Уникальное оптоволокно, не теряющее световые характеристики, создали физики

Новости МирТесен

Специалисты из Московского физико-технического института (МФТИ) и Института радиоэлектроники РАН в сотрудничестве с финскими учеными разработали оптоволоконный кабель, характеризующийся необычайно большим диаметром сердцевины и сохраняющий когерентные характеристики светового потока.

Соответствующая статья была опубликована в Optics ExpressДанная разработка будет востребована при создании высокомощных импульсных лазеров на оптоволокне, а также в производстве поляризационных сенсоров.

Сохранение определенных свойств светового потока играет ключевую роль при использовании оптоволоконной связи. В ряде практических применений важно поддерживать два основных параметра: равномерность распределения интенсивности по сечению волокна и поляризацию – характеристику, определяющую направление колебаний электрического или магнитного поля в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Исследователям удалось обеспечить соблюдение обоих этих требований в ходе своей работы.

«Исследования оптических волокон представляют собой одну из наиболее динамично развивающихся областей современной оптики. За последнее десятилетие было предложено и реализовано множество инновационных технологий. Так, специалисты Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН обладают возможностью изготовления нитей оптоволокна практически любой толщины с заданными поперечными характеристиками. В рамках данной работы внутри оптоволокна была сформирована четко определенная структура, отличающаяся по двум взаимно перпендикулярным направлениям, при этом размеры этой структуры последовательно изменяются вдоль длины волокна. Подобные решения уже получили широкое применение в промышленности, и поэтому крайне важно продолжать работу над усовершенствованиями», — отметил один из соавторов исследования, сотрудник ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН, РКЦ и преподаватель МФТИ Василий Устимчик.

Оптоволоконные кабели состоят из тонких нитей, изготовленных из стекла или прозрачного пластика. Несмотря на кажущуюся простоту, их практическое применение сопряжено с рядом существенных трудностей. Изначально серьезной проблемой было ослабление сигнала в оптических линиях. Однако это затруднение было преодолено, что позволило развить оптоволоконную связь. При этом связь – не единственная сфера, где целесообразно использовать оптические волокна. Например, волоконные лазеры на данный момент являются одним из наиболее востребованных типов лазеров.

В подобных лазерах, как и в других их разновидностях, присутствует резонатор – среда, через которую свет многократно проходит в обоих направлениях. Благодаря геометрическим параметрам волоконного резонатора, световой пучок на выходе может обладать лишь определенным набором форм поперечного распределения интенсивности излучения, известных как поперечные моды резонатора. Естественным стремлением является управление модовым составом света, причем на практике чаще всего ученые и инженеры стремятся получить только одну чистую фундаментальную моду, стабильную во времени.

Чтобы обеспечить одномодовую передачу сигнала, волоконный кабель включает в себя сердцевину и оболочку, изготовленные из материалов с различными коэффициентами преломления. Диаметр сердцевины, через которую проходит световой поток, обычно не превышает 10 микрометров.

Повышение оптической мощности излучения, проходящего через волокно, приводит к увеличению количества поглощаемой энергии и, как следствие, к изменению его характеристик. В частности, может произойти неконтролируемое изменение показателя преломления материала волокна. Это вызывает появление нежелательных нелинейных эффектов и дополнительных спектральных линий излучения, что существенно ограничивает мощность передаваемых сигналов. Авторы данной статьи решили эту проблему путем изменения диаметра сердцевины и оболочки вдоль длины волокна.

Если расширение волокна происходит адиабатически, то есть достаточно медленно, то перекачиваемую в другие моды энергию можно уменьшить до менее чем один процент, даже если диаметр сердцевины волокна достигает 100 мкм, что является значительным размером для одномодовых волокон. При этом увеличение диаметра сердцевины и его неоднородность по длине волокна способствуют повышению порога возникновения нелинейных эффектов.

Для решения задачи сохранения поляризации авторы исследования придали оболочке волокна анизотропные свойства: внутренняя структура оболочки характеризуется различной шириной и высотой (имеет эллиптическую форму), что приводит к различию в скорости распространения света, колеблющегося в разных направлениях. В результате такой конструкции процесс перехода между поляризационными модами практически исключается. Ученые продемонстрировали, что длина пути света через волокно, при которой колебания различных поляризаций оказываются в противофазе – так называемая длина поляризационных биений, – зависит от диаметра оболочки: увеличение диаметра приводит к уменьшению этой длины. Данная длина соответствует полному изменению состояния поляризации внутри волокна. Само по себе измерение этого параметра свидетельствует о сохранении поляризации в оптоволокне.

Для изучения свойств оптоволокна, связанных с поляризацией света, применялся метод когерентной рефлектометрии в частотной области. Суть метода заключается во введении определенного светового сигнала в волокно и последующем детектировании сигнала, рассеянного от материала оптоволокна в обратном направлении. Анализ отраженного сигнала позволяет получить значительный объем информации о состоянии волокна.

Обычно данный метод используют для определения расположения дефектов и примесей внутри оптических волокон, однако он также может быть применен для оценки длины когерентности излучения и распределения длин поляризационных биений. Методы когерентной рефлектометрии широко применяются в промышленности для контроля состояния оптоволоконных линий связи. Характерной особенностью используемого метода является его высокая разрешающая способность, достигающая 20 микрометров вдоль длины волокна.

Директор Института радиофизики и электроники им. В. А. Котельникова РАН, член-корреспондент Российской академии наук, заведующий специализацией кафедры Твердотельной электроники, радиофизики и прикладных информационных технологий МФТИ, профессор Сергей Никитов, являющийся руководителем указанного исследования, сделал следующее заявление: разработанные образцы оптоволокна показали выдающиеся характеристики, что указывает на перспективы для дальнейшего совершенствования подобных технологических решений. Их применение возможно не только в лазерной технике, но и в волоконных датчиках — устройствах, принцип работы которых основан на предсказуемой зависимости изменения поляризационных свойств от внешних факторов, таких как температура, давление или наличие биологических примесей. В сравнении с полупроводниковыми аналогами, эти датчики обладают рядом достоинств: отсутствие потребности в электропитании, возможность распределенного детектирования и другие преимущества.