Волокна с двойной оболочкой

Оптическое волокно с двойной оболочкой/двойным покрытием (англ. DCF, double-clad fiber) состоит из трех слоев: сердцевины (внутреннего слоя), внутренней оболочки (окружающей сердцевину) и внешней оболочки. Каждый слой имеет свой показатель преломления. Производство волокон с двойной оболочкой является важной технологией в области создания активных устройств волоконной оптики, особенно высокомощных волоконных лазеров и усилителей. Именно волокна с двойным покрытием обеспечивают высокие оптические мощности в волоконно-оптических устройствах.

 

В настоящее время рабочим элементом высокомощных волоконных лазеров и оптических усилителей является одномодовое волокно, обогащенное редкоземельным металлом. Волокно позволяет генерировать выходной сигнал, ограниченный дифракцией, что требует и использование источников накачки с дифракционно-ограниченным качеством луча. В свою очередь, это приводит к малой мощности (полезного сигнала). Использование же многомодовых волокон обычно (хотя и не всегда) приводит к ухудшению качества излучаемого сигнала.

 

Техническое решение проблемы было найдено благодаря изобретению оптического волокна с двухслойной оболочкой. Наличие дополнительной оболочки позволило осуществить независимую (от сердцевины) накачку в оптоволоконных устройствах. Лазерное излучение в волокнах распространяется в одномодовой (или многомодовой) сердцевине, окруженной внутренней оболочкой, в которой и передается излучение накачки. Сердцевина, а иногда небольшая область вокруг сердцевины, обогащены редкоземельными металлами. Распространение излучения накачки ограничивается разделением двух сред — внутренней и внешней оболочек, но также возможно и частичное распространение в сердцевине, где излучение накачки может быть поглощено активными ионами. Внутренняя оболочка имеет значительно большую площадь поперечного сечения по сравнению с сердцевиной и обычно намного большую числовую апертуру, именно поэтому в ней может передаваться большее количество мод, позволяя эффективно генерировать выходной сигнал, несмотря на низкое качество лазеров.

OV 1

Рис.1. Свет накачки

 

Свет (излучение) накачки (помпы) необязательно должен вводиться в торцы волокна, как показано на Рисунке 1. Возможно еще использование технологии боковой накачки, где доступ к концам волокон для этого не требуется. Например, покрытые V-образные канавки, нарезанные во внутренней оболочке, могут быть использованы для отражения излучения накачки во внутреннюю оболочку.

Конструкции волоконного кабеля с двойной оболочкой

Существуют различные конструкции кабеля с двойным покрытием. На рисунке 2 показаны поперечные сечения кабелей для наиболее важных типов конструкций.

OV 2

Рис. 2. Поперечные сечения кабелей для наиболее важных типов конструкций

 

Простейшая конструкция имеет круглую оболочку для накачки и сердцевину (ядро) в центре (первая конструкция на Рисунке 2). Это относительно легко выполнить и использовать, но в данном виде волокон существует распространение мод внутри оболочки (связанно со спиральными лучами), которые практически не пересекаются с сердцевиной. В результате возникает противоречие между усилением и энергоэффективностью, так как значительная часть излучения накачки остается не полностью поглощенной. В некоторой степени данная проблема может быть решена путем сильного закручивания волокна.

 OV 3

Рис.3. Оптических мод с плохим перекрытием сердцевины можно избежать, используя для этого конструкции с более низкой симметрией. Примерами могут служить конструкции со смещенной от центра сердцевиной или с некруглой внутренней оболочкой — эллиптической, D-образной или прямоугольной. Такие покрытия помп накачки соответствуют свойствам источников накачки, как, например, диодные стержни в форме луча. Однако, если само одномодовое волокно (не только оболочка) имеет некруглую форму, то это может вызвать проблемы с соединением волокон.

 

 

 

OV 4

Рис 4: Структура фотонно-кристаллического волокна с воздушной оболочкой

Волокна с двойным покрытием также могут быть в виде фотонно-кристаллических волокон, как показано на рисунке 4. Многомодовое ядро помпы накачки подвешивается очень тонкой распоркой в воздушной оболочке, через которую излучение накачки не может выйти. Такая структура может иметь очень большую численную апертуру для излучения накачки, равную по меньшей мере 0.6, что еще больше снижает требования к яркости источника излучения накачки. Возможность выбора толщины распорок одновременно обеспечивает хорошую механическую устойчивость, высокую теплопроводность и минимальные потери излучения. Еще одним преимуществом данного типа конструкции волоконного кабеля является то, что излучение накачки удерживается в стороне от защитного полимерного покрытия, избегая любого его повреждения при поглощении излучения. Волноводный эффект в таких волокнах достигается также, как и в других фотонно-кристаллических волокнах.

 

Параметры и методы изготовления волокон с двойной оболочкой

Важным параметром, помимо свойств сердцевины (одномодового ядра) волокна, является соотношение поверхностей внутренней оболочки и сердцевины. Такое соотношение не должно быть слишком большим, поскольку в противном случае эффективная длина участка поглощения накачки становится также большой, а интенсивность накачки в активной зоне уменьшается. В результате это приводит к низкому уровню возбуждения, что также снижает энергетическую эффективность. Соотношение поверхностей находится в промежутке от 100 до 1000. Источники накачки с улучшенной яркостью излучения позволяют использовать волокна с меньшим соотношением площадей поверхностей, а, следовательно, и с меньшей длиной, что также снижает влияние различных типов нелинейности.

 

Во многих случаях сердцевина и внутренняя оболочка двухслойного волокна аналогичны волокнам с нормальным сердечником, за исключением того, что дополнительно имеется внешняя оболочка с пониженным коэффициентом (отражения преломления). Если внутренняя оболочка выполнена из диоксида кремния, то внешняя оболочка может состоять из диоксида кремния, легированного фтором, и численная апертура для внутренней оболочки может быть, например, 0,28. Большие значения возможны при использовании наружных оболочек из полимеров, но они не выдерживают очень высокую температуру и могут привести к существенным потерям при распространении излучения накачки. Таким образом, для больших выходных мощностей более предпочтительным являются полностью «стеклянные» конструкции.

OV 5

Рис.5. Конец волокна фотонного кристалла стержня под микроскопом.

Конструкция аналогична схеме, показанной на рис.4, но ядро довольно большое и ориентация на поляризацию обеспечена двумя стрессовыми стержнями. Фотографияпредоставлена NKT Photonics.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Применение

Волокна с двойным покрытием широко используются в мощных волоконных лазерах и усилителях с оболочкой накачки. Такие устройства могут иметь довольно высокую эффективность преобразования мощности (иногда более 80%) в сочетании с высоким качеством луча. Поскольку качество луча на выходе может быть ограничено дифракцией и одновременно мощность накачки может быть низкой, яркость выхода лазера или усилителя может быть намного выше, чем у источника накачки. В случае, если увеличение яркости имеет важное значение для приложения, волоконный лазер с оболочкой накачки можно назвать преобразователем яркости.

 

Типовые проблемы волокна с двойным покрытием

Выше уже говорилось о том, что при слабом перекрытии сердцевины может возникнуть неполное поглощение накачки. Даже если сильное перемешивание мод обеспеченно соответствующей конструкцией, абсорбция насоса уменьшается в зависимости от ограниченного перекрытия излучения накачки с сердечником из легированного волокна. Поэтому обычно требуется более длинная зона активного волокна. Это может быть вредным, например, в случае нелинейности волокна. Кроме того, большее общее количество легирующих ионов может затруднить работу лазера или усилителя с короткими длинами волн сигнала, а увеличенное количество флуоресцентного излучения может снизить эффективность преобразования мощности.

 

Определенная часть рабочего излучения может перейти из ядра в оболочку накачки, например, при помощи изгиба или волоконной брэгговской решетки. Оставаясь в оболочке помпы накачки, излучение не теряется через защитное покрытие. Для удаления излучения, если это мешает выходному сигналу устройства, может потребоваться какой-либо тип стриппера (поглотителя). Это может также иметь место для случая остаточного света накачки.

 

По материалам https://www.rp-photonics.com