Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 15
1.1. Волоконные лазеры 15
1.2. Описание существующих волокон с большой эффективной площадью сечения поля моды 18
1.2.1. Низко-апертурные оптические волокна 18
1.2.2. Волокна с кирально связанными сердцевинами 20
1.2.3. Оптические волокна с каналами утечки. Фотонно-кристаллические волокна 22
1.2.4. Конусные переходы в оптических волокнах 25
1.2.5. Волокна с W-структурой профиля показателя преломления 27
1.3. Методы экспериментального исследования 29
1.3.1. Параметр качества оптического излучения М2 29
1.3.2. Метод S2 измерения модового состава оптического излучения 32
2. Исследование модельных конусных волокон с двойной оболочкой 35
2.1. Описание принципиального строение конусного волокна. Анализ распространения многомодового излучения по световедущей оболочке в геометрическом приближении 35
2.2. Уравнения связи мод. Анализ распространения излучения по сердцевине конусного волокна. Определение критерия адиабатического продольного геометрического профиля 39
2.3. Описание экспериментальных образцов пассивных конусных волокон 49
2.4. Экспериментальное исследование качества выходного излучения из пассивного конусного волокна 51
2.5. Экспериментальное исследование адиабатического расширения фундаментальной моды в конусном волокне 60
3. Многослойные W-световоды 72
3.1. Анализ модового состава волокон с W-профилем показателя преломления . 72
3.2. Метод матриц передачи. Описание теоретической модели определения параметров направляемых и вытекающих мод W-волокон 74
3.3. Описание зависимостей характеристик распространения оптического излучения от параметров структуры W-профиля показателя преломления волокна . 79
3.3.1. Исследование оптических свойств направляемых мод 79
3.3.2. Исследование оптических свойств вытекающих мод 81
3.4. Описание экспериментальных образцов пассивных волокон W-типа. Результаты компьютерного моделирования 85
3.4.1. Образец W-285 86
3.4.2. Образец W-355 88
3.4.3. Образец W-251 89
3.5. Интерпретация экспериментальных результатов и сравнительный анализ с теоретическими исследованиями многослойных волокон W-типа 90
3.5.1. Образец W-285 90
3.5.2. Образец W-355 96
3.5.3. Образец W-251 103
4. Исследования активных иттербиевых конусных волокон с двойной оболочкой . 109
4.1. Поглощение оптической накачки внутри активных волокон 109
4.2. Модель распространения и генерации излучения внутри конусных волокон . 112
4.3. Результаты моделирования процесса стационарной генерации в активных конусных волокнах с двойной оболочкой 117
4.4. Волоконный усилитель на основе конусного волокна с двойной оболочкой, легированного ионами иттербия 124
Заключение 132
Литература
- Волокна с кирально связанными сердцевинами
- Уравнения связи мод. Анализ распространения излучения по сердцевине конусного волокна. Определение критерия адиабатического продольного геометрического профиля
- Описание зависимостей характеристик распространения оптического излучения от параметров структуры W-профиля показателя преломления волокна
- Модель распространения и генерации излучения внутри конусных волокон .
Волокна с кирально связанными сердцевинами
Первый концепт лазера был представлен Теодором Майманом в 1960 г. с использованием кристалла искусственного рубина (оксид алюминия Al2O3 с небольшой примесью хрома Cr) [33], тем самым открыв необъятную область применения лазерного излучения. После по лучения первой объемной генерации лазерного излучения прошло немного времени, как в 1961 г. Элиас Снитцер [1,2] продемонстрировал первый волоконный лазер и его потенциальные преимущества. В качестве активного элемента использовался стеклянный волоконный световод, содержащий ионы неодима. В то время, однако, еще не существовало лазерных диодов, высококачественного оптического волокна и других волоконно-оптических элементов, в частности, волоконных брэгговских решеток, которые сейчас используются в эффективных волоконных лазерах. Из-за этого отличная идея Снитцера не была реализована. Тем не менее, бурное развитие волоконно-оптических линий связи в 1970-80-х гг., которое достигло максимума в конце прошлого века, привело к созданию элементной базы, необходимой для производства эффективных волоконных лазеров. В середине 60-х гг. были инициированы первые работы по созданию стеклянных волоконных световодов с низкими оптическими потерями [4]. Исследователи из Corning Glass в Соединенных Штатах первыми достигли желаемого результата в 1970 г. Они изготовили оптоволоконный световод с оптическими потерями менее 17 дБ/км [5,34]. Основой данного достижения являлась разработка технологии создания кварца с использованием высокочистого летучего четыреххлористого кремния в качестве исходного материала. Данная технология заключается в осаждении кремниевого порошка на подложку с одновременным плавлением порошка.
В 1970 г. группа Ж. И. Алферова в Советском Союзе и группа исследователей в Соединенных Штатах впервые получили непрерывную генерацию в полупроводниковых лазерах при комнатной температуре. Эти два достижения открыли реальные возможности для развития волоконно-оптических систем связи со скоростью передачи данных на несколько порядков выше, чем в системах радиосвязи. В результате волоконная оптика стала одним из наиболее динамично развивающихся направлений современной науки и техники. В дальнейшем технология получения оптических волокон с низкими потерями была разработана во многих странах, в частности, в России [7, 35], а также были исследованы оптические, нелинейно-оптические, генерационные, механические и дисперсионные свойства таких оптических волокон. Процесс исследование оптического волокна в Совестском союзе не отставал от заграничных исследоватлей, работы проводились на базе Института радиотехники и электроники РАН и Института общей физики РАН [36–48]. В том числе была разработана целая серия оптических волокон, такие как многомодовые волокна со ступенчатым профилем показателя преломления и одномодовые волокна с градиентным профилем показателя преломления, волокна с нулевой дисперсией в районе 1,5 мкм и дисперсией переменной по длине волокна. Оптические потери в таких световодах были уменьшены до предельного возможного значения менее 1 дБ/км в спектральном диапазоне от 1 до 1,7 мкм, а прочность оптических волокон превышала прочность стальной проволоки того же диаметра. Также выдающимся достижением в сфере волоконной оптики стало изготовление эрбиевого усилителя на длине волны 1,5 мкм для нужд телекоммуникации [49]. Данный успех послужил громадным толчком в окончательном установлении волоконно-оптических систем связи в качестве основных для высокоскоростной передачи информации и дальнейшем ее развитии.
Особо следует отметить разработку технологии записи в фоточувствительных световодах брэгговских решеток показателя преломления, используемых в качестве распределенных отражателей в волоконных лазерах [50]. А изготовление первых регулярных волокон, легированных ионами неодима, с двойной оболочкой в конце 80-х [51] позволило увеличить мощность волоконных лазеров до уровня 1 Вт [52, 53]. В таких волокнах излучение генерации распространялось по относительно тонкой сердцевине (по размерам сравнимой с сердцевиной регулярных одномодовых волокон), а излучение оптической накачки распространялось по световедущей оболочке. Прорыв, связанный с изобретением волокон с двойной оболочкой, сопровождался быстрым развитием диодов накачки, мощность которых в скором будущем достигла рубежа 100 Вт. Данные достижения легли в основу дальнейшего увеличения выходной мощности волоконных лазеров [54–59].
Однако дальнейшее развитие лазерных технологий, связанное с увеличением мощности оптического излучения, в скором времени оказалось невозможным, т.к. используемые в те времена диаметры одномодовых (одна поперечная мода) сердцевин волокон с двойной оболочкой накладывали значительное ограничение из-за возникновения нелинейных эффектов вследствие большой длины взаимодействия и высокой плотности мощности внутри сердцевины [60] . Данная проблема была решена изготовлением волокон с большим диаметром сердцевины, в дальнейшем названных волокнами с большой эффективной площадью моды [61,62]. Однако при разработке волокон с большой эффективной площадью моды возникли проблемы, связанные с ухудшением качества пучка при увеличении сердцевины волокна, увеличением чувствительности волокна к изгибам и т.д. Но несмотря на это, ряд таких волокон был успешно разработан [63–66], и в современном мире волокна с большой эффективной площадью моды легли в основу непрерывных и импульсных лазерных установок большой мощности и большой энергии с высоким качеством выходного излучения [66–71]. 1.2. Описание существующих волокон с большой эффективной площадью сечения поля моды
Одним из возможных решений увеличения эффективного размера поля моды при высоком качестве выходного излучения является уменьшение числовой апертуры (1.1) волокна со ступенчатым профилем показателя преломления, что позволяет уменьшить количество направляемых мод и компенсировать эффекты при увеличении размеров сердцевины. NA = (n2co-n2cl)1/2) (1.1) где псо - коэффициент преломления сердцевины, пс1 - коэффициент преломления оболочки.
При таком подходе существует несколько ограничений. Во-первых, при уменьшении разницы между показателями преломления сердцевины и оболочки наблюдается переход направляемых мод световода в вытекающие. Вследствие этого ухудшаются условия распространения оставшихся направляемых мод и их локализация. В таком случае даже небольшие отклонения от идеальности волокна могут повлечь значительное увеличение потерь направляемых мод. Во-вторых, введение изгиба в такие волокна приводит к нарушению профиля показателя преломления, и, соответственно, к ухудшению условий распространения. В-третьих, при использовании существующих технологий по изготовлению заготовок оптических волокон контролируемое изготовление очень маленьких разностей между коэффициентами преломления по порядку величины менее 10-5 является затруднительным. В свою очередь профиль коэффициентов преломления, полностью определяет влияние изгибов на характер распространения излучения в таком волокне, именно поэтому характерные значения составляют не менее n = 5 10-4—1 10-3 [72]. Особые сложности возникают при изготовлении активных волокон, основываясь на таком подходе. Помимо того, что относительно большие концентрации активных ионов вызывают ухудшение люминесценции, легирование активными ионами обычно повышает показатель преломления сердцевины волокна и, как следствие, числовую апертуру. Именно поэтому при изготовлении активных низко-апертурных волокон ухудшается точность контроля уровня числовой апертуры.
Уравнения связи мод. Анализ распространения излучения по сердцевине конусного волокна. Определение критерия адиабатического продольного геометрического профиля
В научной литературе конусные волокна и конусные переходы в различных типах волокон давно известны и широко представлены благодаря своим специфическим свойствам. Основные результаты исследований были получены на конусных переходах, изготовленных при помощи растяжения нагретого до температуры размягчения стекла волокна. При таком способе изготовления образуется конусный переход длиной от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров, в центре которого волокно имеет минимальный диаметр.
В частности конусные переходы такого рода используются для обеспечения модового согласования. В определенных случаях распространения одномодового излучения для достижения модового согласования необходимо только изменение размера сердцевины волокна, что и достигается посредством конусного перехода. Эффекты, связанные с распространением излучения, параметрами модового состава и изменением эффективной площади поля моды в коротких конусных переходах в волокнах, близких по размерам к одномодовым волокнам, хорошо изучены и широко представлены в опубликованной литературе [116,126,127,159,161]. Свойства конусных переходов используют для модовой фильтрации оптического излучения. Действительно, в процессе распространения в сторону уменьшения диаметра сердцевины такого перехода высшие моды одна за другой становятся плохо направляемыми модами с большими потерями на вытекание или перестают быть разрешенными модами в такой геометрии и становятся вытекающими. Для стандартного профиля показателя преломления волокна только фундаментальная мода не имеет отсечки, в то время как все остальные моды имеют не нулевую частоту отсечки. Таким образом, при использовании конусных переходов можно отфильтровать все оптические моды кроме фундаментальной моды [117]. Для примера на рис.1.5 показано расчитанное распределение мощности LP01 и LP11 при прохождении конус ного перехода в оптическом волокне.
Конусные переходы могут быть выполнены таким образом, чтобы центральная часть имела диаметр порядка нескольких микрон (и даже сотен нанометров). В таких условиях сердцевина волокна имеет слишком малые размеры и в меньшей степени влияет на распространяющееся излучение. В большей степени излучение распространяется за счет полного внутреннего отражения на границе кварцевого стекла и воздуха. Несмотря на это, прохождение света через конусный участок не сопровождается значительными потерями [118]. Конусные переходы такого рода осуществляются на расстоянии порядка 10 см. Применение таких геометрических профилей волокон было исследовано в литературе: для получения суперконтинуума [119-121] при низких пиковых мощностях импульса; для формирования микрорезонаторов [122]; для формирования кольцевых резонаторов для интерферометрических исследований [123,124]; для детектирования флюоресценции атомов и других частиц благодаря малым размерам таких нано-волокон [125], а также при создании других датчиков.
Отдельно стоит отметить использование технологии конусных переходов для изготовления оптических волоконных комбайнеров, соединителей и разветвителей. Данные элементы изготавливаются при помощи осуществления конусного перехода при оптическом контакте двух и более волокон.
Теоретическое исследование конусных переходов в оптических волокнах также рассмотрено в опубликованной литературе. Взаимодействие оптических поперечных мод в конусном волокне из-за изменения диаметра рассмотрено в работах [126,127], а в [128,129] подробно рассмотрен вопрос о их взаимодействии из-за локальных изгибов.
В опубликованной литературе конусные переходы были исследованы на предмет изучения выше перечисленных свойств. Однако, несмотря на большое количество опубликованных экспериментальных и теоретических работ, ранее не было рассмотрено подробно адиабатическое уширение фундаментальной моды до относительно больших размеров на относительно больших длинах конусных волокон ( 5ми более). В данном исследовании рассматривается вопрос о возможности получения фундаментальной моды излучения с диаметром модового пятна до 100 длин волн, что в опубликованной литературе не представлено.
Впервые волокна с W-структурой профиля показателя преломления были представлены в 1974 году [130]. Рассматривались волокна с двумя оболочками с низким показателем преломления первой оболочки. Такие волокна имеют ступенчатый профиль показателя преломления и за счет сильной локализации электромагнитного поля в сердцевине предлагались к ис пользованию в качестве альтернативных одномодовых волокон, которые проявляют большую устойчивость к микро и макро изгибам и имеют меньшее поглощение в оболочке. В следствие введения первой оболочки с низким показателем преломления, фундаментальная мода оптического излучения в таких волокнах может иметь не нулевую частоту отсечки в зависимости от структуры профиля показателя преломления [131–133]. Было показано, что одновременно с увеличением частоты отсечки фундаментальной моды, частота отсечки первой высшей моды также увеличивается, именно поэтому спектральный диапазон одномодовой работы такого волокна может быть намного шире, чем в стандартных волокнах. Также разнообразие параметров структуры, которые возможно варьировать, представляют дополнительные возможности для получения одномодового режима.
В 1970-1980-х годах множество работ [134, 135] было посвящено исследованию свойств W-волокон, однако используемая технология создания волокна не позволяла изготовить перепады показателей преломления относительно большие и относительно маленькие. Все вычисления и расчеты производились для характерных значений не менее 10-2. Современные же технологии намного расширяют существовавшие диапазоны изменения параметров. В работе [136] подробно представлен анализ определения частот отсечки для волокон с W-структурой посредством введения параметра эффективного показателя преломления, а в работе [137] методом решения волнового уравнения в каждом слое волоконного световода. Также в работе [138] был продемонстрирован универсальный метод матриц передач, позволяющий рассчитывать структуры с произвольным количеством слоев. При этом, несмотря на свою простоту, данный метод является достаточно точным и удобным для использования в моделировании многослойных волокон W-типа.
Применение подобных многослойных волоконных световодов в качестве активной среды показало, что их свойства могут быть успешно применены. Так в работе [139] был продемонстрирован эффективный волоконный лазер на основе неодимового волокна с двойной оболочкой, первая из которых имеет низкий показатель преломления. Показатель преломления сердцевины также имеет провал в центре. За счет свойств такой струтуры возможно получение генерации на не основном переходе ионов неодима на длине волны 925 нм, так как в спектральной области около 1060 нм происходит подавление усиления излучения. Данная работа, и другие подобные работы, наглядно демонстрируют эффекты связанные с не нулевой частотой отчески в волокнах с подобной структурой профиля показателя преломления.
Волокна с W-профилем показателя преломления могут иметь большие размеры сердцевины относительно стандартных одномодовых волокон с одной оболочкой [140]. Такие волокна имеют волноведущие свойства схожие со стандартными одномодовыми волокнами со ступенчатым профилем показателем преломления, однако за счет введения промежуточной оболочки с низким показателем преломления локализация поля внутри сердцевины увеличивается, а, соответственно, уменьшаются изгибные потери. Анализ потерь на вытекание мод волокон с многослойной оболочкой, с большим по сравнению с исследуемыми волокнами количеством элементов, был произведен, например, в работах [141]. Также был проведен анализ оптических свойств волоконных световодов, распространение света в которых обуславливается брэгговским отражением [142].
В опубликованных работах не производился подробный анализ возможности распространения вытекающих мод в волокнах такой структуры на значительные расстояния, хотя способы определения таких мод представлены. В планарных световодах похожего типа анализ был произведен [143]. Основным плюсом многослойных структур W-типа является множество параметров, которые возможно изменять, а, соответственно, большее по отношению к стандартным ступенчатым профилям количество степеней свободы. К тому же значительный успех в разработке низко-апертурных волокон с большим эффективным размером поля моды показал, что основной проблемой является компенсация изгибных потерь в таких волокнах. В то время как введение дополнительной оболочки с низким показателем преломления успешно проявило себя в локализации поля внутри сердцевин W-волокон, комбинация свойств низко-апертурных волокон и уже известных W-волокон открывает совершенно новые перспективы в получении фундаментальной моды излучения большой площади и устойчивой к изгибу.
В данном исследовании рассматриваются волокна с двумя и тремя оболочками и W-структурой профиля показателя преломления на предмет формирования одномодового режима распространения излучения с большой площадью поля моды. При этом в теоретическом и экспериментальном рассмотрении принималось во внимание распространение как направляемых, так и вытекающих моды.
Описание зависимостей характеристик распространения оптического излучения от параметров структуры W-профиля показателя преломления волокна
Однако распределение интенсивности в дальнем поле для любого диаметра сердцевины с большой точностью совпадает с распрелением Гаусса. Распределение интенсивности в дальнем поле для минимального и максимального выходного диаметра сердцевины отображено на рис. 2.26. Значительного искажения профиля распределения интенсивности в дальнем поле для любых изгибов не наблюдается.
Для того чтобы охарактеризовать модовый состав выходного излучения при каждой длине конусного волокна производилось измерение параметра качества оптического пучка M2 и расходимости оптического излучения на выходе. Данные зависимости от диаметра сердцевины показаны на рис. 2.27 для прямого и намотанного экспериментального образца № 1. Как видно из графиков при увеличении диаметра сердцевины конусного волокна происходит увеличение параметра M2 выходного излучение. Соответственно, можно сделать вывод, что при увеличении сердцевины конусного волокна происходит возбужление высших мод оптическо-67
Распределение интенсивности в дальнем поле выходного излучения для максимального и минимального диаметра сердцевины и аппроксимация кривой Гаусса (красная линия). го излучения при его распространении по волокну. Однако, значение параметров M2 для всех длин и изгибов конусного волокна не превосходят значения 1,6. Данное значение параметра M2 является характеристикой маломодового состава излучение, и поэтому очевидно, что возбуждение высших мод в таком волокне происходит с крайне низкой эффективностью. Данный факт подтверждается измерениями распределения интенсивности в ближнем и дальнем поле. Также измерения расходимости при максимальном значении сердцевины составляют 10 мрад, данное значение с достаточной точностью совпадает с предельным дифракционно ограниченным значением, расчитанным по формуле 2, 44A/D. Выходное излучение, прошедшее через необрезанное конусное волокно (образец № 2) с выходным диаметром сердцевины 86 мкм имеет параметр качества M2 = 1,31 для радиуса изгиба R = 100 см и M2 = 1,42 для радиуса изгиба R = 15 см на длине волны оптического излучения 1060 нм. Данные значения параметра M2 для экспериментального образца № 2 еще раз подтверждают полученные нами результаты и сделанные выводы. (а) (б)
Из этого можно сделать вывод, что значимые для практики макроизгибы конусного волокна влияют не значительно на качество выходного излучения. Данный вывод подтверждается результатами по измерению распределения интенсивности в ближнем поле по двум осям. Эти результаты показывают, что при наведенном изгибе распределение интенсивности поля моды претерпевает незначительные изменения, которые, однако, не значительно сказываются на размерах поля моды и на качестве выходного излучения.
Состав выходного излучения многомодового волокна определяется в основном тремя факторами: начальным возбуждением модового спектра, вынужденным взаимодействием мод из-за локальных (сваривание, микроизгибы и т.д.) или распределенных изгибов и дефектов, а также наведенным модовым затуханием или усилением. Таким образом, условия — возбуждение только одномодового излучения на входе, отсутствие центров неоднородностей, влияющих на взаимодействие мод — характерны для строго одномодового режима распространения излучения внутри конусного волокна с двойной оболочкой. Данные свойства были экспериментально и теоретически продемонстрированы.
В итоге исследований, описанных во второй главе, можно подвести некоторые результаты.
Проведенное теоретическое и численное рассмотрение связи мод при распространении по сердцевине конусного волокна позволило определить границу области адиабатического расширения фундаментальной моды. Результаты показали, что при характерных углах раствора конусного волокна 10-4 — 10-3 радиан при длине волокна 0,4 м (максимальный радиус сердцевины 48 мкм) потери фундаментальной моды, вызванные переходом мощности в высшие моды, не превосходят значения 0,05 дБ для любого рассматриваемого продольно го геометрического профиля. Асимптотическая оценка коэффициентов связи показала, что при длинах волокна более 1 м любой исследованный продольный геометрический профиль конусного волокна можно считать адиабатическим, так как высшие моды возбуждаются с крайне низкой эффективностью. В экспериментальных конусных волокнах характерные углы раствора составляют 10-6 — 10-5 радиан, а длины более 1 м, что позволяет считать их адиабатическими и не принимать в рассмотрение возбуждение высших мод из-за продольной вариации диаметра сердцевины. Анализ распространения оптического излучения накачки по световедущей оболочке, проведенный в приближении геометрической оптики, показал, что долю мощности оптической накачки, высвеченной из конусного волокна, возможно уменьшить до незначительной величины 1 — 2 % путем увеличения концентрации активных ионов в сердцевине, неполного заполнения числовой апертуры при вводе оптической накачки в волокно и проведением D-формирования оболочки при изготовлении волокна.
Для экспериментальных образцов пассивных конусных волокон с двойной оболочкой и диаметром сердцевины до 100 мкм были измерены характеристики выходного оптического излучения в широком спектральном диапазоне. Измерения показали, что выходное излучение около длины волны 1279 нм характеризуется одномодовым составом, что подтверждают измерение M2 = 1,1 и спектров пропускания методом S2. Экспериментально продемонстрировано, что спектры пропускания конусного волокна с двойной оболочкой не значительно отличаются от спектров источника излучения в спектральных диапазонах длин волн около 1060 нм и 1279 нм, то есть в экспериментальных образцах конусного волокна не происходит модовой конверсии. При измерении расходимости оптического пучка было установлено, что выходное излучения из конусного волокна является почти дифракционно ограниченным на длинах волн 1060 нм (M2 до 1,3) и 1279 нм. Стоит отметить, что на длине волны 1060 нм и 630 нм в распределении интенсивности в ближнем поле обнаружена кольцевая структура поля. Данный эффект является следствием распространения конечного набора мод оптического излучения на этих длинах волн, а также возникновения нарушения однородности показателя преломления внутри волокна из-за термоупругих напряжений. В спектральном диапазоне около 1279 нм данные эффекты становятся менее значительными и кольцевая структура в ближнем поле не наблюдается.
Экспериментально было показано, что в конусном волокне с двойной оболочкой фундаментальная мода расширяется адиабатически, то есть не происходит перехода мощности от фундаментальной моды в высшие. Общие потери при распространении света по двойному конусному волокну длиной 15 м составили 0,07 дБ/м. Данные потери являются верхней границей оценки мощности перешедшей в высшие моды. Измерение ближнего поля в процессе укорачивание конусного волокна наглядно продемонстрировали, то что связь мод в исследуемых конусных волокнах играет незначительную роль. Так как при увеличении размеров сердцевины от 7 мкм в диаметре до 117 мкм параметр M2 выходного излучения увеличился незначительно от строго одномодового 1 до маломодового 1,6 при любых значимых для практики изгибах волокна. Для прямого волокна M2 = 1,3 При этом конусное волокно проявило нечувствительность к микро и макро изгибам.
Модель распространения и генерации излучения внутри конусных волокон .
Параметр M2 на этой длине волны зависит от условий ввода и изменяется в диапазоне от 116 до 1 25 что соответствует маломодовому режиму распространения излучения по волокну.
Далее проводились исследования длинного (длина 2 5 м) образца волокна W-285 на длине волны 1280 нм. Спектр пропускания данного образца представлен на рис. 3.16. Из результатов компьютерного моделирования получено что потери на вытекание первой распространяюще-яся моды QI ( 10-4 дБ/м) значительно ниже, чем у второй ц ( = 0 13 дБ/м). Соответственно, на образцах волокна со значительной длиной мода п должна отфильтровываться что подтверждает спектр пропускания образца волокна W-285 длиной 2 5м (рис. 3.16). Рис. 3.15. Быстрое преобразование Фурье спектра пропускания образца W-285 длиной 1,3 м на длине волны 1280 нм.
Как видно из рис. 3.16, спектр прямого волокна практически не имеет модуляции, что соответствует почти строго одномодовому режиму распространения оптического излучения. При этом, при нарушении центрирования узла ввода оптического излучения в исследуемый образец (сердцевины исследуемого образца и доставочного волокна разведены на несколько мкм) возможно более эффективное возбуждение высшей моды, и, как следствие, значительное увеличение амплитуды модуляции спектра выходного излучения (рис. 3.16 черный спектр).
На рис.3.16 изображены спектры пропускания исследуемого образца с намоткой трех витков радиусами изгиба 7,5 см и 3,75 см. На данной длине волны характерные значения изгиб-ных потерь составляют 3,2 дБ/м при радиусе изгиба 7,5 см и 6,1 дБ/м при радиусе изгиба 3,75 см. При сравнении значений изгибных потерь на длинах волн 1060 нм и 1280 нм прослеживается факт, что при увеличении длины волны значение изгибных потерь растет.
Исследование поведения параметра M2 при введении изгиба в волокно показало, что для данного образца параметр M2 меняется в диапазоне от 1,05 для прямого отрезка волокна до 1,02 для образца с двумя витками диаметром 15 см. Данные значения параметра M2 соответствуют строго одномодовому режиму распространения излучения.
Далее исследовался короткий отрезок волокна W-285 на длине волны 1550 нм. Спектр пропускания образца волокна W-285 изображен на рис. 3.17. Спектр пропускания исследуемого волокна является гладким. Это говорит о том, что на длине волны 1550 нм по световоду распространяется одна мода (01), как и ожидалось, исходя из результатов компьютерного Рис. 3.16. Спектр пропускания образца W-285 длиной 2,5 м с засветкой от SLD диода с центральной длиной волны 1280 нм. Черный спектр – прямое волокно (настройка на максимальную глубину модуляции), зеленый спектр – прямое волокно (настройка на максимум сигнала), синий спектр – 3 витка с радиусом изгиба 7,5 см, красный спектр – 3 витка с радиусом изгиба моделирования, а высшие моды эффективно фильтруются. Кроме того факт одномодового режима распространения излучения подтверждается параметром M2, который в данном случае равен 1,01. Такое значение параметра качества пучка M2 соответствует строго одномодовому режиму распространения излучения по волокну.
На длине волны 1550 нм методом S2 был исследован длинный образец ( 2,5 м) волокна W-285. На рис. 3.18 изображены спектры пропускания исследуемого образца для максималь но прямого состояния и с одним, двумя и тремя витками радиусом изгиба 7,5 см. Как было показано ранее из результатов компьютерного моделирования, на длине волны 1550 нм возможно распространение только одной моды оптического излучения. При этом данная мода имеет значительную величину потерь на вытекание = 0,014 дБ/м. Данный расчетный факт подтверждается экспериментально. Характерные значения изгибных потерь для исследуемого волокна на длине волны 1550 нм могут достигать весьма больших значений 6 дБ/м, что значительно усложняет возможность его использования.
Несмотря на то, что целью данного исследования является создание оптических волокон, работающих в одномодовом режиме, а по результатам численного моделирования в волокне W-355 ожидалось распространение большего количества мод, вся серия экспериментальных исследований была проведена с целью подтверждения тенденций, полученных в результате компьютерного моделирования.
Спектры пропускания на длине волны 1060 нм короткого (1,2 м) образца волокна W-355 показаны на рис. 3.19. Как видно из рис. 3.19, в спектре присутствует модуляция, характерная распространению относительно большого количества мод оптического излучения. На рис. 3.20 отображен спектр межмодовых задержек, полученный преобразованием Фурье спектра пропускания исследуемого образца. В данном случае определение количества распространяющихся мод затруднено в связи с зашумленностью спектра межмодовых задержек. На спектре наблюдается более 10 пиков, соответствующих распространению нескольких мод оптического излучения. Для более детального анализа модового состава можно, например, воспользоваться методом корреляционных фильтров [167], но эта задача выходит за рамки данного исследования. В нашем случае достаточно констатировать факт того, что наблюда ется ярко выраженное распространение более 5 мод оптического излучения на длине волны 1060 нм. Более того из спектра пропускания образца (рис. 3.19) видно, что картина межмо-довых биений в длинноволновой области заметно упрощается, что соответствует фильтрации высших мод, наблюдаемых в коротковолновой области, так как световод W-355 поддерживает распространение только вытекающих мод. Параметр M2 выходного излучения из короткого ( 1,2 м) образца волокна W-355 варьируется в диапазоне 2,35 – 2,9, что находится в соответствии с результатами полученными методом S2.
Экспериментальное исследование методом S2 для длинного ( 3 м) образца волокна W-355 производилось в максимально прямом состоянии волокна и с введенным изгибом с радиусами 7,5 см и 3,75 см. На риc. 3.21 изображены спектры пропускания исследуемого образца на длине волны 1060 нм.
Из спектра пропускания (риc. 3.21) прямого длинного образца W-355 видно, что результаты аналогичны спектру пропускания короткого образца этого волокна. Модуляция спектра соответствует распространению относительно большого количества мод. Интересным результатом исследования в данном случае являются изгибные потери, которые возможно оценить как 1,6 дБ/м при радиусах изгибов 7,5 см и 5,5 дБ/м при радиусах изгибов 3,75 см. Данные потери выше по величине, чем измеренные для образца W-285 волокна потери при аналогичных изгибах. Это объясняется тем, что в исследуемом образце волокна W-355 на длине волны 1060 нм эффективней возбуждаются высшие моды, которые имеют более высокие расчетные значения потерь на вытекание и меньшую локализацию внутри сердцевины волокна, что приводит к увеличению изгибных потерь.
Далее производилось экспериментальное исследование короткого ( 1,2 м) образца W-355 на длине волны 1280 нм. На рис. 3.22 представлен спектр пропускания короткого отрезка волокна W-355 при засветке от SLD с центральной длиной волны 1280 нм. Исходя из полученного спектра (рис. 3.22), можно сделать вывод, что данная модуляция вызвана распространением нескольких мод оптического излучения
