Фотонно-кристаллические и микроструктурированные волоконные световоды

  Микроструктурированные (дырчатые, фотонно-кристаллические) волоконные световоды рассматриваются сегодня в качестве перспективных оптических элементов для применения в лазерной технике в качестве активных сред, а также для передачи и нелинейно-оптического преобразования мощных световых потоков с заданным распределением светового излучения в поперечном сечении. Эти возможности определяются такими отличительными особенностями микроструктурированных световодов как существование только основной моды в неограниченном спектральном диапазоне, возможность смещения длины волны нулевой дисперсии в видимую часть спектра, достижение одномодового режима распространения излучения в сердцевинах большого (более 10 мкм) диаметра. Вместе с тем увеличение размеров сердцевины независимо от типа волоконного световода может сопровождаться изменением модового состава переносимого по световоду излучения. Возможны и другие негативные явления: снижение устойчивости направляемых мод к изгибу световода, сужение рабочего спектрального диапазона, увеличение параметра затухания света.

   На протяжении последних десяти лет наша лаборатория успешно занимается разработкой технологии микроструктурированных волоконных световодов, что позволило получить серии экспериментальных образцов волокон с рядом преимущественных параметров. В частности, нам удалось добиться расширения рабочего спектрального диапазона одномодового режима в сердцевинах диаметром 20-40 мкм до 300 нм в коротковолновой области спектра.

  Необходимо отметить, что процесс изготовления структурированных световодов отличается от аналогичного процесса производства стандартных оптических световодов. Так, на первой стадии осуществляют получение кварцевых стержней и капилляров нужного диаметра для последующего формирования дырчатой структуры. Общее число таких элементов может быть достаточно большим (более двухсот).

  Затем полученные капилляры и стержни совмещают определенным образом в особую структуру, составляющую так называемую исходную сборку. На второй стадии сборка помещается в высокотемпературную печь, после чего происходит вытягивание волоконного световода с заданной поперечной структурой. Одной из особенностей процесса изготовления таких волоконных световодов является возможность оперативного изменения их геометрических параметров (размеров сердцевины, оболочки, воздушных отверстий) для получения исключительных оптических характеристик.


 Высокоапертурные волокна. NA>0,3

диаметр сердцевины 50 мкм, диаметр облочки 175 мкм
диаметр сердцевины 80 мкм, диаметр облочки 125 мкм


Световоды с большой сердцевиной и низкими изгибными потерями

Сердцевина образована заменой 7-ми центральных элементов

Для всех волокон:

  • диаметр оболочки 150-300 мкм

  • одномодовый режим распространения излучения

  • высокая устойчивость к стационарному изгибу, позволяющая использовать волокна на стандартной транспортировочной катушке диаметром 16 см

  • диаметр сердцевины 20-40 мкм

  • оптические потери < 20 дБ/км на длине волны λ = 1550 нм

 
  Сердцевина образована заменой 19-ти центральных элементов
  Сердцевина смещена на величину шага структуры оболочки
  Циклическая система отверстий оболочки (симметрия C12V)
  Структура с чередованием отверстий в оболочке (симметрия C3V)





 



Спектр оптических потерь в микроструктурированных световодах со смещенной сердцевиной (синяя кривая) и стандартной центральной сердцевиной (красная кривая). Расширение рабочего спектрального диапазона световода со смещенной сердцевиной достигает 250 нм за счет повышенной устойчивости оптических характеристик к стационарному изгибу волокна (катушка диаметром 16 см).



Диаметр сердцевины 25 мкм Диаметр сердцевины 35 мкм
Спектры оптических потерь в микроструктурированном волокне с чередованием больших и малых отверстий в оболочке. Измерения проводились при размещении волокон на катушке диаметром 16 см.