МОДОВЫЙ СОСТАВ ДЫРЧАТЫХ волокон С БОЛЬШОЙ СЕМИЭЛЕМЕНТНОЙ СЕРДЦЕВИНОЙ
ÓÄÊ 666.189.21: 666.22
ÌÎÄÎÂÛÉ ÑÎÑÒÀ ÄÛÐ×ÀÒÛÕ ÂÎËÎÊÎÍ Ñ ÁÎËÜØÎÉ ÑÅÌÈÝËÅÌÅÍÒÍÎÉ ÑÅÐÄÖÅÂÈÍÎÉ
© 2008 ã. © 2008 ã. © 2008 ã.
Ï. Ì. Àãðóçîâ*; Ê. Â. Äóêåëüñêèé**, êàíä. òåõí. íàóê; À. Ñ. Êîçëîâ*; À. Â. Êîìàðîâ**; Ì. Ï. Ïåòðîâ*, äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê; Å. Â. Òåð-Íåðñåñÿíö**; À. Â. Õîõëîâ**; Â. Ñ. Øåâàíäèí**, äîêòîð òåõí. íàóê
** Ôèçèêî-òåõíè÷åñêèé èíñòèòóò èì. À.Ô. Èîôôå, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã
** Íàó÷íî-èññëåäîâàòåëüñêèé è òåõíîëîãè÷åñêèé èíñòèòóò îïòè÷åñêîãî ìàòåðèàëîâåäåíèÿ ** ÂÍÖ “ÃÎÈ èì. Ñ.È. Âàâèëîâà”, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã
** Å-mail: mpetr.shuv@mail.ioffe.ru, volokno@goi.ru
Ïðîâåäåíî ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå ìîäîâîãî ñîñòàâà èçëó÷åíèÿ, ðàñïðîñòðàíÿþùåãîñÿ ïî ñåðäöåâèíå äûð÷àòûõ âîëîêîí íà îñíîâå êâàðöåâîãî ñòåêëà. Ñåðäöåâèíà îáðàçîâàíà çàìåíîé ñåìè öåíòðàëüíûõ ýëåìåíòîâ â ïîëèêàïèëëÿðíîé ãåêñàãîíàëüíîé ñáîðêå îäíèì ñòåðæíåì, ÷òî ïîçâîëÿåò óâåëè÷èòü ðàçìåð ñåðäöåâèíû îòíîñèòåëüíî âíåøíåãî äèàìåòðà âîëîêíà. Ïîêàçàíî, ÷òî ïðàêòè÷åñêè îäíîìîäîâûé ðåæèì äîñòèæèì ïðè áîëüøåì çíà÷åíèè ñîäåðæàíèÿ âîçäóõà â îáîëî÷êå ïî ñðàâíåíèþ ñ ðåçóëüòàòîì òåîðåòè÷åñêîãî àíàëèçà.
Êîäû OCIS: 060.2430.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 22.04.2008.
Èíòåðåñ ê äûð÷àòûì îïòè÷åñêèì âîëîêíàì ñ áîëüøîé ñåðäöåâèíîé (ïî ïðèíÿòîé òåðìèíîëîãèè, ðàçìåð êîòîðîé ïðåâûøàåò 10 ìêì) îáóñëîâëåí íåîáõîäèìîñòüþ ãåíåðàöèè èëè ïåðåäà÷è ìîùíûõ ëàçåðíûõ ñâåòîâûõ ïîòîêîâ ñ ìèíèìàëüíûìè íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèìè èñêàæåíèÿìè.
 ðàáîòàõ [1, 2] áûëî ïðåäëîæåíî äëÿ óâåëè÷åíèÿ äèàìåòðà ñåðäöåâèíû ëàçåðíûõ âîëîêîííûõ ìèêðîñòðóêòóðèðîâàííûõ ñâåòîâîäîâ ôîðìèðîâàòü åå çàìåíîé íå îäíîãî, êàê äåëàëîñü ðàíåå, à ñåìè èëè äåâÿòíàäöàòè öåíòðàëüíûõ îòâåðñòèé â ãåêñàãîíàëüíîé óïîðÿäî÷åííîé ñèñòåìå íà åäèíûé ñòåðæåíü. Ïîñëå ïåðåòÿãèâàíèÿ ñáîðêè ñòåðæåíü îáðàçîâûâàë ñåðäöåâèíó ñâåòîâîäà, à êàïèëëÿðû – ñâåòîîòðàæàþùóþ îáîëî÷êó.  ðàáîòàõ [3, 4] ïðîâåäåí òåîðåòè÷åñêèé àíàëèç ðàñïðîñòðàíåíèÿ èçëó÷åíèÿ ïî äûð÷àòûì ñâåòîâîäàì ñ ìíîãîýëåìåíòíîé ñåðäöåâèíîé (èìååòñÿ â âèäó, ÷òî ñåðäöåâèíà ìîíîëèòíà, íî îáðàçîâàíà çàìåíîé íåñêîëüêèõ îäíîðîäíûõ ýëåìåíòîâ – îòâåðñòèé). Áûëî óñòàíîâëåíî, ÷òî íåîãðàíè÷åííûé ïî ñïåêòðó îäíîìîäîâûé ðåæèì ïåðåäà÷è èçëó÷åíèÿ óñòàíàâëèâàåòñÿ ïðè çíà÷åíèè ïàðàìåòðà k ≤ 0,04 (k = d/Λ, ãäå d – äèàìåòð îòâåðñòèÿ, Λ – øàã ñòðóêòóðû ñâåòîîòðàæàþùåé îáîëî÷êè).  òî æå âðåìÿ õàðàêòåðíûé äëÿ äûð÷àòûõ âîëîêîí ðåæèì ðàñïðîñòðàíåíèÿ åäèíñòâåííîé îñíîâíîé ìîäû â íåîãðàíè÷åííîì ñïåêòðàëüíîì äèàïàçîíå (“áåñêîíå÷íûé” îäíîìîäîâûé ñâåòîâîä) ñ îäíîýëåìåíòíîé ñåðäöåâèíîé äîñòèãàåòñÿ ïðè k ≤ 0,4. Ïðàêòè÷åñêè ðåàëèçàöèÿ è âîñïðîèçâåäåíèå ñòðóêòóðû ñ k ≤ 0,04 ïðåäñòàâëÿåòñÿ âåñüìà çàòðóäíèòåëüíûì.  ñâÿçè ñ ýòèì äåòàëüíîå èçó÷åíèå îñîáåííî-
ñòåé ðàñïðîñòðàíåíèÿ èçëó÷åíèÿ ïî ìíîãîýëåìåíòíûì ñåðäöåâèíàì äëÿ âûÿñíåíèÿ âîçìîæíîñòè ïåðåäà÷è èçëó÷åíèÿ â îäíîìîäîâîì ðåæèìå, ïóñòü è â îãðàíè÷åííîì ñïåêòðàëüíîì äèàïàçîíå, ÿâëÿåòñÿ àêòóàëüíîé çàäà÷åé.
 íàøåé ïóáëèêàöèè [5] ñîîáùàëîñü î ðàçðàáîòêå è èññëåäîâàíèè ìèêðîñòðóêòóðèðîâàííûõ îïòè÷åñêèõ âîëîêîí, â êîòîðûõ ñåðäöåâèíà îáðàçîâàíà çàìåíîé ñåìè èëè äåâÿòíàäöàòè öåíòðàëüíûõ êàïèëëÿðîâ â èñõîäíîé ñáîðêå íà îäèí öåíòðàëüíûé ñòåðæåíü, îáðàçóþùèé â ïðîöåññå âûòÿæêè ñåðäöåâèíó ñâåòîâîäà. Óïîìÿíóòûå ýëåìåíòû èçãîòàâëèâàëèñü èç êâàðöåâîãî ñòåêëà, à çàìåíà íå îäíîãî, à íåñêîëüêèõ êàïèëëÿðîâ ïîçâîëèëà óâåëè÷èòü ýôôåêòèâíûé ðàçìåð ñåðäöåâèíû ïî ñðàâíåíèþ ñ âíåøíèì äèàìåòðîì ñâåòîâîäà.  ïðîöåññå èññëåäîâàíèÿ îïòè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê ñâåòîâîäîâ ñ áîëüøîé ìíîãîýëåìåíòíîé ñåðäöåâèíîé áûëî óñòàíîâëåíî èõ çàìåòíîå îòëè÷èå îò ïàðàìåòðîâ àíàëîãîâ ñ îäíèì äåôåêòîì ñòðóêòóðû â êà÷åñòâå ñåðäöåâèíû.  ÷àñòíîñòè, ïðè îäèíàêîâûõ çíà÷åíèÿõ äèàìåòðà ñåðäöåâèíû ñðàâíèâàåìûõ âîëîêîí ðàáî÷èé ñïåêòðàëüíûé äèàïàçîí â âîëîêíàõ ñ ìíîãîýëåìåíòíîé ñåðäöåâèíîé ðàñøèðÿëñÿ çà ñ÷åò êîðîòêîâîëíîâîãî ñìåùåíèÿ ãðàíèöû âûòåêàíèÿ îñíîâíîé ìîäû. Èçìåðåíèÿ ïðîâîäèëèñü íà ñòàíäàðòíîé âîëîêîííîé êàòóøêå äèàìåòðîì 16 ñì. Ïðè ýòîì ñïåêòðû îïòè÷åñêèõ ïîòåðü íåçàâèñèìî îò çíà÷åíèÿ ïàðàìåòðà k â äèàïàçîíå 0,2–0,5 áûëè ïîäîáíû ñïåêòðàì “áåñêîíå÷íîãî” îäíîìîäîâîãî âîëîêíà [6].
Ýòè ñïåêòðû íå ñîäåðæàëè ìàêñèìóìîâ çàòóõàíèÿ ïî ïðè÷èíå îòñå÷êè âûñøèõ ìîä è îòëè÷àëèñü
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 11, 2008
73
âûðàæåííîé êîðîòêîâîëíîâîé ãðàíèöåé, îáóñëîâëåííîé õàðàêòåðíûì äëÿ äûð÷àòûõ âîëîêîí âûòåêàíèåì îñíîâíîé ìîäû íà èçãèáå ïðè íàìîòêå íà ñòàíäàðòíóþ òðàíñïîðòèðîâî÷íóþ êàòóøêó äèàìåòðîì 16 ñì.
Óãëîâàÿ ðàñõîäèìîñòü èçëó÷åíèÿ ñâåòîâîäîâ ñ ñåðäöåâèíîé äèàìåòðîì 20–30 ìêì ñîñòàâëÿëà íåñêîëüêî ñîòûõ ðàäèàí, ÷òî òàêæå ñîîòâåòñòâîâàëî ðåæèìó ðàñïðîñòðàíåíèÿ ôóíäàìåíòàëüíîé ìîäû.
Îäíàêî ïðåäïîëîæåíèå, ÷òî îäíîìîäîâûé õàðàêòåð èçëó÷åíèÿ ñîõðàíÿåòñÿ â ñòîëü øèðîêîé îáëàñòè èçìåíåíèÿ ãåîìåòðè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ ñâåòîâîäîâ, êàê ýòî ìîæíî áûëî áû ïðåäñòàâèòü ïî äàííûì ðàáîòû [5], íóæäàëîñü â äîïîëíèòåëüíîé ïðîâåðêå. Ïîýòîìó öåëüþ íàñòîÿùåé ðàáîòû áûëî ïðîâåäåíèå èññëåäîâàíèé ìîäîâîãî ñîñòàâà èçëó÷åíèÿ â ìíîãîýëåìåíòíîé ñåðäöåâèíå, â ÷àñòíîñòè ìåòîäàìè ìîäîâûõ áèåíèé.
 ýêñïåðèìåíòå èçëó÷åíèå ïîëóïðîâîäíèêîâîãî ëàçåðà, ïåðåñòðàèâàåìîå â ñïåêòðàëüíîé îáëàñòè 1520–1600 íì, ââîäèëîñü â îòðåçêè ìèêðîñòðóêòóðèðîâàííûõ ñâåòîâîäîâ äëèíîé îò íåñêîëüêèõ äî äåñÿòêîâ ìåòðîâ. Ïðîìåæóòî÷íûì çâåíîì ìåæäó ëàçåðîì è èññëåäóåìûì âîëîêíîì ñëóæèë îòðåçîê ñòàíäàðòíîãî îäíîìîäîâîãî âîëîêíà SMF28. Âîëîêíà ñòûêîâàëèñü ìåæäó ñîáîé ñ ïîìîùüþ ìèêðîìåòðè÷åñêîé ïîäâèæêè, ïðîñòðàíñòâî ìåæäó òîðöàìè çàïîëíÿëîñü èììåðñèîííîé ÓÔ-îòâåðæäàåìîé æèäêîñòüþ äëÿ äîñòèæåíèÿ íàäåæíîé ôèêñàöèè âîëîêîí. Ñèãíàë ñ âûõîäíîãî òîðöà èññëåäóåìîãî âîëîêíà ðåãèñòðèðîâàëñÿ èçìåðèòåëåì îïòè÷åñêîé ìîùíîñòè ÏÒ 2010.
Áûëè èçãîòîâëåíû îáðàçöû ìèêðîñòðóêòóðèðîâàííûõ âîëîêîí íà îñíîâå êâàðöåâîãî ñòåêëà ñ ñåìèýëåìåíòíîé ñåðäöåâèíîé è âàðüèðîâàíèåì ïàðàìåòðà k â ïðåäåëàõ ïðèáëèçèòåëüíî îò 0,19 äî 0,5. Âîëîêíà âûòÿãèâàëèñü èç èñõîäíîé ãåêñàãîíàëüíîé ïîëèêàïèëëÿðíîé ñáîðêè, â êîòîðîé ñåìü öåíòðàëü-
íûõ êàïèëëÿðîâ áûëè çàìåíåíû îäíèì ñòåðæíåì, ôîðìèðóþùèì â ïðîöåññå âûòÿãèâàíèÿ ñåðäöåâèíó îïòè÷åñêîãî âîëîêíà. Ñåðäöåâèíà ñâåòîâîäîâ èìåëà ãåêñàãîíàëüíóþ ôîðìó è ïîýòîìó õàðàêòåðèçîâàëàñü äâóìÿ ðàçìåðàìè – âäîëü äèàãîíàëè øåñòèóãîëüíèêà è â îðòîãîíàëüíîì íàïðàâëåíèè. Ñïåêòðû îïòè÷åñêèõ ïîòåðü èçìåðÿëèñü ìåòîäîì îáðûâà, à íà ýëåêòðîííîì ìèêðîñêîïå áûëè ïîëó÷åíû èçîáðàæåíèÿ òîðöîâ âîëîêîí. Èçìåðåíèÿ îïòè÷åñêèõ ïîòåðü ïðîâîäèëèñü íà îòðåçêàõ âîëîêîí äëèíîé íåñêîëüêî äåñÿòêîâ ìåòðîâ (ìàêñèìàëüíàÿ äëèíà 200 ì), ïðè îïðåäåëåíèè êàðòèíû ìîäîâûõ áèåíèé äëèíû ñâåòîâîäîâ ñîñòàâëÿëè íåñêîëüêî ìåòðîâ äëÿ ïîëó÷åíèÿ äîñòàòî÷íîãî ñïåêòðàëüíîãî ðàçðåøåíèÿ.
Áûëî óñòàíîâëåíî, ÷òî äëÿ áîëüøèíñòâà ïîëó÷åííûõ îáðàçöîâ ñâåòîâîäîâ õàðàêòåðíî ñóùåñòâîâàíèå ïî ìåíüøåé ìåðå äâóõ ìîä. Èñêëþ÷åíèå ñîñòàâèë ñâåòîâîä ñ k ≈ 0,19, â êîòîðîì áèåíèÿ ìîä íå íàáëþäàëèñü äàæå ïðè óâåëè÷åíèè íà ïîðÿäîê ðàçðåøàþùåé ñïîñîáíîñòè ðåãèñòðèðóþùåé ñèñòåìû ïî ñðàâíåíèþ ñ åå îáû÷íûì çíà÷åíèåì, äîñòàòî÷íûì äëÿ ïðîÿâëåíèÿ ìîäîâûõ áèåíèé â îñòàëüíûõ èññëåäîâàííûõ ñâåòîâîäàõ. Ðåçóëüòàòû ôóðüå-àíàëèçà êàðòèíû áèåíèé – ïðîñòðàíñòâåííûå ÷àñòîòû áèåíèé ν – ïåðåñ÷èòûâàëèñü â âåëè÷èíó ðàçíîñòè ýôôåêòèâíûõ ïîêàçàòåëåé ïðåëîìëåíèÿ Δneff, ðàñïðîñòðàíÿþùèõñÿ ïî ñâåòîâîäó ìîä. Ðàñ÷åò Δneff ïðîèçâîäèëñÿ ïî ôîðìóëå
Δneff = (νλ2 ) / l,
ãäå λ – äëèíà âîëíû ñåðåäèíû äèàïàçîíà ñêàíèðîâàíèÿ, l – äëèíà ñâåòîâîäà.
Ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ ìîäîâûõ áèåíèé â ìèêðîñòðóêòóðèðîâàííûõ âîëîêíàõ ñâåäåíû â òàáëèöó.
Èç òàáëèöû âèäíî, ÷òî ðàçíîñòü ýôôåêòèâíûõ çíà÷åíèé ìîäîâûõ ïîêàçàòåëåé ïðåëîìëåíèÿ ñîñòàâëÿåò íåñêîëüêî åäèíèö 10–3, ÷òî ñâèäåòåëüñòâóåò î áèåíèÿõ ðàçëè÷íûõ ïðîñòðàíñòâåííûõ ìîä. Îáðà-
Çàâèñèìîñòü ìîäîâûõ õàðàêòåðèñòèê îò ãåîìåòðè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ ñâåòîâîäà
Íîìåð ñâåòîâîäà
1 1à 2 3à 3á
Ðàçìåð ñåðäöåâèíû, ìêì
25,5×23 25,5×23 26,5×24,5 26,5×24,5 26,5×24,5
4 24,5×22
Ïàðàìåòð k
0,19 0,19 0,27 0,34 0,34
0,50
Äëèíà îáðàçöà, ì
19 0,8 2,0 1,6 3,2
2,8
×àñòîòà áèåíèé, íì–1
áèåíèÿ îòñóòñòâóþò 0,06 0,8 0,7 1,5 3,2 1,3 1,8 4,0 4,8
Ðàçíèöà ýôôåêòèâíûõ ïîêàçàòåëåé ïðåëîìëåíèÿ
ìîä
—
0,0002
0,00096
0,00105
0,0010 0,0024
0,0011 0,0015 0,0034 0,0041
74 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 11, 2008
Çàòóõàíèå, äÁ/êì Ìîùíîñòü, ìêÂò
Çàòóõàíèå, äÁ/êì Ìîùíîñòü, ìêÂò
150 100 50
0 600
(á)
(à)
1000
1400 λ, íì
(â)
60 0 1540
1560 λ, íì
(à) 160
80
0 1000
1200
1400
λ, íì
(á) (â) 150 0 1520 1560 λ, íì
Ðèñ. 1. à – ñïåêòð îïòè÷åñêèõ ïîòåðü, á – ôîòîãðàôèÿ òîðöà âîëîêíà, â – êàðòèíà ìîäîâûõ áèåíèé äëÿ îáðàçöà ñ k ≈ 0,5.
Ðèñ. 2. à – ñïåêòð îïòè÷åñêèõ ïîòåðü, á – ôîòîãðàôèÿ òîðöà âîëîêíà, â – êàðòèíà ìîäîâûõ áèåíèé äëÿ îáðàçöà ñ k ≈ 0,9.
ùàåò íà ñåáÿ âíèìàíèå ñîâïàäåíèå çíà÷åíèé Δneff, ñîñòàâëÿþùèõ îêîëî 0,001, âî âñåõ èññëåäîâàííûõ îáðàçöàõ ïðè âàðüèðîâàíèè ïàðàìåòðà k. Äàííûå, ïðèâåäåííûå â òàáëèöå, òàêæå ïîêàçûâàþò íàëè÷èå ìîäîâûõ áèåíèé íà âûõîäå êîðîòêîãî, ìåíåå ìåòðà, îòðåçêà âîëîêíà 1à. Ýòî ãîâîðèò î òîì, ÷òî õîòÿ áû îäíà èç âûñøèõ ìîä íå ïîëíîñòüþ çàòóõàåò íà îòíîñèòåëüíî ìàëûõ äëèíàõ. Íà äëèíàõ â íåñêîëüêî äåñÿòêîâ ìåòðîâ âîçìîæíî ðàñïðîñòðàíåíèå òîëüêî îñíîâíîé ìîäû.
Íà ðèñ. 1 ïðèâåäåíû ñïåêòð îïòè÷åñêèõ ïîòåðü, ýëåêòðîííàÿ ôîòîãðàôèÿ òîðöà è êàðòèíà ìîäîâûõ áèåíèé â ñâåòîâîäå ¹ 4 ñî çíà÷åíèåì k ≈ 0,5. Ìèíèìàëüíîå çíà÷åíèå îïòè÷åñêèõ ïîòåðü ñîñòàâèëî 2 äÁ/êì. Êàê âèäíî èç ðèñóíêà, êàðòèíà ìîäîâûõ áèåíèé ÷åòêî âûðàæåíà, à ãëóáèíà ìîäóëÿöèè çíà÷èòåëüíà, ÷òî ñâèäåòåëüñòâóåò î íåñóùåñòâåííîì ðàçëè÷èè íàïðÿæåííîñòåé ïîëåé èíòåðôåðèðóþùèõ ìîä. Íåîáõîäèìî îòìåòèòü, ÷òî ìíîãîìîäîâûé ñîñòàâ ðàñïðîñòðàíÿþùåãîñÿ ïî ñâåòîâîäàì èçëó÷åíèÿ ñîõðàíÿåòñÿ â äîñòàòî÷íî øèðîêîì ñïåêòðàëüíîì äèàïàçîíå.  ÷àñòíîñòè, ïðè âîçáóæäåíèè ñâåòîâîäîâ ¹¹ 2–4 èçëó÷åíèåì He–Ne-ëàçåðà (λ = 633 íì) íà âûõîäå èç âîëîêíà â äàëüíåé çîíå âèçóàëüíî íàáëþäàåòñÿ òèïè÷íàÿ êàðòèíà èíòåðôåðåíöèè ðàçëè÷íûõ ïðîñòðàíñòâåííûõ ìîä ñ “ïåðåòåêàíèåì” èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ â ïðåäåëàõ
ïÿòíà çàñâåòêè â çàâèñèìîñòè îò óñëîâèé ïðîõîæäåíèÿ ñâåòà ïî âîëîêíó, íàïðèìåð, ïðè èçãèáå èëè ìåõàíè÷åñêîì âîçäåéñòâèè íà âîëîêíî.
Ïðåäñòàâëåííûå íà ðèñ. 2 ãðàôèêè ñâèäåòåëüñòâóþò îá îòñóòñòâèè ìîäîâûõ áèåíèé â âîëîêíå ¹ 1 ñ äîñòàòî÷íî íèçêèì çíà÷åíèåì ïàðàìåòðà k ≈ 0,19. Ïîâûøåííûé áàçèñíûé óðîâåíü çàòóõàíèÿ ñèãíàëà îáóñëîâëåí ìåíåå òùàòåëüíîé î÷èñòêîé èñõîäíîé äëÿ ïîëó÷åíèÿ ñâåòîâîäà ñáîðêè îò ìåõàíè÷åñêèõ ïðèìåñåé.
Èç ñðàâíåíèÿ ñâîéñòâ ñâåòîâîäîâ ñ k ≈ 0,27 è k ≈ 0,19 ñòàíîâèòñÿ ïîíÿòíûì, ÷òî óìåíüøåíèå ïàðàìåòðà âîçäóøíîñòè îáîëî÷êè ñóùåñòâåííûì îáðàçîì èçìåíÿåò ñâîéñòâà èññëåäóåìîé ñòðóêòóðû – ñâåòîâîä ñòàíîâèòñÿ îäíîìîäîâûì. Äëÿ îòâåòà íà âîïðîñ, íàñêîëüêî øèðîê äèàïàçîí îäíîìîäîâîãî ðåæèìà, â ñâåòîâîä ââîäèëîñü èçëó÷åíèå He–Ne-ëàçåðà, êàê è â îïûòàõ ñ äðóãèìè ñâåòîâîäàìè, äëÿ èññëåäîâàíèÿ êàðòèíû èíòåðôåðåíöèè ìîä. Îäíàêî ìîäîâóþ êàðòèíó äëÿ ñâåòîâîäà ¹ 1 ïîëó÷èòü íå óäàëîñü, ïîñêîëüêó èçëó÷åíèå ñ λ = 633 íì èíòåíñèâíî âûòåêàëî èç ñåðäöåâèíû äàæå íà äëèíå îêîëî ìåòðà è çàïîëíÿëî äûð÷àòóþ îáîëî÷êó.
Ðåçþìèðóÿ ïðèâåäåííûå âûøå äàííûå, îáðàòèì âíèìàíèå, ÷òî ðàíåå íàìè îòìå÷àëñÿ êâàçèîäíîìîäîâûé õàðàêòåð ðàñïðîñòðàíåíèÿ èçëó÷åíèÿ ïî ñå-
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 11, 2008
75
ìèýëåìåíòíîé ñåðäöåâèíå, ïðîÿâëÿþùèéñÿ â îòñóòñòâèè õàðàêòåðíûõ ñêà÷êîâ çàòóõàíèÿ, âûçâàííûõ îòñå÷êîé âûñøèõ ìîä, à òàêæå â òèïè÷íîì äëÿ îäíîìîäîâîãî ðåæèìà âûòåêàíèè èçëó÷åíèÿ íà èçãèáå êàòóøêè. Ïîëó÷åííûå â íàñòîÿùåé ðàáîòå ñâåäåíèÿ äîïîëíÿþò ýòó êàðòèíó – ìîäîâûé ñîñòàâ (äâå–òðè ìîäû) â âîëîêíàõ ñî çíà÷åíèåì k > 0,2 ñòàáèëåí â ñïåêòðàëüíîé îáëàñòè â ïðåäåëàõ îò 1600 íì äî êîðîòêîâîëíîâîé ãðàíèöû âûòåêàíèÿ, êîòîðàÿ, ïî-âèäèìîìó, ÿâëÿåòñÿ îáùåé äëÿ âñåõ íàáëþäàåìûõ ìîä. Ýòî ñâîéñòâî ñâåòîâîäîâ ñ ñåìèýëåìåíòíîé ñåðäöåâèíîé, êàê ìîæíî ñóäèòü ïî ëèòåðàòóðíûì äàííûì, íå èìååò àíàëîãîâ.
Îäíîìîäîâûé ðåæèì ïåðåäà÷è èçëó÷åíèÿ âîçìîæåí ïî ñåìèýëåìåíòíîé ñåðäöåâèíå äèàìåòðîì ïîðÿäêà 20 ìêì ïðè çíà÷åíèè ïàðàìåòðà âîçäóøíîñòè îáîëî÷êè k íå áîëåå 0,2. Ðåàëèçóåòñÿ ëè ïðè ýòîì óñëîâèè “áåñêîíå÷íûé” ïî ñïåêòðó îäíîìîäîâûé ñâåòîâîä, îñòàåòñÿ çàäà÷åé ïîñëåäóþùåãî èññëåäîâàíèÿ.
Àâòîðû áëàãîäàðÿò È.Â. Èëüè÷åâà çà ðàáîòó ïî ïîëó÷åíèþ ýëåêòðîííûõ ôîòîãðàôèé òîðöîâ ñâåòîâîäîâ.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Limpert J., Deguil-Robin N., Manek-Honninger I., Salin F., Roser F., Liem A., Schreiber T., Nolte S., Zellmer H., Tunnermann A., Broeng J., Petersson A., Jakobsen C. Highpower rod-type photonic crystal fiber laser // Opt. Exp. 2005. V. 13. ¹ 4. P. 1055–1058.
12. Limpert J., Schmidt O., Rothhardt J., Roser F., Schreiber T., TunnermannA., Ermeneux S., Yvernault P., Salin F. Extended single-mode photonic crystal fiber lasers // Opt. Exp. 2006. V. 14. ¹ 7. P. 2715–2720.
13. Saitoh K., Tsuchida Y., Koshiba M., Mortensen N.A. Endlessly single-mode holey fibers: the influence of core design // Opt. Exp. 2005. V. 13. ¹ 26. P. 10833–10839.
14. Foroni M., Poli F., Rosa L., Cucinotta A., Selleri S. Cutoff properties of large-mode-area photonic crystal fibers // Proc. of 2005 IEEE/LEOS Workshop. June 22–24. 2005. P. 41–46.
15. Dukel‘skii K.V., Komarov A.V., Khokhlov A.V., TerNersesyantz E.V., Shevandin V.S. 7- and 19-element-core bend-resistant microstructured fibers // Trans Tech Publications, Advanced Mat. Research. 2008. V. 39–40.
16. Nielsen M.D., Mortensen N.A., Albertsen M., Folkenberg J.R., Bjarklev A., Bonacinni D. Predicting macrobending loss for large-mode area photonic crystal fibers // Opt. Exp. 2004. V. 12. ¹ 8. P. 1775–1779.
76 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 11, 2008
ÌÎÄÎÂÛÉ ÑÎÑÒÀ ÄÛÐ×ÀÒÛÕ ÂÎËÎÊÎÍ Ñ ÁÎËÜØÎÉ ÑÅÌÈÝËÅÌÅÍÒÍÎÉ ÑÅÐÄÖÅÂÈÍÎÉ
© 2008 ã. © 2008 ã. © 2008 ã.
Ï. Ì. Àãðóçîâ*; Ê. Â. Äóêåëüñêèé**, êàíä. òåõí. íàóê; À. Ñ. Êîçëîâ*; À. Â. Êîìàðîâ**; Ì. Ï. Ïåòðîâ*, äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê; Å. Â. Òåð-Íåðñåñÿíö**; À. Â. Õîõëîâ**; Â. Ñ. Øåâàíäèí**, äîêòîð òåõí. íàóê
** Ôèçèêî-òåõíè÷åñêèé èíñòèòóò èì. À.Ô. Èîôôå, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã
** Íàó÷íî-èññëåäîâàòåëüñêèé è òåõíîëîãè÷åñêèé èíñòèòóò îïòè÷åñêîãî ìàòåðèàëîâåäåíèÿ ** ÂÍÖ “ÃÎÈ èì. Ñ.È. Âàâèëîâà”, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã
** Å-mail: mpetr.shuv@mail.ioffe.ru, volokno@goi.ru
Ïðîâåäåíî ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå ìîäîâîãî ñîñòàâà èçëó÷åíèÿ, ðàñïðîñòðàíÿþùåãîñÿ ïî ñåðäöåâèíå äûð÷àòûõ âîëîêîí íà îñíîâå êâàðöåâîãî ñòåêëà. Ñåðäöåâèíà îáðàçîâàíà çàìåíîé ñåìè öåíòðàëüíûõ ýëåìåíòîâ â ïîëèêàïèëëÿðíîé ãåêñàãîíàëüíîé ñáîðêå îäíèì ñòåðæíåì, ÷òî ïîçâîëÿåò óâåëè÷èòü ðàçìåð ñåðäöåâèíû îòíîñèòåëüíî âíåøíåãî äèàìåòðà âîëîêíà. Ïîêàçàíî, ÷òî ïðàêòè÷åñêè îäíîìîäîâûé ðåæèì äîñòèæèì ïðè áîëüøåì çíà÷åíèè ñîäåðæàíèÿ âîçäóõà â îáîëî÷êå ïî ñðàâíåíèþ ñ ðåçóëüòàòîì òåîðåòè÷åñêîãî àíàëèçà.
Êîäû OCIS: 060.2430.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 22.04.2008.
Èíòåðåñ ê äûð÷àòûì îïòè÷åñêèì âîëîêíàì ñ áîëüøîé ñåðäöåâèíîé (ïî ïðèíÿòîé òåðìèíîëîãèè, ðàçìåð êîòîðîé ïðåâûøàåò 10 ìêì) îáóñëîâëåí íåîáõîäèìîñòüþ ãåíåðàöèè èëè ïåðåäà÷è ìîùíûõ ëàçåðíûõ ñâåòîâûõ ïîòîêîâ ñ ìèíèìàëüíûìè íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèìè èñêàæåíèÿìè.
 ðàáîòàõ [1, 2] áûëî ïðåäëîæåíî äëÿ óâåëè÷åíèÿ äèàìåòðà ñåðäöåâèíû ëàçåðíûõ âîëîêîííûõ ìèêðîñòðóêòóðèðîâàííûõ ñâåòîâîäîâ ôîðìèðîâàòü åå çàìåíîé íå îäíîãî, êàê äåëàëîñü ðàíåå, à ñåìè èëè äåâÿòíàäöàòè öåíòðàëüíûõ îòâåðñòèé â ãåêñàãîíàëüíîé óïîðÿäî÷åííîé ñèñòåìå íà åäèíûé ñòåðæåíü. Ïîñëå ïåðåòÿãèâàíèÿ ñáîðêè ñòåðæåíü îáðàçîâûâàë ñåðäöåâèíó ñâåòîâîäà, à êàïèëëÿðû – ñâåòîîòðàæàþùóþ îáîëî÷êó.  ðàáîòàõ [3, 4] ïðîâåäåí òåîðåòè÷åñêèé àíàëèç ðàñïðîñòðàíåíèÿ èçëó÷åíèÿ ïî äûð÷àòûì ñâåòîâîäàì ñ ìíîãîýëåìåíòíîé ñåðäöåâèíîé (èìååòñÿ â âèäó, ÷òî ñåðäöåâèíà ìîíîëèòíà, íî îáðàçîâàíà çàìåíîé íåñêîëüêèõ îäíîðîäíûõ ýëåìåíòîâ – îòâåðñòèé). Áûëî óñòàíîâëåíî, ÷òî íåîãðàíè÷åííûé ïî ñïåêòðó îäíîìîäîâûé ðåæèì ïåðåäà÷è èçëó÷åíèÿ óñòàíàâëèâàåòñÿ ïðè çíà÷åíèè ïàðàìåòðà k ≤ 0,04 (k = d/Λ, ãäå d – äèàìåòð îòâåðñòèÿ, Λ – øàã ñòðóêòóðû ñâåòîîòðàæàþùåé îáîëî÷êè).  òî æå âðåìÿ õàðàêòåðíûé äëÿ äûð÷àòûõ âîëîêîí ðåæèì ðàñïðîñòðàíåíèÿ åäèíñòâåííîé îñíîâíîé ìîäû â íåîãðàíè÷åííîì ñïåêòðàëüíîì äèàïàçîíå (“áåñêîíå÷íûé” îäíîìîäîâûé ñâåòîâîä) ñ îäíîýëåìåíòíîé ñåðäöåâèíîé äîñòèãàåòñÿ ïðè k ≤ 0,4. Ïðàêòè÷åñêè ðåàëèçàöèÿ è âîñïðîèçâåäåíèå ñòðóêòóðû ñ k ≤ 0,04 ïðåäñòàâëÿåòñÿ âåñüìà çàòðóäíèòåëüíûì.  ñâÿçè ñ ýòèì äåòàëüíîå èçó÷åíèå îñîáåííî-
ñòåé ðàñïðîñòðàíåíèÿ èçëó÷åíèÿ ïî ìíîãîýëåìåíòíûì ñåðäöåâèíàì äëÿ âûÿñíåíèÿ âîçìîæíîñòè ïåðåäà÷è èçëó÷åíèÿ â îäíîìîäîâîì ðåæèìå, ïóñòü è â îãðàíè÷åííîì ñïåêòðàëüíîì äèàïàçîíå, ÿâëÿåòñÿ àêòóàëüíîé çàäà÷åé.
 íàøåé ïóáëèêàöèè [5] ñîîáùàëîñü î ðàçðàáîòêå è èññëåäîâàíèè ìèêðîñòðóêòóðèðîâàííûõ îïòè÷åñêèõ âîëîêîí, â êîòîðûõ ñåðäöåâèíà îáðàçîâàíà çàìåíîé ñåìè èëè äåâÿòíàäöàòè öåíòðàëüíûõ êàïèëëÿðîâ â èñõîäíîé ñáîðêå íà îäèí öåíòðàëüíûé ñòåðæåíü, îáðàçóþùèé â ïðîöåññå âûòÿæêè ñåðäöåâèíó ñâåòîâîäà. Óïîìÿíóòûå ýëåìåíòû èçãîòàâëèâàëèñü èç êâàðöåâîãî ñòåêëà, à çàìåíà íå îäíîãî, à íåñêîëüêèõ êàïèëëÿðîâ ïîçâîëèëà óâåëè÷èòü ýôôåêòèâíûé ðàçìåð ñåðäöåâèíû ïî ñðàâíåíèþ ñ âíåøíèì äèàìåòðîì ñâåòîâîäà.  ïðîöåññå èññëåäîâàíèÿ îïòè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê ñâåòîâîäîâ ñ áîëüøîé ìíîãîýëåìåíòíîé ñåðäöåâèíîé áûëî óñòàíîâëåíî èõ çàìåòíîå îòëè÷èå îò ïàðàìåòðîâ àíàëîãîâ ñ îäíèì äåôåêòîì ñòðóêòóðû â êà÷åñòâå ñåðäöåâèíû.  ÷àñòíîñòè, ïðè îäèíàêîâûõ çíà÷åíèÿõ äèàìåòðà ñåðäöåâèíû ñðàâíèâàåìûõ âîëîêîí ðàáî÷èé ñïåêòðàëüíûé äèàïàçîí â âîëîêíàõ ñ ìíîãîýëåìåíòíîé ñåðäöåâèíîé ðàñøèðÿëñÿ çà ñ÷åò êîðîòêîâîëíîâîãî ñìåùåíèÿ ãðàíèöû âûòåêàíèÿ îñíîâíîé ìîäû. Èçìåðåíèÿ ïðîâîäèëèñü íà ñòàíäàðòíîé âîëîêîííîé êàòóøêå äèàìåòðîì 16 ñì. Ïðè ýòîì ñïåêòðû îïòè÷åñêèõ ïîòåðü íåçàâèñèìî îò çíà÷åíèÿ ïàðàìåòðà k â äèàïàçîíå 0,2–0,5 áûëè ïîäîáíû ñïåêòðàì “áåñêîíå÷íîãî” îäíîìîäîâîãî âîëîêíà [6].
Ýòè ñïåêòðû íå ñîäåðæàëè ìàêñèìóìîâ çàòóõàíèÿ ïî ïðè÷èíå îòñå÷êè âûñøèõ ìîä è îòëè÷àëèñü
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 11, 2008
73
âûðàæåííîé êîðîòêîâîëíîâîé ãðàíèöåé, îáóñëîâëåííîé õàðàêòåðíûì äëÿ äûð÷àòûõ âîëîêîí âûòåêàíèåì îñíîâíîé ìîäû íà èçãèáå ïðè íàìîòêå íà ñòàíäàðòíóþ òðàíñïîðòèðîâî÷íóþ êàòóøêó äèàìåòðîì 16 ñì.
Óãëîâàÿ ðàñõîäèìîñòü èçëó÷åíèÿ ñâåòîâîäîâ ñ ñåðäöåâèíîé äèàìåòðîì 20–30 ìêì ñîñòàâëÿëà íåñêîëüêî ñîòûõ ðàäèàí, ÷òî òàêæå ñîîòâåòñòâîâàëî ðåæèìó ðàñïðîñòðàíåíèÿ ôóíäàìåíòàëüíîé ìîäû.
Îäíàêî ïðåäïîëîæåíèå, ÷òî îäíîìîäîâûé õàðàêòåð èçëó÷åíèÿ ñîõðàíÿåòñÿ â ñòîëü øèðîêîé îáëàñòè èçìåíåíèÿ ãåîìåòðè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ ñâåòîâîäîâ, êàê ýòî ìîæíî áûëî áû ïðåäñòàâèòü ïî äàííûì ðàáîòû [5], íóæäàëîñü â äîïîëíèòåëüíîé ïðîâåðêå. Ïîýòîìó öåëüþ íàñòîÿùåé ðàáîòû áûëî ïðîâåäåíèå èññëåäîâàíèé ìîäîâîãî ñîñòàâà èçëó÷åíèÿ â ìíîãîýëåìåíòíîé ñåðäöåâèíå, â ÷àñòíîñòè ìåòîäàìè ìîäîâûõ áèåíèé.
 ýêñïåðèìåíòå èçëó÷åíèå ïîëóïðîâîäíèêîâîãî ëàçåðà, ïåðåñòðàèâàåìîå â ñïåêòðàëüíîé îáëàñòè 1520–1600 íì, ââîäèëîñü â îòðåçêè ìèêðîñòðóêòóðèðîâàííûõ ñâåòîâîäîâ äëèíîé îò íåñêîëüêèõ äî äåñÿòêîâ ìåòðîâ. Ïðîìåæóòî÷íûì çâåíîì ìåæäó ëàçåðîì è èññëåäóåìûì âîëîêíîì ñëóæèë îòðåçîê ñòàíäàðòíîãî îäíîìîäîâîãî âîëîêíà SMF28. Âîëîêíà ñòûêîâàëèñü ìåæäó ñîáîé ñ ïîìîùüþ ìèêðîìåòðè÷åñêîé ïîäâèæêè, ïðîñòðàíñòâî ìåæäó òîðöàìè çàïîëíÿëîñü èììåðñèîííîé ÓÔ-îòâåðæäàåìîé æèäêîñòüþ äëÿ äîñòèæåíèÿ íàäåæíîé ôèêñàöèè âîëîêîí. Ñèãíàë ñ âûõîäíîãî òîðöà èññëåäóåìîãî âîëîêíà ðåãèñòðèðîâàëñÿ èçìåðèòåëåì îïòè÷åñêîé ìîùíîñòè ÏÒ 2010.
Áûëè èçãîòîâëåíû îáðàçöû ìèêðîñòðóêòóðèðîâàííûõ âîëîêîí íà îñíîâå êâàðöåâîãî ñòåêëà ñ ñåìèýëåìåíòíîé ñåðäöåâèíîé è âàðüèðîâàíèåì ïàðàìåòðà k â ïðåäåëàõ ïðèáëèçèòåëüíî îò 0,19 äî 0,5. Âîëîêíà âûòÿãèâàëèñü èç èñõîäíîé ãåêñàãîíàëüíîé ïîëèêàïèëëÿðíîé ñáîðêè, â êîòîðîé ñåìü öåíòðàëü-
íûõ êàïèëëÿðîâ áûëè çàìåíåíû îäíèì ñòåðæíåì, ôîðìèðóþùèì â ïðîöåññå âûòÿãèâàíèÿ ñåðäöåâèíó îïòè÷åñêîãî âîëîêíà. Ñåðäöåâèíà ñâåòîâîäîâ èìåëà ãåêñàãîíàëüíóþ ôîðìó è ïîýòîìó õàðàêòåðèçîâàëàñü äâóìÿ ðàçìåðàìè – âäîëü äèàãîíàëè øåñòèóãîëüíèêà è â îðòîãîíàëüíîì íàïðàâëåíèè. Ñïåêòðû îïòè÷åñêèõ ïîòåðü èçìåðÿëèñü ìåòîäîì îáðûâà, à íà ýëåêòðîííîì ìèêðîñêîïå áûëè ïîëó÷åíû èçîáðàæåíèÿ òîðöîâ âîëîêîí. Èçìåðåíèÿ îïòè÷åñêèõ ïîòåðü ïðîâîäèëèñü íà îòðåçêàõ âîëîêîí äëèíîé íåñêîëüêî äåñÿòêîâ ìåòðîâ (ìàêñèìàëüíàÿ äëèíà 200 ì), ïðè îïðåäåëåíèè êàðòèíû ìîäîâûõ áèåíèé äëèíû ñâåòîâîäîâ ñîñòàâëÿëè íåñêîëüêî ìåòðîâ äëÿ ïîëó÷åíèÿ äîñòàòî÷íîãî ñïåêòðàëüíîãî ðàçðåøåíèÿ.
Áûëî óñòàíîâëåíî, ÷òî äëÿ áîëüøèíñòâà ïîëó÷åííûõ îáðàçöîâ ñâåòîâîäîâ õàðàêòåðíî ñóùåñòâîâàíèå ïî ìåíüøåé ìåðå äâóõ ìîä. Èñêëþ÷åíèå ñîñòàâèë ñâåòîâîä ñ k ≈ 0,19, â êîòîðîì áèåíèÿ ìîä íå íàáëþäàëèñü äàæå ïðè óâåëè÷åíèè íà ïîðÿäîê ðàçðåøàþùåé ñïîñîáíîñòè ðåãèñòðèðóþùåé ñèñòåìû ïî ñðàâíåíèþ ñ åå îáû÷íûì çíà÷åíèåì, äîñòàòî÷íûì äëÿ ïðîÿâëåíèÿ ìîäîâûõ áèåíèé â îñòàëüíûõ èññëåäîâàííûõ ñâåòîâîäàõ. Ðåçóëüòàòû ôóðüå-àíàëèçà êàðòèíû áèåíèé – ïðîñòðàíñòâåííûå ÷àñòîòû áèåíèé ν – ïåðåñ÷èòûâàëèñü â âåëè÷èíó ðàçíîñòè ýôôåêòèâíûõ ïîêàçàòåëåé ïðåëîìëåíèÿ Δneff, ðàñïðîñòðàíÿþùèõñÿ ïî ñâåòîâîäó ìîä. Ðàñ÷åò Δneff ïðîèçâîäèëñÿ ïî ôîðìóëå
Δneff = (νλ2 ) / l,
ãäå λ – äëèíà âîëíû ñåðåäèíû äèàïàçîíà ñêàíèðîâàíèÿ, l – äëèíà ñâåòîâîäà.
Ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ ìîäîâûõ áèåíèé â ìèêðîñòðóêòóðèðîâàííûõ âîëîêíàõ ñâåäåíû â òàáëèöó.
Èç òàáëèöû âèäíî, ÷òî ðàçíîñòü ýôôåêòèâíûõ çíà÷åíèé ìîäîâûõ ïîêàçàòåëåé ïðåëîìëåíèÿ ñîñòàâëÿåò íåñêîëüêî åäèíèö 10–3, ÷òî ñâèäåòåëüñòâóåò î áèåíèÿõ ðàçëè÷íûõ ïðîñòðàíñòâåííûõ ìîä. Îáðà-
Çàâèñèìîñòü ìîäîâûõ õàðàêòåðèñòèê îò ãåîìåòðè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ ñâåòîâîäà
Íîìåð ñâåòîâîäà
1 1à 2 3à 3á
Ðàçìåð ñåðäöåâèíû, ìêì
25,5×23 25,5×23 26,5×24,5 26,5×24,5 26,5×24,5
4 24,5×22
Ïàðàìåòð k
0,19 0,19 0,27 0,34 0,34
0,50
Äëèíà îáðàçöà, ì
19 0,8 2,0 1,6 3,2
2,8
×àñòîòà áèåíèé, íì–1
áèåíèÿ îòñóòñòâóþò 0,06 0,8 0,7 1,5 3,2 1,3 1,8 4,0 4,8
Ðàçíèöà ýôôåêòèâíûõ ïîêàçàòåëåé ïðåëîìëåíèÿ
ìîä
—
0,0002
0,00096
0,00105
0,0010 0,0024
0,0011 0,0015 0,0034 0,0041
74 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 11, 2008
Çàòóõàíèå, äÁ/êì Ìîùíîñòü, ìêÂò
Çàòóõàíèå, äÁ/êì Ìîùíîñòü, ìêÂò
150 100 50
0 600
(á)
(à)
1000
1400 λ, íì
(â)
60 0 1540
1560 λ, íì
(à) 160
80
0 1000
1200
1400
λ, íì
(á) (â) 150 0 1520 1560 λ, íì
Ðèñ. 1. à – ñïåêòð îïòè÷åñêèõ ïîòåðü, á – ôîòîãðàôèÿ òîðöà âîëîêíà, â – êàðòèíà ìîäîâûõ áèåíèé äëÿ îáðàçöà ñ k ≈ 0,5.
Ðèñ. 2. à – ñïåêòð îïòè÷åñêèõ ïîòåðü, á – ôîòîãðàôèÿ òîðöà âîëîêíà, â – êàðòèíà ìîäîâûõ áèåíèé äëÿ îáðàçöà ñ k ≈ 0,9.
ùàåò íà ñåáÿ âíèìàíèå ñîâïàäåíèå çíà÷åíèé Δneff, ñîñòàâëÿþùèõ îêîëî 0,001, âî âñåõ èññëåäîâàííûõ îáðàçöàõ ïðè âàðüèðîâàíèè ïàðàìåòðà k. Äàííûå, ïðèâåäåííûå â òàáëèöå, òàêæå ïîêàçûâàþò íàëè÷èå ìîäîâûõ áèåíèé íà âûõîäå êîðîòêîãî, ìåíåå ìåòðà, îòðåçêà âîëîêíà 1à. Ýòî ãîâîðèò î òîì, ÷òî õîòÿ áû îäíà èç âûñøèõ ìîä íå ïîëíîñòüþ çàòóõàåò íà îòíîñèòåëüíî ìàëûõ äëèíàõ. Íà äëèíàõ â íåñêîëüêî äåñÿòêîâ ìåòðîâ âîçìîæíî ðàñïðîñòðàíåíèå òîëüêî îñíîâíîé ìîäû.
Íà ðèñ. 1 ïðèâåäåíû ñïåêòð îïòè÷åñêèõ ïîòåðü, ýëåêòðîííàÿ ôîòîãðàôèÿ òîðöà è êàðòèíà ìîäîâûõ áèåíèé â ñâåòîâîäå ¹ 4 ñî çíà÷åíèåì k ≈ 0,5. Ìèíèìàëüíîå çíà÷åíèå îïòè÷åñêèõ ïîòåðü ñîñòàâèëî 2 äÁ/êì. Êàê âèäíî èç ðèñóíêà, êàðòèíà ìîäîâûõ áèåíèé ÷åòêî âûðàæåíà, à ãëóáèíà ìîäóëÿöèè çíà÷èòåëüíà, ÷òî ñâèäåòåëüñòâóåò î íåñóùåñòâåííîì ðàçëè÷èè íàïðÿæåííîñòåé ïîëåé èíòåðôåðèðóþùèõ ìîä. Íåîáõîäèìî îòìåòèòü, ÷òî ìíîãîìîäîâûé ñîñòàâ ðàñïðîñòðàíÿþùåãîñÿ ïî ñâåòîâîäàì èçëó÷åíèÿ ñîõðàíÿåòñÿ â äîñòàòî÷íî øèðîêîì ñïåêòðàëüíîì äèàïàçîíå.  ÷àñòíîñòè, ïðè âîçáóæäåíèè ñâåòîâîäîâ ¹¹ 2–4 èçëó÷åíèåì He–Ne-ëàçåðà (λ = 633 íì) íà âûõîäå èç âîëîêíà â äàëüíåé çîíå âèçóàëüíî íàáëþäàåòñÿ òèïè÷íàÿ êàðòèíà èíòåðôåðåíöèè ðàçëè÷íûõ ïðîñòðàíñòâåííûõ ìîä ñ “ïåðåòåêàíèåì” èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ â ïðåäåëàõ
ïÿòíà çàñâåòêè â çàâèñèìîñòè îò óñëîâèé ïðîõîæäåíèÿ ñâåòà ïî âîëîêíó, íàïðèìåð, ïðè èçãèáå èëè ìåõàíè÷åñêîì âîçäåéñòâèè íà âîëîêíî.
Ïðåäñòàâëåííûå íà ðèñ. 2 ãðàôèêè ñâèäåòåëüñòâóþò îá îòñóòñòâèè ìîäîâûõ áèåíèé â âîëîêíå ¹ 1 ñ äîñòàòî÷íî íèçêèì çíà÷åíèåì ïàðàìåòðà k ≈ 0,19. Ïîâûøåííûé áàçèñíûé óðîâåíü çàòóõàíèÿ ñèãíàëà îáóñëîâëåí ìåíåå òùàòåëüíîé î÷èñòêîé èñõîäíîé äëÿ ïîëó÷åíèÿ ñâåòîâîäà ñáîðêè îò ìåõàíè÷åñêèõ ïðèìåñåé.
Èç ñðàâíåíèÿ ñâîéñòâ ñâåòîâîäîâ ñ k ≈ 0,27 è k ≈ 0,19 ñòàíîâèòñÿ ïîíÿòíûì, ÷òî óìåíüøåíèå ïàðàìåòðà âîçäóøíîñòè îáîëî÷êè ñóùåñòâåííûì îáðàçîì èçìåíÿåò ñâîéñòâà èññëåäóåìîé ñòðóêòóðû – ñâåòîâîä ñòàíîâèòñÿ îäíîìîäîâûì. Äëÿ îòâåòà íà âîïðîñ, íàñêîëüêî øèðîê äèàïàçîí îäíîìîäîâîãî ðåæèìà, â ñâåòîâîä ââîäèëîñü èçëó÷åíèå He–Ne-ëàçåðà, êàê è â îïûòàõ ñ äðóãèìè ñâåòîâîäàìè, äëÿ èññëåäîâàíèÿ êàðòèíû èíòåðôåðåíöèè ìîä. Îäíàêî ìîäîâóþ êàðòèíó äëÿ ñâåòîâîäà ¹ 1 ïîëó÷èòü íå óäàëîñü, ïîñêîëüêó èçëó÷åíèå ñ λ = 633 íì èíòåíñèâíî âûòåêàëî èç ñåðäöåâèíû äàæå íà äëèíå îêîëî ìåòðà è çàïîëíÿëî äûð÷àòóþ îáîëî÷êó.
Ðåçþìèðóÿ ïðèâåäåííûå âûøå äàííûå, îáðàòèì âíèìàíèå, ÷òî ðàíåå íàìè îòìå÷àëñÿ êâàçèîäíîìîäîâûé õàðàêòåð ðàñïðîñòðàíåíèÿ èçëó÷åíèÿ ïî ñå-
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 11, 2008
75
ìèýëåìåíòíîé ñåðäöåâèíå, ïðîÿâëÿþùèéñÿ â îòñóòñòâèè õàðàêòåðíûõ ñêà÷êîâ çàòóõàíèÿ, âûçâàííûõ îòñå÷êîé âûñøèõ ìîä, à òàêæå â òèïè÷íîì äëÿ îäíîìîäîâîãî ðåæèìà âûòåêàíèè èçëó÷åíèÿ íà èçãèáå êàòóøêè. Ïîëó÷åííûå â íàñòîÿùåé ðàáîòå ñâåäåíèÿ äîïîëíÿþò ýòó êàðòèíó – ìîäîâûé ñîñòàâ (äâå–òðè ìîäû) â âîëîêíàõ ñî çíà÷åíèåì k > 0,2 ñòàáèëåí â ñïåêòðàëüíîé îáëàñòè â ïðåäåëàõ îò 1600 íì äî êîðîòêîâîëíîâîé ãðàíèöû âûòåêàíèÿ, êîòîðàÿ, ïî-âèäèìîìó, ÿâëÿåòñÿ îáùåé äëÿ âñåõ íàáëþäàåìûõ ìîä. Ýòî ñâîéñòâî ñâåòîâîäîâ ñ ñåìèýëåìåíòíîé ñåðäöåâèíîé, êàê ìîæíî ñóäèòü ïî ëèòåðàòóðíûì äàííûì, íå èìååò àíàëîãîâ.
Îäíîìîäîâûé ðåæèì ïåðåäà÷è èçëó÷åíèÿ âîçìîæåí ïî ñåìèýëåìåíòíîé ñåðäöåâèíå äèàìåòðîì ïîðÿäêà 20 ìêì ïðè çíà÷åíèè ïàðàìåòðà âîçäóøíîñòè îáîëî÷êè k íå áîëåå 0,2. Ðåàëèçóåòñÿ ëè ïðè ýòîì óñëîâèè “áåñêîíå÷íûé” ïî ñïåêòðó îäíîìîäîâûé ñâåòîâîä, îñòàåòñÿ çàäà÷åé ïîñëåäóþùåãî èññëåäîâàíèÿ.
Àâòîðû áëàãîäàðÿò È.Â. Èëüè÷åâà çà ðàáîòó ïî ïîëó÷åíèþ ýëåêòðîííûõ ôîòîãðàôèé òîðöîâ ñâåòîâîäîâ.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Limpert J., Deguil-Robin N., Manek-Honninger I., Salin F., Roser F., Liem A., Schreiber T., Nolte S., Zellmer H., Tunnermann A., Broeng J., Petersson A., Jakobsen C. Highpower rod-type photonic crystal fiber laser // Opt. Exp. 2005. V. 13. ¹ 4. P. 1055–1058.
12. Limpert J., Schmidt O., Rothhardt J., Roser F., Schreiber T., TunnermannA., Ermeneux S., Yvernault P., Salin F. Extended single-mode photonic crystal fiber lasers // Opt. Exp. 2006. V. 14. ¹ 7. P. 2715–2720.
13. Saitoh K., Tsuchida Y., Koshiba M., Mortensen N.A. Endlessly single-mode holey fibers: the influence of core design // Opt. Exp. 2005. V. 13. ¹ 26. P. 10833–10839.
14. Foroni M., Poli F., Rosa L., Cucinotta A., Selleri S. Cutoff properties of large-mode-area photonic crystal fibers // Proc. of 2005 IEEE/LEOS Workshop. June 22–24. 2005. P. 41–46.
15. Dukel‘skii K.V., Komarov A.V., Khokhlov A.V., TerNersesyantz E.V., Shevandin V.S. 7- and 19-element-core bend-resistant microstructured fibers // Trans Tech Publications, Advanced Mat. Research. 2008. V. 39–40.
16. Nielsen M.D., Mortensen N.A., Albertsen M., Folkenberg J.R., Bjarklev A., Bonacinni D. Predicting macrobending loss for large-mode area photonic crystal fibers // Opt. Exp. 2004. V. 12. ¹ 8. P. 1775–1779.
76 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 11, 2008