Światłowody kapilarne



Pobieranie 21,19 Mb.
Strona47/53
Data24.02.2019
Rozmiar21,19 Mb.
1   ...   43   44   45   46   47   48   49   50   ...   53

5.4.6 Warunki propagacji dużej mocy w fotonicznym światłowodzie kapilarnym


Światłowód kapilarny, zarówno braggowski, jak i porowaty, może być optymalizowany dla prowadzenia dużej mocy optycznej. Poniżej wymieniono podstawowe czynniki projektowe, konstrukcyjne i technologiczne podlegające optymalizacji. Zazwyczaj wybór wielkości danego parametry jest kompromisem pomiędzy przeciwstawnymi wpływami. Celem jest zwiększenie mocy transmitowanej a czynnikami przeciwstawnymi, między innymi są:, pogorszenie struktury modowej światłowodu, niska jakość wiązki, zwiększenie strat (rozproszeniowych, absorpcyjnych, upływnościowych), zmniejszenie elastyczności, mała apertura numeryczna, mały dopuszczalny kąt wygięcia, itp.

5.4.7 Powietrzny rdzeń światłowodu


Średnica rdzenia powietrznego światłowodu powinna być jak największa, gdyż przy stałej dopuszczalnej gęstości mocy pozwala to na transmisję większej mocy całkowitej. Współczynnik nieliniowości optycznej szkła wynosi n2=2,9x10-19 cm2/W, i jest 1000 razy mniejszy od nieliniowości szkła krzemionkowego. Jeśli tylko fala optyczna nie wnika zbyt głęboko w szkło, to dopuszczalna gęstość mocy w rdzeniu powietrznym jest znacznie większa niż w światłowodzie klasycznym – całkowicie szklanym. Średnica rdzenia nie powinna być zbyt duża, gdyż światłowód propaguje wielką liczbę modów wyższego rzędu sprzęgniętych z modami powierzchniowymi i płaszczowymi upływowymi.

5.4.8 Apertura numeryczna


Apertura numeryczna decyduje o kątowej zdolności akceptacji mocy optycznej przez światłowód oraz o głębokości wnikania pola w szkło. Odmienne technologiczne warunki tworzenia apertury numerycznej występują w światłowodzie kapilarnym braggowskim i porowatym. W światłowodzie braggowskim duży kontrast pomiędzy rdzeniem i płaszczem tworzony jest przez wiele cienkich nanometrowych warstw refrakcyjnych na zasadzie podobnej jak w światłowodzie gradientowym, wieloskokowym, o profilach typu W i M, lub braggowskim zwierciadle rozłożonym w laserach półprzewodnikowych typu DBM, DFB. Apertura zależy od ilości warstw, kontrastu między nimi i rozmiarów takiej nanometrowej superstruktury periodycznej (liniowa, modulowana – rodzaj sztucznej sieci krystalicznej). Technologicznie jest to zagadnienie, na obecnym rozwoju technologii światłowodów szklanych, bardzo trudne.

W światłowodzie kapilarnym porowatym aperturę numeryczną tworzy się poprzez poprzednio wymienione parametry: średnicę nanokapilar, odległość między osiami nanokapilar, czyli poprzez współczynnik wypełnienia powietrzem wp światłowodu. Dla współczynników powyżej wp>90% apertura jest praktycznie równa jedności.



5.4.9 Wnikanie pola modowego w szkło


Im mniejsze wnikanie pola modowego w szkło płaszcza, tym potencjalnie mniejsze straty propagacji – absorpcyjne wynikające z interakcją ze szkłem oraz rozproszeniowe wynikające z mieszania modowego.

5.4.10 Struktura modowa


Im więcej modów tym więcej mocy można potencjalnie wprowadzić do światłowodu. Im mniej modów tym lepsza struktura prowadzonej wiązki. Ideałem jest prowadzenie jednego modu podstawowego o gaussowskim kształcie i jak największej średnicy efektywnego pola modowego Aeff. Efektywny współczynnik nieliniowości γ jest proporcjonalny do nieliniowego współczynnika załamania n2 oraz odwrotnie proporcjonalny do efektywnego pola modowego γ=2πn2/λAeff.

5.4.11 Fotoniczne pasmo transmisyjne


Fotoniczne pasmo transmisyjne (kształtowane w sposób technologiczny) musi być odpowiednio usytuowane wobec powietrznego rdzenia, właściwości spektralnych materiałów użytych do budowy światłowodu, docelowego pasma transmisyjnego światłowodu. Istotne jest także istnienie obok pasma pierwotnego, pasm wtórnych wyższego rzędu, do których moc może być transferowana różnymi drogami. Istotna jest szerokość tego pasma, wewnętrzna struktura modowa obejmująca mod podstawowy i ewentualnie dyskryminację modów powierzchniowych.

5.4.12 Przezroczystość szkła


Ten parametr odgrywa odmienną rolę niż w światłowodzie klasycznym (całkowicie szklanym). Możliwe jest używanie szkieł i materiałów o zwiększonej absorpcji, pod warunkiem niewielkiego wnikania pola. Dla światłowodów kapilarnych dużej mocy (a także ultraniskostratnych do transmisji dalekosiężnej) szczególnie straty absorpcyjne powinny być na jak najmniejszym poziomie.

5.4.13 Wypełnienie rdzenia


W zwykłych rozwiązaniach zakłada się wypełnienie rdzenia kapilarnego powietrzem. W specjalnych zastosowaniach w rdzeniu może być próżnia (dalsze obniżenie poziomu optycznych zjawisk nieliniowych) lub gaz szlachetny (usunięcie rozpraszania i przesunięcia częstotliwości Rayleigha), a także (rzadziej) ciecze. Kosztem specjalnego wypełnienia rdzenia jest zwiększona komplikacja układu sprzężenia światła do włókna.

5.4.14 Właściwości mechaniczne i termiczne światłowodu


Światłowód do transmisji dużej mocy optycznej powinien charakteryzować się znaczną wytrzymałością mechaniczną, termiczną i chemiczną. Niestety materiały szkliste przezroczyste w zakresie średniej i dalekiej podczerwieni mają relatywnie słabe właściwości fizykochemiczne.

5.4.15 Pokrycie zewnętrzne światłowodu


Pokrycie zewnętrzne może wzmacniać światłowód, ograniczać stopień wygięć oraz stanowi interfejs mechaniczny i termiczny z otoczeniem. Pokrycie zewnętrzne powinno być kompatybilne ze sposobem mocowania światłowodu w układzie laboratoryjnym i aplikacyjnym.

5.4.16 Chłodzenie światłowodu


Chłodzenie światłowodu może być aktywne, przepływowe lub pasywne stacjonarne, a także zewnętrzne lub wewnętrzne. Przy dużych średnicach kapilary rdzeniowej testowano przepływ zimnego suchego gazu chłodzącego, np. Xe. Najczęstszy rodzaj chłodzenia w zastosowaniach dużej mocy to klasyczne chłodzenie wodne płaszczowe.

5.4.17 Transmisja fali ciągłej IR w fotonicznym światłowodzie kapilarnym


W paśmie λ=(3-5) μm wiele ze szkieł miękkich (tlenkowych, wieloskładnikowych) jest przezroczystych. Wiele z ich ma straty w tym paśmie poniżej 1 dB/m, co w światłowodzie fotonicznym gwarantowałoby straty poniżej 0,1 dB/m Jednak żadne z nich nie dorównuje parametrami mechanicznymi włóknom krzemionkowym. Zakładając proporcje wnikania pola transportowanej fali na poziomie mniejszym od 1% [16], straty absorpcyjne w kapilarze krzemionkowej jednomodowej będą stosunkowo niewielkie. Ocenia się takie straty, dla optymalizowanego światłowodu kapilarnego na poziomie poniżej α<0,5 dB/m.

W celu sprawdzenia tych założeń wykonano eksperyment technologiczny z kapilarnym światłowodem krzemionkowym o następujących parametrach [14]: rdzeń kapilarny utworzony z 19 brakujących periodycznych segmentów struktury fotonicznej, średnica rdzenia optycznego dr=40 μm, średnica światłowodu dw=150 μm, okres fotonicznej struktury płaszcza Λ=7 μm, zwiększona grubość ściany rdzenia w porównaniu ze ścianami nanokapilar płaszczowych, długość próbek – kilka m. Optymalizowano strukturę na minimum głębokości wnikania modu podstawowego w szkło. Nie optymalizowano struktury pod względem sprzężenie modu podstawowego z modami powierzchniowymi.

Pomiarowy układ optyczny dla λ=(3-5) μm takiego światłowodu zawiera: jako źródło - gorącą lampę wolframową pracującą jako promieniujące ciało doskonale czarne, jako optykę – soczewki z ZnSe, monochromator IR jako detektor. Optymalizacja na minimum wnikania pola w szkło kapilary doprowadziła do obniżenia strat absorpcyjnych w całym paśmie do poziomu kilku dB/m. Rezultatem braku optymalizacji pod względem sprzężenia z modami powierzchniowymi była obecność kilku wąskich rezonansowych pasm sprzężeniowej utraty mocy (z modu podstawowego do kolejnych istniejących w tej strukturze modów powierzchniowych).

Stopień ograniczenia pola modu podstawowego w tym światłowodzie mierzono metodą przesuwanego ostrza po powierzchni czołowej rdzenia włókna optycznego. Ostrzem tym był brzeg szczeliny wejściowej spektrofotometru. Przebieg krzywej pomiarowej porównywano z gaussowskim profilem modowym, uzyskując dobrą zgodność. Szerokość e-2 profilu gaussowakiego wynosiła 15 μm. Porównując kształt modu oraz proporcje wymiarowe badanej kapilary IR dla λ=(3-5) μm z klasycznymi kapilarami fotonicznymi dla λ=1,5 μm, można stwierdzić że światłowód jest jednomodowy, dla fali minimalnej absorpcji w tym paśmie λ=3,15 μm. Dodatkowo, silna absorpcja pola zanikającego w ściance kapilary jest czynnikiem zapobiegającym transmisji modów wyższego rzędu poprzez znaczne różnicowe tłumienie modowe. Tłumienie światłowodu mierzono metodą obcięcia końca. Zmierzony promień łamiący światłowodu bez zewnętrznego pokrycia polimerowego wynosił 12,5 mm. Dla tego promienia wygięcia, nawet tuż przed złamaniem włókna, nie obserwowano mierzalnego wzrostu tłumienia transmisji.

Przeprowadzone doświadczenie technologiczne pokazuje możliwość rozszerzenia zastosowań krzemionkowych fotonicznych światłowodów kapilarnych (n=1,46) znacznie poza zakres obecnych zastosowań takich włókien, czyli typowo 1,5 μm a maksymalnie ok. 2,5 μm. Rozszerzenie wydaje się możliwe do ok. 3,5 μm. Dalsze rozszerzenie tego zakresu spektralnego, poza 5μm jest związane z przejściem w konstrukcji kapilar fotonicznych na niskostratne szkła (As)-S-Se-Te o znacznie większych współczynnikach załamania, n=(1,8-2,7). Dla tych wartości współczynników załamania i współczynników wypełnienia przekroju poprzecznego światłowodu powietrzem stosowanych dla SiO2 (80%) pasmo fotoniczne nie istnieje. Współczynnik wypełnienia powietrzem musi być znacznie mniejszy (60%) [7]. Rozszerzenie pasma transmisji fotonicznej IR w drugim kierunku typowego pasma światłowodu SiO2, czyli w obszar λ=(700-900) nm jest związane z opanowaniem technologii kapilar fotonicznych o niezniekształconej subtelnej strukturze rdzeń-płaszcz i znacznie mniejszych rozmiarach periodycznych elementów tej struktury.

Zamrożona w szkle subtelna periodyczna struktura porowata definiuje fotoniczne pasmo transmisji kapilary optycznej w stosunkowo wąskim zakresie długości fal. Dla typowego pasma transmisyjnego ultraniskostratnych światłowodów krzemionkowych jest to (100-500) nm. Nadzieje na pracę w znacznie szerszych fotonicznych pasmach transmisyjnych (rzędu kilku μm) daje optyczny płaszcz wielowarstwowy [17]. Dla subtelnych struktur wielowarstwowych sieci fotonicznych uzyskano szerokość fotonicznego pasma transmisji znacznie szerszą, w zakresie (0,85-2,28) μm. Światłowód wyciągano ze szkła As2S3. Ze względu na niską wartość Tg temperatury przejścia fazowego tego szkła, subtelna struktura płaszcza może być budowana z polimeru. Testowano polimery PES i PEI. Uzyskano straty włókna testowego o średnicy rdzenia 165 μm na poziomie kilku dB/m dla λ=1600 nm.

Rozwiązanie numeryczne dla tego nieporowatego braggowskiego światłowodu kapilarnego można przeskalować względem wymiarów włókna uzyskując fotoniczne pasmo transmisji w obszarze 3,1 μm i 3,55 μm. Światłowód wyciągano z tej samej preformy co dla pasma poprzedniego. Wymiary zewnętrzne światłowodów były 600 μm i 670 μm. Średnice rdzenia były 275 μm.

Rozwiązanie numeryczne dla światłowodu przeskalowano w wymiarach także dla pasma 10,6 μm. Średnica rdzenia była 700-750 μm a średnica światłowodu (1300-1400) μm. Podstawowe pasmo fotoniczne obejmowało zakres (10-11) μm. W światłowodzie transmitowano wiązkę lasera CO2 o mocy 25 W. Mierzono straty transmisji na poziomie poniżej 1 dB/m. Mierzone straty zgięcia światłowodu dla 10,6 μm wynosiły 1,5 dB/90o. Naturalne straty transmisji utraczystego szkła As2S3 dla 10,6 μm wynoszą 7 dB/m. Straty materiału płaszcza, polimeru PES dla 10,6 μm są rzędu 105 dB/m. Maksymalny poziom gęstości mocy transmitowanej tym światłowodem był 300 W/cm2. Prowadzona jest dokładna analiza mechanizmów ogrzewania braggowskich światłowodów kapilarnych prowadząca do ich optymalizacji konstrukcyjnej na potrzeby zastosowań w układach transmisji dużej mocy [18].



5.4.18 Transmisja fali impulsowej IR w fotonicznym światłowodzie kapilarnym


Możliwość kształtowania poziomu dyspersji modowej (do wartości porównywalnej lub większej niż w światłowodzie klasycznym), poprzez głębokość wnikania pola modu podstawowego w szkło i poprzez wykorzystanie pasm dyspersji anomalnej (gdzie współczynnik dyspersji D=-λn”/c>0, n”=d2n/dλ2, c-prędkość światła w próżni, λ-długość fali, n-efektywny modowy współczynnik załamania) oraz znacznie niższy poziom optycznych zjawisk nieliniowych (nawet do 1000 razy mniejszy) w światłowodzie kapilarnym, pozwala na transmisję solitonów gigantycznych [8].

Do eksperymentu transmisyjnego z falą impulsową o znacznym natężeniu zastosowano światłowód kapilarny porowaty o następujących parametrach: średnica rdzenia 12,7 μm, okres porowatości płaszcza 4,7 μm, współczynnik wypełnienia powietrzem wp=97%, tłumienność α=13 dB/km dla λ=1500 nm, pasmo fotniczne Δλ=(1395-1510) nm długość fali zera dyspersji λod=1425 nm, dyspersja anomalna prawie w całym paśmie fotonicznym, długość próbki światłowodu lw=3 m.

Światłowód pobudzano impulsem optycznym o następujących danych wejściowych: czas trwania ti=110 fs, λi=1470 nm, energie impulsu w zakresie 450 nJ, 900 nJ, 1 μJ, moc impulsu 2,4 MW, natężenie 3,7x1012 W/cm2,

W wyniku transmisji ramanowskie przesunięcie częstotliwości w powietrznym rdzeniu wyniosło 80 nm, przy 65% energii skupionej w solitonie.

Próbkę światłowodu o długości 2 m wypełniono Xenonem. W ten sposób wyeliminowano ramanowskie przesunięcie częstotliwości. Sprzęgano impulsy o czasie trwania75 fs i długości fali 1510 nm o kształcie gaussowskim (iloczyn czas-pasmo równy 0,48). Dla energii impulsu 400 nJ otrzymano odpowiedź bezdyspersyjną. Dla energii impulsu 470 nJ otrzymano moc transmitowaną 5,5 MW. Modelowano propagację impulsu za pomocą nieliniowego równania Schrodingera otrzymując współczynniki na dyspersje wyższych rzędów, dla λ=1470 nm: β2=-180 fs2/cm, β3=5550 fs3/cm, β4=-25000 fs4/cm.

Szczególnie dobrze rokujące zastosowania znalazły kapilarne światłowody szklane dla zakresu długości fal wytwarzanych przez lasery na swobodnych elektronach (FEL). Są to lasery strojone w bardzo szerokim zakresie (aż do VUV oraz promieniowania X). Transmitowano fale impulsowe w zakresie (5-7) μm o energiach do 80 mJ. Mierzono straty tranmsisyjne poniżej 50% dla światłowodu długości 1 m i mocy szczytowej 10 MW.



5.4.19 Podsumowanie


Światłowody kapilarne szklane o fotonicznym mechanizmie propagacji rokują znaczne nadzieje na budowę efektywnych systemów transmisji dużej mocy optycznej na znaczne odległości. Na razie jednak poziomy transmisji dużych mocy, szczególnie CW, są wyższe w światłowodach kapilarnych szklanych z dyspersją anomalną oraz szklanych z pokryciem metalowym i wysokoodpornym termicznie polimerem (olefin cykliczny).
LITERATURA
[1] E. A. J. Marcatili and R. A. Schmetzer, “Hollow metallic and dielectric waveguides for long distance optical transmission and lasers,” Bell Syst. Tech. J. 43 1783 (1964).

[2] K.Matsumura, Y.Matsumura, J.A.Harrington, Evaluation of gold, silver and dielectric coated hollow glass waveguides, Opt. Eng. 35, 3418-3421 (1996).

[3] Y.Matsumura, J.A.Harrington, Hollow glass waveguides with three layer dielectric coating fabricated by chemical vapour deposition, J. Opt. Soc. Am. A 14, 1255-1259 (1997).

[4] J. Harrington, “A review of IR transmitting, hollow waveguides,” Fiber and Integrated Optics vol.19, pp.211-227 (2000).

[5] T. Katagiri, Y. Matsuura, and M. Miyagi, “Metal-covered photonic bandgap multilayer infrared hollow waveguides,” Appl. Opt. 41, 7603-7606 (2002).

[6] J. S. Sanghera, L. B. Shaw and I. D. Aggarwal, “Applications of chalcogenide glass optical fibres,” C. R. Chimie, 5, 873-883 (2002).

[7] J. M. Pottage, David Bird, T. D. Hedley, J. C. Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell, and P. J. Roberts, “Robust photonic band gaps for hollow core guidance in PCF made from high index glass,” Opt. Express 11, 2854-2861 (2003),

[8] D. G. Ouzounov, F. R. Ahmad , D. Muller ,N. Venkataraman, M. T. Gallagher , M. G. Thomas, J. Silcox, K. W. Koch, and A. L .Gaeta, “Generation of Megawatt Optical Solitons in Hollow-Core Photonic Band-Gap Fibers,” Science 301, 1702-1704 (2003).

[9] L. B. Shaw, J. S. Sanghera, I. D. Aggarwal, and F. H. Hung, “As-S and As-Se based photonic band gap fiber for IR laser transmission,” Opt. Express 11, 3455-3460 (2003),

[10] F. Luan, J. C. Knight, P. St. J. Russell, S. Campbell, D. Xiao, D. T. Reid, B. J. Mangan, and P. J. Roberts, “Femtosecond soliton pulse delivery at 800nm in hollow-core photonic bandgap fibres,” Opt. Express 12, 835-840 (2004),

[11] T. Ritari, J. Tuominen, H. Ludvigsen, J. C. Petersen, T. Sørensen, T. P. Hansen, and H. R. Simonsen, “Gas sensing using air-guiding photonic bandgap fibers,” Opt. Express 12, 4080-4087 (2004),

[12] F. Benabid, G. Bouwmans, J.C. Knight, P. St. J. Russell, and F. Couny, “Ultra-high efficiency laser wavelength conversion in gas-filled hollow core photonic crystal fiber by pure stimulated rotational Raman scattering in molecular hydrogen,” Phys. Rev. Lett. 93 (12), 123903 (2004).

[13] J. D. Shephard, J. D. C. Jones, D. P. Hand, G. Bouwmans, J. C. Knight, P. S. J. Russell, and B. J. Mangan, “High energy nanosecond laser pulses delivered single-mode through hollow-core PBG fibers,” Opt. Express 12, 717-723 (2004),

[14] J.D.Shephard, W.N.MacPherson, R.R.J.Maier, J.D.C.Jones, D.P.Hand, Single-mode mid-IR guidance in a hollow-core photonic crystal fiber, Optics Express, 5 September 2005, vol.13, no.18, pp. 7139-7144;

[15] J. D. Shephard, F. Couny, P. St. J. Russell, J. D. C. Jones, J. C. Knight, and D. P. Hand, “Improved hollow core photonic crystal fiber design for delivery of nanosecond pulses in laser micromachining applications,” Appl. Opt. 44, 4582-4588 (2005).

[16 ] P. J. Roberts, F. Couny, H. Sabert, B. J. Mangan, D. P. Williams, L. Farr, M. W. Mason, A. Tomlinson, T. A. Birks, J. C. Knight, and P. St. J. Russell, “Ultimate low loss of hollow-core photonic crystal fibres,” Opt. Express 13, 236-244 (2005),

[17] K.Kuriki, O.Shapira, S.D.Hart, Y.Kuriki, J.F.Viens, M.Bayindir, J.D.Joannopoulos, Y.Fink, Hollow multilayer photonic bandgap fibers for NIR applications, Optics Express, 19 April 2004, Vol.12, No.8, pp.1510-1517;

[18] M.Skorobogatiy, S.A.Jakobs, S.G.Johnson, C.Anastasiou, B.Temelkuran, Heating of hollow photonic bragg fibers from field propagation, coupling and bending, Journ. Of Lightwave Technology, Vol.23, No.11, November 2005;


5.5 Światłowody kapilarne w telekomunikacji

Największe perspektywy praktycznych zastosowań w telekomunikacji mają, tak jak to wydaje się obecnie na podstawie badań, światłowody kapilarne fotoniczne. Inne rodzaje SK mogą być stosowane jako elementy funkcjonalne.





1   ...   43   44   45   46   47   48   49   50   ...   53


©operacji.org 2017
wyślij wiadomość

    Strona główna