ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЯЮЩИЙ МИКРОСТРУКТУРИРОВАННЫЙ ВОЛОКОННЫЙ СВЕТОВОД С НИЗКОЙ АСИММЕТРИЕЙ ПОЛЯ МОДЫ
BIREFRINGENT MICROSTRUCTURED FIBRE-OPTIC GUIDE WITH LOW MODE FIELD ASYMMETRY

Изобретение относится к оптоволоконной технике и может быть использовано в оптических усилителях, лазерах, спектральных фильтрах и телекоммуникационных сетях.
Известен двулучепреломляющий микроструктурированный волоконный световод (ДМВС), выполненный из сплошного прозрачного материала, содержащий продольные отверстия, взаимное положение которых и форма сердцевины имеют вращательную ось симметрии шестого либо второго порядка. Световод содержит напрягающие элементы, имеющие коэффициент температурного расширения, отличный от коэффициента температурного расширения оболочки световода. Положение этих напрягающих элементов относительно сердцевины световода и разность коэффициентов температурного расширения оболочки световода и напрягающих элементов обеспечивают двулучепреломление световода (Патент США №7289709, G02B 6/02, 2007).
Недостатком известного световода является сильная зависимость двулучепреломления от температуры световода, что ограничивает область его применения.
Известен двулучепреломляющий микроструктурированный волоконный световод, который изготавливается путем высверливания отверстий в стекле с последующей вытяжкой такой заготовки (Радиотехника и электроника, 2007, т.52, №10, стр.1266). Расположение отверстий в заготовке такого световода несколько отличается от того, что может быть получено путем сборки заготовки из капилляров и стержней, как в приведенном выше варианте (Патент США №7289709, G02B 6/02, 2007). Однако взаимное положение отверстий и форма сердцевины световода также имеют вращательную ось симметрии второго порядка. При этом большая величина двулучепреломления достигается лишь при значительной асимметрии сердцевины (относительной разности ее размеров по двум ортогональным направлениям), что приводит к значительной асимметрии поля моды световода.
Известен также двулучепреломляющий микроструктурированный волоконный световод, выбранный в качестве прототипа, выполненный из сплошного прозрачного материала, имеющий в центральной части сердцевину, образованную за счет окружения ее несколькими концентрическими слоями продольных отверстий, которые расположены на равных расстояниях от ближайших отверстий своего слоя, при этом ряд отверстий в одном направлении имеют уменьшенный или увеличенный диаметр либо уменьшенное или увеличенное расстояние и, вследствие этого, сечение световода имеет вращательную ось симметрии второго порядка (Патент США №6954574, G02B 6/02, 2005). Возникающая вследствие этого асимметрия сердцевины определяет двулучепреломление световода, которое можно оценить приближенной формулой (L.Labonte, E.Pone, M.Skorobogatiy, N.Godbout, S.Lacroix, and D.Pagnoux, "Analysis of the birefringence of solid-core air-silica microstructured fibers", Proc. SPIE 7357, 73570N, 2009):
,
1
2
где λ - длина волны; n и n - эффективные показатели преломления сердцевины и оболочки; a и b - большая и меньшая стороны эквивалентного прямоугольника сердцевины, соответственно.
Недостатком известного световода является прямая зависимость двулучепреломления от асимметрии его сердцевины и, вследствие этого, достижение большой величины двулучепреломления возможно лишь при значительной разности размеров поля моды световода по двум ортогональным направлениям.
Поставленная задача состояла в создании микроструктурированного волоконного световода с высоким двулучепреломлением, обладающего низкой асимметрией поля моды, и расширении области применения.
Технический результат достигается тем, что в микроструктурированном волоконном световоде, выполненном из сплошного прозрачного материала, имеющем в центральной части сердцевину эллиптической или круглой формы, образованную за счет окружения ее продольными отверстиями, эти отверстия расположены одним слоем вокруг сердцевины, а два отверстия имеют увеличенное по сравнению с остальными расстояние между собой и напротив них расположено дополнительное отверстие, при этом сечение световода имеет не более одной плоскости симметрии, проходящей через ось световода. Световод может также содержать один или несколько добавочных слоев отверстий вокруг упомянутого слоя, причем в каждом слое отверстия расположены на равных расстояниях от двух ближайших отверстий предыдущего слоя.
Как следует из вышеприведенной формулировки признаков ДМВС, все отверстия, кроме двух, расположены на равных расстояниях от ближайших отверстий.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 изображено поперечное сечение двулучепреломляющего микроструктурированного волоконного световода.
На фиг.2 приведена геометрическая схема расположения отверстий в ДМВС с одним слоем отверстий.
На фиг.3 приведена геометрическая схема расположения отверстий в ДМВС с двумя слоями отверстий.
На фиг.4 приведены расчетные зависимости фазового двулучепреломления В для ДМВС из кварцевого стекла от параметра формы δ при разных величинах эллиптичности сердцевины е.
На фиг.5 приведена расчетная зависимость фазового двулучепреломления В для ДМВС из кварцевого стекла с круглой сердцевиной от длины волны λ.
На фиг.6 приведены расчетные зависимости фазового двулучепреломления В для ДМВС из кварцевого стекла с круглой сердцевиной от диаметра сердцевины D.
На фиг.7 приведены расчетные зависимости фазового двулучепреломления В и асимметрии поля моды w для ДМВС из кварцевого стекла от величины эллиптичности сердцевины е при двух значениях величины зазора Z.
На фиг.8 приведены фотографии поперечного сечения изготовленного ДМВС из кварцевого стекла при разных увеличениях электронного микроскопа.
На фиг.9 приведено рассчитанное распределение интенсивности поля моды по поперечному сечению для изготовленного ДМВС из кварцевого стекла.
На фиг.10 приведены расчетные зависимости фазового В и группового G двулучепреломления от длины волны λ для изготовленного ДМВС из кварцевого стекла, а также экспериментально измеренное значение группового двулучепреломления.
В общем случае количество концентрических слоев отверстий вокруг сердцевины световода может быть любым - для некоторых применений вполне может быть достаточно одного слоя отверстий, для других может потребоваться большее число слоев. Главным отличием световодов с разным числом слоев отверстий являются их потери на пропускание света, которые можно варьировать за счет изменения других параметров. Однако влияние количества слоев отверстий на величину двулучепреломления и форму поля моды световода незначительно. Проведенные нами сравнительные расчеты показали, что ДМВС с двумя слоями отверстий и с одним слоем отверстий имеют различие в величине двулучепреломления менее 5%. Можно предположить, что добавление дополнительных слоев отверстий даст еще меньшее отличие в величине двулучепреломления. Поэтому, не нарушая общности, далее мы будем рассматривать ДМВС с двумя слоями отверстий.
x
y
x
y
Для удобства описания примем следующее условное название, характеризующее новую структуру ДМВС: MNec, где М - количество отверстий в первом слое; N - количество отверстий во втором слое; е - эллиптическая сердцевина (с - для круглой); с - круглые отверстия (е - для эллиптических). Остальные обозначения: d - диаметр отверстий (круглых); Λ - расстояние между большинством ближайших отверстий (расстояние между отверстиями - это расстояние между их центрами); перемычка между большинством ближайших отверстий рассчитывается по формуле: Р=Λ-d; Λ1 - увеличенное расстояние между отверстиями в первом слое; величина зазора (увеличенной перемычки) Z рассчитывается по формуле: Z=Λ1-d; D и D - диаметры эллиптической сердцевины в направлении зазора и перпендикулярно к направлению на зазор; е - эллиптичность сердцевины световода, которую мы определяем из соотношения е=D/D. Обычно эллиптичность определяется как отношение меньшей полуоси эллипса к большей полуоси. В силу такого определения е≤1. Поскольку в предложенной нами структуре есть выделенное направление - направление на зазор, нагляднее использовать именно предложенное выше определение. Тогда значению е>1 соответствует структура с эллиптической сердцевиной, вытянутой в направлении зазора, а значению е<1 - структура с эллиптической сердцевиной, вытянутой перпендикулярно зазору. Таким образом, изображенная на фиг.1 и фиг.3 структура ДМВС получает условное название 67ес, а изображенная на фиг.2 структура ДМВС - 60ес.
Количество отверстий в первом слое М может быть произвольным (не менее трех). Сравнительные расчеты структур ДМВС с разным М показали, что для круглой сердцевины диаметром D=4 мкм оптимальное количество отверстий в первом слое, позволяющее достичь максимального значения двулучепреломления, равно шести. Поэтому для иллюстраций мы выбрали именно это значение М. Для других величин диаметра сердцевины оптимальное значение М может быть иным и, при необходимости, легко определяется путем сравнительных расчетов структур ДМВС с разным М.
Отметим, что общее число отверстий в ДМВС равно М+N+1, поскольку световод содержит дополнительное отверстие, расположенное напротив зазора.
x
y
Исходным параметром для построения структуры MNec (при заданных значениях D, D, d, Λ и Λ1) является угол α между двумя отверстиями первого слоя, расположенными диаметрально противоположно зазору (см. фиг.2). Эти отверстия могут быть расположены симметрично относительно оси "х" (четное М, как на фиг.1-фиг.3), либо одно из них может лежать на оси "х" (нечетное М). Для структуры 67сс (Dx=Dy≡D) угол α может изменяться от 60° (360°/6) до 51,43° (360°/7).
max
max
Для характеристики формы структуры введем параметр δ=360°/М - α. Тогда, например, для структуры 67сс диапазон изменения δ составит от 0° до ~8,57°. В общем случае для структуры MNcc с круглой сердцевиной δ изменяется от нуля до δ=360°/M-360°/(М+7). Для структуры MNec с эллиптической сердцевиной диапазон изменения δ несколько изменяется в зависимости от эллиптичности сердцевины е. Отметим, что для структуры MNcc с круглой сердцевиной предельным случаям при δ=0° и δ=δ отвечают симметричные структуры, имеющие ось вращения порядка М и М+1, соответственно, проходящую через ось световода. Эти структуры в силу своей симметрии обладают очень низким двулучепреломлением и нас не интересуют, поскольку не имеют увеличенного расстояния между двумя отверстиями в первом слое. При других значениях δ структуры MNcc вообще не имеют осей симметрии, т.е. осей вращения, при повороте вокруг которых структура совмещается сама с собой. Единственный элемент симметрии, которыми они обладают, - это плоскость симметрии, проходящая через середину зазора и ось световода. Отражение в этой плоскости совмещает структуру саму с собой.
Определим параметр w, характеризующий асимметрию поля моды световода, как относительную разность размеров поля моды по двум ортогональным направлениям, т.е. отношение разности размеров поля моды к их средней величине:
,
x
y
где W и W - размеры поля моды световода (полная ширина по уровню половины интенсивности) по двум ортогональным направлениям. Таким образом, низкой асимметрии поля моды световода соответствуют значения w около нуля.
На фиг.1 приведено схематичное изображение поперечного сечения ДМВС 67еc. Световод содержит эллиптическую сердцевину 1 из сплошного прозрачного материала, образованную за счет окружения ее первым слоем круглых продольных отверстий 2 в этом материале. Дополнительное отверстие 3 расположено напротив двух отверстий первого слоя, имеющих увеличенное расстояние между собой. Отверстия 4 второго слоя расположены напротив перемычек между отверстиями первого слоя. Также они могут располагаться между дополнительным отверстием и отверстиями первого слоя, как показано на фиг.1. В качестве материала для изготовления ДМВС используют подходящие для конкретной задачи материалы, например кварцевое стекло. Благодаря наличию отверстий средний эффективный показатель преломления области световода, содержащей их, становится меньше показателя преломления материала и, соответственно, сердцевины. Это эквивалентно обычной отражающей оболочке и обеспечивает световедущие свойства такого световода. Для приведенного на фиг.1 варианта ДМВС основные геометрические параметры имеют следующие соотношения: d/Λ=0,9; Λ1/Λ=1,5; е=0,8.
На фиг.2 приведена геометрическая схема расположения отверстий в ДМВС 60ес и показаны основные параметры. Пунктиром обозначена эллиптическая сердцевина световода. Отверстия диаметром d расположены одним слоем вокруг сердцевины на расстояниях Λ друг от друга. Два отверстия имеют увеличенное расстояние между собой Λ1>Λ. Дополнительное отверстие напротив зазора располагается на расстоянии Λ от ближайших отверстий. Для иллюстрации выбран вариант ДМВС, имеющий другие соотношения геометрических параметров: d/Λ=0,8; Λ1/Λ=1,3; е=1,2.
На фиг.3 приведена геометрическая схема расположения отверстий в ДМВС 67ес и показаны основные параметры. Пунктиром обозначена эллиптическая сердцевина световода. Отверстия диаметром d расположены двумя концентрическими слоями вокруг сердцевины на расстояниях Λ между ближайшими отверстиями своего и соседнего слоев. Два отверстия в первом слое имеют увеличенное расстояние между собой Λ1>Λ. Дополнительное отверстие напротив зазора располагается на расстоянии Λ от ближайших отверстий. Соотношение геометрических параметров то же, что и для фиг.2: d/Λ=0,8; Λ1/Λ=1,3; е=1,2.
y
-4
На фиг.4 приведены расчетные зависимости фазового двулучепреломления В для ДМВС 67ес от параметра формы δ при разных величинах эллиптичности сердцевины е. Диаметр D=4,5 мкм; d/Λ=0,94; длина волны 1,55 мкм; материал - кварцевое стекло. Эти расчеты показывают, что существует оптимальная величина параметра формы δ, при которой достигается максимальное значение двулучепреломления. В частности, при эксцентриситете сердцевины е=1,1 и, следовательно, относительно небольшой асимметрии поля моды световода для ДМВС 67ес с приведенными выше параметрами возможно получение фазового двулучепреломления около 3,6×10 на длине волны 1,55 мкм.
На фиг.5 приведена расчетная зависимость фазового двулучепреломления В для ДМВС 67сс с круглой сердцевиной от длины волны λ. Диаметр D=4,5 мкм; d/Λ=0,94; δ=5,28°; материал - кварцевое стекло. Зависимость B(λ) с хорошей точностью можно аппроксимировать формулой:
-5
2,77
B(λ)=8,73×10×λ,
где λ измеряется в мкм.
На фиг.6 приведена расчетная зависимость фазового двулучепреломления В для ДМВС 67сс от диаметра сердцевины D. Длина волны 1,55 мкм; d/Λ=0,94; δ=5,28°; материал - кварцевое стекло. Зависимость B(D) с хорошей точностью можно аппроксимировать формулой:
-2
-2,76
B(D)=1,87×10×D,
где D измеряется в мкм.
y
-4
На фиг.7 приведены расчетные зависимости фазового двулучепреломления В и асимметрии поля моды световода w для ДМВС 67ес от величины эллиптичности сердцевины е при двух значениях величины зазора Z. Длина волны 1,55 мкм; диаметр D=4,5 мкм; d/Λ=0,94; материал - кварцевое стекло. Значения двулучепреломления нормированы на величину 2,98×10, соответствующую максимальной величине двулучепреломления ДМВС 67сс с круглой сердцевиной и приведенными выше параметрами (см. фиг.4). Как видно из фиг.7, асимметрия поля моды световода w при круглой сердцевине (е=1,0) изменяется при изменении величины зазоров от 0,04 до 0,06. Стоит подчеркнуть, что эти значения w примерно на порядок величины меньше, чем асимметрия поля моды широко распространенных световодов, рассмотренных в работе (L.Labonte, Е.Pone, М.Skorobogatiy, N.Godbout, S.Lacroix, and D.Pagnoux, "Analysis of the birefringence of solid-core air-silica microstructured fibers", Proc. SPIE 7357, 73570N, 2009). Более того, при размере зазора 1,55 мкм и эллиптичности сердцевины световода е=0,9 поле моды световода имеет равные размеры по координатам "x" и "y", что недостижимо для прототипа. Величина двулучепреломления при этом несколько уменьшается, что во многих практических применениях не имеет существенного значения.
Технология изготовления предлагаемого ДМВС состоит из нескольких последовательных операций. Сначала берется исходная заготовка из сплошного прозрачного материала определенной длины и диаметра и с помощью специального сверлильного станка и трубчатого алмазного сверла в ней насквозь просверливаются продольные отверстия, расположенные в заданном порядке. Затем эта заготовка перетягивается на вытяжной установке в промежуточный кейн диаметром несколько миллиметров. Потом на этот кейн нахлопывается трубка определенной толщины и диаметра для того, чтобы в конечном итоге получить необходимое соотношение диаметра световода и сердцевины. И, наконец, производится финальная вытяжка световода на вытяжной установке с нанесением на него защитного покрытия. Возможны некоторые вариации технологии в зависимости от материала световода.
y
На фиг.8 приведены фотографии поперечного сечения изготовленного ДМВС из кварцевого стекла при разном увеличении электронного микроскопа. Хотя форма отверстий изготовленного световода отличается от круглой, для численных расчетов в первом приближении можно использовать его моделирование структурой 65ес. Диаметр D=4,02 мкм и эллиптичность е=1,09 определялись по цифровым фотографиям, представленным на фиг.8; величина d/Λ=0,96 выбиралась из условия обеспечения толщины перемычек между отверстиями ~200 нм, которые были измерены при большем увеличении электронного микроскопа; зазор Z=980 нм обеспечивался подбором параметра δ (≈3,2°). Отметим, что в данном случае мы выбрали структуру с пятью отверстиями во втором слое. Это объясняется малой величиной зазора и достаточно большой величиной отношения d/Λ. При большой величине зазора или при малом отношении d/Λ лучше применять структуру 67ес, представленную на фиг.1 и фиг.3, так как она обеспечивает в этом случае меньшие потери. Для более точных расчетов можно использовать моделирование изготовленного ДМВС структурой 65ее, поскольку форму отверстий можно с хорошей точностью аппроксимировать эллипсами.
На фиг.9 приведено рассчитанное распределение интенсивности поля моды световода по поперечному сечению для изготовленного ДМВС из кварцевого стекла на длине волны 1,0 мкм. Для расчетов мы использовали параметры этого ДМВС, приведенные выше. Видно, что линии равной интенсивности имеют форму, близкую к форме сердцевины, а влияние зазора размером 980 нм на форму поля моды световода практически незаметно.
-4
На фиг.10 приведены расчетные зависимости фазового В и группового G двулучепреломления от длины волны λ для изготовленного ДМВС из кварцевого стекла, а также экспериментально измеренное значение группового двулучепреломления, отмеченное ромбом. Измеренное значение группового двулучепреломления на длине волны 1,53 мкм составило (4,7±0,1)×10, что хорошо совпадает с расчетной величиной. Небольшое расхождение расчетной и измеренной величин обусловлено точностью измерений расстояний с помощью электронного микроскопа, а также сильной зависимостью расчетных величин фазового двулучепреломления В от задаваемых при расчетах (т.е. измеренных) геометрических параметров (см. фиг.6).
-5
-1
Способность световода сохранять поляризацию определяется h-параметром, который характеризует скорость перекачки мощности из одной поляризационной моды в другую. Измеренная величина h-параметра составила 6,4×10 м, что для световода длиной 85 м соответствует менее 0,5% мощности, перекаченной из введенной поляризационной моды в ортогональную поляризационную моду. Это показывает хорошую способность этого световода сохранять поляризацию и говорит о перспективах его практического применения.