Анализ условий достижения одномодового режима в полых антирезонансных световдах с большой эффективной модовой площадью Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ВКВ0-2019 Стендовые

АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ДОСТИЖЕНИЯ ОДНОМОДОВОГО РЕЖИМА В ПОЛЫХ АНТИРЕЗОНАНСНЫХ СВЕТОВДАХ С БОЛЬШОЙ ЭФФЕКТИВНОЙ МОДОВОЙ ПЛОЩАДЬЮ

Демидов В.В.1'2*, Ананьев В.А.1'2'3, Хохлов А.В.1, Комаров А.В.1, Тер-Нерсесянц Е.В.1,

Леонов С.О.2, Карасик В.Е.2

1 Научно-производственное объединение Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова,

г. Санкт-Петербург

2 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, г. Москва 3 Университет ИТМО, г. Санкт-Петербург

* Е-шаП: demidov@goi.ru

DOI 10.24411/2308-6920-2019-16219

На протяжении последнего десятилетия значительное внимание разработчиков в области волоконной оптики сосредоточено на создании микроструктурированных световодов с полой сердцевиной, принцип локализации излучения в которых основан на явлении антирезонансного отражения света [1-3]. Это обусловлено рядом преимуществ таких световодов относительно аналогов, сердцевина которых выполнена из стекла, в том числе возможностью передачи высокомощных ультракоротких лазерных импульсов, управления дисперсией и нелинейностью, функционирования в средней инфракрасной области спектра.

Способы достижения в рассматриваемых оптических элементах одномодового режима работы базируются обычно на тщательном подборе геометрических параметров сердцевины и капилляров оболочки, способствующих подавлению распространения излучения модами высшего порядка за счет их фазового согласования с интенсивно затухающими оболочечными модами [4, 5]. Настоящее исследование было направлено на изучение этого процесса в полых антирезонансных световодах с большой эффективной модовой площадью, функционирующих в ближней и средней инфракрасных областях спектра.

В качестве базового объекта для исследования использовался квазиодномодовый световод из кварцевого стекла с сердцевиной диаметром 46 мкм (эффективная площадь поля фундаментальной моды более 1000 мкм2) и оболочкой на основе шести несоприкасающихся капилляров [6]. Толщина стенок капилляров составляла 2,8 мкм, что обеспечивало существование, по меньшей мере, четырех спектральных областей с максимальным пропусканием оптического сигнала - вблизи длин волн 1,3, 1,6, 2,15 и 3,25 мкм.

Оценка эффективности фазового согласования наиболее конкурентной первой высшей моды сердцевины и фундаментальной моды оболочки осуществлялась в программной среде COMSOL Multiphysics с применением метода конечных элементов. Для решения этой задачи были построены и численно проанализированы более двадцати кросс-секций полого антирезонансного световода с вариацией внешнего диаметра капилляров оболочки (ОшО без изменения толщины их стенок, а также внутреннего диаметра опорной оболочки. На Рис. 1 приведены изображения трех характерных кросс-секций и соответствующих им поперечных распределений электрического поля фундаментальной моды на длине волны X = 1,3 мкм.

= 29 мкм а)

ШЮ

а?от = 26 мкм б)

€Щ

о

сто

а?от = 20 мкм в)

Рис. 1. Эволюция поперечного распределения электрического поля фундаментальной моды полого антирезонансного световода на длине волны А = 1,3 мкм по мере увеличения диаметра сердцевины

(Б): Б = 29 мкм (а), Б = 35 мкм (б), Б = 47мкм (в)

Рис. 1а иллюстрирует случай Ош/О = 1,0 (Б - диаметр сердцевины), а Рис. 1в - Ош/О = 0,426, воспроизводящий кросс-секцию реально полученного световода [6]. Очевиден более интенсивный характер вытеснения электрического поля за пределы сердцевины по мере уменьшения Ош^Б, что

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»

www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru 417

ВКВО-2019- Стендовые

находит отражение в монотонном увеличении эффективной площади поля фундаментальной моды. Как показывают ниже данные Таблицы 1, это обстоятельство справедливо и при смещении в область больших значений длины волны излучения. С другой стороны, оптический элемент с геометрической конфигурацией, обеспечивающей наибольшее значение эффективной модовой площади, может не отвечать условию распространения единственной фундаментальной моды.

Таблица 1. Геометрические параметры и вычисленные значения эффективной площади поля фундаментальной моды в полых антирезонансных световодах

№ п/п dout, мкм D, мкм Эффективная площадь поля ( I «2 )ундаментальнои моды, мкм2

X = 1,3 мкм X = 1,6 мкм X = 2,15 мкм X = 3,25 мкм

1 29 29 432,6 434,9 437,6 436,0

2 26 35 634,1 635,2 637,0 639,9

3 20 47 1134,0 1144,6 1150,5 1159,9

Эффективность фазового согласования (равенства волноводных показателей преломления) направляемой первой высшей моды сердцевины и ненаправляемой фундаментальной моды оболочки, оказывающего влияние на способность световода к достижению одномодового режима передачи излучения, проиллюстрирована на Рис. 2.

а) б)

Рис. 2. Характер изменения волноводного показателя преломления в паре «фундаментальная мода оболочки - первая высшая мода сердцевины» (пе//) в зависимости от доли мощности фундаментальной моды оболочки (Реям/Р) на длине волны А = 1,3 мкм (а) и А = 3,25 мкм (б) (Р - суммарная мощность)

Как видно из кривых на Рис. 2, фазовое согласование модовых компонент происходит в том случае, если доля мощности фундаментальной моды оболочки составляет не менее 0,5 от суммарной в паре мод (Оои = 27,4 мкм и Л^м/^ = 0,516 для X = 1,3 мкм, dout = 27,6 мкм и PFsм/P = 0,635 для X = 3,25 мкм). С позиции выбора геометрических параметров световода этот критерий отвечает неравенству 0,82 < Оо^/^ < 0,88. Добавим, что условию фазового согласования мод в паре «фундаментальная мода оболочки - первая высшая мода сердцевины» соответствует наибольшее из вычисленных значений оптических потерь, а именно, 25 дБ/м на X = 1,3 мкм и 35 дБ/м на X = 3,25 мкм. Это эквивалентно затуханию мощности первой высшей моды более чем в 300 раз на участке световода длиной 1 м, что фактически способствует поддержанию режима передачи только фундаментальной моды сердцевины в отрезках длиной даже в несколько десятков сантиметров.

Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 19-1900596).

Литература

1. Pryamikov A.D., et al, Optics Express 19, 1441-1448 (2011)

2. Kolyadin A.N., et al, Optics Express 21, 9514-9519 (2013)

3. Poletti F, Optics Express 22, 23807-23828 (2014)

4. Hartung A., et al, Optics Letters 40, 3432-3435 (2015)

5. Uebel P., et al, Optics Letters 41, 1961-1964 (2016)

6. Ананьев В.А. и др., Труды учебных заведений связи 5, 6-14 (2019)

418

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru