Совместная разработка ученых из Московского физико-технического института и Института радиофизики и электроники РАН, а также финских коллег привела к созданию оптоволоконного кабеля с необычайно широкой сердцевиной, обеспечивающей сохранение когерентности светового сигнала.
Соответствующая статья была опубликована в Optics Express. Данная технология может быть использована при создании высокомощных импульсных оптоволоконных лазеров и усилителей, а также при разработке поляризационных сенсоров.
Сохранение оптических свойств – ключевая задача при использовании оптоволокна. В ряде приложений критически важно поддерживать два основных параметра: распределение интенсивности по поперечному сечению волокна и поляризацию, определяющую направление колебаний электрического или магнитного поля в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. В ходе исследования ученым удалось обеспечить соблюдение обоих этих требований.
«Исследование оптических волокон представляет собой одну из наиболее динамично развивающихся сфер в оптике. За последнее десятилетие было разработано и реализовано множество технологических решений. В частности, в Институте радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН теперь возможно создание нитей оптоволокна практически любой толщины с произвольной поперечной структурой. В рамках данной работы внутри оптоволокна была сформирована четко заданная структура, отличающаяся по двум перпендикулярным осям, при этом размеры этой структуры изменяются пропорционально по длине волокна. Подобные разработки уже нашли широкое применение в производстве, и поэтому крайне важно продолжать работу в этом направлении, — отмечает один из соавторов, 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.
Как и в других лазерных системах, в них присутствует резонатор – среда, через которую свет многократно отражается в обоих направлениях. Геометрические характеристики волоконного резонатора обуславливают, что на выходе свет может иметь только определенные формы поперечного распределения интенсивности излучения, известные как поперечные моды резонатора. При этом, возникает потребность в управлении модовым составом излучения, и на практике исследователи и разработчики, как правило, стремятся получить только одну, чистую фундаментальную моду, которая не меняется 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 света, распространяющегося по волокну, увеличивает поглощение энергии, что влечет за собой изменения в его свойствах. В частности, может происходить непредсказуемое изменение показателя преломления материала волокна. Эти явления вызывают нежелательные нелинейные эффекты и появление дополнительных спектральных линий, существенно ограничивающих мощность передаваемых сигналов. В качестве решения, которое и применили авторы данной статьи, является изменение 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 поддержания поляризации авторы разработали анизотропную оболочку волокна: внутренняя структура оболочки, характеризующаяся переменной шириной и высотой (в форме эллипса), приводит к различию в скорости распространения света в зависимости от направления колебаний поляризации. Такая структура волокна практически исключает переходы между поляризационными модами. В ходе исследования ученые продемонстрировали, что длина пути света через волокно, при которой колебания разных поляризаций находятся в противофазе (так называемая длина поляризационных биений), зависит от диаметра волокна: увеличение диаметра приводит к уменьшению этой длины. Эта длина соответствует одному полному изменению состояния поляризации внутри волокна. Следовательно, при подаче линейно поляризованного света в волокно, после прохождения указанного расстояния свет снова станет линейно поляризованным. Само по себе измерение этого параметра подтверждает сохранение поляризации в волокне.
Для изучения характеристик, обусловленных поляризацией света в оптическом волокне, применялись методы когерентной рефлектометрии в частотной области. Метод предполагает ввод в волокно заданного светового сигнала и последующее детектирование сигнала, рассеянного от материала оптоволокна в обратном направлении. Анализ отраженного сигнала позволяет получить ценные данные.
Обычно этот метод используют для выявления расположения дефектов и примесей в оптических волокнах. Кроме того, он позволяет определить длину когерентности излучения и распределение длин поляризационных биений. В индустрии методы когерентной рефлектометрии широко используются для контроля состояния оптоволоконных линий. При этом, характерной чертой используемого метода является высокая разрешающая способность, позволяющая собирать данные с точностью до 20 микрометров вдоль волокна.
Сергей Никитов, заведующий специализацией кафедры Твердотельной электроники, радиофизики и прикладных информационных технологий МФТИ, член-корреспондент РАН, профессор и директор ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН, руководивший исследованием, отметил: «Разработанные образцы оптоволокна показали выдающиеся характеристики, что указывает на перспективы для дальнейшего совершенствования подобных технологий. Их можно будет использовать не только в лазерных системах, но и в волоконных датчиках — устройствах, в которых изменение поляризационных свойств заранее определяется в зависимости от внешних факторов, например, температуры, давления, биологических и других примесей. Эти датчики, в отличие от полупроводниковых, обладают рядом достоинств: им не требуется электропитание, они способны проводить распределенное детектирование и имеют иные преимущества».