Forskare från Moskvas institut för fysik och teknologi (MIPT) och internationella samarbetspartners har utvecklat en ny typ av optisk fiber som har en extremt stor kärndiameter och bevarar ljusets koherenta egenskaper. Uppsatsen publicerades i tidskriften Optik Express . Resultaten av studien är lovande för att konstruera högeffekts pulsade fiberlasrar och förstärkare, samt polarisationskänsliga sensorer.

När det gäller optiska fiberapplikationer, Att bevara ljusets egenskaper är avgörande. Det finns två principiella parametrar som ofta behöver bevaras:fördelningen av ljusintensiteten i tvärsnitt och ljusets polarisering (en egenskap som specificerar oscillationsriktningarna för det elektriska eller magnetiska fältet i ett plan vinkelrätt mot vågens utbredningsriktning). I deras studie, forskarna lyckades uppfylla båda villkoren.

"Optisk fiberforskning är ett av de snabbast utvecklande områdena inom optik. Under det senaste decenniet, många tekniska lösningar har föreslagits och implementerats. Till exempel, forskare och ingenjörer vid IRE RAS kan nu producera optisk fiber av nästan vilken diameter som helst med godtycklig tvärstruktur, " säger Vasily Ustimchik, medförfattare till studien och professor vid MIPT. "Under loppet av denna studie, en specifik struktur bildades i den optiska fibern. Det varierar längs två ortogonala axlar, och dess diametrar ändras proportionellt längs fibern. Individuellt, sådana lösningar används redan i stor utsträckning, så det är viktigt att fortsätta arbeta i denna riktning."

En optisk fiber är i allmänhet en mycket tunn flexibel tråd som dras av glas eller genomskinlig plast. Men denna enkelhet motsäger ett antal stora problem som begränsar dess tillämpningar. Den första är signaldämpning i fiberoptiska linjer, ett löst problem som banade väg för fiberoptisk kommunikation.

I dag, fiberoptik används också inom laserteknik. En fiberlaser innehåller en optisk resonator, vilket får ljuset att färdas fram och tillbaka upprepade gånger. De geometriska parametrarna för fiberresonatorn tillåter endast en begränsad uppsättning tvärgående mönster av ljusintensitetsfördelning i den utgående strålen - de så kallade tvärgående moderna för resonatorn (se fig. 1). I praktiken, forskare och ingenjörer försöker för det mesta att excitera något annat än ett rent fundamentalt läge (se det övre vänstra hörnet av fig. 1) som inte förändras med tiden.

För att upprätthålla singellägesdrift, fibern måste bestå av en kärna och en beklädnad — material med olika brytningsindex. Vanligtvis, tjockleken på fiberkärnan genom vilken strålning utbreder sig måste normalt vara mindre än 10 mikrometer.

En ökning av den optiska effekten hos ljuset som utbreder sig i fibern resulterar i att en större mängd energi absorberas. Detta leder till en förändring i fiberns egenskaper. Specifikt, det orsakar okontrollerad variation av fibermaterialets brytningsindex. Detta ger upphov till parasitiska olinjära effekter, vilket resulterar i ytterligare spektrala emissionslinjer etc., vilket begränsar styrkan på de optiska signalerna som sänds. En befintlig lösning på problemet – som författarna också använde – ligger i variationen av kärnan och ytterdiametrarna längs fiberns längd (se fig. 2).

Om expansionen av fibern sker adiabatiskt - dvs. relativt långsamt – det är möjligt att minska mängden energi som överförs till andra lägen till mindre än 1 procent, även med en kärndiameter på upp till 100 mikrometer (vilket är exceptionellt stort för single-mode fibrer). Dessutom, det faktum att kärndiametern är stor och varierar längs fibern ökar tröskeln för att ickelinjära effekter uppstår.

För att uppnå det andra målet – som var att bevara ljusets polariseringstillstånd – gjorde författarna till studien beklädnaden av fibern anisotropisk:Bredden och höjden på den inre beklädnaden är olika (beklädnaden är elliptisk), vilket betyder att ljusets utbredningshastighet med olika fältsvängningsriktningar inte är densamma. I en struktur som denna, processen att överföra energi från ett polariserat läge till ett annat är nästan helt störd.

I deras studie, forskarna har visat att den geometriska längden på den väg som ljuset färdas genom fibern där svängningarna för de två olika polarisationerna är i motfas beror på fiberkärnans diameter:Den minskar när diametern ökar. Denna längd, känd som polarisationsslaglängden, motsvarar en fullständig rotation av det linjära polarisationstillståndet i fibern. Med andra ord, om du skickar linjärt polariserat ljus in i en fiber, den kommer att bli linjärt polariserad igen efter att ha färdats exakt denna sträcka. Möjligheten att mäta denna parameter är i sig bevis på det faktum att polarisationstillståndet i fibern bevaras.

För att undersöka egenskaperna relaterade till ljuspolarisering i fibern, forskarna använde optisk frekvensdomänreflektometri. Det innebär att en optisk signal skickas in i fibern och detektera den tillbakaspridda signalen. Den reflekterade signalen innehåller mycket information. Denna metod används normalt för att bestämma platsen för defekter och föroreningar i optiska fibrer, men det kan också bestämma både koherenslängden och den rumsliga fördelningen av polarisationsslaglängden. Koherensreflektometritekniker används i stor utsträckning för att övervaka tillståndet hos optiska fibrer. Dock, metoden som används i denna studie är känd för att möjliggöra datainsamling med en hög upplösning på upp till 20 mikrometer längs fiberlängden.

Professor Sergey Nikitov, ledaren för forskargruppen, sa, "Fiberproverna vi fick har visat fantastiska resultat, indikerar goda möjligheter för vidareutveckling av sådana tekniska lösningar. De kommer inte bara att användas i lasersystem utan även i optiska fibersensorer, där förändringen av polarisationsegenskaperna är känd i förväg, eftersom de bestäms av yttre miljöfaktorer, såsom temperatur, tryck, biologiska och andra föroreningar. Dessutom, de har ett antal fördelar jämfört med halvledarsensorer. Till exempel, de behöver ingen elektrisk kraft och kan utföra distribuerad avkänning, och det är inte en komplett lista."