Волокно с двойной оболочкой - Double-clad fiber - Wikipedia

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) является классом оптоволокно со структурой, состоящей из трех слоев оптического материала вместо обычных двух. Самый внутренний слой называется основной. Он окружен внутренний облицовка, который окружен внешняя облицовка. Три слоя изготовлены из материалов с разными показатели преломления.

Есть два разных типа волокон с двойной оболочкой. Первый был разработан в начале истории оптического волокна с целью разработки разброс 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 высокой мощностью. волоконно-оптические усилители и волоконные лазеры. В этих световодах сердцевина легирована активный легирующий материал; он направляет и усиливает световой сигнал. Внутренняя оболочка и сердечник 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 выполняется из полимер материал, а не стекло.

Волокно с компенсацией дисперсии

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

Этот тип волокна с двойной оболочкой имеет преимущество очень низкой микроизгиб убытки. Он также имеет две точки нулевой дисперсии и низкую дисперсию в гораздо более широком диапазоне. длина волны диапазон, чем у стандартного однослойного волокна. Поскольку дисперсия таких волокон с двойной оболочкой может быть значительно увеличена, эти волокна можно использовать для компенсации хроматическая дисперсия в оптическая связь и другие приложения.

Волокно для усилителей и волоконных лазеров

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 световодах с двойной оболочкой для мощных волоконных усилителей и лазеров внутренняя оболочка имеет более высокий показатель преломления, чем внешняя оболочка. Это позволяет внутренней облицовке направлять свет полное внутреннее отражение так же, как и ядро, но для другого диапазона длин волн. Это позволяет диодные лазеры, которые имеют высокую мощность, но низкую сияние, который будет использоваться в качестве источника оптической накачки. 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 прокачки часто называют накачка оболочки, который является альтернативой традиционному закачка керна, в котором излучение накачки входит в малую сердцевину. Изобретение накачки оболочки группой исследователей волокна Polaroid (Х. По, и другие.) произвел 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 световой сигнал в сердечнике поддерживает около качество пучка с ограничением дифракции.^[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 режимы света в оболочке не попадает в сердечник и, следовательно, нельзя использовать для его накачки.^[5] На языке геометрическая оптика, большинство из лучи света накачки не проходят через сердечник и, следовательно, не могут его накачать.трассировка лучей,^[6] моделирование параксиального распространения^[7] и режим анализа^[8] дают аналогичные результаты.

Хаотические волокна

В целом моды волновода имеют «шрамы», соответствующие классическим траекториям. Рубцы могут обходить сердцевину, тогда мода не связана, и бесполезно возбуждать такую ​​моду в волоконном усилителе с двойной оболочкой. Шрамы могут быть распределены более или менее равномерно, так называемые хаотические волокна^[9] имеют более сложную форму поперечного сечения и обеспечивают более равномерное распределение интенсивность во внутренней облицовке, что позволяет эффективно использовать свет насоса. Однако рубцевание происходит даже в хаотичных волокнах.

Форма спирали

Облицовка спиралевидной формы (синяя), ее кусок (красный) и 3 сегмента луча (зеленые).

Режимы спирального волокна с двойной оболочкой.^[8]

Практически круглая форма с небольшой спиральной деформацией кажется наиболее эффективной для хаотические волокна. 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 режимы, все моды имеют ненулевую производную вблизи блока и не могут избежать ядра, если оно размещено 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 спиральной границы, передают ей некоторый угловой момент. Передача углового момента должна компенсироваться давлением на кусок. Следовательно, ни один режим не может избежать фрагмента. Режимы могут показывать сильные рубцы вдоль классических траекторий (лучей) и широкие пустоты, но хотя бы 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 сердцевиной. Нет причин локализовать рубцы в пределах угла, меньшего, чем сердцевина: малая производная от радиуса делает изготовление менее надежным; больший ${\displaystyle R'(\phi )}$ , тем больше допустимые колебания формы без нарушения условия ${\displaystyle R'(\phi )>0}$. Следовательно, размер блока должен быть того же порядка, что и размер ядра.

Более строго, свойство спиральной области следует из теоремы о граничном поведении мод Дирихле лапласиан.^[10] Хотя эта теорема сформулирована для области без сердечника, она запрещает режимы без ядра. 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

Коническое волокно с двойной оболочкой (T-DCF) - это волокно, диаметр внешней и внутренней оболочки и сердцевины которого плавно изменяется с длиной. Сердечник на узкой стороне T-DCF поддерживает распространение основной режим только, в то время как на широкой стороне ядро ​​может управлять многими режимами. 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

Оценки эффективности накачки в световоде с двойной оболочкой с ${\displaystyle F=0.8}$ (синий) и ${\displaystyle F=0.9}$ (красный), обсуждается в^[2] по сравнению с результатами моделирования трассировки лучей^[6](черные кривые).

Эффективность поглощения энергии накачки в волокне является важным параметром волоконного лазера с двойной оболочкой. Во многих случаях эту эффективность можно приблизительно оценить как^[2]

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

куда

${\displaystyle S}$ это площадь поперечного сечения оболочки

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

${\displaystyle \alpha }$ это коэффициент поглощения света накачки в ядре

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

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

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

Экспоненциальное поведение эффективности поглощения накачки в активной зоне не очевидно. 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. ${\displaystyle F}$ приближается к единству. Значение ${\displaystyle F}$ можно оценить по числовой анализ с распространением волн, разложением по модам или геометрической оптикой трассировка лучей, а значения 0,8 и 0,9 являются лишь эмпирическими регулирующими параметрами, которые обеспечивают хорошее согласование простой оценки с численным моделированием для двух конкретных классов волокон с двойной оболочкой: кругового смещения и прямоугольного. Очевидно, что приведенная выше простая оценка не работает, когда параметр смещения становится малым по сравнению с размером оболочки.

Фактор заполнения ${\displaystyle F}$ особенно быстро приближается к единству в спиралевидной оболочке из-за особого граничного поведения мод Дирихле лапласиан.^[10] Разработчики волокна с двойной оболочкой ищут разумный компромисс между оптимизированной формой (для эффективного соединения насоса с сердечником) и простотой изготовления преформа используется для рисования волокон.

В масштабирование мощности волоконного лазера ограничивается нежелательными нелинейными эффектами, такими как вынужденное рассеяние Бриллюэна и вынужденное комбинационное 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 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 конструкции

Для хорошей формы облицовки коэффициент заполнения ${\displaystyle F}$, определенное выше, приближается к единству; при различных видах сужения облицовки возможно следующее усиление;^[14] предлагаются нестандартные формы такой облицовки.^[15]

Планарные волноводы с активной усиливающей средой занимают промежуточное положение между обычными твердотельные лазеры и волоконных лазеров с двойной оболочкой. Планарный волновод может ограничивать многомодовую накачку и высококачественный сигнальный луч, обеспечивая эффективное соединение накачки и ограниченный дифракцией выход.^[7][16]

Примечания и ссылки

1. С. Каваками, С. Нисида (1974). «Характеристики оптического волокна с двойной оболочкой и внутренней оболочкой с низким коэффициентом преломления». Журнал IEEE по квантовой электронике. 10 (12): 879–887. Bibcode:1974IJQE ... 10..879K. Дои:10.1109 / JQE.1974.1068118.
2. Д. Кузнецов, Дж. В. Молони (2003). «Высокоэффективный, с высоким коэффициентом усиления, малой длины и масштабируемой мощности некогерентный диодный волоконный усилитель / лазер с плоской накачкой». Журнал IEEE по квантовой электронике. 39 (11): 1452–1461. Bibcode:2003IJQE ... 39.1452K. CiteSeerX  10.1.1.196.6031. Дои:10.1109 / JQE.2003.818311.
3. Х. По; Э. Снитцер; Л. Тумминелли; Ф. Хакими; Н. М. Чу; Т. Хав (1989). «Двукрытый волоконный неодимовый лазер высокой яркости с накачкой от фазированной решетки GaAlAs». Материалы конференции по оптоволоконной связи. PD7.
4. Y. Jeong; Дж. Саху; Д. Пэйн; Дж. Нильссон (2004). «Легированный иттербием волоконный лазер с большой сердцевиной и выходной мощностью в непрерывном режиме 1,36 кВт» (PDF). Оптика Экспресс. 12 (25): 6088–6092. Bibcode:2004OExpr..12.6088J. Дои:10.1364 / OPEX.12.006088. PMID  19488250.
5. С. Бедо; В. Люти; Х. П. Вебер (1993). «Эффективный коэффициент поглощения в волокнах с двойной оболочкой». Оптика Коммуникации. 99 (5–6): 331–335. Bibcode:1993OptCo..99..331B. Дои:10.1016/0030-4018(93)90338-6.
6. А. Лю, К. Уэда (1996). «Поглощающие характеристики круглых, офсетных и прямоугольных волокон с двойной оболочкой». Оптика Коммуникации. 132 (5–6): 511–518. Bibcode:1996OptCo.132..511A. Дои:10.1016/0030-4018(96)00368-9.
7. Д. Кузнецов, Дж. В. Молони (2003). «Эффективность поглощения накачки в волоконных усилителях с двойной оболочкой. II: Нарушенная круговая симметрия». Журнал Оптического общества Америки B. 39 (6): 1259–1263. Bibcode:2002JOSAB..19.1259K. Дои:10.1364 / JOSAB.19.001259.
8. Д. Кузнецов, Дж. В. Молони (2003). «Эффективность поглощения накачки в волоконных усилителях с двойной оболочкой. III: Расчет мод». Журнал Оптического общества Америки B. 19 (6): 1304–1309. Bibcode:2002JOSAB..19.1304K. Дои:10.1364 / JOSAB.19.001304.
9. П. Лепру; С. Феврие; В. Дойя; П. Рой; Д. Пагну (2003). «Моделирование и оптимизация волоконных усилителей с двойной оболочкой с использованием хаотического распространения накачки». Оптоволоконная технология. 7 (4): 324–339. Bibcode:2001OptFT ... 7..324L. Дои:10.1006 / оф.2001.0361.
10. Д. Кузнецов, Дж. В. Молони (2004). «Граничное поведение мод лапласиана Дирихле». Журнал современной оптики. 51 (13): 1362–3044. Bibcode:2004JMOp ... 51.1955K. Дои:10.1080/09500340408232504. S2CID  209833904.
11. И. Дристас; T. Sun; К. Т. В. Граттан (2007). «Стохастическая оптимизация обычных и дырчатых волокон с двойной оболочкой». Журнал оптики А. 9 (4): 1362–3044. Bibcode:2007JOptA ... 9..405D. Дои:10.1088/1464-4258/9/4/016.
12. Керттула, Юхо; Филиппов, Валерий; Устимчик, Василий; Чаморовский, Юрий; Охотников Олег Г. (2012-11-05). «Развитие моды в длинных сужающихся волокнах с высоким коэффициентом сужения». Оптика Экспресс. 20 (23): 25461–25470. Дои:10.1364 / OE.20.025461. ISSN  1094-4087. PMID  23187363.
13. Н. А. Мортенсен (2007). "Волокна в воздушной оболочке: поглощение накачки за счет хаотической волновой динамики?". Оптика Экспресс. 15 (14): 8988–8996. arXiv:0707.1189. Bibcode:2007OExpr..15.8988M. Дои:10.1364 / OE.15.008988. PMID  19547238. S2CID  18952779.
14. В. Филиппов, Ю. Чаморовский, Я. Керттула1, К. Голант, М. Песса, О.Г. Охотников (2008). «Коническое волокно с двойной оболочкой для приложений большой мощности». Оптика Экспресс. 16 (3): 1929–1944. Bibcode:2008OExpr..16.1929F. Дои:10.1364 / OE.16.001929. PMID  18542272.
15. Д. Кузнецов, Дж. В. Молони (2004). «Подача некогерентного излучения накачки на оптоволоконные усилители с двойной оболочкой: аналитический подход». Журнал IEEE по квантовой электронике. 40 (4): 378–383. Bibcode:2004IJQE ... 40..378K. Дои:10.1109 / JQE.2004.824695. S2CID  44609632.
16. К. Л. Боннер; Т. Бхутта; Д. П. Шеперд; А. С. Троппер (2000). «Двойные оболочки и бесконтактная связь для планарных волноводных лазеров с диодной накачкой» (PDF). Журнал IEEE по квантовой электронике. 36 (2): 236–242. Bibcode:2000IJQE ... 36..236B. Дои:10.1109/3.823470. S2CID  2849742.