МИКРОСТРУКТУРИРОВАННЫЙ СВЕТОВОД ДЛЯ ШИРОКОПОЛОСНОЙ ГЕНЕРАЦИИ ВТОРОЙ ГАРМОНИКИ Российский патент 2017 года по МПК G02F1/00 

Изобретение относится к области оптоволоконной техники и может быть использовано в нелинейных волоконных преобразователях частоты сверхкоротких импульсов, в широкополосных волоконных линиях связи, в спектроскопии высокого разрешения.

Известен световод на основе плавленого кварца, в котором создана квадратичная нелинейность путем температурного полинга (P. Blazkiewicz, W. Xu, D. Wong, S. Fleming, “Mechanism for thermal poling in twin-hole silicate fibers”, J. Opt. Soc. Am. B, 19, 870-874 (2002)). Формирование квадратичной нелинейности в световоде включает в себя следующие этапы:

1) Создание световода, имеющего в оболочке отверстия для электродов.

2) Введение в отверстие электродов, которые могут быть в виде тонкой металлической проволоки или полностью заполняющего отверстие металла, введенного в расплавленном состоянии под давлением.

3) Нагрев отрезков световодов длиной несколько десятков сантиметров в течение времени от нескольких десятков минут до нескольких часов в печке при температуре ~200-300°С при одновременном прикладывании к электродам напряжения ~2-10 кВ.

4) Остывание образца при приложенном напряжении на электродах.

После снятия напряжения в световоде вблизи анода формируется в поперечном сечении отрицательно заряженная область протяженностью около 10 мкм, образующаяся за счет движения мобильных ионов водорода H⁺ и щелочных металлов, в первую очередь Na⁺, Li⁺, приводящая к образованию «вмороженного» электрического поля E (T. G. Alley, S. R. J. Brueck, “ Visualization of the nonlinear optical space-charge region of bulk thermally poled fused-silica glass”, Opt. Lett., 23, 1170 (1998). A. Kudlinsky, G. Martinelly, and Y. Quiquempois, “Time evolution of second-order nonlinear profiles induced within thermally poled silica samples”, Opt. Lett., 30, 1039 (2005)). В результате световод приобретает в области вблизи анода квадратичную нелинейную восприимчивость ч⁽²⁾, однородно распределенную вдоль световода ( QUOTE , где ч⁽³⁾ - кубичная нелинейная восприимчивость). Такой однородно заполингованный световод может иметь значения ч⁽²⁾ вплоть до десятых долей пм/В на длинах световода порядка десятков см, что позволяет использовать его в различных приложениях волоконной оптики, связанных с квадратичным электрооптическим эффектом Поккельса (электрооптические волоконные модуляторы, переключатели, схемы селекции импульсов). Однако из-за отсутствия фазового синхронизма, обусловленного наличием материальной и волноводной дисперсии, однородно заполингованный световод нельзя использовать для эффективного преобразования частоты, основанного на эффекте ч⁽²⁾, и, в частности, для генерации второй гармоники (ВГ).

Известен периодически полингованный световод со ступенчатым профилем показателя преломления (Патент № WO 2001006304 A2, G02F1/365, 2001), в котором создается периодическая решетка ч⁽²⁾ путем стирания вмороженного поля в однородно полингованном световоде коротковолновым оптическим излучением, как правило, находящемся в ультрафиолетовой области спектра, с периодом L_QPM, равным или кратным периоду рассогласования фазовых скоростей излучения накачки и второй гармоники QUOTE , где β(ω₁) и β(2ω₁) – постоянные распространения на частоте излучения накачки ω₁ и второй гармоники 2ω₁ соответственно. Для периодически полингованных световодов условие фазового синхронизма может быть представлено в виде разложения в ряд Тейлора в области длины волны накачки QUOTE

Периодическая решетка позволяет получить точный синхронизм лишь в нулевом порядке (для центральной частоты сигнала накачки и второй гармоники). Для широкополосного сигнала накачки, характерного для большинства применений, степень выполнения условия квазисинхронизма зависит от последующих дисперсионных членов в разложении в ряд Тейлора и в первую очередь от первой и второй производных, ответственных за рассогласование групповых скоростей QUOTE и дисперсию QUOTE . Основной недостаток известного стандартного периодически полингованного световода со ступенчатым профилем показателя преломления заключается в том, что близкие к нулю значения параметра d₁₂ можно получить лишь для длин волн накачки, больших 1.7 мкм (P. G. Kazansky and V. Prunery, “Electric-field poling of quasi-phase-matched optical fibers”, J. Opt. Soc. Am. B, 11, 3170-3179 (1997)). В результате большие значения d₁₂ не позволяют эффективно использовать широкополосные источники накачки для преобразования длины волны в области более коротких длин волн 0.8-1.55 мкм, в которых находятся важные для приложений телекоммуникационные диапазоны.

Известен микроструктурированный световод для широкополосной генерации в области коротких длин волн накачки (патент США № US2002126370(A1), G02F 1/365, 2002), выбранный в качестве прототипа. В прототипе световод, в котором осуществляется температурный полинг, содержит помимо двух отверстий для электродов микроструктурированную оболочку, состоящую из воздушных отверстий, окружающих сердцевину в гексагональной симметрии. Дисперсионные свойства известного световода с микроструктурированной оболочкой зависят от диаметра отверстий d_h и расстояния между ними Λ таким образом, что при определенном соотношении d_h и Λ они позволяют получить нулевое рассогласование групповых скоростей (d₁₂=0) в области коротких длин волн и малые значения для дисперсии в₁₂. В прототипе методом численного анализа рассмотрено несколько типов микроструктурированных световодов для накачки на длине волны 1.55 мкм и показано, что ширина полосы синхронизма, определяемая как полная ширина на половине максимума (FWHM) мощности второй гармоники, составляет десятки нанометров, что значительно превосходит ширину полосы для ступенчатых световодов, не превышающую 2 нм.

Однако следует отметить, что по прошествии уже более 10 лет с момента опубликования прототипа заявленное в прототипе расширение полосы в периодически полингованных микроструктурированных световодах реализовано не было. Из экспериментальных работ по полингу микроструктурированных световодов известна работа (D. Faccio, A. Busacca, W. Belardi, V. Pruneri, P. G. Kasansky, T. M. Monro, D. J. Richardson, B. Grappe, M. Cooper, and C.N. Pannell, "Demonstration of thermal poling in holey fibers," Electron. Lett., 37, 107 (2001)), в которой экспериментально подтверждена возможность однородного полинга в микроструктурированных световодах с эффективностью, не превышающей полинг в ступенчатых световодах. Известна также работа (А.В.Гладышев, Ю.П.Яценко, С.Л.Семенов, П.Г.Казанский, Е.М.Дианов. Создание квадратичной нелинейности в микроструктурированных кварцевых световодах. Фотон-экспресс, №6 (110), 118 (2013)), в которой осуществлен однородный полинг в световоде, имеющем микроструктурированную оболочку, окружающую сердцевину, состоящую из одинаковых отверстий, расположенных в гексагональной симметрии. В данной работе была продемонстрирована более низкая эффективность однородного полинга по сравнению со ступенчатыми световодами. Это, в частности, связано с рядом указанных ниже недостатков прототипа, затрудняющих или делающих практически невозможной реализацию заявленных параметров.

Одним из недостатков прототипа является игнорирование связи, существующей между параметрами микроструктурированной оболочки и параметрами световода, определяющими эффективность полинга, такими как количество элементов структуры между анодом и сердцевиной, расстояние от сердцевины до электродов и волноводные потери. При использовании в световоде для полинга предложенной в прототипе микроструктурированной оболочки диаметр воздушных отверстий d_h и интервал между ними Λ имеют конкретные значения, при которых дисперсионные свойства световода позволяют получить минимальное рассогласование групповых скоростей. Однако при этом не учитывается тот факт, что количество слоев воздушных отверстий при таких d_h и Λ, необходимое для получения малых волноводных потерь, может быть слишком большим, чтобы обеспечить оптимальные условия для полинга, такие как: а) малое количество отверстий между электродами, препятствующих движению положительно заряженных ионов, б) 10-микронная область вмороженного поля перекрывает световедущую сердцевину. Как следует из расчетов, представленных в описательной части настоящего изобретения (фиг. 8, 9), ни один из световодов, указанных в прототипе в Таблице 1, условиям оптимального полинга не удовлетворяет. Так, в частности, для того чтобы получить потери меньше 1 дБ/м для световода B из Таблицы 1 прототипа с параметрами микроструктурированной оболочки Λ=2 мкм и d_h/Λ=0.4 требуется как минимум 7 слоев воздушных отверстий. В этом случае расстояние от края 7-го слоя до противоположного края сердцевины будет находиться на расстоянии ~17 мкм от края анода (фиг. 9), что значительно превышает необходимое для оптимального полинга расстояние.

Существенным недостатком прототипа с точки зрения практического воплощения является отсутствие анализа точности, с которой необходимо изготавливать световод с заявленными параметрами, обеспечивающими расширение полосы синхронизма. Так, из результатов анализа, проведенного в настоящем изобретении, следует, что представленные в прототипе в Таблице 1 параметры световодов A и B находятся в области слишком высокой чувствительности дисперсионных свойств к вариациям диаметра световода, при которой расчетные значения ширины полосы синхронизма очень сложно реализовать практически. Типичные значения вариаций внешнего диаметра при вытяжке световодов даже с относительно простой структурой ступенчатого профиля составляют величину порядка 1%. Как показано в описательной части настоящего изобретения (фиг. 8), в области параметров, заявленных для световодов А и В из таблицы 1 прототипа, при 1% сжатии (расширении) микроструктуры рассогласование групповых скоростей увеличивается от оптимального близкого к нулю значения до значений, при которых ширина полосы синхронизма уменьшается более чем на порядок.

Поставленная задача состоит в создании микроструктурированного световода для широкополосной генерации второй гармоники, структура оболочки которого позволяет минимизировать число отверстий микроструктурированной оболочки, необходимое для обеспечения низких потерь волноводной моды, обеспечить оптимальное перекрытие световедущей сердцевины с областью формирования квадратичной нелинейности при температурном полинге, уменьшить технологические требования к точности задания параметров до приемлемого для практической реализации уровня.

Технический результат достигается тем, что в микроструктурированном световоде, выполненном из прозрачного материала, имеющем два воздушных электродных отверстия, расположенные в поперечном сечении по диаметру световода, и световедущую сердцевину, расположенную между электродными отверстиями в центральной части световода, отличающийся тем, что световедущая сердцевина образована примыкающим к ней анодным отверстием и воздушными отверстиями микроструктурированной оболочки, имеющими меньший размер по сравнению с анодным отверстием, расположенными в поперечном сечении между анодным и катодным отверстиями, при этом параметры микроструктурированной оболочки, размер анодного отверстия, отстройка анодного отверстия от центра сердцевины имеют значения, позволяющие расширить возможности практической реализации широкополосной генерации второй гармоники, в связи с тем, что они обеспечивают отсутствие элементов микроструктуры между анодом и световедущей сердцевиной, препятствующих движению зарядов при создании квадратичной нелинейности, перекрытие световедущей сердцевины с областью квадратичной нелинейности, значительное сокращение элементов микроструктуры, необходимое для получения низких потерь фундаментальной моды, круговую симметрию фундаментальной моды в области максимальной интенсивности вблизи анодного отверстия, нулевое рассогласование групповых скоростей для длин волн накачки и второй гармоники при пониженной чувствительности ширины полосы синхронизма к вариациям диаметра.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведено полное поперечное сечение микроструктурированного световода с асимметричной микроструктурированной оболочкой. 1 - прозрачный материал, 2 - анодное отверстие, 3 – катодное отверстие, 4 – увеличенное изображение центральной части, R_a - радиус анодного отверстия, Λ - расстояние между отверстиями микроструктурированной оболочки, d_h - диаметр отверстия, d_CA - расстояние от края анодного отверстия до противоположного края сердцевины.

На фиг. 2 приведены поперечные сечения центральной части микроструктурированного световода с различным числом отверстий асимметричной микроструктурированной оболочки.

На фиг. 3 показано рассчитанное поперечное распределение мощности фундаментальной моды, полученное в световоде с двумя слоями отверстий микроструктурированной оболочки для длины волны накачки 1.55 мкм. Стрелки указывают направление вектора электрического поля.

На фиг. 4 приведена зависимость относительного диаметра отверстий D от шага микроструктуры Λ при нулевом рассогласовании групповых скоростей (d₁₂=0) излучения накачки 1.55 мкм и второй гармоники 0.775 мкм для световода с асимметричной гексагональной микроструктурированной оболочкой. Штриховой линией выделены две области параметров с повышенной (Область 1) и пониженной (Область 2) чувствительностью ширины полосы синхронизма к вариациям диаметра световода. Штрихпунктирные линии разделяют области параметров с различным минимально возможным числом слоев N микроструктурированной оболочки, для которых потери находятся на уровне меньше 1 дБ/м.

На фиг. 5 показана зависимость ширины полосы синхронизма от параметра Λ для длины волны накачки 1.55 мкм. Кривая 1 рассчитана для параметров структуры, соответствующих нулевому рассогласованию групповых скоростей. Кривая 2 рассчитана для параметров, соответствующих сжатию или расширению структуры на уровне 1%.

На фиг. 6 приведена зависимость потерь от параметра Λ, рассчитанная для длины волны накачки 1.55 мкм при нулевом рассогласовании групповых скоростей.

На фиг. 7 показана зависимость расстояния от анодного отверстия до противоположного края сердцевины d_CA от параметра Λ, рассчитанная для длины волны накачки 1.55 мкм при нулевом рассогласовании групповых скоростей.

На фиг. 8 приведена зависимость относительного диаметра отверстий D от расстояния между ними Λ при нулевом рассогласовании групповых скоростей (d₁₂=0) излучения накачки 1.55 мкм и второй гармоники 0.775 мкм для предложенного в прототипе световода с симметричной гексагональной микроструктурированной оболочкой. Штриховой линией выделены две области параметров с повышенной (Область 1) и пониженной (Область 2) чувствительностью ширины полосы синхронизма к вариациям диаметра световода. Штрихпунктирные линии разделяют области параметров с различным минимально возможным числом слоев N микроструктурированной оболочки, для которых потери меньше 1 дБ/м.

На фиг. 9 показана зависимость расстояния от анодного отверстия до противоположного края сердцевины d_СА, от параметра Λ для предложенного в прототипе световода с симметричной гексагональной микроструктурированной оболочкой, рассчитанная для параметров D и Λ, представленных на фиг. 8.

На фиг. 1, 2 изображено поперечное сечение микроструктурированного световода с асимметричной оболочкой, являющегося предметом настоящего изобретения. Микроструктурированный световод с асимметричной оболочкой, выполненный из прозрачного материала 1, имеет два воздушных электродных отверстия 2 и 3, расположенные в поперечном сечении по диаметру световода, и отличается тем, что оболочка, формирующая сердцевину, состоит из анодного отверстия 2, радиус которого R_a, и отверстий меньшего диаметра d_h, расположенных на одинаковом расстоянии Λ в один (фиг. 1) или несколько (фиг. 2) слоев в гексагональной симметрии в промежутке между анодным и катодным отверстиями. При этом сердцевина сформирована анодным отверстием, край которого отстоит от противоположного края сердцевины на величину d_CA, равную диаметру сердцевины, и отверстиями неполной микроструктурированной гексагональной оболочки, окружающими одно пропущенное отверстие гексагональной оболочки в центре световода. Использование гексагональной симметрии для микроструктурированной оболочки ввиду технологичности и простоты изготовления такого световода является наиболее предпочтительным вариантом, однако не исчерпывает всех возможностей, заложенных в предлагаемой конструкции, допускающей и иное расположение отверстий микроструктурированной оболочки. Предлагаемая конструкция световода позволяет максимально приблизить сердцевину к аноду и устранить элементы структуры, препятствующие движению ионов от анода к сердцевине при создании квадратичной нелинейности. Процедура полинга не препятствует использованию воздушного анодного отверстия в качестве части микроструктурированной оболочки, окружающей сердцевину, так как после полинга анодные и катодные отверстия освобождаются от электродов и остаются свободными при подаче излучения накачки.

Особенностью предлагаемой конструкции является то, что анодное отверстие является частью микроструктурированной оболочки, поэтому радиус анодного отверстия R_a и расстояние от края анодного отверстия до противоположного края сердцевины d_CA непосредственно влияют на волноводные и дисперсионные свойства. При этом в конструкции учтено, что диаметр анодного и катодного отверстия должен значительно превышать диаметр сердцевины и, соответственно, диаметр отверстий формирующей сердцевину микроструктурированной оболочки, поскольку только в этом случае возможно создание в сердцевине однородного поперечного распределения квадратичной нелинейности, необходимого для эффективного преобразования во вторую гармонику. Катодное отверстие не влияет на волноводные и дисперсионные характеристики, поскольку со стороны катода сердцевину окружает микроструктурированная оболочка. В данной конструкции диаметр катодного отверстия равен анодному отверстию, а его отстройка от центра более чем в два раза превышает отстройку от центра анодного отверстия. Эти параметры катодного отверстия, обычно используемые при полинге в ступенчатых световодах, являются предпочтительными, поскольку позволяют обеспечить в сердцевине однородное распределение вмороженного электрического поля и разместить между сердцевиной и катодным отверстием достаточное количество элементов микроструктурированной оболочки для решения поставленной задачи.

Оптимальное соотношение между вышеперечисленными параметрами, позволяющее осуществить широкополосную генерацию в предлагаемой конструкции, установлено путем численного моделирования с использованием стандартного пакета Matlab-Femlab. При этом учитывалось, что эффективность преобразования во вторую гармонику η может быть выражена через фазовое рассогласование постоянных распространения мод накачки и второй гармоники Дв(Дл) следующим образом

QUOTE ,

где L_f – длина световода; A_OVL – эффективная площадь перекрытия мод накачки и второй гармоники. Условие фазового синхронизма Дв(Дл)=0, разложение которого в ряд Тейлора для периодически полингованных световодов представлено во вводной части, позволяет получать максимальные значения для η. Полный квазисинхронизм с учетом более высоких порядков (m≥1) достигался за счет варьирования параметров структуры. Оценка ширины полосы Дл производилась по уменьшении η в два раза от максимального значения при варьировании длины волны накачки.

Численное моделирование проводилось для телекоммуникационной длины волны накачки 1.55 мкм, для которой в обычных ступенчатых световодах синхронизм при m≥1 отсутствует. Однако данной длиной волны не исчерпываются все возможности, заложенные в предлагаемой конструкции, и аналогичное рассмотрение может быть проведено и для других длин волн накачки, предпочтительно в области 0.8-1.7 мкм. В расчетах предполагалось, что световод изготовлен из кварцевого стекла, однако это не исключает возможности получения аналогичных характеристик для световода, изготовленного из другого прозрачного материала.

В результате расчетов было установлено, что модовые характеристики для предлагаемой конструкции световода с асимметричной гексагональной микроструктурированной оболочкой в минимальной степени отличаются от конструкции с симметричной гексагональной микроструктурированной оболочкой, полностью окружающей сердцевину, для значений параметра d_CA, удовлетворяющих условию QUOTE . Из этого условия следует, что величина d_CA равна диаметру сердцевины симметричной гексагональной оболочки, имеющей в центре одно пропущенное отверстие, при этом отстройка края анодного отверстия от центра сердцевины равна отстройке от центра сердцевины краев примыкающих к сердцевине одинаковых отверстий микроструктурированной оболочки. Расчет производился для данных значений параметра d_CA при типичном значении радиуса анодного отверстия R_a, равном 25 мкм. Поскольку такое значение R_a выбрано произвольно, оно не ограничивает возможность выбора других его значений, с которыми могут быть получены аналогичные результаты. На фиг. 3 показано поперечное распределение для фундаментальной моды, рассчитанное для конструкции световода с числом слоев N=2 в неполной гексагональной оболочке. Мода находится в центре сердцевины, сформированной анодным отверстием и неполной гексагональной микроструктурированной оболочкой, имеющей одно пропущенное отверстие в центре световода, и имеет круговую симметрию в области максимальной интенсивности. Такое же симметричное модовое распределение при QUOTE имеет предлагаемая конструкция световода и при другом числе слоев N неполной гексагональной оболочки, показанных на фиг. 2.

На фиг. 4 представлена зависимость относительного диаметра D=d_h/Λ от шага структуры Λ для предлагаемой конструкции световода при выполнении условия синхронизма в нулевом и первом порядке, рассчитанная для длины волны накачки 1.55 мкм. Здесь выделены две области параметров D и Λ, отличающиеся по ширине полосы синхронизма и чувствительности к изменениям диаметра световода. Ниспадающий участок зависимости D от Λ (область 1) является областью максимальной ширины полосы синхронизма, поскольку здесь дисперсионные характеристики позволяют одновременно получить синхронизм и во втором порядке. Максимальная ширина полосы синхронизма в области 1 составляет 120 нм, (фиг. 5, кривая 1), однако при изменении диаметра световода на 1%, она уменьшается более чем на порядок и составляет 8.5 нм (фиг. 5, кривая 2). Область 2 находится в широком интервале значений параметра Λ от 1.96 мкм до 6.7 мкм, при этом размер отверстий микроструктурированной оболочки изменяется в пределах от 0.66 мкм до 6.65 мкм. В области 2 ширина полосы не превышает 40 нм, однако она не уменьшается при отклонении диаметра световода на 1%, поскольку в области 2 имеет место более медленное изменение относительного диаметра D с ростом параметра Λ и более плавная зависимость дисперсионных членов d₁₂ и в₁₂ от геометрических параметров (фиг. 5, кривая 2). Таким образом, параметры асимметричной оболочки, принадлежащей области 2, имеют преимущество по практической реализуемости максимальной ширины полосы.

На фиг.4 вертикальными линиями разграничены области параметров Λ и D, удовлетворяющих условию синхронизма, с указанием минимального числа слоев отверстий N в неполной гексагональной оболочке, которое необходимо для достижения потерь на уровне меньше 1 дБ/м. В соответствии с расчетами, представленными на фиг. 6 для длины волны накачки 1.55 мкм, в области пониженной чувствительности к вариациям (область 2) потери меньше 1 дБ/м осуществимы при следующем минимальном числе отверстий оболочки:

1) в области значений параметра Λ, больших 5.29 мкм, но меньших 6.7 мкм, микроструктурированная оболочка содержит 4 одинаковых отверстия, расположенные в гексагональной симметрии в одном слое (N=1), и имеет структуру 4, показанную на фиг.1.

2) В области значений параметра Λ, больших 4.43 мкм, но меньших 5.29 мкм, микроструктурированная оболочка содержит 11 одинаковых отверстий, расположенных в гексагональной симметрии в двух слоях (N=2), и имеет структуру 1, показанную на фиг.2.

3) В области значений параметра Λ, больших 3.77 мкм, но меньших 4.43 мкм, микроструктурированная оболочка содержит 23 одинаковых отверстия, расположенных в гексагональной симметрии в трех слоях (N=3), и имеет структуру 2, показанную на фиг. 2.

4) В области значений параметра Λ, больших 3.48 мкм, но меньших 3.77 мкм, микроструктурированная оболочка содержит 38 одинаковых отверстий, расположенных в гексагональной симметрии в четырех слоях (N=4), и имеет структуру 3, показанную на фиг. 2.

5) В области значений параметра Λ, больших 1.96 мкм, но меньших 3.48 мкм, микроструктурированная оболочка содержит пять слоев (N=5) отверстий, расположенных в гексагональной симметрии, из которых 36 одинаковых отверстий расположены в первых четырех слоях относительно сердцевины и 18 одинаковых отверстий, имеющих больший диаметр, расположены в пятом слое, и имеет структуру 4, показанную на фиг. 2.

На фиг. 7 показано, как зависит от параметра Λ расстояние от края анодного отверстия до противоположного края сердцевины d_СА, рассчитанное для асимметричной микроструктурированной оболочки при выполнении условия синхронизма в нулевом и первом порядках. Поскольку в предлагаемой конструкции световода между анодом и противоположным краем сердцевины отсутствуют другие отверстия оболочки, величина d_СА не зависит от количества элементов гексагональной оболочки и определяется лишь параметрами d_h и Λ в соответствии с условием QUOTE . Для длины волны 1.55 мкм во всей области изменения Λ величина d_СА не превышает 10 мкм, удовлетворяя требованию оптимального перекрытия области квадратичной нелинейности со световедущей модой.

Типичные характеристики микроструктурированного световода, составляющего предмет данного изобретения, полученные для длины волны накачки 1.55 мкм, приведены в Таблице.

Таблица. Типичные характеристики микроструктурированного световода для широкополосной генерации второй гармоники при накачке 1.55 мкм. Диаметр анодного отверстия 50 мкм.

Световод имеет различное минимальное количество отверстий микроструктурированной оболочки, необходимое для получения малых потерь в области нулевого рассогласования групповых скоростей, которое зависит от диаметра сердцевины, равного величине d_СА. Световод с меньшим числом отверстий микроструктуры более прост в изготовлении и имеет больший период решетки L_QPM. Световод с большим числом элементов структуры и меньшими размерами сердцевины может быть предпочтительным в тех приложениях, где более важно получение максимальной ширины полосы и максимальной эффективности преобразования. Существенно, что для всех представленных в таблице значений d_СА и, соответственно, диаметра сердцевины параметры световода находятся в области пониженной чувствительности ширины полосы к техническим вариациям диаметра, при этом реально достижимая ширина полосы синхронизма составляет не менее 20 нм, что как минимум на порядок превышает ширину полосы для ступенчатых световодов.

На фиг. 8 для сравнения представлены зависимости D=d_h/Λ от Λ для предложенного в прототипе (патент США № US2002126370(A1), G02F 1/365, 2002) световода с симметричной гексагональной оболочкой, полностью окружающей сердцевину, при выполнении условия синхронизма в нулевом и первом порядке, рассчитанные для длины волны накачки 1.55 мкм. Как и в случае световода с асимметричной гексагональной оболочкой, здесь также выделены две области параметров D и Λ, отличающиеся по полосе синхронизма и чувствительности к изменениям диаметра световода. В области 1 существует повышенная чувствительность дисперсионных характеристик к технологическим вариациям диаметра световода на уровне 1%, соответствующим реальной точности изготовления световодов. Практически достижимая ширина полосы синхронизма не превышает 8 нм, что значительно ниже приведенных в прототипе значений для световодов А и В, приведенных в прототипе в Таблице 1, параметры которых соответствуют области 1.

На фиг. 9 показано, как зависит от Λ расстояние от края анодного отверстия до противоположного края сердцевины d_СА, рассчитанное для предложенной в прототипе (патент США № US2002126370(A1), G02F 1/365, 2002) конструкции световода с симметричной микроструктурированной оболочкой при выполнении условия синхронизма в нулевом и первом порядке и потерях, меньших 1 дБ/м. Для симметричной микроструктурированной оболочки, окружающей сердцевину, величина d_СА зависит от количества элементов структуры в соответствии с соотношением QUOTE , где N - число слоев; QUOTE QUOTE ; Δ – минимальный технологический зазор порядка одного микрона между анодным отверстием и краем микроструктурированной оболочки. Из фиг. 9 видно, что во всей области параметров, значительно перекрывающей параметры всех световодов А-Е, предложенных в прототипе в Таблице 1, расстояние от края анодного отверстии до края сердцевины d_CA превышает 10 мкм.

Таким образом, предлагаемая в данном изобретении конструкция световода с асимметричной оболочкой имеет существенное преимущество перед предложенным в прототипе (патент США № US2002126370(A1), G02F 1/365, 2002) световодом с симметричной микроструктурированной оболочкой, окружающей сердцевину, заключающееся в том, что она позволяет как минимум в 1.5 раза уменьшить количество элементов микроструктуры и упростить технологичный процесс изготовления световода, полностью устранить элементы микроструктуры между анодом и сердцевиной, препятствующие движению зарядов при полинге, обеспечить оптимальное перекрытие световедущей моды с областью квадратичной нелинейности во всей области изменения параметров микроструктуры, соответствующих нулевому рассогласованию групповых скоростей накачки и второй гармоники.

Изобретение относится к области оптоволоконной техники и может быть использовано в нелинейных волоконных преобразователях частоты сверхкоротких импульсов. Микроструктурированный световод для широкополосной генерации второй гармоники в инфракрасном оптическом диапазоне длин волн накачки выполнен из прозрачного материала и имеет два воздушных электродных отверстия, расположенных в поперечном сечении по диаметру световода, и световедущую сердцевину, расположенную между электродными отверстиями в центральной части световода. Световедущая сердцевина образована примыкающим к ней анодным отверстием и воздушными отверстиями микроструктурированной оболочки, имеющими меньший размер по сравнению с анодным отверстием, расположенными в поперечном сечении между анодным и катодным отверстиями. Технический результат заключается в упрощении технологического процесса изготовления световода, а также в минимизации числа отверстий микроструктурированной оболочки, необходимого для обеспечения низких потерь волноводной моды и обеспечении оптимального перекрытия световедущей моды с областью формирования квадратичной нелинейности при температурном полинге. 5 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.

1. Микроструктурированный световод для широкополосной генерации второй гармоники в инфракрасном оптическом диапазоне длин волн накачки, выполненный из прозрачного материала, имеющий два воздушных электродных отверстия, расположенные в поперечном сечении по диаметру световода, и световедущую сердцевину, расположенную между электродными отверстиями в центральной части световода, отличающийся тем, что световедущая сердцевина образована примыкающим к ней анодным отверстием и воздушными отверстиями микроструктурированной оболочки, имеющими меньший размер по сравнению с анодным отверстием, расположенными в поперечном сечении между анодным и катодным отверстиями, при этом параметры микроструктурированной оболочки, размер анодного отверстия, отстройка анодного отверстия от центра сердцевины имеют значения, позволяющие расширить возможности практической реализации широкополосной генерации второй гармоники в связи с тем, что они обеспечивают отсутствие элементов микроструктуры между анодом и световедущей сердцевиной, препятствующих движению зарядов при создании квадратичной нелинейности, перекрытие световедущей сердцевины с областью квадратичной нелинейности, значительное сокращение элементов микроструктуры, необходимое для получения низких потерь фундаментальной моды, круговую симметрию фундаментальной моды в области максимальной интенсивности вблизи анодного отверстия, нулевое рассогласование групповых скоростей для длин волн накачки и второй гармоники при пониженной чувствительности ширины полосы синхронизма к вариациям диаметра.

2. Световод по п. 1, отличающийся тем, что примыкающее к сердцевине анодное отверстие позволяет максимально приблизить световедущую сердцевину к области квадратичной нелинейности протяженностью 10 мкм, создаваемой при температурном полинге вблизи анода, при этом для длины волны накачки 1.55 мкм световедущая сердцевина имеет размеры, не превышающие 10 мкм, во всей области параметров гексагональной микроструктурированной оболочки, обеспечивающих широкополосную генерацию второй гармоники.

3. Световод по п. 1, отличающийся тем, что примыкающее к сердцевине анодное отверстие, размер которого значительно превышает размер сердцевины и размер отверстий микроструктурированной оболочки, позволяет как минимум в полтора раза уменьшить количество элементов микроструктурированной оболочки, необходимое для волноводного распространения излучения в световедущей сердцевине.

4. Световод по п. 1, отличающийся тем, что для каждого значения параметров микроструктурированной оболочки, соответствующих нулевому рассогласованию групповых скоростей накачки и второй гармоники в области пониженной чувствительности ширины полосы синхронизма к вариациям диаметра, световод имеет минимально возможное количество элементов микроструктуры, необходимое для получения низких потерь, зависящее от размеров сердцевины и микроструктурированной оболочки, при этом для длины волны 1.55 мкм световод имеет в упомянутой области потери меньше 1 дБ/м при радиусе анодного отверстия 25 мкм и количестве отверстий, расположенных послойно в гексагональной симметрии, находящемся в интервале от 4 отверстий, расположенных в одном слое, до 54 отверстий, расположенных в пяти слоях, причем в первых относительно сердцевины четырех слоях отверстия имеют одинаковый диаметр, а в пятом слое имеют больший диаметр.

5. Световод по п. 1, отличающийся тем, что он имеет асимметричную оболочку, окружающую сердцевину, позволяющую реализовать симметричное пространственное распределение фундаментальной волноводной моды в центре световедущей сердцевины при отстройке края анодного отверстия от центра сердцевины, равной отстройке от центра сердцевины краев примыкающих к сердцевине одинаковых отверстий микроструктурированной оболочки, расположенных на одинаковом расстоянии от центра сердцевины и от ближайших отверстий.

6. Световод по п. 1, отличающийся тем, что параметры окружающей сердцевину оболочки обеспечивают нулевое рассогласование групповых скоростей накачки и второй гармоники и находятся в области пониженной чувствительности ширины полосы синхронизма к вариациям диаметра световода, позволяющей снизить технологические требования к точности задания параметров, при этом для длины волны накачки 1.55 мкм при радиусе анодного отверстия 25 мкм упомянутая область существует при значениях диаметра отверстий гексагональной оболочки в интервале от 0.66 мкм до 6.65 мкм, расстояния между отверстиями гексагональной оболочки в интервале от 1.96 мкм до 6.7 мкм, причем ширина полосы синхронизма в упомянутой области имеет значения не ниже 20 нм при вариации диаметра в пределах 1%, что как минимум на порядок превышает достижимые значения ширины полосы для ступенчатых световодов.