20. P. 1879–1881.
13. Russel P.St.J. Photonic-crystal fibers // J. Lightwave Techn. 2006. V. 24. № 12. P. 4729–4749.
14. Jeunhommer L.B. Single-mode fiber optics. Principles and applications. N. Y. and Basel: M. Dekker, Inc., 1983. 275 р.
60 “Оптический журнал”, 77, 6, 2010