CC BY
14ВКВО-2019- Стендовые
МИКРОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ С БОЛЬШИМ СПЕКТРАЛЬНЫМ ДИАПАЗОНОМ ОДНОМОДОВОГО РЕЖИМА
Денисов А.Н.*, Семенов С.Л.
Научный центр волоконной оптики РАН, г. Москва * E-mail: denisov@fo.gpi.ru
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16203
Микроструктурированные волоконные световоды (МВС) из чистого кварцевого стекла с сердцевиной диаметром несколько микрон и оболочкой с относительно большими отверстиями обладают высокой нелинейностью и имеют большой потенциал для многих научных и прикладных применений, таких как генерация суперконтинуума и четырехволновое смешение. Для большого числа задач необходимо также хорошее качество светового пучка, которое может быть обеспечено одномодовыми световодами. МВС с классической гексагональной структурой отверстий потенциально позволяют получить "бесконечный" по спектру одномодовый режим, однако для этого необходимо, чтобы диаметры их отверстий d и расстояния между их центрами Л удовлетворяли условию d/Л < 0,41 [1]. При этом для обеспечения малых потерь на вытекание число слоев отверстий должно быть достаточно большим (например, МВС SC-5.0-1040 фирмы NKT имеет 11 слоев отверстий).
Мы предлагаем новый дизайн МВС, содержащий три слоя одинаковых отверстий вокруг сердцевины, причем третий слой неполный, так что общее число отверстий МВС равно 30 (рис. 1).
Отверстия первого слоя находятся на расстоянии Л\ друг от друга, отверстия второго слоя находятся на расстоянии Л2 > Л1 от ближайших отверстий первого слоя, а отверстия третьего слоя находятся на расстоянии Л3 от ближайших отверстий второго слоя (на первом этапе мы выбрали Лз = Л2). Такой дизайн по существу является МВС с каналами вытекания [2], при этом он дает дополнительные возможности варьирования параметров МВС путем выбора различных соотношений d/Лг и dM.2.
В данной работе приведены результаты численных расчетов
характеристик предложенных структур МВС, которые мы проводили конечных элементов (FEM)
(perfectly matched layer) слоем (светлосерое кольцо на рис. 1) с помощью программного пакета COMSOL 3.5. Расчеты проводились для МВС с сердцевиной диаметром 3,27 мкм.
Для каждого из выбранных значений d/Лг мы определяли величину dM.2, которая обеспечивала потери на вытекание для основной моды 0,2 дБ/м ±0,1% на длине волны 2,4 мкм. Это давало малые потери на вытекание для основной моды (< 0,1 дБ/м) в диапазоне длин волн до 2,3 мкм. Затем проводили расчеты потерь на вытекание для четырех кольцевых высших мод (условно обозначенных цифрами от 3 до 6 в порядке убывания их эффективного показателя преломления) и определяли спектральную границу одномодового режима (потери на вытекание для высших мод > 1,0 дБ/м).
На рис. 2 приведены спектральные зависимости потерь на вытекание для высших мод (общий минимум для всех четырех) для различных значений отношения d/Ль Немонотонное поведение графиков для значений d/Лг = 0,87 и d/Лг = 0,88 поясняется на рис. 3, где приведены спектральные зависимости потерь на вытекание для трех высших мод (потери для мод 4 и 5 практически совпадают) при d/Лг = 0,88. Также на рис. 3 приведена спектральная зависимость потерь на вытекание для основной моды 1 (совпадает с потерями основной моды 2, имеющей ортогональную поляризацию). Интересно отметить, что для остальных соотношений d/Лг минимальное значение потерь на вытекание во всем спектральном диапазоне имеет мода 3. Причиной некоторого резонансного по виду роста потерь в области длин волн 1,0 - 1,2 мкм для мод 3 и 4 является, по-видимому, взаимодействие этих мод с сильно вытекающей модой, имеющей близкое значение эффективного показателя преломления. Эта мода локализована в основном в промежутке между первым и вторым слоями отверстий, но имеет также кольцевую компоненту в сердцевине МВС.
На рис. 4 приведена зависимость границы одномодового режима A,sm от соотношения d/Ль
с использованием метода с цилиндрическим PML
Рис. 1. МВС_088: d/Лг = 0,88
388
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
ВКВ0-2019 Стендовые
Рис. 2. Спектральные зависимости потерь на вытекание для высших мод для различных значений d/Лl
Рис. 3. Спектральные зависимости потерь на вытекание для основной и трех высших мод при d/Лl = 0,88
Как видно из рис. 4, для выбранных параметров МВС (диаметр сердцевины, выбранные значения уровней потерь на вытекание и длинноволновой границы малых потерь для основной моды) существует оптимальное значение параметра d/Лl = 0,88, при котором достигается максимальный
диапазон одномодового режима, коротковолновая граница которого равна ~1,06 мкм.
Отметим, что для гексагональной структуры ^М.1 = d/Л2) выбранный уровень потерь для основной моды получается при значении d/Лl « 0,76. Как видно из рис. 4, для нее диапазон одномодового режима существенно меньше: А^ ~ 1,86 мкм.
На следующем этапе планируется провести дополнительные расчеты с варьированием также значений d/Лз с целью поиска вариантов МВС с более широким диапазоном одномодового режима.
Поскольку предложенный дизайн МВС практически невозможно изготовить методом сборки заготовки для него из капилляров и стержней, для его изготовления планируется использовать технологию высверливания отверстий в заготовке из кварцевого стекла с последующим ее вытягиванием в волоконный световод. При этом достаточно легко изготовить двулучепреломляющий МВС (ДМВС) [3], что позволит использовать его для генерации поляризованного суперконтинуума.
Вариант дизайна такого ДМВС представлен на рис. 5, причем для начала было выбрано соотношение d/Лl = 0,88, для которого были определены значения d/Л2 = d/Лз « 0,72. Для этого ДМВС
была выбрана сердцевина диаметром /А = 3,45 мкм с эллиптичностью e = 0,9, которая при двух увеличенных до определенной величины зазорах (см. [3]) между отверстиями первого слоя обеспечивает практически круглое поле моды. Длина волны нулевой дисперсии для этого ДМВС примерно равна длине волны нулевой дисперсии для МВС с диаметром сердцевины 3,27 мкм и составляет около 0,925 мкм.
При выбранных параметрах ДМВС величина его двулучепреломления на длине волны 1,5 мкм равна ~6х10-4, одномодового режима А^ ~ 1,22 мкм.
Рис. 4. Зависимость границы одномодового режима Asm от
а коротковолновая граница
Рис. 5. ДМВС_62: d/Ai = 0,88; d/Лг = d/A а 0,72
В дальнейшем планируется провести дополнительные расчеты с варьированием параметров d/Лl, d/Л2 и d/Лз для поиска вариантов ДМВС с более широким диапазоном одномодового режима.
Литература
1. A. Mortensen, et al, Opt. Lett. 28, 1879-1881 (2003)
2. W. S. Wong, et al, Opt. Lett. 30, 2855-2857 (2005)
3. A. N. Denisov, et al, J. Lightwave Technol. 33, 5184-5194 (2015)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»
www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru 389
