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.

Свет накачки

Рисунок 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.

Поперечное сечение кабеля

Рисунок 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.


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.

Оптоволокно

Рисунок 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.

ОптоволокноРисунок 5. Конец волокна фотонного кристалла стержня под микроскопом

 

Конструкция аналогична схеме, показанной на рисунке 4, но ядро довольно большое и ориентация на поляризацию обеспечена двумя стрессовыми стержнями. Фотография предоставлена 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.

01.06.2017

По материалам RP-Photonics

Заявка на звонок

В форме есть ошибки

Мы перезвоним Вам с 9:00 до 18:00 по Москве

Исправление ошибки

Спасибо за помощь в контроле качества нашего ресурса!