Forskere udvikler en ny type optisk fiber, der bevarer lysets egenskaber

Forskere fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi (MIPT) og internationale samarbejdspartnere har udviklet en ny type optisk fiber, der har en ekstremt stor kernediameter og bevarer lysets sammenhængende egenskaber. Avisen blev offentliggjort i tidsskriftet Optik Express . Resultaterne af undersøgelsen er lovende til konstruktion af pulserende fiberlasere og forstærkere med høj effekt, samt polarisationsfølsomme sensorer.

Når det kommer til optiske fiberapplikationer, bevarelse af lysets egenskaber er afgørende. Der er to hovedparametre, der ofte skal bevares:fordelingen af ​​lysintensitet i tværsnit og polarisering af lys (en egenskab, der angiver svingningsretninger for det elektriske eller magnetiske felt i et plan vinkelret på bølgens udbredelsesretning). I deres undersøgelse, det lykkedes forskerne at opfylde begge betingelser.

"Forskning i optiske fibre er et af de hurtigst udviklende områder inden for optik. I løbet af det sidste årti har talrige teknologiske løsninger er blevet foreslået og implementeret. For eksempel, forskere og ingeniører ved IRE RAS kan nu producere optiske fibre af næsten enhver diameter med vilkårlig tværgående struktur, "siger Vasily Ustimchik, medforfatter af undersøgelsen og professor ved MIPT. "I løbet af denne undersøgelse, en specifik struktur blev dannet i den optiske fiber. Det varierer langs to ortogonale akser, og dens diametre ændres proportionalt langs fiberen. Individuelt, sådanne løsninger er allerede meget udbredt, så det er afgørende at fortsætte med at arbejde i denne retning. "

En optisk fiber er generelt en meget tynd fleksibel streng trukket af glas eller gennemsigtig plast. Men denne enkelhed er en række store problemer, der begrænser dens applikationer. Den første er signaldæmpning i fiberoptiske linjer, et løst problem, der banede vejen for fiberoptisk kommunikation.

I dag, fiberoptik bruges også i laserteknologi. En fiberlaser indeholder en optisk resonator, hvilket får lys til at bevæge sig frem og tilbage gentagne gange. Fiberresonatorens geometriske parametre tillader kun et begrænset sæt tværgående mønstre af lysintensitetsfordeling i udgangsstrålen-resonatorens såkaldte tværgående tilstande (se fig. 1). I praksis, forskere og ingeniører søger for det meste ikke at begejstre andet end en ren fundamental tilstand (se øverste venstre hjørne af fig. 1), der ikke ændrer sig med tiden.

For at opretholde single-mode drift, fiberen skal bestå af en kerne og en beklædning - materialer med forskellige brydningsindekser. Normalt, tykkelsen af ​​fiberkernen, gennem hvilken stråling udbreder sig normalt, skal være mindre end 10 mikrometer.

En stigning i den optiske effekt af det lys, der formerer sig i fiberen, resulterer i, at en større mængde energi absorberes. Dette udmønter sig i en ændring i fiberens egenskaber. Specifikt, det forårsager ukontrolleret variation af fibermaterialets brydningsindeks. Dette giver anledning til parasitære ikke -lineære virkninger, hvilket resulterer i yderligere spektrale emissionslinjer osv., hvilket begrænser styrken af ​​de optiske signaler, der transmitteres. En eksisterende løsning på problemet - som forfatterne også brugte - ligger i variationen af ​​kernen og ydre diametre langs fiberens længde (se fig. 2).

Hvis udvidelsen af ​​fiberen sker adiabatisk - dvs. relativt langsomt - det er muligt at reducere mængden af ​​energi, der overføres til andre tilstande til mindre end 1 procent, selv med en kernediameter på op til 100 mikrometer (hvilket er usædvanligt stort for single-mode fibre). I øvrigt, det faktum, at kernediameteren er stor og varierer langs fiberen, øger tærsklen for forekomst af ikke -lineære effekter.

For at nå det andet mål - som var at bevare lysets polariseringstilstand - gjorde undersøgelsens forfattere beklædningen af ​​fiberen anisotrop:Bredden og højden af ​​den indre beklædning er forskellig (beklædningen er elliptisk), hvilket betyder, at lysets formeringshastighed med forskellige feltoscillationsretninger ikke er den samme. I en struktur som denne, processen med at overføre energi fra en polariseret tilstand til en anden er næsten fuldstændig forstyrret.

I deres undersøgelse, forskerne har vist, at den geometriske længde af den vej, lyset rejser gennem fiberen, ved hvilken oscillationerne af de to forskellige polarisationer er i antifase, afhænger af fiberkernediameteren:Den falder, når diameteren øges. Denne længde, kendt som polarisationsslaglængden, svarer til en fuldstændig rotation af den lineære polarisationstilstand i fiberen. Med andre ord, hvis du sender lineært polariseret lys ind i en fiber, det vil blive lineært polariseret igen efter at have rejst netop denne afstand. Evnen til at måle denne parameter er i sig selv et bevis på, at polariseringstilstanden i fiberen bevares.

For at undersøge egenskaberne i forbindelse med lyspolarisering i fiberen, forskerne brugte optisk frekvensdomænereflektometri. Det indebærer at lancere et optisk signal i fiberen og detektere det tilbagespredte signal. Det reflekterede signal indeholder mange oplysninger. Denne metode bruges normalt til at bestemme placeringen af ​​defekter og urenheder i optiske fibre, men det kan også bestemme både kohærenslængden og den rumlige fordeling af polarisationsslaglængden. Koherensreflektometri teknikker bruges i vid udstrækning til at overvåge optiske fibres tilstand. Imidlertid, metoden anvendt i denne undersøgelse er kendt for at muliggøre dataindsamling ved en høj opløsning på op til 20 mikrometer langs fiberlængden.

Professor Sergey Nikitov, lederen af ​​forskningsgruppen, sagde, "De fiberprøver, vi fik, har vist gode resultater, hvilket indikerer gode udsigter for videre udvikling af sådanne teknologiske løsninger. De vil finde anvendelse ikke kun i lasersystemer, men også i optiske fibersensorer, hvor ændringen af ​​polarisationskarakteristika er kendt på forhånd, da de bestemmes af eksterne miljøfaktorer, såsom temperatur, tryk, biologiske og andre urenheder. Derudover de har en række fordele i forhold til halvleder sensorer. For eksempel, de behøver ingen elektrisk strøm og er i stand til at udføre distribueret registrering, og det er ikke en komplet liste. "