CC BY
16вкво-2019 -- вкво-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты
ИЗГИБНЫЕ ПОТЕРИ В ПОЛЫХ АНТИРЕЗОНАНСНЫХ СВЕТОВОДАХ С БОЛЬШОЙ ЭФФЕКТИВНОЙ ПЛОЩАДЬЮ
МОДОВОГО ПОЛЯ
Леонов С.О.1, Елистратова Е.А.1, Демидов В-В.1'2 , Ананьев В.А.1'2'3, Алагашев Г.К.4,
Прямиков А.Д. , Карасик В.Е.1
1 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, г. Москва 2Научно-производственное объединение Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова,
г. Санкт-Петербург 3 Университет ИТМО, г. Санкт-Петербург 4 Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, г. Москва 5Научный центр волоконной оптики РАН, г. Москва * E-mail: [email protected]
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16083
На протяжении последнего десятилетия микроструктурированные световоды из кварцевого стекла с полой сердцевиной и антирезонансным механизмом локализации электромагнитных волн привлекают внимание разработчиков возможностью функционирования одновременно в видимой, ближней и средней ИК областях спектра [1]. Сравнительная технологическая простота изготовления таких световодов (относительно оптических элементов с полой сердцевиной, основанных на эффекте фотонной запрещенной зоны) позволяет осуществлять режим распространения фундаментальной моды в сердцевинах большого размера с эффективной площадью модового поля на уровне нескольких сотен мкм2 [2].
Одним из наиболее важных аспектов, препятствующих практическому применению полых антирезонансных световодов, является осциллирующий характер зависимости изгибных потерь от радиуса намотки [3]. Устранения нежелательных пиков затухания оптического сигнала добиваются, как правило, за счет сокращения диаметра капилляров в оболочке [4], что, в свою очередь, может приводить к нарушению одномодового режима передачи излучения.
Целью настоящей работы был сравнительный анализ изгибных потерь полых антирезонансных световодов с большой сердцевиной двух типов - на основе структуры из восьми соприкасающихся капилляров, формирующих отрицательную кривизну границы раздела сердцевина-оболочка (световод I типа), и на основе структуры из шести несоприкасающихся капилляров (световод II типа). На Рис. 1 приведены изображения поперечного сечения исследованных оптических элементов.
Рис. 1. Изображение поперечного сечения полого антирезонансного световода Iтипа (а) и IIтипа (б)
Световоды были получены классическим способом укладки капилляров внутри опорной трубы из кварцевого стекла и последующего перетягивания сборной конструкции при температуре около 1850 °С. Значение диаметра сердцевины для оптических элементов обоих рассматриваемых типов составило приблизительно 50 мкм (эффективная площадь поля фундаментальной моды более 1000 мкм2), а толщины стенок капилляров - 2,7 мкм, что свидетельствовало о фактически одинаковом спектральном положении областей с максимальным пропусканием. Основное отличие световодов заключалось в диаметре капилляров, измеренном в радиальном направлении. В световоде I типа значение этого параметра составило 41 мкм (отношение диаметра капилляров (с) к диаметру сердцевины (В) С/Б = 0,82), а в световоде II типа - 16 мкм (С/В = 0,32).
Для численной оценки изгибных потерь использовались возможности многофункциональной программной среды СОМБОЬ МиШрЬузшэ, в которой были воспроизведены реальные поперечные сечения световодов. Расчет производился для двух поляризационных компонент фундаментальной моды ЬР01х и ЬР01у, а также для двух ориентаций плоскости изгиба - в первом случае плоскость изгиба
166
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
вкво-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты
располагалась в промежутке между соседними капиллярами (стрелка 1 на Рис. 1), а во втором случае плоскость изгиба располагалась по центру одного из капилляров (стрелка 2 на Рис. 1). Оценка потерь осуществлялась на длине волны X = 2,25 мкм. Результаты численного анализа представлены на Рис. 2.
— LP„,, ПЛОСКОСТЬ 1
— LP,,, плоскость 1
'LP«, плоскость 2
■■ LP,,. плоскость 2
из
R
&
"j
в о н 1) 3
-- Р^ плоскость 1
--^1Р(,1т плоскость 1
----ЬРа,, плоскость 2
LP . плоскость 2
б)
10 16 го ^ 25 5 10 15 го
Радиус изгиба, см а' Радиус изгиба, см
Рис. 2. Расчетные зависимости изгибных потерь от радиуса и ориентации плоскости изгиба на длине волны А = 2,25мкм для полого антирезонансного световода Iтипа (а) и IIтипа (б) Для световода I типа характерно наличие выраженных пиков затухания сигнала вне зависимости от ориентации плоскости изгиба, при этом для случая плоскости 2 количество пиков увеличивается, что обусловлено усилением резонансных явлений в оболочке. За счет того, что диаметр капилляров сопоставим с диаметром сердцевины (ё = 0,82-.С), значения эффективного показателя преломления мод оболочки, обладающих повышенным затуханием, располагаются вблизи аналогичного параметра фундаментальной моды. Поэтому при изгибе по определенному радиусу (13 см в случае плоскости 1, ~10 и ~14 см в случае плоскости 2) происходит фазовое согласование мод и наблюдаются локальные скачки затухания. Зависимость потерь от радиуса и ориентации плоскости изгиба для световода II типа, напротив, носит монотонный характер с ростом потерь по мере расположения световода в более жестких условиях. Отсутствие осцилляций в изученном диапазоне значений радиуса изгиба связано, по-видимому, с малым относительным диаметром капилляров ё = 0,32-Д способствующим увеличению разности эффективных показателей преломления фундаментальной и оболочечных мод. Экспериментальное исследование зависимости изгибных потерь рассматриваемых оптических элементов от условий намотки осуществлялось путем расположения световода I типа длиной 40 см и световода II типа длиной 30 см на четверти окружности с дискретными значениями радиуса изгиба. Результаты измерений приведены на Рис. 3.
ю
Ч 15
v-r
£
а
■ JhilltpHMCT |
Радиус изгиба, см
1 1 а)
Радиус изгиба, см
б)
Рис. 3. Экспериментальные зависимости изгибных потерь от радиуса изгиба в плоскости 2 на длине волны А = 2,25мкм для полого антирезонансного световода Iтипа (а) и IIтипа (б) Для световода II типа характер изменения изгибных потерь, полученных в эксперименте, хорошо согласуется с расчетными данными, включая величину потерь (на уровне 1 дБ/м), в то время как для световода I типа наблюдается несоответствие в положении резонансных пиков затухания сигнала (смещение приблизительно на 2 см влево). По нашему мнению, это обусловлено некоторым отличием ориентации плоскости изгиба при проведении численного анализа и реальных измерений. Устранение обнаруженных резонансных пиков является задачей будущих исследований. Исследование выполнено при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 19-19-00596).
Литература
1. Poletti F, Optics Express 22, 23807-23828 (2014)
Hasan Md.I, et al, Journal ofLightwave Technology 36, 4060-4065 (2018)
2. 3.
Frosz M.H., et al, Photonics Research 5, 88-91 (2017) Carter R.M., et al, Optics Express 25, 20612-20621 (2017)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»
