Волокно с двойной оболочкой

Профиль показателя преломления волокна с двойной оболочкой, компенсирующего дисперсию. c: ядро, i: внутренняя оболочка, o: внешняя оболочка.

Профиль показателя преломления волокна с двойной оболочкой для мощных волоконных лазеров и усилителей. c: ядро, i: внутренняя оболочка, o: внешняя оболочка.

Волокно с двойной оболочкой ( DCF ) — это класс оптического волокна , структура которого состоит из трех слоев 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 на заре истории оптического волокна с целью улучшения дисперсии оптических волокон. В этих волокнах сердцевина передает 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 в мощных волоконных усилителях и волоконных лазерах . В этих волокнах сердцевина легирована активным легирующим материалом; он одновременно направляет и усиливает сигнальный свет. 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 облицовка изготавливается из полимерного материала, а не из стекла .

Волокно, компенсирующее дисперсию

В волокне с двойной оболочкой для компенсации дисперсии внутренний слой оболочки имеет более низкий показатель преломления, чем внешний слой. Этот тип волокна также называют волокном с углубленной внутренней оболочкой и волокном с W-профилем (из-за того, что симметричный участок его профиля показателя преломления внешне напоминает букву W).

Преимущество этого типа волокна с двойной оболочкой заключается в очень низких потерях на микроизгибах . Оно также имеет две точки нулевой дисперсии и низкую дисперсию в гораздо более широком диапазоне длин волн , чем стандартное одинарное волокно. Поскольку дисперсию таких волокон с двойной оболочкой можно в значительной степени спроектировать, эти волокна можно использовать для компенсации хроматической дисперсии в оптической связи и других приложениях.

Волокно для усилителей и волоконных лазеров

Принципиальная схема волоконного лазера с двойной оболочкой и накачкой в ​​оболочке

Поперечное сечение круглого DCF со смещенным сердечником

Поперечное сечение DCF с прямоугольной внутренней облицовкой

В современных волокнах с двойной оболочкой для мощных волоконных усилителей и лазеров внутренняя оболочка имеет более высокий показатель преломления, чем внешняя. Это позволяет внутренней оболочке направлять свет за счет полного внутреннего отражения так же, как это делает сердцевина, но для другого диапазона длин волн. Это позволяет диодные лазеры , которые имеют высокую мощность, но низкую яркость использовать , в качестве источника оптической накачки. Свет накачки можно легко подключить к большой внутренней оболочке, и он распространяется через внутреннюю оболочку, в то время как сигнал распространяется в меньшем сердечнике. Легированная сердцевина постепенно поглощает свет оболочки по мере его распространения, запуская процесс усиления. Эту схему накачки часто называют облицовочной накачкой , которая является альтернативой обычной стержневой накачке , в которой свет накачки соединен с малым сердечником. Изобретение оболочки накачки группой исследователей волокон Polaroid (Х. По и др. ) произвело революцию в конструкции волоконных усилителей и лазеров. Используя этот метод, современные волоконные лазеры могут производить непрерывную мощность до нескольких киловатт, в то время как сигнальный свет в сердцевине сохраняет качество луча, практически ограниченное дифракцией .

Форма оболочки очень важна, особенно когда диаметр жилы мал по сравнению с размером внутренней оболочки. Круговая симметрия в волокне с двойной оболочкой кажется худшим решением для волоконного лазера; в этом случае многие моды света в оболочке не попадают в ядро ​​и, следовательно, не могут быть использованы для его накачки. Говоря языком геометрической оптики , большинство лучей света накачки не проходят через ядро ​​и, следовательно, не могут его накачать. Трассировка лучей , моделирование параксиального распространения и анализ режимов дают аналогичные результаты.

Хаотичные волокна

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

Спиральная форма

Спиральная оболочка (синяя), ее кусок (красный) и 3 сегмента луча (зеленый).

Моды спиралевидного волокна с двойной оболочкой.

Почти круглая форма с небольшой спиральной деформацией представляется наиболее эффективной для хаотических волокон . В таком волокне угловой момент луча увеличивается при каждом отражении от гладкой стенки, пока луч не попадает в «кусок», при котором спиральная кривая разрывается (см. рисунок справа). Ядро, расположенное вблизи этого куска, перехватывается всеми лучами более регулярно, чем другие хаотические волокна. Такое поведение лучей имеет аналогию в волновой оптике. На языке мод все моды имеют ненулевую производную вблизи чанка и не могут избежать ядра, если оно там размещено. Один из примеров режимов показан на рисунке ниже и справа. Хотя в некоторых режимах наблюдаются рубцы и широкие пустоты, ни одна из этих пустот не закрывает сердцевину.

Свойство ДКП 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. Эта передача углового момента должна компенсироваться давлением на кусок. Следовательно, ни один режим не может избежать фрагмента. Моды могут иметь сильное рубцевание по классическим траекториям (лучам) 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 смысла делать чанк больше ядра; большой кусок не сможет локализовать шрамы в достаточной степени, чтобы обеспечить соединение с ядром. Нет оснований локализовать рубцы в пределах угла, меньшего, чем сердцевина: малая производная от радиуса делает изготовление менее надежным; чем больше $R'(\phi )$ то есть, тем большие колебания формы допускаются без нарушения условия $R'(\phi )>0$. Следовательно, размер чанка должен быть того же порядка, 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 ядра, она запрещает моды, избегающие ядра. Таким образом, режим, избегающий ядра, должен быть аналогичен режиму домена без ядра.

Стохастическая оптимизация формы оболочки подтверждает, что почти круглая спираль обеспечивает наилучшую связь насоса с активной зоной.

Конический

Коническое волокно с двойной оболочкой (T-DCF) — это волокно, внешняя и внутренняя оболочки которого и диаметр сердцевины плавно изменяются в зависимости от длины. Ядро на узкой стороне T-DCF поддерживает распространение только основной моды , тогда как на широкой стороне ядро ​​способно направлять множество мод. Однако экспериментально было показано, что свет, попавший в узкий конец T-DCF, распространяется в широкую сердцевину без каких-либо изменений содержания мод. В результате на широком (по существу многомодовом) конце T-DCF свет распространяется только в моде низшего порядка с превосходным качеством луча. Таким образом, коническое волокно представляет собой уникальный и простой способ реализации распространения (и усиления) основной моды в многомодовом волокне.

Коэффициент наполнения

Оценки эффективности накачки в волоконном волокне с двойной оболочкой $F=0.8$ (синий) и $F=0.9$ (красный), обсуждалось в по сравнению с результатами моделирования трассировки лучей (черные кривые).

Эффективность поглощения энергии накачки в волокне является важным параметром волоконного лазера с двойной оболочкой. Во многих случаях эту эффективность можно аппроксимировать формулой

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

где

$S$ площадь поперечного сечения обшивки

$r$ - радиус ядра (которое считается круглым)

$\alpha$ – коэффициент поглощения света накачки в ядре

$L$ - длина волокна с двойной оболочкой, а

$F$ — безразмерный регулировочный параметр, который иногда называют «коэффициентом заполнения»; $0<F<1$.

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

Экспоненциальный ход эффективности поглощения накачки в активной зоне не очевиден. Можно было бы ожидать, что некоторые моды оболочки (или некоторые лучи) лучше связаны с сердцевиной, чем другие; следовательно, «истинная» зависимость может представлять собой комбинацию нескольких экспонент. Только сравнение с моделированием оправдывает это приближение, как показано на рисунке выше и справа. В частности, это приближение не работает для круглых волокон, см. первоначальную работу Бедо и др., цитируемую ниже. Для хаотических волокон $F$ приближается к единице. Стоимость $F$ могут быть оценены путем численного анализа с учетом распространения волн, разложения по модам или с помощью трассировки лучей геометрической оптики , а значения 0,8 и 0,9 являются лишь эмпирическими корректирующими параметрами, которые обеспечивают хорошее согласие простой оценки с численным моделированием для двух конкретных классов двойных плакированные волокна: круговые офсетные и прямоугольные. Очевидно, что приведенная выше простая оценка не дает результатов, когда параметр смещения становится мал по сравнению с размером оболочки.

Фактор наполнения $F$ особенно быстро приближается к единице в спиралевидной оболочке из-за особого граничного поведения мод лапласиана Дирихле . Разработчики волокон с двойной оболочкой ищут разумный компромисс между оптимизированной формой (для эффективного соединения насоса с сердцевиной) и простотой изготовления заготовки, используемой для вытягивания волокон.

Масштабирование мощности волоконного лазера ограничено нежелательными нелинейными эффектами, такими как вынужденное рассеяние Бриллюэна и вынужденное комбинационное рассеяние . Эти эффекты сводятся к минимуму, когда волоконный лазер короткий. Однако для эффективной работы насос должен быть встроен в активную зону на небольшой длине; приведенная выше оценка применима в этом оптимистическом случае. В частности, чем выше шаг показателя преломления от внутренней к внешней оболочке, тем лучше ограничивается накачка. В предельном случае 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 $F$, определенный выше, приближается к единице; следующее усиление возможно при различных видах сужения облицовки; предложены нетрадиционные формы такой облицовки.

Планарные волноводы с активной усиливающей средой занимают промежуточное положение между традиционными твердотельными лазерами и волоконными лазерами с двойной оболочкой. Планарный волновод может содержать многомодовую накачку и высококачественный сигнальный луч, обеспечивая эффективное соединение накачки и выходной сигнал, ограниченный дифракцией.