Диссертация (1104775), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Волокна этого типа позволяют, поми-12мо полного внутреннего отражения, альтернативный метод удержания световогополя – фотонные запрещённые зоны. Каждая из полостей в волокне имеет свойдиапазон частот и углов падения, при которых падающий свет отражается обратно. Комбинация таких диапазонов в волокне позволяет создать для определённого диапазона частот зону, которая блокирует распространение света в любомнаправлении, кроме продольного по волокну. В случае симметричного расположения полостей такие структуры называют «фотонными кристалами», а волокна,соответственно, «фотонно-кристаллическими волокнами». Впервые такое волокно было продемонстрировано в 1998 году [2], хотя фотонно-кристаллические волокна, удерживающие свет за счёт полного внутреннего отражения, были известны ещё раньше [3].Основные преимущества микроструктурированных световодов дляволоконно-оптических технологий связаны с возможностью широкого варьирования архитектуры сердцевины и оболочки, что позволяет управлять модовымсоставом, дисперсионными и поляризационными свойствами, а также нелинейностью волокон, в масштабах принципиально не достижимых как в сплошнойсреде, так и в стандартных одномодовых и многомодовых волокнах [4].
В частности, использование специально подобранного дизайна фотонно-кристаллическойоболочки позволяет сместить длину волны нулевой дисперсии волокна в коротковолновую сторону относительно исходной длины волны нулевой дисперсии плавленого кварца. Также уменьшение эффективной площади распространяющейсямоды в таком типе волокон усиливает керровскую нелинейность по сравнениюсо стандартным волокном. Это делает микроструктурированные волокна уникальным инструментом для решения большого круга задач в фундаментальныхнаучных исследованиях и в современных оптических технологиях [5].В начале 90х годов появился ещё один тип волокна – так называемые перетянутые волокна.
Практически они представляют собой модификацию исходного волокна, заключающуюся в уменьшении его радиуса [6]. Обычно это делается путём нагревания волокна и растягивания его в продольном направлении.Следует отметить, что при выполнении этой процедуры сердцевина волокна также пропорционально уменьшается в размерах. Перетянутые волокна разделяютна умеренно перетянутые и сильно перетянутые, в зависимости от диаметра перетяжки относительно исходного. Умеренно перетянутые волокна используютсядля манипуляции площадью моды, в частности, для повышения эффективностистыковки двух волокон различного диаметра. Также они применяются для филь-13трации мод высокого порядка, потери которых существенно возрастают в перетянутом регионе. Сильно перетянутые волокна имеют диаметр перетяжки порядкамикрометров.
В них пропадает разница между сердцевиной и оболочкой, в переделах перетяжки световое поле проводится всем волокном целиком. Эти волокна были предложены как альтернатива фотонно-кристаллическим для генерациисверхшироких спектров, с результатами, не уступающими им [7].Основная проблема, с которой сталкиваются исследования, посвящённыеполучению максимально широкого спектра в волокне, – окно пропускания плавленого кварца. Его верхний предел лежит примерно на 2.5 мкм.
Это ограничение является неотъемлимым свойством материала, и, таким образом, не можетбыть компенсировано структурой волокна. Более того, плавленый кварц имеетдостаточно низкий нелинейный показатель преломления (порядка 10−20 м2 /Вт на1550 нм) [8]. Комбинация этих свойств эффективно исключает возможность генерации спектральных компонент за пределами окна прозрачности плавленогокварца. Помимо этого, в ультрафиолетовом диапазоне он подвержен оптическомуповреждению (соляризации), что также не позволяет использовать сделанные изнего волокна. Таким образом, для использования как в ИК, так и в УФ-диапазонахнеобходимы другие материалы.Одним из таких материалов являются фторидные стёкла.
Этот материал былвпервые получен в 1970х. Фторидные стёкла имеют наименьший показатель преломления среди всех стёкол для инфракрасного диапазона, наименьшую оптическую нелинейность [9], что делает их особенно подходящими для приложений,требующих высоких мощностей и отсутствия нелинейных эффектов. Другое уникальное свойство этого материала – его окно прозрачности. Оно простирается отУФ (примерно 300 нм) до среднего ИК (4-6 мкм для волокна длиной около метра) диапазона [9; 10]. Фторидные стёкла можно разделить на четыре типа: фтороалюминивые (AlF3 ), фтороциркониевые (ZrF4 ), фтороиндиевые (InF3 ) и фторидные стёкла, основанные на фторидах двухвалентных элементов. Так как энергияпродольных колебаний между металлом и ионом фтора зависит от соединения(AlF3 > ZrF4 > InF3 > M F2 ), таким же образом увеличивается длинноволновый край окна пропускания [9; 10].
Недостатками фторидных волокон являютсяих сравнительно низкая химическая стабильность, вынуждающая тщательно изолировать волокна или использовать их в специально подготовленных помещениях, и малая стабильность кристаллизации по сравнению с оксидными и халькоге-14нидными стёклами, что усложняет получение волокон со сложной структурой ималыми потерями.Наиболее хорошо изученным и широко используемым типом фторидных стёкол являеются фторциркониевые. В пределах этой группы стёкол распространённее всего так называемое стекло «ZBLAN», с молярным составом53ZrF4 –20BaF2 –4LaF3 –3AlF3 –20N aF .
Одним из существенных плюсов этогоматериала является высокая кристаллизационная стабильность, позволяющаяпроизводить волокна с малыми потерями [9]. На текущий момент не известно обуспешном изготовлении волокон из фторидов двухвалентных элементов в силуих малой кристализационной стабильности. Фтороиндиевые стёкла начинаютнабирать популярность в силу более широкого окна пропускания по сравнению сZBLAN [10], в то время как фтороалюминиевые стёкла не получили распространения в среднем ИК за счёт более узкого окна пропускания (до 4 мкм). Фторидныестёкла, по сравнению с остальными видами материалов для среднего ИК, наиболее коммерчески успешны, несмотря на ограниченность окна пропускания сдлинноволновой стороны 5.5 мкм.Начало активному исследованию фтороциркониевых волокон положил анализ потерь в волокнах из этого материала, показавший, что в среднем ИК (2-3мкм) они могут быть на порядок меньше, чем в волокнах из плавленого кварца.
В результате в 1980х и 1990х было опубликовано большое количество работ,посвящённых созданию фтороциркониевых волокон со сверхнизкими потерями.Несмотря на то, что были получены существенные успехи, теоретический предел потерь так и не был достигнут из-за примесей в металлах и рассеивающихдефектов, в основном – маленьких кристаллов, возникающих в стекле [9].
Дляполучения волокон со сверхнизкими потерями необходимы исходные материалыочень высокой чистоты, не доступные в продаже. Помимо этого, существеннуюроль играют условия обработки стекла. Численное моделирование показывает,что экстремальные условия вытягивания волокна, а именно, высокая скорость вытягивания и натяжение, могут уменьшить потери в волокне до близких к теоретическим уровней. К сожалению, подобные условия далеки от практически реализуемых.
Тем не менее, результатом этих исследования стало появление ширококоммерчески доступных фтороциркониевых волокон [9]. Помимо этого, относительно недавно было показано, что схожие методы могут быть использованы идля производства микроструктурированных волокон [11].15Волокна ZBLAN на текущий момент широко используются в волоконныхлазерах [12] и для генерации сверхшироких спектров [11; 13; 14]. Несмотря на то,что эти волокна имеют небольшую нелинейность, они интересны для генерациисверхшироких спектров из-за низких потерь в диапазоне 3-6 мкм [15] и длинойволны нулевой дисперии на 1.6 мкм, что близко к длинам волн мощных лазеровна волокнах, допированных эребием (1.5 мкм) и туллием (2 мкм) [16].
Также существуют работы по получению сверхшироких спектров с помощью каскада изфторидного и халькогенидного волокон, накачиваемых импульсным лазером натулиевом волокне [17] и четырёхступенчатого каскада (плавленый кварц – тулиевое волокно – ZBLAN – халькогенидное волокно), накачиваемого лазерным диодом [13]. Несмотря на то, что большая часть работ с использованием ZBLAN рассматривает волокна со ступенчатым профилем показателя преломления, недавниеисследования также показали возможность изготовления и использования микроструктурированного волокна из этого материала [11].Фтороиндиевые волокна, как уже было сказано выше, имеют более широкое окно пропускания за счёт меньшей максимальной энергии фононов [18]. Более того, они имеют и лучшую по сравнению с ZBLAN температурную стабильность [9; 10].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
