Введение к работе
Актуальность. Тематика микроструктурных оптических волокон (МОВ), или как их еще называют, дырчатых оптических волокон, является самой актуальной задачей в области волоконной оптики последнего времени. Такой огромный интерес возникает как следствие уникальных свойств и возможностей таких оптических волокон - широкий одномодовый диапазон, уникальные дисперсионные характеристики и их сильная зависимость от геометрических параметров оптического волокна, большое значение нелинейного коэффициента обусловленного сильной локализацией поля моды, увеличенное (усиленное) двулучепреломление (ДЛП) по сравнению с обычным РМ (поддерживающим поляризацию) оптическим волокном. Эти уникальные свойства находят широкое применение в телекоммуникациях, нелинейной оптике, метрологии, атомной и медицинской оптике.
Несмотря на имеющиеся к настоящему времени результаты, постоянно появляется большое количество публикаций, что говорит о новых эффектах и результатах, которые содержит в себе данная тематика. Улучшаются параметры микроструктурных оптических волокон - пассивные потери, потери на сварке со стандартным волокном, увеличение двулучепреломления. Создаются новые структуры оболочки таких волокон, позволяющие улучшать нелинейное взаимодействие и получать нужные дисперсионные характеристики. Появляются сообщения о создании дырчатых оптических волокон поддерживающих распространение высших мод, что актуально для создания активных оптических волокон. Еще одно интересное свойство микроструктурного волокна - независимость потерь от радиуса изгиба вплоть до нескольких миллиметров.
Но, к сожалению, изучение и публикации работ по тематике микроструктурных оптических волокон строилось по принципу наиболее быстрого получения результата. По этой причине, в частности, изучению поляризационных характеристик МОВ уделялось очень незначительное количество исследований. Как следствие, встречаются ошибочные заявления о том, что фазовое и групповое двулучепреломление в МОВ практически совпадают, либо выводятся фазовые спектральные характеристики с использованием известных из литературы аппроксимаций для фазового
двулучепреломления, что, как показано в данной диссертационной работе, не всегда корректно. Наличие подобных, порой ошибочных заявлений, четко дает понять, что тематика поляризационных характеристик изучена недостаточно и требует тщательного исследования.
Цель работы. Целью настоящей диссертационной работы является детальное исследование поляризационных характеристик новых типов оптических волокон - МОВ и поиск путей оптимизации параметров такого оптического волокна, для его перспективного использования в различных устройствах и волоконных элементах.
Для достижения заявленной цели было необходимо:
Теоретически исследовать поляризационные характеристики (фазовое и групповое двулучепреломление, поляризационно-зависимые потери) в различных типах микроструктурных оптических волокон. Выявить зависимости поляризационных характеристик от различных параметров МОВ. Моделирование структуры с высокими значениями поляризационных характеристик на основе полученных результатов, а именно ДЛП в широком спектральном диапазоне выше 0,01 с дихроизмом более 40 дБ.
Создать экспериментальную установку для исследования поляризационных характеристик оптических волокон, их температурной и механической стабильности и разработать прямой способ измерения фазового ДЛП.
Исследовать стабильность поляризационных характеристик МОВ при температурных и механических воздействиях и сравнить полученные результаты с известными зависимостями обычного оптического волокна.
Проанализировать полученные результаты и дать предложения по использованию МОВ с целью улучшения характеристик имеющихся волоконно-оптических устройств.
Научная новизна:
В работе экспериментально обнаружено существенное различие фазового и группового двулучепреломления в микроструктурном оптическом
волокне, а также отличие поляризационных характеристик МОВ от характеристик обычных оптических волокон. Показана некорректность нахождения спектральных фазовых характеристик в микроструктурном оптическом волокне, с использованием известных из литературы аппроксимаций фазового ДЛП. Экспериментально подтверждена ожидаемая высокая температурная стабильность поляризационных характеристик микроструктурного оптического волокна. Впервые предложена и промоделирована структура МОВ со значением двулучепреломления An > 0.01 и значением поляризационно-зависимых потерь ALoss > 45дБ на длине волокна 2 см.
Научные результаты, выносимые на защиту:
Установлено, что поляризационные характеристики МОВ и обычного оптического волокна существенно отличаются как по величинам группового ДЛП и поляризационно-зависимых потерь, так и по характеру их спектральной зависимости.
Теоретически и экспериментально показано существенное различие фазового и группового ДЛП в МОВ, а так же сильное отличие фазовых характеристик обычных и микроструктурных волокон. В частности обнаружено, что фазовое ДЛП в МОВ может не только отличаться по модулю от группового ДЛП, в отличие от обычных оптических волокон, но также, отличаться и знаком.
При проведении исследований стабильности поляризационных характеристик МОВ и обычных РМ оптических волокон при температурном и механическом воздействии, установлено, что температурная зависимость ДЛП в МОВ на порядок слабее, чем для обычного оптического волокна. Также продемонстрировано, что стабильность поляризационных характеристик МОВ при изгибе оказалась в несколько раз выше, чем у обычного волокна, и может быть существенно улучшена.
При помощи теоретического моделирования показана возможность получения МОВ с уникальными поляризационными характеристиками при использовании не симметричной структуры с четырьмя слоями воздушных каналов. В частности, предложена
структура с четырьмя слоями только воздушных каналов, со значением ДЛП - 0,011 и величиной поляризационно-зависимых потерь на длине оптического волокна 2 см. - 49дБ на длине волны 1,55 мкм.
Практическая ценность.
Обнаруженный факт существенного отличия спектральных фазовых и
групповых характеристик двулучепреломления в МОВ обязательно должен
учитываться при создании приборов на основе таких оптических волокон, т.к. в
спектральных устройствах и в линиях связи играет роль групповое
двулучепреломление и связанная с ним поляризационная модовая дисперсия,
а в таких волоконных элементах как, например, фазовые пластинки и
ответвители, основное значение имеет фазовое двулучепреломление.
Обнаруженная температурная независимость поляризационных
характеристик МОВ очень важна при их использовании в прецизионных измерительных приборах, эксплуатирующихся в суровых климатических условиях. Одним из вариантов такого применения может быть волоконно-оптический датчик тока. Результаты теоретического исследования найдут применение, например, для изготовления волоконно-оптических поляризаторов, эффективных линий задержки, приборов на основе акустооптического взаимодействия, компенсаторов поляризационной модовой дисперсии и т.д.
Апробация работы.
Результаты исследований докладывались и обсуждались на Международных и Всероссийских конференциях:
6 международная научно-техническая конференция «Перспективные Технологиив Средствах передачи Информации» Владимир 2005. Ю.В. Гуляев, И.В. Лисенков, С. А. Никитов, М.В. Рябко, Ю.К. Чаморовский. «Микроструктурные волокна в волоконно-оптических линиях связи»
International Conference "Micro- and nanoelectronics 2005" Zvenigorod 2005 Russia. Microstructured Optical Fibers - New Tool For Telecommunications M.Ryabko*, Yu.Chamorovskii, I. Lissenkov, S.Nikitov
Всероссийская научная конференция "Методы и средства обработки информации", МГУ 2005. Ю. В. Гуляев, И.В. Лисенков.С.А. Никитов, М.В. Рябко, Ю.К Чаморовский. Микроструктурные волокна в волокно-оптических линиях связи.
Всеросийская конференция иновационных проектов аспирантов и студентов по приорететному напрвлению «Индустрия наносистем и материалы», Зеленоград 2005.
5-ая Международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика-2005", Зеленоград 2005. Гуляев Ю.В., Лисенков И.В., Никитов С.А., Рябко М.В., Чаморовский Ю.К. «Поляризационные свойства микроструктурных волокон».
X Всероссийская школа-семинар «Волновые явления в неоднородных средах» Звенигород, 2006 Рябко М.В., Некрашевич Е.С., Никитов С.А. «Поляризационная дисперсия микроструктурных волокон»
«Лазеры. Измерения. Информация -2006», Санкт-Петербург 2006, С.К.Моршнев, М.А. Рябко, Ю.К.Чаморовский «Измерение встроенного линейного двулучепреломления в волоконных световодах типа "spun"»
15-ая Международная Конференция «Высокие Технологии В Медицине, Биологии И Геоэкологии», Новороссийск 2007 Рябко М.В., Чаморовский Ю.К., Старостин Н.И., Никитов С.А. «Экологически безопасный волоконно-оптический датчик тока»
Всероссийская конференция по волоконной оптике, Пермь 2007, М.В. Рябко, Ю.К. Чаморовский, С.А. Никитов «Поляризационные характеристики микроструктурных оптических волокон»
а так же на научных конференциях Московского физико-технического института (Москва-Долгопрудный, 2005 и 2006) и на конкурсах молодых ученных ИРЭ РАН (Москва 2005 и 2006). По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 7 статей и 5 тезисов докладов на конференциях и 1 патент на полезную модель.
Структура диссертации.
Диссертация изложена на 127 страницах машинописного текста и содержит 60 рисунков. Работа состоит из 5 глав, включая введение,
заключения и списка цитированной литературы, включающего 119 библиографических ссылок.
