Ученые из московского Физтеха и Института радиотехники и радиоэлектроники РАН совместно с коллегами из Технологического университета Тампере (Финляндия) создали оптоволокно с экстремально большим размером сердцевины, сохраняющее когерентные свойства света. Оно необходимо для создания мощных импульсных оптоволоконных лазеров, усилителей и поляризационных сенсоров. Их исследование опубликовано в последнем номере журнала Optics Express.
Фото: Олег Харсеев, Коммерсантъ
Для передачи информации оптоволокно используется уже более полувека. За это время удалось достичь удивительных результатов по скорости и объему информации. Но связь далеко не единственная область, где можно и нужно использовать оптические волокна. Так, на сегодняшний день одним из наиболее распространенных типов лазеров являются волоконные лазеры.
В них, как и в других видах лазеров, есть резонатор — среда, которую свет многократно проходит в обоих направлениях. Из-за геометрических параметров волоконного резонатора пучок света на выходе может иметь лишь ряд строго определенных форм поперечного распределения интенсивности излучения, так называемых поперечных мод резонатора. Естественным желанием является контролировать модовый состав света, причем на практике чаще всего ученые и инженеры желают получить лишь одну чистую фундаментальную моду, не изменяющуюся со временем.
Для поддержки одномодового режима работы волокно должно состоять из сердечника и оболочки — материалов с разными показателями преломления, причем толщина внутренней части, по которой распространяется излучение, составляет, как правило, менее 10 микрометров. При увеличении оптической мощности света, распространяющегося по волокну, растет и количество поглощаемой энергии, что приводит к изменению характеристик волокна, а именно, например, происходит неконтролируемое изменение показателя преломления в материале, из которого волокно изготовлено. А эти эффекты приводят к тому, что возникают паразитные нелинейные эффекты, дополнительные спектральные линии излучения и так далее, что в значительной степени ограничивает мощность передаваемых сигналов.
Для решения этой проблемы физики варьировали размеры диаметра сердцевины и оболочки вдоль длины волокна. При условии, что расширение волокна происходит адиабатически, то есть достаточно медленно, можно сократить долю перекачиваемой в другие моды энергии до уровня ниже одного процента, даже при условии, что диаметр сердцевины волокна может достигать 100 мкм, что является очень большим размером для одномодовых волокон. При этом большой диаметр сердцевины и его нерегулярность по длине волокна увеличивают порог возникновения нелинейных эффектов.
Для решения второй задачи — сохранения поляризации ученые сделали оболочку волокна анизотропной. Внутренняя часть оболочки в сечении эллиптической формы, что приводит к тому, что скорость распространения света с различным направлением колебаний поля отличается. Процесс перекачки из одной поляризационной моды в другую при такой структуре волокна практически сходит на нет.
Для исследования свойств, связанных с поляризацией света в волокне, использовались методы когерентной рефлектометрии в частотной области. Суть метода состоит в том, чтобы завести в волокно определенный световой сигнал и затем детектировать сигнал, рассеянный в материале оптоволокна в обратном направлении. Из отраженного сигнала можно извлечь значительное количество информации.
Руководитель исследования член-корреспондент РАН С. А. Никитов считает, что созданные образцы оптоволокна найдут применение не только в лазерных системах, но и в волоконных датчиках, в которых изменение поляризационных характеристик заранее известно в зависимости от внешних условий, таких как, например, температура, давление, биологические и другие примеси.
Дмитрий Воронин