Введение
Двухслойное оптоволокно (DCF) – это класс оптических волокон, структура которых состоит из трех слоев оптического материала вместо обычных двух. Самый внутренний слой называется сердцевиной. Он окружен внутренней оболочкой, которая, в свою очередь, окружена внешней оболочкой. Все три слоя изготовлены из материалов с различными показателями преломления. Существует два основных типа двухслойных волокон. Первый был разработан на ранних этапах развития оптоволокна с целью управления дисперсией оптических волокон. В этих волокнах сердцевина переносит основную часть света, а внутренняя и внешняя оболочки изменяют волноводную дисперсию сигнала, распространяющегося по сердцевине. Второй тип волокна был разработан в конце 1980-х годов для использования с мощными волоконными усилителями и волоконными лазерами. В этих волокнах сердцевина легирована активным легирующим материалом, что позволяет ей одновременно направлять и усиливать световой сигнал. Внутренняя оболочка и сердцевина вместе направляют энергию накачки, которая обеспечивает энергию, необходимую для усиления сигнала в сердцевине. В этих волокнах сердцевина имеет самый высокий показатель преломления, а внешняя оболочка – самый низкий. В большинстве случаев внешняя оболочка изготавливается из полимерного материала, а не из стекла.
Волокна, компенсирующие дисперсию
В волокне с двойным покрытием для компенсации дисперсии внутренний слой покрытия имеет более низкий показатель преломления, чем внешний слой. Этот тип волокна также называют волокном с пониженным показателем преломления внутреннего покрытия и волокном с W-образным профилем (поскольку симметричный график его профиля показателя преломления поверхностно напоминает букву W). Этот тип волокна с двойным покрытием обладает преимуществом в виде очень низких потерь на микроизгибах. Оно также имеет две точки нулевой дисперсии и низкую дисперсию в гораздо более широком диапазоне длин волн, чем стандартное однослойное волокно. Поскольку дисперсию таких волокон с двойным покрытием можно в значительной степени контролировать, эти волокна могут использоваться для компенсации хроматической дисперсии в оптических системах связи и других приложениях.
Волокна для усилителей и волоконно-лазерных аппаратов
В современных волокнах с двойным покрытием для высокомощных волоконных усилителей и лазеров внутреннее покрытие имеет более высокий показатель преломления, чем внешнее покрытие. Это позволяет внутреннему покрытию направлять свет посредством полного внутреннего отражения так же, как и сердцевина, но для иного диапазона длин волн. Это дает возможность использовать в качестве источника оптической накачки диодные лазеры, обладающие высокой мощностью, но низкой яркостью. Свет накачки может быть легко включен в большое внутреннее покрытие и распространяется по нему, в то время как сигнал распространяется в меньшей сердцевине. Легированная сердцевина постепенно поглощает свет покрытия по мере его распространения, обеспечивая процесс усиления. Эта схема накачки часто называется накачкой покрытия и является альтернативой традиционной накачке сердцевины, при которой свет накачки включается в малую сердцевину. Изобретение накачки покрытия исследовательской группой Polaroid Fiber (H. Po и др.) произвело революцию в конструкции волоконных усилителей и лазеров. С использованием этого метода современные волоконные лазеры могут генерировать непрерывную мощность до нескольких киловатт, при этом сигнальный свет в сердцевине сохраняет качество пучка, близкое к дифракционному пределу. Форма покрытия имеет большое значение, особенно когда диаметр сердцевины мал по сравнению с размером внутреннего покрытия. Круговая симметрия в волокне с двойным покрытием представляется наихудшим решением для волоконного лазера; в этом случае многие моды света в покрытии не попадают в сердцевину и, следовательно, не могут быть использованы для его накачки. С точки зрения геометрической оптики, большинство лучей света накачки не проходят через сердцевину и, следовательно, не могут его накачивать. Трассировка лучей, моделирование параксиального распространения и модальный анализ дают схожие результаты.
Хаотические волокна
В общем, моды волновода имеют "шрамы", соответствующие классическим траекториям. Шрамы могут избегать сердцевины, в этом случае мода не связана, и бессмысленно возбуждать такую моду в двуслойном волоконном усилителе. Шрамы могут быть распределены более или менее равномерно, а так называемые хаотические волокна имеют более сложную форму поперечного сечения и обеспечивают более равномерное распределение интенсивности во внутренней оболочке, позволяя эффективно использовать энергию накачки. Однако образование шрамов происходит даже в хаотических волокнах.
the mode is not coupled, and it is vain to excite such a mode in the double clad fiber amplifier. The scars can be distributed more or less uniformly in
so called chaotic fibers have more complicated cross sectional shape and provide more uniform distribution of intensity in the inner cladding, allowing efficient use of the pump light. However, the scarring takes place even in chaotic fibers.
Спиральная форма
[[Изображение:ModesSpiralDCF4.jpg|400px|thumb|right|Моды спирально-формованного двухслойного волокна. Хотя эта теорема сформулирована для области без сердцевины, она запрещает моды, избегающие сердцевину. Следовательно, мода, избегающая сердцевину, должна быть аналогична модам области без сердцевины. Стохастическая оптимизация формы оболочки подтверждает, что почти круглая спираль обеспечивает наилучшую связь накачки в сердцевину.
Конические
Коническое волокно с двойным покрытием (T DCF) – это волокно, у которого диаметры внешней и внутренней оболочек, а также сердцевины плавно изменяются по длине. Сердцевина на узкой стороне T DCF поддерживает распространение только основной моды, в то время как на широкой стороне сердцевина способна направлять множество мод. Однако экспериментально было показано, что свет, вводимый в узкий конец T DCF, распространяется в широкую сердцевину без изменения модового состава. В результате, на широком (существенно мультимодном) конце T DCF свет распространяется только в моде наименьшего порядка с превосходным качеством луча. Таким образом, коническое волокно представляет собой уникальный и простой способ реализации распространения (и усиления) основной моды в мультимодном волокне.
Фактор наполнения
[[Изображение:FillingFactor.png|thumb|Оценки эффективности накачки в оптическом волокне с двойным покрытием с (синим) и (красным), обсуждаемые в статье. Оценка с учетом коэффициента заполнения позволяет оценить, какой минимальной длины может быть эффективный волоконный лазер с двойным покрытием, благодаря уменьшению размера внутренней оболочки.]
Альтернативные структуры
Для оптимальной формы оболочки коэффициент заполнения, определенный выше, стремится к единице; дальнейшее улучшение возможно при различных видах сужения оболочки; предлагаются нетрадиционные формы такой оболочки. Планарные волноводы с активной средой с усилением занимают промежуточное положение между традиционными твердотельными лазерами и волоконными лазерами с двойным покрытием. Планарный волновод может обеспечивать удержание многомодового накачки и высококачественного сигнального пучка, обеспечивая эффективную связь накачки и выход с дифракционным ограничением.