CC BY
91
УДК 681.7.068
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МОД В ВОЛОКОННОЙ СТРУКТУРЕ НА ОСНОВЕ ОТРЕЗКА ВОЛОКНА С ДВОЙНОЙ ОБОЛОЧКОЙ
© 2012 И.В. Злодеев1 , О.В.Иванов1-2
1 Ульяновский государственный университет 2 Ульяновский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН
Поступила в редакцию 20.11.2012
Исследуется взаимодействие мод в волоконно-оптической структуре, основанной на вставке волокна 8М630, имеющего двойную оболочку и малую сердцевину. С использованием модового анализа объясняется механизм образования провалов, наблюдаемых в спектрах пропускания структуры. Показано, что образование провалов происходит на длинах волн, соответствующих сближению постоянных распространения двух мод волокна.
Ключевые слова: оптическое волокно, оболочечные моды, волокно с двойной облочкой
ВВЕДЕНИЕ
Волоконно-оптические датчики имеют ряд преимуществ по сравнению с полупроводниковыми и оптоэлектронными аналогами, поэтому в настоящее время наблюдается большой интерес к их исследованию. Среди преимуществ можно выделить независимость измерений от электрических и магнитных полей, возможность использования в агрессивных химических средах, в условиях с повышенным уровнем пожарной и взрывоопасности и другие.
Перспективными для использования в волоконно-оптических датчиках являются волоконные структуры, принцип действия которых основан на взаимодействии и преобразовании оболо-чечных мод, в связи с простотой их изготовления и широким спектром возможного применения [1]. К таким структурам относятся длиннопериодные решетки, связывающие однонаправленные моды; брэгговские решетки, возбуждающие встречно направленные моды; интерферометры, основанные на интерференции основной моды сердцевины с одной или несколькими модами оболочки [2, 3]; и другие. Перечисленные волоконные структуры могут найти различные применения в качестве датчиков различных физических параметров, в частности, натяжения [4, 5], температуры [6], давления, изгиба [7], показателя преломления внешней среды [8].
Для возбуждения моды оболочки необходимо передать ей энергию из основной моды, для
Злодеев Иван Владимирович, аспирант, инженер лаборатории твердотельной электроники научно-исследовательского технологического института. E-mail: stygwaar@yandex.ru
Иванов Олег Витальевич, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник. E-mail: olegivvit@yandex.ru
чего в волокне должен быть создан некоторый дефект: длиннопериодная решетка [9], стык двух волокон с несогласованными профилями мод сердцевины [3, 10], стык стандартного волокна и микроструктурированного [11], в котором также могут распространяться моды высших порядков [12], схлопывание отверстий дырчатого волокна [13] и т.п.
Ранее нами была предложена структура, состоящая из отрезка волокна SM630 с малой сердцевиной и двойной оболочкой, заключенного между стандартными волокнами SMF-28 [10]. Отрезок волокна-вставки имеет сердцевину, диаметр которой меньше диаметра стандартного волокна, и является одномодовым на длинах волн свыше 612 нм. В спектрах пропускания предложенной структуры экспериментально были обнаружены интерференционные пики, наличие которых было описано теоретически, а также широкие провалы. Настоящая работа посвящена исследованию причин появления указанных провалов. Для этого проводится анализ модовой структуры волокна SM630 с двойной оболочкой на различных длинах волн.
1. ВОЛОКОННАЯ СТРУКТУРА
Исследуемая в работе волоконно-оптическая структура образована вставкой отрезка волокна SM630 фирмы 3M Specialty Optical Fibre между двумя отрезками стандартного волокна SMF-28 ( rco = 4.2 мкм, Д = 0.36% , NA=0.14, ^cutoff = 1260 нм). Для соединения оптических волокон используется обычный автоматический сварочный аппарат.
Волокно SM630, используемое в качестве вставки, как показали измерения его профиля показателя преломления (рис. 1), имеет внутреннюю оболочку с показателем преломления ninn
ниже показателя преломления внешней оболочки пс1: пс1 - птп = 0.0043 . Радиус внутренней оболочки составляет 25 мкм. Сердцевина волокна имеет диаметр более чем вдвое меньший, чем у стандартного волокна: тсо = 1.8 мкм. Разница между показателем преломления сердцевины Псо и внутренней оболочки составляет псо - п1пп = 0.0054 . Малый радиус сердцевины волокна 8М630 обусловлен тем, что рабочая длина волны этого волокна - 630 нм (А^д = 612 нм). В данной работе структура на основе отрезка волокна 8М630 исследуется в диапазоне длин волн 1100-1700 нм, на которых сердцевина указанного размера удерживает моды достаточно слабо.
На первом стыке волокон 8МР-28 и 8М630, имеющих различные параметры сердцевины, мощность из моды сердцевины волокна 8МР-28 распределяется между модами второго волокна вследствие того, что профили мод двух волокон различны. От первого стыка моды распространяются по отрезку волокна 8М630 ко второму стыку. Часть энергии рассеивается в результате передачи ее части модам высоких порядков и потерь на поверхности волокна. На втором стыке моды волокна 8М630 преобразуются в моду сердцевины волокна 8МР-28 и могут интерферировать друг с другом. Также на втором стыке часть излучения попадает в оболочку волокна 8МР-28, где теряется, не возвращаясь в его сер-
0 20 40 60 Координата (мкм)
Рис. 1. Профиль показателя преломления в волокне 8М630
ЗМБ-28 БМбЗО 5МБ-28
Рис. 2. Схема распространения световых лучей в волоконной структуре
дцевину. Ход световых лучей в созданной структуре показан на рис. 2.
Спектр пропускания описанной структуры (рис. 3, сплошная кривая) содержит нерегулярные осцилляции, средний период которых по длине волны, как было показано ранее [10], зависит обратно пропорционально длине интерферометра. Эти осцилляции обусловлены интерференцией моды сердцевины и мод оболочки. При этом огибающая спектра имеет два широких провала: один - шириной около 30 нм расположен на длине волны 1185 нм и другой - шириной около 50 нм на длине волны 1450 нм. Положение и ширина провалов не зависят от длины волокна вставки, что указывает на неинтерференционное происхождение этих двух провалов.
0,-
м
я
я
«
и
о
^
с
о £
-4 -
-12 -
-16 -
-20 1100
окрашенное волокно
1200 1300 1400 1500 1600 1700 Длина волны (нм)
Рис. 3. Спектры структуры с зачищенным от полимерного покрытия волокном (сплошная линия) и с окрашенным волокном (пунктирная линия)
При окрашивании волокна-вставки черной краской спектр пропускания структуры становится более гладким, без многочисленных осцил-ляций (см. рис. 3, пунктирная кривая). При этом провал на длине волны 1185 нм становится более гладким и четким, а провал на длине волны 1450 нм размывается в широкую полосу поглощения от 1350 до 1700 нм.
2. МОДЫ ВОЛОКНА С ДВОЙНОЙ ОБОЛОЧКОЙ
Покажем, каким образом возможно образование провалов в спектрах исследуемой структуры. Волокно 8М630 имеет внутреннюю оболочку с пониженным показателем преломления, поэтому модовая структура этого волокна существенно отличается от структуры мод стандартного волокна. Мы произвели расчет эффективных показателей преломления мод волокна 8М630 ( пед = // к0, где /3 - постоянная рас-
пространения моды и
К
волновое число в вакууме), предполагая, что волокно имеет ступенчатый профиль со следующими параметрами: г = 1.8 мкм, п — п = 0.0054, г = 25 мкм,
со ' со тп ' тп '
пс1 — птп = 0.0043 , гс1 = 62.5 мкм, где пс1 рассчитывается с использованием формулы Сел-лмейера, описывающей дисперсию кварцевого стекла.
На рис. 4 приведены зависимости эффективных показателей преломления первых восьми ази-мутально-симметричных мод волокна 8М630 от длины волны, рассчитанные в параксиальном приближении. Это приближение состоит в том, что предполагается распространение мод почти параллельно оси волокна и что относительная разность между эффективными показателями преломления мод и показателем преломления оболочки — пс1)/ пс1 является малой величиной. В этом приближении можно считать, что моды имеют линейную поляризацию и обозначить их ЬРт Пары чисел на рисунке около кривых соответствуют нижним индексам 1т, задающим модовые числа линейно поляризованных мод.
Зависимости для первых пяти мод близки к прямым и равномерно идут вниз с увеличением длины волны. Эти моды во всем исследуемом диапазоне длин волн являются модами внешней оболочки. Профили распределения поля двух из этих мод (ЬР01 и ЬР02) показаны на рис. 5 Поле этих мод в области сердцевины близко к нулю, а во внутренней оболочке отлично от нуля только вблизи границы внутренней и внешней оболочек.
Далее идут моды, которые меняют свой тип с изменением длины волны. Так мода ЬР06 до длины волны около 1480 нм является модой внешней оболочки, а после 1500 нм становится
1.448 1.446 с 1.444 1.442 1.440 1.438 1.436
ч ч-. • 4 " . X -X ■ X X
4 О. ч 4 \ • X X "ч ХЛ- х ■ - ' Ч. 4 ч • 1 ^х.'-. >.хх "X X. ^Хч N. Ч. ''..Чч X \ X ^^
. : X" X X чч"Х Х-Х;ч X - X X Ч-ч ч V х V X Г'-.,.. хч хч
х • X •• ■ ч -: ч ч ч ч ^
: 1 1 : . - : 1 ; 1 1
1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700
Длина волны (нм)
Рис. 4. Зависимости эффективных показателей преломления первых восьми мод волокна 8М630 от длины волны. Пунктиром показаны длины волн, где происходит максимальное сближение зависимостей двух мод
0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 -0.01
-1РИ
........1РШ
" * ЬР07
- \
' ■ ............
0
10
20
30
40
50
60
Радиус (мкм)
Рис. 5. Профили некоторых мод световода 8М630 на длине волны излучения 1550 нм
модой сердцевины. Профиль моды ЬР06 на длине волны 1550 нм показан пунктирной линией на рис. 7, где видно, что большая часть энергии этой моды сосредоточена в центре волокна. Вместе с тем во внешней оболочке также присутствуют незначительные осцилляции поля моды. На длине волны 1490 нм возникает видимость пересечения зависимостей двух мод, тогда как в действительности есть только значительное сближение эффективных показателей преломления двух мод. При этом сближении происходит изменение типа мод: мода сердцевины ЬР07 становится модой оболочки, а мода ЬР06 становится модой сердцевины. Аналогичная ситуация имеет место на длине волны 1185 нм для мод ЬР07 и ЬР08. На рис. 4 обведены участки зависимостей мод ЬР06, ЬР07 и ЬР08, на которых они являются модами сердцевины.
Моды, следующие за модой сердцевины, являются модами всего волокна - их поле распро-1.0
§ 0.8
о к
й «
ЁУ
к
0.6
0.4
0.2
0.0
\
■ 1 -8МР-28 1РИ
........8М530 ^06
............
0
10
20
30
40 50 60 Радиус (мкм)
Рис. 6. Профили мод сердцевины оптических световодов 8МР-28 и 8М630 на длине волны излучения 1550 нм
Радиус (мкм)
Рис. 7. Профили ЬР06 и ЬР07 мод световода 8М630 на длине волны 1489.4 нм, соответствующей точке сближение постоянных распространения двух мод
страняется как в сердцевине, так и во внутренней и внешней оболочках волокна (см. рис. 5, кривая ЬР07). На длине волны, соответствующей сближению зависимостей для двух мод, эти моды имеют схожие профили: поле присутствует и в сердцевине и в оболочке (см. рис. 7).
3. ОБСУЖДЕНИЕ
При создании структуры, включающей отрезок волокна 8М630, излучение из сердцевины волокна 8МР-28 попадает на стыке в волокно 8М630 с иным набором собственных мод. Энергия излучения перераспределяется между всеми модами волокна 8М630. Самая эффективная передача энергии происходит в моду, имеющий профиль поля наиболее близкий к полю моды сердцевины волокна 8МР-28. Такой модой является мода сердцевины волокна 8М630, которая в зависимости от длины волны есть одна из мод ЬР06, ЬР07 или ЬР08. В тоже время, можно отметить, что профиль моды сердцевины в волокне 8М630 имеет существенно большую протяженность, чем профиль моды в стандартном волокне (рис. 6) в связи с тем, что сердцевина 8М630 слабее направляет моду, чем сердцевина 8МР-28. Так на радиусах больше 15 мкм амплитуда моды 8М630 более чем на порядок превосходит амплитуду моды волокна 8МР-28.
На участках длин волн, соответствующей сближению эффективных показателей преломления некоторых двух мод, отсутствует мода с профилем, близким к профилю моды сердцевины волокна 8МР-28, и излучение переходит в обе эти моды, имеющие схожее распределение поля
в области сердцевины, а также в другие моды более высоких порядков (в том числе излуча-тельные), имеющие ненулевые амплитуды поля в области сердцевины. Величина поля всех этих мод на внешней оболочке значительно больше поля моды сердцевины.
На втором стыке волокон излучение снова попадает в волокно 8МР-28. Если в волокне-вставке распространялась в основном одна мода сердцевины, то эта мода преобразуется обратно в моду сердцевины и потери будут не значительны. Однако на длинах волн сближения постоянных распространения возбуждается много мод высоких порядков, возвращение которых в сердцевину происходит с бьльши-ми потерями и сопровождается их интерференцией. Как видно из рис. 3, на экспериментальных спектрах пропускания в двух областях сближения постоянных (1185 нм и 1480) распространения наблюдаются соответствующие провалы.
Расчет показывает, что амплитуда поля моды сердцевины во внешней оболочке, а также на ее внешней границе увеличивается при увеличении длины волны. Поэтому при наличии поглощения на указанной границе потери для моды сердцевины также будут расти с длиной волны. Этот рост потерь на больших длинах волн мы и наблюдаем, когда окрашиваем волокно.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, предложен механизм образования провалов в спектрах волоконной структуры, основанной на вставке отрезка волокна 8М630 с двойной оболочкой между стандартными волокнами 8МР-28. Продемонстрировано, что провалы образуются на длинах волн, соответствующих сближению постоянных распространения двух мод волокна с двойной оболочкой.
БЛАГОДАРНОСТИ
Авторы благодарят Лихачева Е.М. и НЦВО РАН за проведенные измерения профиля показателя преломления волокна 8М630.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федеральных целевых программ "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 годы" и "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы"
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Иванов О.В., Никитов С.А., Гуляев Ю.В. Оболочечные моды волоконных световодов и их прменение // Успехи физических наук. 2006. Т. 176. №2. С. 175-202.
2. Дианов Е.М., Васильев С.А., Медведков О.И., Фролов А.А. Динамика наведения показателя преломления при облучении германосиликатных световодов различными типами УФ излучения // Квантовая электроника. 1997. Т.24. №9. С. 805-808
3. Терентьев В. С. Численное моделирование волоконного отражательного дифракционного интерферометра // Автометрия. 2012. Т. 48. №4. С. 41-54.
4. Liu Y. and Wei L. Low-cost high-sensitivity strain and temperature sensing using graded-index multimode fibers // Applied Optics. 2007. V.46. P. 2516-2519
5. Kumar D., Sengupta S., Ghorai S.K. Distributed strain measurement using modal interference in a birefringent optical fiber // Measurements Science and Technology. 2008. V.19. Art. no. 065201
6. Chen T.-J. Use of liquid-crystal-clad fiber as modal filter for a two-mpde fiber-optic interferometer / / Optics Letters. 2004. V.29. P. 2852-2854.
7. Frazao O., et al. Optical inclinometer based on a single long-period fiber grating combined with a fused taper //
Optics Letters. 2006. V.31. P. 2960-2962.
8. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Гурбатов С. О. Спектр изогнутого волоконного интерферометра Фабри -Перо при малых вариациях показателя преломления внешней среды // Квантовая электроника. 2011. Т.41. №9. С. 821-823.
9. Dong X., Su L., Shum P. et al. Wavelength-selective allfiber filter based on a single long-period fiber grating and a misaligned splicing point // Optics Communications. 2006. V.258. P. 159-163.
10. Ivanov O.V. Fibre -optic interferometer formed by a section of small-core fibre spliced between standart fibres // Optics Communications. 2009. 282. P. 38953898.
11. Chen W., Lou Sh., Wang L., S. Feng, H. Zou, W. Lu, Sh. Jian, In-fiber modal interferometer based on dual-concentric-core photonic crystal fiber and its strain, temperature and refractive index characteristics // Optics Communications. 2011. V. 284. P. 2829-2834.
12. Мажирина Ю.А., Мельников Л.А. О структуре областей волноводности высших мод фотонно-кристалли-ческих волокон со сплошной сердцевиной // Оптика и спектроскопия. 2009. Т. 107. С. 480-485
13. Choi H.Y. et al. Photonic crystal fiber interferometer composed of a long period fiber grating and one point collapsing of air holes // Optics Letters. 2008. V.33. P. 812-814.
INTERACTION OF MODES IN A FIBER STRUCTURE BASED ON A SECTION OF DOUBLE-CLADDING FIBER
© 2012 I.V. Zlodeev1, O.V. Ivanov ^
1 Ulyanovsk State University 2 Ulyanovsk Branch of Kotel'nikov Institute of Radio-engineering and Electronics of RAS
We study interaction of modes in a fiber-optical structure based on a double-cladding fiber section with small core (SM630). Mode analys is used to explain the mechanism of formation of the dips that are observed in the transmission spectra of the structure. It is shown that the dips are formed at wavelengths where the propagation constants of two modes are very close to each other. Keywords: optical fiber, cladding modes, double-cladding fiber
Ivan Zlodeev, Graduate Student, Ulyanovsk State University, engineer at the Solid Electronics Laboratory. E-mail: stygwaar@yandex.ru
Oleg Ivanov, Doctor of Physics and Mathematics, Senior Research Fellow. E-mail: olegiv-vit@yandex.ru
