CC BY
53ВКВО-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты
ФОТОННО-КРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ СВЕТОВОД С УВЕЛИЧЕННЫМ ДИАМЕТРОМ ПОЛЯ МОДЫ ДЛЯ СРЕДНЕГО ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА
Лашова А.А., Львов А.Е., Салимгареев Д.Д., Корсаков А.С., Жукова Л.В.*
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, г. Екатеринбург
* E-mail: l.v.zhukova@urfu.ru
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16074
Фотонно-кристаллические световоды (Photonic crystal fiber - PCF) являются уникальными компонентами нелинейной оптики и фотоники благодаря устойчивости к изгибам, возможности управления проходящим излучением и передаче в одномодовом режиме. На сегодняшний день разработано большое количество PCF для видимого и ближнего инфракрасного (ИК) диапазона (от 0,2 до 2,0 мкм) на основе кварцевых материалов, а также для среднего ИК (до 14 мкм) на основе халькогенидных стекол, которые обладают малыми оптическими потерями, способны генерировать суперконтинуум или выделять требуемую длину волны, управлять поляризационными свойствами и т.д., однако применение таких фотонно-кристаллических световодов ограничено их хрупкостью, сложными конфигурациями осевых вставок и трудностями в производстве [1,2].
На основе галогенидов серебра и одновалентного таллия также могут быть разработаны фотонно-кристаллические световоды с диапазоном пропускания от 2,0 до 25,0 мкм и более, обладающие высокой устойчивостью к изгибам, фото- и радиационной стойкостью, малыми оптическими потерями (0,5 дБ/м) позволяющие управлять передаваемым ИК излучением. Такие PCF изготавливаются методом семистадийной экструзии [3], реализация которого является длительным и ресурсоемким процессом, в связи с чем в производственный цикл галогенидсеребряных волокон был введен этап компьютерного моделирования, предназначенный для проектирования структуры фотонного световода, а также прогнозирования его оптических свойств.
В данной работе было выполнено моделирование фотонно-кристаллических световодов на основе кристаллов системы AgBr - TlBr0 46I0 54 в среде Comsol Multiphysics с целью получения одномодового световода с увеличенным диаметром поля моды для передачи ИК излучения в диапазоне от 3,0 до 13,0 мкм. Выбор кристаллов системы AgBr - TlBr0 46I0 54 обусловлен возможностью создания на их основе каналов передачи, прозрачных до 25,0 мкм, а также их устойчивостью к радиации (до 500 кГр), что является важным для космических и технических приложений. Для симуляции был выбран световод с центральной вставкой из оптически более плотного материала, чем основной материал PCF. Сама конструкция фотонно-кристаллического световода содержит 7 осевых вставок одинакового диаметра: центральное включение требуется для поддержания полного внутреннего отражения и удержания излучения высокой мощности, шесть вставок образуют гексагональное кольцо, ограничивающее сердцевину PCF, которое передает излучение за счет механизма фотонных запрещенных зон. Материал кольцевых вставок выбран как оптически менее плотный в сравнении с основным материалом PCF. Таким образом для данной структуры наибольший показатель преломления имеет центральное включение (nci), а наименьший -гексагонально-расположенные вставки (ni): nci > nm > ni, где nm - показатель преломления основного материала - матрицы.
Кристаллы системы AgBr - TlBr0 46I0 54 имеют две области гомогенности [4], из которых для моделирования был выбран один состав с содержанием TlBr0 46I0 54 в AgBr до 29 мол.%. При таких содержаниях TlBr0,46I0,54 в AgBr световоды обладают достаточной гибкостью и прочностью для практических применений. Химические составы элементов PCF представлены в таблице 1. Для состава каждого элемента PCF были определены показатели преломления в зависимости от длины волны (табл. 1).
Таблица 1. Химические составы элементов фотонно-кристаллического световода в мол. % TlBrojloMв AgBr : ЦВ - центральная вставка, M - матрица, КВ - кольцевые вставки, nc¡, nm, n - их показатели
Состав, в мол. % Показатель преломления n на длине волны X
3 мкм 5 мкм 8 мкм 10,6 мкм 13 мкм
ЦВ 29 2,2469 2,2450 2,2400 2,2346 2,2283
М 25 2,2391 2,2349 2,2311 2,2274 2,2231
КВ 21 2,2282 2,2244 2,2243 2,2186 2,2155
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»
www.fotonexpres.rufotonexpres@mail.ru 149
ВКВО-2019 -- ВКВО-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты
Симуляция выполнялась при равных диаметрах вставок d = 20 мкм, межвставочных расстояниях Л = 100 мкм, внешнем диаметре световода D = 240 мкм. В процессе моделирования задавались диэлектрические и магнитные проницаемости сред, длина волны проходящего излучения и соответствующие ей показатели преломления. По результатам симуляции были получены двумерные и трехмерные картины распределения излучения в поперечном сечении PCF, эффективные показатели преломления, а также значения напряженности электрического поля. Результаты моделирования для каждой длины волны приведены на рисунке 1.
3 мкм nsff= 2.2445
5 мкм iîsff= 2,2365
8 мкм n5f£= 2.2310
10,6 мкм Пей= 2,2269
13 мкм Пея= 2,2224
Рис. 1. Результаты моделирования PCF при передаче излучения с различной длиной волны
Для каждой смоделированной структуры были получены одномодовые режимы передачи с увеличенным диаметром поля моды от 30 мкм (при X = 3 мкм) до 240 мкм (при X > 10,6 мкм) при диаметре вставок 20 мкм, как можно видеть на рис. 1. Данные значения были достигнуты за счет малой разности показателей преломления между элементами структуры фотонно-кристаллического волокна (среднее значение разности составляет An = 0,008). Данные значения разностей показателей преломления позволяют изготовить PCF c четкой границей раздела между элементами структуры. Кроме того, по мере увеличения длины волны наблюдается увеличение диаметра поля моды, таким образом PCF данного состава и конфигурации являются перспективными для приема и передачи среднего ИК излучения с X > 10 мкм.
Таким образом в данной работе были смоделированы фотонно-кристаллические световоды на основе системы монокристаллов AgBr - TlBr0,46I0,54 с увеличенным диаметром поля моды, передающий ИК излучения в диапазоне длин волн от 3,0 до 13,0 мкм в одномодовом режиме. Химические составы элементов PCF были выбраны из одной области гомогенности фазовой диаграммы системы AgBr - TlBr0 46I0 54 при близком содержании второго компонента в первом, что требуется для достижения малой разности показателей преломления между матрицей и вставками. Разности An « 0,008 позволяют передавать излучение с малыми потерями на удержание и высокой интенсивностью. Дальнейшие работы в области исследования PCF на основе галогенидов серебра и одновалентного таллия требуют изучения нелинейных характеристик световодов, а также разработки фотонных волокон для специальных применений.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 18-73-10063).
Литература
1. Kanungo V., et al, Opt. Comm. 297, 147-153 (2013)
2. Ahmad H, et al, Opt. and Quantum Electronics 50, 405 (2018)
3. Korsakov A., Opt. and Spectroscopy 117 (5), 960-963 (2014)
4. Salimgareev D, Diss. on PhD, 155 (2018)
150
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
