CC BY
17DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-69-70
МИКРОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ РАЗЛИЧНОЙ КОНСТРУКЦИИ С НАВЕДЕННОЙ КИРАЛЬНОСТЬЮ
Бурдин А.В.1'2'3'4, Тер-Нерсесянц Е.В.2 , Хохлов А.В.2, Пчелкин Г.А.2'5, Матросова А.С.2'6, Демидов В.В.2, Дукельский К.В.2'4'6, Бурдин В.А.1, Барашкин А.Ю.1, Дашков М.В.1'
1 7 7 7 8
Евтушенко А.С. , Морозов О.Г. , Кузнецов А.С. , Сахабутдинов А.Ж. ' Сингх Г. '
Тивари М.8
'Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики, г. Самара 2Научно-производственное объединение Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова,
г. Санкт-Петербург 3ООО «ОптоФайбер Лаб», г. Москва, Сколково 4Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича,
г. Санкт-Петербург
5Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, г. Санкт-Петербург 6Университет ИТМО, г. Санкт-Петербург 7Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ, г. Казань 8Национальный технологический институт Малавии, г. Джайпур, Индия
E-mail: [email protected]
Кварцевые волоконные световоды (ВС) с наведенной киральностью (продольной скруткой) известны с начала 1980-х годов. Оригинальная идея получения закрученного ВС впервые была изложена в работе [1] и заключалась в использовании вращения преформы с постоянной скоростью в процессе вытягивания ВС на вытяжной установке. Применительно к одномодовым ВС эта концепция заявлялась как способ устранения поляризационной модовой дисперсии [1, 2]. Для многомодовых ВС наведение киральности рассматривалось в качестве метода снижения величины дифференциальной модовой задержки (ДМЗ) и, как следствие, увеличения ширины полосы пропускания оптического сигнала [3]. Развитие технического уровня средств манипуляции с оптическими материалами и элементами способствовало появлению альтернативного способа изготовления киральных ВС путем закручивания сравнительно короткого отрезка ВС, расположенного горизонтально в пространстве между двумя держателями, при его локальном нагреве пламенем кислородно-водородной горелки, излучением CO2-лазера или в результате воздействия дугового разряда [4].
Цель данной работы заключалась в адаптации стандартной технологии вытягивания ВС к получению оптических элементов с наведенной киральностью, которые характеризовались бы как малым, так и сравнительно большим количеством оборотов на единицу длины, и применения этой технологии для изготовления микроструктурированных ВС, функционирующих в маломодовом режиме. Интерес к киральным микроструктурированным ВС был обусловлен возможностью формирования в них мод орбитальных угловых моментов и оптической активности без изменения химического состава и конструкции [5].
На первом этапе была проведена техническая модернизация узла подачи преформ вытяжной установки, которая затронула механическую и электронную части. Изначально оборудование позволяло изготавливать ВС с низкой степенью киральности (2-5 об/м), поскольку максимальная скорость вращения преформы в зажимном патроне составляла 10 об/мин. Для увеличения скорости вращения был адаптирован новый шаговый двигатель взамен существующего. После модернизации минимальная скорость вращения преформы увеличилась до 20 об/мин, а максимальная - до 200°об/мин. В последнем случае степень киральности ВС составляла около 66 об/м при скорости вытягивания 3 м/мин [6]. Измерения скорости проводились ручным тахометром Hornel HT341.
Основной сложностью при изготовлении микроструктурированных ВС с наведенной киральностью стала невозможность управления относительными размерами пустот в поперечном сечении ВС в процессе вытягивания по причине отсутствия технической возможности подачи избыточного давления в каналы преформы в момент вращения зажимного патрона узла подачи вытяжной установки. По этой причине на втором этапе была разработана конструкция и изготовлен из фторопласта специальный вращательный переход. Главная функция этого устройства заключалась одновременно в подаче избыточного давления в каналы преформы и обеспечении ее вращения с заданной скоростью без физического разрушения.
С использованием описанных выше технических решений была изготовлена серия микроструктурированных ВС различной конструкции с наведенной киральностью, а также определены их базовые параметры передачи - модовый состав излучения, коэффициент затухания, распределение интенсивности излучения в ближнем поле на длине волны 1550 нм (таблица 1).
Таблица 1. Характеристики изготовленных микроструктурированных ВС с наведенной киральностью
Тип ВС
Поперечное сечение ВС
Спектр затухания / уровня оптического сигнала ВС со степенью киральности 66 об/м
Распределение интенсивности излучения
в ближнем поле ВС со степенью киральности 66 об/м
Со смещением сердцевины относительно оси (тип А)
С сердцевиной кольцевой формы (тип Б)
С 6-лучевой равноугольной симметрией оболочки (тип В)
О ф
Полученные результаты свидетельствуют о принципиальной возможности практической реализации микроструктурированных ВС с относительно высоким периодом наведенной продольной скрутки. Вместе с тем необходимо отметить недостаточную степень формирования мод орбитальных угловых моментов в ВС по причине ограниченного числа модовых компонент в световодах типа А и В (две пространственные моды) и избыточного числа модовых компонент в световоде типа Б (более 20 пространственных мод). Поэтому дальнейшие усилия разработчиков будут направлены на прецизионное изготовление ВС с заданным модовым составом (3-4 пространственные моды) и степенью киральности до 200 об/м для устойчивого формирования орбитальных угловых моментов. Тем не менее применительно к ВС типа Б и В было установлено увеличение оптической активности, проявляющееся в более равномерной локализации оптического поля в области сердцевины по мере увеличения степени киральности.
Результаты измерений карт ДМЗ, проведенных в соответствии с общим подходом ратифицированных стандартов TIA-455-220-A/FOTP-220 и IEC 60793-2-10 как отдельно для ВС типа Б и В, так и в комбинации с многомодовым ВС 50/125 первого поколения, отличающегося сильным проявлением эффекта ДМЗ, показали потенциальную возможность применения рассматриваемых оптических элементов для задач управления дисперсионными параметрами селективного модового состава ряда приложений телекоммуникационных и сенсорных сетей.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ, DST, NSFC и NRF в рамках научного проекта № 19-57-80016 БРИКС_т.
Литература
1. Barlow A.J. et al, Appl. Opt. 20, 2962-2968 (1981)
2. Fuochi M. et al, Opt. Express 12, 1972-1977 (2004)
3. DiGiovanni D.J. et al, Pat. U.S. 20010019652 (2001)
4. Ma C. et al, Photonics 8, 193 (2021)
5. Xi X.M. et al, Phys. Rev. Lett. 110, 143903 (2013)
6. Бурдин А.В. и др., Труды учебных заведений связи 7, 6-19 (2021)
