ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МОД, ВЫТЕКАЮЩИХ ИЗ ИК-СВЕТОВОДОВ

Шмыгалев А.С.¹, Сутчук А.Л.², Гулько Д.Я.³, Корсаков А.С.⁴, Жукова Л.В.⁵

¹Аспирант; ²магистрант; ³магистрант; ⁴кандидат химических наук, старший научный сотрудник, Уральский Федеральный Университет; ⁵профессор, доктор технических наук, старший научный сотрудник, Уральский Федеральный Университет.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МОД, ВЫТЕКАЮЩИХ ИЗ ИК-СВЕТОВОДОВ

Аннотация

Данная работа посвящена исследованию оптических волокон различного состава, простой и сложной структуры с целью визуализации картины поля моды. Материал статьи может быть использован в качестве методического указания для исследования других типов ИК-световодов.  

Ключевые слова:  пространственное распределение мод; оптические волокна сложной структуры; фотонно-кристаллические световоды; методика сканирования излучения ИК-световода в дальнем поле; ИК-диапазон 0,2-40,0 мкм.

Shmygalev A.S.¹, SutchukA.L.², GulkoD.Y.³, KorsakovA.S.⁴, ZhukovaL.V.⁵

¹Postgraduate student; ²master student; ³master student; ⁴PhD in Chemistry, Senior Researcher, Ural Federal University; ⁵professor, Doctor of Technical Sciences, Senior Researcher, Ural Federal University.

SPATIAL DISTRIBUTION INVESTIGATION OF THE MODES FLOWING OUT FROM THE IR FIBER

Abstract

Current paper aims to investigate the optical fibers of various compositions and of simple and complex structure, in order to visualize the mode field patterns. This paper’s materials can be implemented as practical guidance to the research of other IR fiber types.

Keywords: spatial distribution of modes , optical fiber of complex structure, photonic crystal fibers ; scanning technique of infrared fiber in the far field , IR range from 0,2 up to 40,0mm.

В настоящее время для обозначения нового класса нетрадиционных оптических волокон, отличающихся от стандартных волокон структурой оболочки, стал термин Photonic Crystal Fibers (PCF) или эквивалентный термин на русском языке – фотонно-кристаллические световоды. Строго говоря, этот термин следовало бы использовать для обозначения световодов, оболочка которых содержит периодические одномерные или двумерные структуры, оказывающие существенное влияние на их оптические свойства.

Для подтверждения вышеописанного влияния, нами была поставлена задача по исследованию пространственного распределения мод, вытекающих из ИК-световода.  Для этого были отобраны три разных типа оптических волокон: одномодовый ИК-световод, изготовленный из твердых растворов AgCl_xBr_1-x; одномодовый ИК – световод,  изготовленный из кристаллов состава Ag_0,98Tl_0,02Cl_0,20Br_0,77I_0,03 (сердцевина) и AgCl_0,25Br_0,75 (оболочка); и световод сложной структуры,  в котором в гексагональном порядке расположены шесть вставок.

Одним из механизмов удержания света в оптическом волокне сложной структуры является его зеркальное отражение от оболочки с периодически изменяющимся показателем преломления. Такие волокна способны переносить с малым затуханием оптическое излучение только с длинами волн, лежащими в некоторой области, называемой фотонной запрещенной зоной (Band Gap, BG). Фотонные запрещенные зоны существуют в оптических волокнах с двумя типами периодических структур: одномерных (1D) в виде соосных цилиндрических слоев и двумерных (2D) в виде полых трубок. Последние являются фотонно-кристаллическими волокнами с запрещенными зонами (PCF BG) [1,2].

Ранее подобные структуры за исключением брэгговской применялись только к кварцевым волокнам, однако в работах [3,4] описаны структуры, новые для ИК-световодов из галогенидов серебра [5]. В первой из них предлагается изготавливать PCF световоды, имитирующие световоды со ступенчатым показателем преломления за счет изменения геометрии. Такие световоды могут быть описаны как периодический массив с определённой геометрией: треугольной, квадратной, кольцевой и т.д. (рис. 1.). Массив состоит из материала с высоким показателем преломления и «отверстий», замещенных стержнями, т.е. световодами из материалов с более низким показателем преломления. Обычно один такой стержень – центральный – отсутствует, и получившаяся «пустота», т.е. материал массива выполняет роль сердцевины с высоким показателем преломления. Периодически расположенные световоды вокруг сердцевины выполняют роль оболочки, эффективный показатель преломления которой ниже, чем в сердцевине.

Рис. 1. Структура PCF – волокна [1].

Исследование дальнего поля излучения для отобранных световодов проводили на оптическом стенде с использованием СО₂-лазера (34 Вт) и КРТ – детектора. Фокусировку осуществляли линзой ZnSe c фокусным расстоянием 63,5 мм (рис. 2). Данный стенд позволяет определить профиль вытекающего из световода излучения, распределение интенсивности в дальнем поле, а также оптические потери на длине волны 10,6 мкм.

Преформа для такого световода представляет собой сборку из концентрически расположенных в нужном порядке световодов с разным показателем преломления и рассчитанным диаметром. Перетяжкой из такой сборки получают световоды различной структуры.

 

Рис. 2. Схема сканирования излучения ИК – световода в дальнем поле

Результаты сканирования в дальнем поле и соответствующих измерений представлены на рис. 3, из которого видно, что все три исследованных образца характеризуются одномодовым режимом работы.

Рис. 3. Нормальное распределение энергии в дальнем поле моды для трех образцов ИК-световодов

Первый тип одномодового ИК-световода для работы на длине волны 10,6 мкм был изготовлен на основе твердых растворов AgCl_xBr_1-x. Сердцевина световода имеет состав точки минимума на диаграмме плавкости системы AgCl-AgBr, т.е. AgCl=20 мас. %, AgBr=80 мас. %. Оболочка выполнена из кристаллов состава AgCl=26 мас. %, AgBr=74 мас. % (рис. 3 – 1). Диаметр сердцевины составляет 27,4 мкм. Второй тип одномодового ИК – световода был изготовлен из кристаллов состава Ag_0,98Tl_0,02Cl_0,20Br_0,77I_0,03 (сердцевина) и AgCl_0,25Br_0,75 (оболочка) (рис. 3 – 2).

В третий образце расстояние между осью световода и осью вставки составляет 75 мкм, диаметр вставки 50 мкм. Состав оболочки – Ag_0,95Tl_0,05Cl_0,22Br_0,73I_0,05, состав вставок – Ag_0,99Tl_0,01Cl_0,25Br_0,74I_0,01 (рис. 3 – 3). Рабочая длина волны 10,6 мкм. Образец №3 работает в одномодовом режиме. Диаметр поля моды составляет 100 мкм, что более чем в 3 раза превышает диаметры первого и второго образцов. Таким образом,  по волокну с увеличенным полем моды можно передавать в четыре раза больше мощности излучения, чем по одномодовому двухслойному волокну с диаметром сердцевины 27 мкм. На рис. 4 приведены изображения распределение энергии излучения на выходе из многомодового и одномодового ИК-световодов,  полученные с помощью CCD-камеры SPIRICON.

а                                                     б

Рис. 4. Распределение энергии излучения на расстоянии 15 мм от выходного торца многомодового (а) и 38 мм от выходного торца одномодового (б) ИК-световодов