Волокно с двойной оболочкой - Double-clad fiber

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 мощных волоконных лазеров и усилителей. c: сердцевина, i: внутренняя оболочка, o: внешняя оболочка.

Волокно с двойной оболочкой ( DCF ) - это класс оптических волокон со структурой, состоящей из трех слоев оптического материала вместо обычных двух. Самый внутренний слой называется сердцевиной . Он окружен внутренней облицовкой , которая окружена внешней облицовкой . Три слоя изготовлены из материалов с разными показателями преломления .

Есть два разных типа волокон с двойной оболочкой. Первый был разработан в начале истории оптического волокна с целью создания дисперсии 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 волоконными усилителями большой мощности и волоконными лазерами . В этих волокнах сердцевина легирована активным легирующим материалом; он одновременно направляет и усиливает световой сигнал. 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 выполнена не из стекла, а из полимерного материала .

Волокно с компенсацией дисперсии

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

Преимущество этого типа волокна с двойной оболочкой состоит в очень низких потерях на микроизгибе . Он также имеет две точки с нулевой дисперсией и низкую дисперсию в гораздо более широком диапазоне длин волн, чем стандартное однослойное волокно. Поскольку дисперсия таких волокон с двойной оболочкой может быть значительно увеличена, эти волокна можно использовать для компенсации хроматической дисперсии в оптических коммуникациях и других приложениях.

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

В современных волоконных световодах с двойной оболочкой для мощных волоконных усилителей и лазеров внутренняя оболочка имеет более высокий показатель преломления, чем внешняя оболочка. Это позволяет внутренней оболочке направлять свет за счет полного внутреннего отражения так же, как и сердцевина, но для другого диапазона длин волн. Это позволяет использовать в качестве источника оптической накачки диодные лазеры , которые имеют высокую мощность, но низкую яркость излучения . 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. Эту схему накачки часто называют накачкой оболочки , которая является альтернативой традиционной накачке активной зоны , при которой свет накачки вводится в небольшую сердцевину. Изобретение накачки оболочки группой исследователей волокна 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 сердечнике поддерживает качество луча, близкое к дифракционному .

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 моды света в оболочке пропускают сердцевину и, следовательно, не могут использоваться для ее накачки. Говоря языком геометрической оптики , большая часть лучей света накачки не проходит через сердечник и, следовательно, не может его накачать. Трассировка лучей , моделирование параксиального распространения и анализ мод дают аналогичные результаты.

Хаотические волокна

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

Форма спирали

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

Виды спиралевидного волокна с двойной оболочкой.

Практически круглая форма с небольшой спиральной деформацией кажется наиболее эффективной для хаотических волокон . 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 режимов все режимы имеют ненулевую производную в непосредственной близости от блока и не могут избежать ядра, если оно находится 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 спиралевидной границы, передают ей некоторый угловой момент. Эта передача углового момента должна компенсироваться давлением на кусок. Следовательно, ни один режим не может избежать этого фрагмента. Режимы могут показывать сильные рубцы вдоль классических траекторий (лучей) и широкие пустоты, но по крайней мере 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 сердечником. Нет причин локализовать рубцы в пределах угла, меньшего, чем сердцевина: малая производная от радиуса делает изготовление менее надежным; чем больше , тем больше допустимые колебания формы без нарушения условия . Следовательно, размер чанка должен быть того же порядка, что и размер ядра. ${\ Displaystyle R '(\ phi)}$${\ Displaystyle R '(\ phi)> 0}$

Более строго, свойство спиральной области следует из теоремы о граничном поведении мод лапласиана Дирихле . 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.

Конический

Коническое волокно с двойной оболочкой (T-DCF) - это волокно, внешняя и внутренняя оболочки которого, а также диаметры сердцевины плавно меняются в зависимости от длины. Сердечник на узкой стороне T-DCF поддерживает распространение только основной моды , тогда как на широкой стороне сердцевина способна направлять многие моды. Однако экспериментально было показано, что свет, попадающий в узкий конец T-DCF, распространяется в широкую сердцевину без каких-либо изменений модового состава. 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 (синий) и (красный), обсуждаемые в, по сравнению с результатами моделирования трассировки лучей (черные кривые).${\ displaystyle F = 0,8}$${\ displaystyle F = 0,9}$

Эффективность поглощения энергии накачки в волокне является важным параметром волоконного лазера с двойной оболочкой. Во многих случаях эта эффективность может быть аппроксимирована следующим образом:

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

куда

${\ displaystyle S}$ площадь поперечного сечения оболочки

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

${\ displaystyle \ alpha}$- коэффициент поглощения света накачки в сердечнике

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

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

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

Экспоненциальное поведение эффективности поглощения накачки в активной зоне неочевидно. 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. Для хаотических волокон приближается к единице. Значение можно оценить путем численного анализа с распространением волн, разложением по модам или с помощью трассировки лучей геометрической оптики , а значения 0,8 и 0,9 являются только эмпирическими регулировочными параметрами, которые обеспечивают хорошее согласование простой оценки с численным моделированием для двух конкретных классов. двуслойных волокон: круглые офсетные и прямоугольные. Очевидно, что приведенная выше простая оценка не работает, когда параметр смещения становится малым по сравнению с размером оболочки. ${\ displaystyle F}$${\ displaystyle F}$

Фактор заполнения особенно быстро приближается к единице в спиральной оболочке из-за особого граничного поведения мод лапласиана Дирихле . Разработчики волокна с двойной оболочкой ищут разумный компромисс между оптимизированной формой (для эффективного соединения насоса с сердечником) и простотой изготовления преформы, используемой для вытяжки волокон. ${\ displaystyle F}$

Масштабирование мощности лазера волокна ограниченно нежелательными нелинейные эффекты , такие как ВРМБЫ и вынужденное комбинационное рассеяние . Эти эффекты сводятся к минимуму, если волоконный лазер короткий. Однако для эффективной работы насос должен поглощаться сердечником 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. 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 , определенный выше, приближается к единице; возможно следующее усиление при различных видах сужения облицовки; предлагаются нестандартные формы такой облицовки. ${\ displaystyle F}$

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

Примечания и ссылки