Специальные типы оптических волокон
Оптические волокна с градиентным (или постепенным) профилем показателя преломления представляют собой разновидность многомодовых волокон, в которых показатель преломления изменяется непрерывно от центра сердцевины к оболочке. Наиболее распространённой является параболическая зависимость:
$$ n(r) = n_0\left(1 - 2\Delta\left(\frac{r}{a}\right)^g\right), \quad 0 \leq r \leq a, $$
где n0 — показатель преломления в центре сердцевины, a — радиус сердцевины, Δ — относительная разность показателей преломления, g ≈ 2 — параметр профиля.
Плавный переход показателя преломления способствует тому, что лучи, идущие под разными углами, совершают гармонические колебания с близкими временами распространения, тем самым уменьшая модовую дисперсию. Это существенно увеличивает пропускную способность волокна по сравнению с волокнами с резким переходом.
Для передачи света с сохранением поляризации используются поляризационно-сохраняющие (ПС) волокна. В отличие от стандартных волокон, они обладают анизотропной структурой, которая предотвращает вращение плоскости поляризации света при распространении. Существует два основных типа таких волокон:
Симметрия “пандусы” (PANDA): в структуре волокна симметрично по бокам от сердцевины размещены вставки из стекла с высоким коэффициентом теплового расширения, создающие остаточные напряжения, обеспечивающие биосимметрию.
Симметрия “арбуз” (Bow-Tie): по бокам от сердцевины располагаются клиновидные включения, создающие необходимую анизотропию.
В обоих случаях формируется двулучепреломление, которое приводит к расщеплению мод на ортогональные поляризационные компоненты. Поляризационно-сохраняющие волокна критически важны в лазерной технике, интерферометрии, волоконных гироскопах и квантовой оптике.
Фотонно-кристаллические волокна (Photonic Crystal Fibers, PCF) представляют собой структуры, в которых свет направляется за счёт фотонного запрещённого диапазона или модифицированной формы полного внутреннего отражения. Их конструкция основана на микроструктурированной сердцевине и оболочке с периодически размещёнными воздушными отверстиями. Выделяют два основных типа:
Волокна с эффектом направляющей сердцевины (Index-Guiding PCF): распространение происходит за счёт разности показателей преломления между сердцевиной (сплошное стекло) и оболочкой (перфорированная структура).
Волокна с эффектом запрещённой зоны (Bandgap-Guiding PCF): свет направляется за счёт запрещённого диапазона в двумерной фотонной кристаллической решётке.
Такие волокна обладают рядом уникальных свойств: возможность одномодовой передачи при больших диаметрах сердцевины, контролируемая дисперсия, высокая нелинейность и возможность работы в нестандартных спектральных диапазонах (в том числе в УФ и ИК). Фотонно-кристаллические волокна используются в сверхконтинум-генерации, высокоточной спектроскопии, сенсорике.
Эти волокна разработаны для усиления оптических нелинейных эффектов (самофокусировка, четырёхволновое смешение, генерация второй гармоники и др.). Повышение нелинейности достигается либо за счёт уменьшения площади моды, либо использованием специальных материалов с высоким нелинейным коэффициентом.
Типичные реализации:
Суженные волокна: уменьшенный диаметр сердцевины увеличивает плотность потока мощности и, следовательно, нелинейный отклик.
Волокна из кремний-содержащих или халькогенидных стёкол: имеют на порядок более высокие значения нелинейного коэффициента n2, чем кварцевые.
Такие волокна особенно востребованы в генерации сверхконтинуума, в схемах спектральной конверсии, оптических вычислениях и квантовой оптике.
Оптические волокна с несколькими сердцевинами открывают новые возможности для мультиплексирования и управления модами. Основные типы:
Двухсердцевинные волокна: реализуют управляемое распределение мощности между двумя близко расположенными сердцевинами. Используются в фильтрах, переключателях, датчиках.
Многосердцевинные волокна (MCF, Multi-Core Fiber): состоят из нескольких сердцевин в одной оболочке. Могут быть слабо связанными (для независимой передачи по каждой сердцевине) или сильно связанными (для реализации сверхмодовой передачи).
MCF позволяют существенно увеличить пропускную способность без расширения спектра сигнала, и являются перспективной технологией для пространственного мультиплексирования (SDM) в телекоммуникациях.
Это разновидность фотонно-кристаллических волокон, где отверстия располагаются в сердцевине, а не в оболочке. Свет направляется за счёт меньшего показателя преломления в сердцевине (в силу наличия воздуха), что является противоположностью классического механизма полного внутреннего отражения. Такое волокно поддерживает исключительно уникальные моды, включая одновременное наличие высокодисперсных и слабо дисперсных режимов в одном и том же волокне.
Волокна с кольцевой сердцевиной (ring-core fibers) представляют собой структуры, в которых область с максимальным показателем преломления расположена не в центре, а в кольцеобразной зоне. Эти волокна обеспечивают поддержание мод с высоким орбитальным моментом (orbital angular momentum, OAM). Такие моды перспективны для мультиплексирования в системах связи, квантовых коммуникациях и высокоразрешающей микроскопии.
Активные волокна содержат легирующие добавки (редкоземельные ионы, например, Er³⁺, Yb³⁺, Nd³⁺), которые обеспечивают усиление или генерацию света при накачке. Используются в волоконных лазерах, усилителях, медицинских устройствах.
Управляемые волокна включают структуры, в которых возможно динамически изменять свойства (например, путём изменения температуры, давления, электрического поля). Это реализуется, в частности, в волокнах на основе жидких кристаллов или пьезоактивных материалов.
Для передачи высоких мощностей в ИК-диапазоне применяются специальные волокна:
Пластиковые оптические волокна (POF): обладают высокой гибкостью и механической прочностью, но ограничены по диапазону длин волн и имеют высокие потери.
Гибридные волокна из халькогенидного стекла: допускают передачу мощных ИК-излучений (до десятков ватт), применяются в медицинских лазерных системах.
Сенсорные волокна используют взаимодействие светового поля с окружающей средой. Основные разновидности:
Волокна с выгравированной решёткой Брэгга (FBG): отражают узкополосный спектр света, чувствительный к температуре и деформации.
Волокна с выведенным светом (tapered or side-polished fibers): дают доступ к эванесцентному полю, что позволяет использовать их как химические и биосенсоры.
Пустотелые волокна: через полость проходит газ или жидкость, с которым взаимодействует излучение — такие волокна используются в высокочувствительной спектроскопии.
К таким волокнам относятся:
Треугольные, прямоугольные, многоугольные сердцевины: обеспечивают специфические модовые распределения и направленное рассеяние.
Ассиметричные профили оболочек: используются для контроля над направлением распространения, например, в биомедицинской визуализации.
С ростом интереса к квантовой связи и квантовым вычислениям создаются специализированные волокна:
Низкодисперсионные одномодовые волокна для передачи одиночных фотонов.
Фотонно-кристаллические волокна с высокой степенью локализации поля.
Волокна с низким уровнем декогерентных шумов и высокой поляризационной стабильностью.
Они обеспечивают передачу квантовой информации с минимальными потерями и ошибками, что критично для протоколов квантовой криптографии и квантовой интерферометрии.