Wetenschappers van het Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT) en internationale medewerkers hebben een nieuw type optische vezel ontwikkeld met een extreem grote kerndiameter en behoud van de coherente eigenschappen van licht. Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Optica Express . De resultaten van de studie zijn veelbelovend voor het bouwen van krachtige gepulseerde fiberlasers en versterkers, evenals polarisatiegevoelige sensoren.

Als het gaat om glasvezeltoepassingen, het behoud van de eigenschappen van licht is cruciaal. Er zijn twee belangrijke parameters die vaak behouden moeten blijven:de verdeling van de lichtintensiteit in dwarsdoorsnede en de polarisatie van licht (een eigenschap die de oscillatierichtingen van het elektrische of magnetische veld in een vlak loodrecht op de voortplantingsrichting van de golf specificeert). In hun studie hebben de onderzoekers wisten aan beide voorwaarden te voldoen.

"Onderzoek naar optische vezels is een van de snelst ontwikkelende gebieden van de optica. In de afgelopen tien jaar is talrijke technologische oplossingen zijn voorgesteld en geïmplementeerd. Bijvoorbeeld, onderzoekers en ingenieurs van IRE RAS kunnen nu optische vezels van bijna elke diameter produceren met een willekeurige dwarsstructuur, " zegt Vasily Ustimchik, co-auteur van de studie en een professor aan het MIPT. "Tijdens dit onderzoek een specifieke structuur werd gevormd in de optische vezel. Het varieert langs twee orthogonale assen, en de diameters veranderen proportioneel langs de vezel. individueel, dergelijke oplossingen worden al veel gebruikt, dus het is van cruciaal belang om in deze richting te blijven werken."

Een optische vezel is over het algemeen een zeer dunne flexibele streng getrokken uit glas of transparant plastic. Maar deze eenvoud logenstraft een aantal belangrijke problemen die de toepassingen ervan beperken. De eerste is signaalverzwakking in glasvezellijnen, een opgelost probleem dat de weg vrijmaakte voor glasvezelcommunicatie.

Vandaag, glasvezel wordt ook gebruikt in de lasertechnologie. Een fiberlaser bevat een optische resonator, waardoor licht herhaaldelijk heen en weer gaat. De geometrische parameters van de vezelresonator laten slechts een beperkte reeks transversale patronen van lichtintensiteitsverdeling in de uitgangsbundel toe - de zogenaamde transversale modi van de resonator (zie figuur 1). In praktijk, onderzoekers en ingenieurs proberen meestal niets anders op te wekken dan één pure fundamentele modus (zie de linkerbovenhoek van figuur 1) die niet verandert met de tijd.

Om de werking in één modus te behouden, de vezel moet bestaan ​​uit een kern en een bekleding - materialen met verschillende brekingsindexen. Gewoonlijk, de dikte van de vezelkern waardoor de straling zich voortplant, moet normaliter kleiner zijn dan 10 micrometer.

Een toename van het optische vermogen van het licht dat zich in de vezel voortplant, resulteert in een grotere hoeveelheid energie die wordt geabsorbeerd. Dit vertaalt zich in een verandering in de eigenschappen van de vezel. specifiek, het veroorzaakt een ongecontroleerde variatie van de brekingsindex van het vezelmateriaal. Dit geeft aanleiding tot parasitaire niet-lineaire effecten, resulterend in extra spectraallijnen van emissie enz., die de sterkte van de optische signalen die worden verzonden, beperkt. Een bestaande oplossing voor het probleem - die de auteurs ook hebben gebruikt - ligt in de variatie van de kern en buitendiameters langs de lengte van de vezel (zie figuur 2).

Als de uitzetting van de vezel adiabatisch plaatsvindt, dat wil zeggen, relatief langzaam - het is mogelijk om de hoeveelheid energie die naar andere modi wordt overgebracht te verminderen tot minder dan 1 procent, zelfs met een kerndiameter tot 100 micrometer (wat uitzonderlijk groot is voor single-mode vezels). Bovendien, het feit dat de kerndiameter groot is en langs de vezel varieert, verhoogt de drempel voor het optreden van niet-lineaire effecten.

Om het tweede doel te bereiken, namelijk het behoud van de polarisatietoestand van het licht, hebben de auteurs van het onderzoek de bekleding van de vezel anisotroop gemaakt:de breedte en de hoogte van de binnenbekleding zijn verschillend (de bekleding is elliptisch), wat betekent dat de voortplantingssnelheid van licht met verschillende veldoscillatierichtingen niet hetzelfde is. In een structuur als deze, het proces van het overbrengen van energie van de ene gepolariseerde modus naar de andere is bijna volledig verstoord.

In hun studie hebben de onderzoekers hebben aangetoond dat de geometrische lengte van het pad dat licht door de vezel aflegt, waarbij de oscillaties van de twee verschillende polarisaties in tegenfase zijn, afhangt van de diameter van de vezelkern:deze neemt af naarmate de diameter groter wordt. deze lengte, bekend als de lengte van de polarisatieslag, komt overeen met één volledige rotatie van de lineaire polarisatietoestand in de vezel. Met andere woorden, als je lineair gepolariseerd licht in een vezel lanceert, het zal opnieuw lineair gepolariseerd zijn nadat het precies deze afstand heeft afgelegd. De mogelijkheid om deze parameter te meten is op zichzelf een bewijs van het feit dat de polarisatietoestand in de vezel behouden blijft.

Om de eigenschappen met betrekking tot lichtpolarisatie in de vezel te onderzoeken, de wetenschappers gebruikten optische frequentiedomeinreflectometrie. Het omvat het lanceren van een optisch signaal in de vezel en het detecteren van het terugverstrooide signaal. Het gereflecteerde signaal bevat veel informatie. Deze methode wordt normaal gesproken gebruikt om de locatie van defecten en onzuiverheden in optische vezels te bepalen, maar het kan ook zowel de coherentielengte als de ruimtelijke verdeling van de slaglengte van de polarisatie bepalen. Coherentiereflectometrietechnieken worden veel gebruikt om de toestand van optische vezels te bewaken. Echter, de methode die in deze studie is gebruikt, is opmerkelijk omdat ze gegevensverzameling mogelijk maakt met een hoge resolutie tot 20 micrometer langs de vezellengte.

Professor Sergej Nikitov, de leider van de onderzoeksgroep, zei, "De vezelmonsters die we hebben verkregen, hebben geweldige resultaten opgeleverd, wat goede vooruitzichten biedt voor de verdere ontwikkeling van dergelijke technologische oplossingen. Ze zullen niet alleen worden gebruikt in lasersystemen, maar ook in optische vezelsensoren, waarbij de verandering van polarisatiekenmerken van tevoren bekend is, omdat ze worden bepaald door externe omgevingsfactoren, zoals temperatuur, druk, biologische en andere onzuiverheden. Aanvullend, ze hebben een aantal voordelen ten opzichte van halfgeleidersensoren. Bijvoorbeeld, ze hebben geen elektrische stroom nodig en zijn in staat om gedistribueerde detectie uit te voeren, en dat is geen volledige lijst."