Аналіз умов досягнення одномодового режиму в порожніх антирезонансних световдах з великою ефективною модовой площею текст наукової роботи з нанотехнологій з наукового журналу Фотон-експрес.

Текст наукової роботи на тему «Аналіз умов досягнення одномодового режиму в порожніх антирезонансних световдах з великою ефективною модовой площею»

?ВКВ0-2019 Стендові

АНАЛІЗ УМОВ ДОСЯГНЕННЯ Одномодовий РЕЖИМУ В порожніх антирезонансним СВЕТОВДАХ З ВЕЛИКОЇ ЕФЕКТИВНОЇ модовая ПЛОЩЕЮ

Демидов В.В.1'2 *, Ананьєв В.А.1'2'3, Хохлов А.В.1, Комаров А.В.1, Тер-Нерсесянц Е.В.1,

Леонов С.О.2, Карасик В.Е.2

1 Науково-виробниче об'єднання Державний оптичний інститут ім. С.І. Вавилова,

м. Санкт-Петербург

2 Московський державний технічний університет ім. Н.е. Баумана, м.Москва 3 Університет ИТМО, м.Санкт-Петербург

* Е-Шап: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

DOI 10.24411 / 2308-6920-2019-16219

Протягом останнього десятиліття значна увага розробників в області волоконної оптики зосереджено на створенні мікроструктурованих світловодів з порожнистої серцевиною, принцип локалізації випромінювання в яких заснований на явищі антирезонансного відбиття світла [1-3]. Це обумовлено рядом переваг таких світловодів щодо аналогів, серцевина яких виконана зі скла, в тому числі можливістю передачі надпотужних ультракоротких лазерних імпульсів, управління дисперсією і нелінійністю, функціонування в середній інфрачервоній області спектра.

Способи досягнення в розглянутих оптичних елементах одномодового режиму роботи базуються зазвичай на ретельному підборі геометричних параметрів серцевини і капілярів оболонки, що сприяють придушенню поширення випромінювання модами вищого порядку за рахунок їх фазового узгодження з інтенсивно затухаючими оболонковими модами [4, 5]. Це дослідження було спрямоване на вивчення цього процесу в порожніх антирезонансних световодах з великою ефективною модовой площею, що функціонують в ближній і середній інфрачервоних областях спектру.

В якості базового об'єкта для дослідження використовувався квазіодномодовий світловод з кварцового скла з серцевиною діаметром 46 мкм (ефективна площа поля фундаментальної моди більше 1000 мкм2) і оболонкою на основі шести несопрікасающіхся капілярів [6]. Товщина стінок капілярів становила 2,8 мкм, що забезпечувало існування, щонайменше, чотирьох спектральних областей з максимальним пропусканням оптичного сигналу - поблизу довжин хвиль 1,3, 1,6, 2,15 і 3,25 мкм.

Оцінка ефективності фазового узгодження найбільш конкурентною першої вищої моди серцевини і фундаментальної моди оболонки здійснювалася в програмному середовищі COMSOL Multiphysics із застосуванням методу скінченних елементів. Для вирішення цього завдання були побудовані і чисельно проаналізовано більше двадцяти крос-секцій полого антирезонансного світловода з варіацією зовнішнього діаметра капілярів оболонки (Ошо без зміни товщини їх стінок, а також внутрішнього діаметра опорної оболонки. На Рис. 1 наведені зображення трьох характерних крос-секцій і відповідних їм поперечних розподілів електричного поля фундаментальної моди на довжині хвилі X = 1,3 мкм.

= 29 мкм а)

ШЮ

а? від = 26 мкм б)

€ Щ

про

сто

а? від = 20 мкм в)

Мал. 1. Еволюція поперечного розподілу електричного поля фундаментальної моди полого антирезонансного світловода на довжині хвилі А = 1,3 мкм в міру збільшення діаметра серцевини

(Б): Б = 29 мкм (а), Б = 35 мкм (б), Б = 47мкм (в)

Мал. 1а ілюструє випадок Ош / О = 1,0 (Б - діаметр серцевини), а Рис. 1в - Ош / О = 0,426, що відтворює крос-секцію реально отриманого світловода [6]. Очевидним є більш інтенсивний характер витіснення електричного поля за межі серцевини в міру зменшення Ош ^ Б, що

№6 2019 СПЕЦВИПУСК «ФОТОН-ЕКСПРЕС-НАУКА 2019»

Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. 417

ВКВО-2019- Стендові

знаходить відображення в монотонному збільшенні ефективної площі поля фундаментальної моди. Як показують нижче дані Таблиці 1, ця обставина справедливо і при зміщенні в область більших значень довжини хвилі випромінювання. З іншого боку, оптичний елемент з геометричною конфігурацією, що забезпечує найбільше значення ефективної модовой площі, може не відповідати умові поширення єдиною фундаментальною моди.

Таблиця 1. Геометричні параметри і обчислені значення ефективної площі поля фундаментальної моди в порожніх антирезонансних световодах

№ п / п dout, мкм D, мкм Ефективна площа поля (I «2) ундаментальноі моди, мкм2

X = 1,3 мкм X = 1,6 мкм X = 2,15 мкм X = 3,25 мкм

1 29 29 432,6 434,9 437,6 436,0

2 26 35 634,1 635,2 637,0 639,9

3 20 47 1134,0 1144,6 1150,5 1159,9

Ефективність фазового узгодження (рівності хвилеводних показників заломлення) спрямовується першої вищої моди серцевини і ненаправляемой фундаментальної моди оболонки, що виявляє вплив на здатність світловода до досягнення одномодового режиму передачі випромінювання, проілюстрована на Рис. 2.

а) б)

Мал. 2. Характер зміни волноводного показника заломлення в парі «фундаментальна мода оболонки - перша вища мода серцевини» (пе //) в залежності від частки потужності фундаментальної моди оболонки (реям / Р) на довжині хвилі А = 1,3 мкм (а) і А = 3,25 мкм (б) (Р - сумарна потужність)

Як видно з кривих на Рис. 2, фазовий узгодження модових компонент відбувається в тому випадку, якщо частка потужності фундаментальної моди оболонки становить не менше 0,5 від сумарної в парі мод (ГОІ = 27,4 мкм і Л ^ м / ^ = 0,516 для X = 1,3 мкм , dout = 27,6 мкм і PFsм / P = 0,635 для X = 3,25 мкм). З позиції вибору геометричних параметрів світловода цей критерій відповідає нерівності 0,82 < Оо ^ / ^ < 0,88. Додамо, що умовою фазового узгодження мод в парі «фундаментальна мода оболонки - перша вища мода серцевини» відповідає найбільше з обчислених значень оптичних втрат, а саме, 25 дБ / м на X = 1,3 мкм і 35 дБ / м на X = 3 , 25 мкм. Це еквівалентно загасання потужності першої вищої моди більш ніж в 300 разів на ділянці світловода довжиною 1 м, що фактично сприяє підтримці режиму передачі тільки фундаментальної моди серцевини в відрізках довжиною навіть в кілька десятків сантиметрів.

Дослідження виконано за підтримки гранту Російського наукового фонду (проект № 19-1900596).

література

1. Pryamikov A.D., et al, Optics Express 19, 1441-1448 (2011)

2. Kolyadin A.N., et al, Optics Express 21, 9514-9519 (2013)

3. Poletti F, Optics Express 22, 23807-23828 (2014 року)

4. Hartung A., et al, Optics Letters 40, 3432-3435 (2015)

5. Uebel P., et al, Optics Letters 41, 1961-1964 (2016)

6. Ананьєв В.А. і ін., Праці навчальних закладів зв'язку 5, 6-14 (2019)

418

№6 2019 СПЕЦВИПУСК «ФОТОН-ЕКСПРЕС-НАУКА 2019» Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.