Мал.1. Зразки поперечного розподілу інтенсивності оптичного випромінювання у вихідному пучку. Джерело: phys.org

Вчені з фізико-технічного інституту (MIPT)  з міжнародними співробітниками розробили новий тип оптичного волокна, яке має надзвичайно великий діаметр серцевини та зберігає когерентні властивості світла. Стаття була опублікована в журналі Optics Express. Результати дослідження є перспективними для створення потужних імпульсних волоконних лазерів і підсилювачів, а також чутливих до поляризації датчиків.

Коли справа доходить до застосування оптичного волокна, збереження властивостей світла має вирішальне значення. Існує два основних параметри, які часто необхідно зберігати: розподіл інтенсивності світла в поперечному перерізі та поляризацію світла (властивість, яке визначає напрями коливань електричного або магнітного поля в площині, перпендикулярній до напрямку поширення хвилі). У своєму дослідженні вченим вдалося виконати обидві умови.

«Дослідження в області оптичних волокон є однією з найбільш швидко що розвиваються областей оптики. За останнє десятиліття було запропоновано та реалізовано безліч технологічних рішень. Наприклад, вчені і інженери IRE RAS тепер можуть виробляти оптичне волокно практично будь-якого діаметру з довільною поперечною структурою», - каже Василь Устимчик, співавтор дослідження та професор MIPT. «В ході цього дослідження в оптичному волокні сформувалася особлива структура. Вона змінюється уздовж двох ортогоналних осей, а її діаметри змінюються пропорційно уздовж волокна. Індивідуально такі рішення вже широко використовуються, тому важливо продовжувати працювати в цьому напрямку».

Мал.2. Діаметр зовнішньої оболонки (на лівій осі) і серцевини (на правій осі) по довжині зразків волокна. На вставці в нижній діаграмі показано поперечний переріз анизотропной волокнистої структури, що складається з серцевини, еліптичної внутрішньої оболонки та зовнішньої оболонки. Джерело: phys.org

Оптичне волокно зазвичай являє собою дуже тонку гнучку пасму, витягнуту зі скла або прозорого пластика. Але ця простота суперечить низці основних проблем, що обмежують його застосування. Перший - це ослаблення сигналу в волоконно-оптичних лініях, вирішена проблема, яка проклала шлях для волоконно-оптичного зв'язку.

Сьогодні волоконна оптика також використовується в лазерних технологіях. Волоконний лазер містить оптичний резонатор, Який змушує світло багаторазово переміщатися взад та вперед. Геометричні параметри волоконного резонатора допускають тільки обмежений набір поперечних закономірностей розподілу інтенсивності світла в вихідному пучку - так звані поперечні моди резонатора (див. Мал. 1). На практиці вчені і інженери в основному прагнуть порушити тільки одну чисто фундаментальну моду (див. Верхня ліва частина малюнка 1), яка не змінюється з часом.

Для підтримки одномодової роботи волокно має складатися з серцевини та оболонки - матеріалів з різними показниками заломлення. Зазвичай товщина серцевини волокна, через яку зазвичай поширюється випромінювання, повинна становити менше 10 мікрометрів.

Збільшення оптичної потужності світла, що розповсюджується в волокні, призводить до поглинання більшої кількості енергії. Це призводить до зміни властивостей волокна. Зокрема, це викликає неконтрольоване зміну показника заломлення волоконного матеріалу. Це викликає паразитні нелінійні ефекти, які призводять до появи додаткових спектральних ліній випромінювання і т. д., які обмежують силу передаваємих оптичних сигналів. Існуюче рішення проблеми, яке також використовували автори, полягає в зміні серцевини та зовнішніх діаметрів по довжині волокна (див. Мал. 2).

Мал.3. Довжина биття поляризації (фіолетова крива на лівій осі) та зовнішній діаметр оболонки (червона крива на правій осі) уздовж довжини зразків волокна. Джерело: phys.org

Якщо розширення волокна відбувається адіабатично, тобто відносно повільно, можна зменшити кількість енергії, переданої іншим модам, до менш ніж 1 відсотка, навіть при діаметрі серцевини до 100 мікрометрів (що надзвичайно великий для одномодового волокна). Більш того, той факт, що діаметр серцевини великий та змінюється уздовж волокна, збільшує поріг виникнення нелінійних ефектів.

Для досягнення другої мети - збереження поляризаційного стану світла - автори дослідження зробили оболонку волокна анизотропной: ширина та висота внутрішньої оболонки різні (оболонка еліптична), що означає швидкість поширення світла з різними напрямками коливань поля не однакова. У такій структурі процес передачі енергії від однієї поляризованої моди до іншої майже повністю порушений.

У своєму дослідженні вчені показали, що геометрична довжина шляху, пройденого світлом через волокно, на якому коливання двох різних поляризацій знаходяться в протифазі, залежить від діаметра серцевини волокна: вона зменшується в міру збільшення діаметра. Ця довжина, відома як довжина биття поляризації, відповідає одному повного повороту стану лінійної поляризації у волокні. Іншими словами, якщо ви запускаєте лінійно поляризоване світло в волокно, він буде знову лінійно поляризований після проходження саме цієї відстані. Можливість вимірювання цього параметра сама по собі свідчить про те, що стан поляризації в волокні зберігається.

Для того, щоб дослідити властивості, пов’язані з поляризацією світла у волокні, вчені застосували оптичну частотно-доменну рефлектометрію. Це передбачає запуск оптичного сигналу у волокно та виявлення зворотного розсіяного сигналу. Відбитий сигнал містить багато інформації. Цей метод зазвичай використовується для визначення місця розташування дефектів та домішок в оптичних волокнах, але він також може визначати як довжину когерентності, так і просторовий розподіл довжини биття поляризації. Методи когерентної рефлектометрії широко використовуються для контролю стану оптичних волокон. Однак метод, використовуваний у цьому дослідженні, примітний тим, що дозволяє збирати дані з високою роздільною здатністю до 20 мікрометрів по довжині волокна.

Джерело: phys.org

Отримані нами зразки волокон продемонстрували чудові результати, що свідчить про хороші перспективи подальшого розвитку таких технологічних рішень. Вони знайдуть застосування не тільки в лазерних системах, але і в оптичних волоконних датчиках, де зміна поляризаційних характеристик відома заздалегідь, оскільки вони визначаються зовнішніми чинниками навколишнього середовища, такими як температура, тиск, біологічні та інші домішки. Крім того, вони мають ряд переваг перед напівпровідниковими датчиками, наприклад, вони не потребують електроенергії та здатні здійснювати розподілене зондування, і це не повний перелік".