Влияние параметров микроструктурированных волоконных световодов на их дисперсионные и нелинейные свойства тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ВОЛОКОННОЙ оптики

На правах рукописи

ЛЕВЧЕНКО АНДРЕЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ МИКРОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ НА ИХ ДИСПЕРСИОННЫЕ И НЕЛИНЕЙНЫЕ СВОЙСТВА

Специальность 01.04.21 -лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2006

Работа выполнена в Научном центре волоконной оптики РАН

Научный руководитель: Курков Андрей Семенович

доктор физико-математических наук

Официальные оппоненты: Мельников Леонид Аркадьевич

доктор физико-математических наук профессор

Федотов Андрей Борисович кандидат физико-математических наук доцент

Ведущая организация: Физический институт им. Н.П. Лебедева

Российской академии наук

Защита состоится " 25 " сентября 2006 г. в 15 часов на заседании

Диссертационного совета Д 002.063.03 при Институте

общей физики им. А.М.Прохорова РАН

по адресу: 119991, г. Москва, ул. Вавилова 38, ИОФ РАН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики им. А.М.Прохорова РАН

Автореферат разослан "23> " ОА Щ 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук

Воляк Т.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Прогресс волоконной оптики как одной из областей квантовой электроники во многом определяется появлением новых типов световодов и развитием технологии их производства. Новые возможности развития волоконной оптики появились и в связи с разработкой технологии получения микроструктурированных волоконных световодов.

Микроструктурированный волоконный световод (МВС) представляет собой стеклянную микроструктуру с периодически или апериодически расположенными воздушными отверстиями, идущими вдоль оси волоконного световода. Дефект микроструктуры, соответствующий отсутствию одного или нескольких воздушных отверстий, может выполнять функцию, аналогичную функции сердцевины стандартного волокна, и обеспечивать волноводный режим распространения электромагнитного излучения. Волповодные моды в микроструктурированных волокнах формируются в результате интерференции отраженных и рассеянных волн. Однако, определив эффективный показатель преломления п,фобол для микроструктурированной оболочки, условие существования волноводных мод в сердцевине волокна, образуемой дефектом структуры можно записать в виде, аналогичном условию существования

обол. ^

полного внутреннего отражения для стандартного световода: Пэф <пСсрдц..

Оптические свойства МВС определяются геометрией и относительным расположением воздушных отверстий в оболочке. Обычно геометрию МВС определяют двумя параметрами — диаметром отверстий и расстоянием между центрами отверстий. Отличие оптических свойств МВС от стандартного волоконного световода (ВС) заключается в том, что МВС возможно изготовить с разницей эффективных показателей преломления сердцевины и оболочки Дп=0.45, в то время как для стандартных световодов из кварцевого стекла максимальная величина разницы эффективных показателей

преломления составляет 0.06. Увеличенная разница эффективных показателей преломления позволяет существенно уменьшить диаметр пятна моды, тем самым увеличивая нелинейный коэффициент у. С другой стороны, увеличенная разница показателей преломления увеличивает вклад волноводной составляющей дисперсии в хроматическую дисперсию волновода. Причем волноводный вклад можно сделать отрицательным и, таким образом, сдвинуть нуль хроматической дисперсии вплоть до видимого диапазона в световодах из кварцевого стекла.

Следует отметить, что, круг задач, связанных с МВС, является чрезвычайно широким. Благодаря своим уникальным дисперсионным и нелинейным свойствам, МВС являются перспективными для решения многих прикладных задач, например, таких как задачи создания параметрического усилителя и волоконного оптического параметрического конвертора оптических частот. Однако при оптических параметрических преобразованиях существенную роль играет не только профиль дисперсионной кривой, но и стабильность дисперсионных параметров по длине световода. Особенно остро проблема стабильности дисперсионных параметров по длине световода встает для преобразования излучения с большими частотными сдвигами. Несмотря на большое число работ, посвященных МВС (по данной теме уже опубликовано более 1000 работ и по крайней мере 2 монографии [1, 2]), в литературе недостаточно освещены проблемы стабильности дисперсионных свойств по длине микроструктурированных световодов и исследования роли неточностей в процессе изготовления световода на дисперсионные и нелинейные свойства.

1 A. Bjarklev, J. Broeng, A.S. Bjarklev,"Photonic Crystal Fibres"KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS 2003

1 Желтиков A.M. «Оптика микроструктурированных волокон» Москва Наука 2004.

Таким образом, актуальность работы определяется широким кругом возможных применений микроструктурированных световодов в качестве нелинейных элементов, а также необходимостью более детального исследования стабильности дисперсионных параметров по длине световода и связи дисперсионных параметров с контролируемыми параметрами при вытяжке световодов.

Исходя из вышесказанного, были сформулированы следующие цели работы:

• создание методики измерения хроматической дисперсии в экспериментальных образцах микроструктурированных световодов в широком спектральном диапазоне с учетом двулучепреломления.

• исследование роли влияния физических и технологических процессов при изготовлении микроструктурированных световодов на дисперсионные свойства и их стабильность по длине световода.

• экспериментальное исследование параметрического преобразования излучения с большими частотными сдвигами.

Научная новизна и защищаемые положения работы заключаются в следующем:

1. Разработана методика и реализована экспериментальная установка для исследования дисперсионных свойств широкого класса световодов интерферометрическим методом в спектральном диапазоне 600-1700 нм. Оригинальностью установки является использование в качестве источника света нового типа лазерного низкокогерентного источника света и электромеханического подвеса для модуляции длины опорного плеча интерферометра, что позволяет прописывать корреляционную функцию полностью. Продемонстрирована возможность корректного измерения поляризационной дисперсии в световодах с двулучепреломлением. Для

стандартного световода получено хорошее совпадение результатов измерений на разработанной установке и с использованием промышленного устройства.

2. Отработана технология изготовления микроструктурированных световодов из цельных заготовок (кварцевого стекла), структура в которых изготавливалась путем механического сверления. Показано, что данная технология изготовления заготовок применима для изготовления микроструктурированной заготовки из халькогенидного и телуритного стекла.

3. Теоретически исследованы дисперсионные свойства микроструктурированных световодов, оболочка которых состоит из двух слоев отверстий, в том числе и с разными диаметрами отверстий. Показано, что изменение коэффициента заполнения во втором слое двухслойных микроструктурированных световодов позволяет минимизировать эффективную площадь моды и в более широком спектральном диапазоне управлять длиной волны нулевой дисперсии и наклоном дисперсионной кривой.

Также проведен численный анализ влияния вариаций геометрических параметров структуры на дисперсионные свойства микроструктурированного световода с малым числом слоев отверстий в оболочке. Показано, что изготовленные сверлением заготовки удовлетворяют высоким требованиям, предъявляемым к заготовкам микроструктурированного световода.

4. Создана установка для изучения процесса четырехволнового смешения в непрерывном режиме преобразования излучения в МВС с высокой нелинейностью, на которой впервые экспериментально продемонстрировано преобразование с частотным сдвигом более 5000 см"1 в МВС с оболочкой состоящей из двух слоев отверстий. Эффективность преобразования составила 0.1% при 200 мВт накачки от непрерывного титан-сапфирового лазера. Экспериментально измерена длина параметрического усиления и спектральная ширина взаимодействия.

Практическая ценность

Разработана методика и собрана установка, позволяющая измерять коэффициент хроматической дисперсии для ВС в спектральном диапазоне 600- 1700 нм для одной поляризационной моды.

Отработана технология изготовления заготовок

микроструктурированных световодов методом механического сверления.

Разработана и реализована установка для изучения процесса четырехволнового смешения в непрерывном режиме преобразования. Экспериментально показано, что в световодах, изготовленных по отработанной технологии, длина параметрического усиления составляет порядка 100 метров.

Апробация работы

Материалы изложенные в диссертации докладывались на ЮОЫО/ЬАТ 2005, «ЬУ1Х научная сессия, посвященная дню радио», и «Научной сессии МИФИ 2006», а также докладывались на научных семинарах НЦВО РАН. По материалам диссертации опубликовано 4 статьи в рецензируемых журналах.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков и 5 таблиц. Список литературы содержит 80 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность данной работы, сформулированы основные цели исследования.

Первая глава представляет собой обзор литературы. Рассмотрены основные типы МВС и их свойства. Проведен обзор методов изготовления

МВС. Рассмотрены методики и методы измерения хроматической дисперсии волоконных световодов. Представлены основные результаты, полученные в экспериментах по четырехволновому смешению на момент начала работы над диссертационной работой. В частности, в первой главе указано, что:

• на момент начала работы над диссертацией методы измерения хроматической дисперсии в световодах были ограничены ближним инфракрасным диапазоном, либо узким спектральным диапазоном в видимой области. Также все опубликованные методы позволяли измерять хроматическую дисперсию, усредненную по двум состояниям поляризации.

• традиционно применяемый метод изготовления заготовки путем сборки из капилляров [3] («stack and draw») не является технологичным методом. Он применим в основном только для кварцевого стекла и не может быть использован для большого класса других стекол. Также в этом методе много слабо контролируемых параметров, а качество световода зависит от квалификации сборщика заготовки, вследствие чего метод обладает слабой воспроизводимостью результатов.

• в литературе мало внимания было уделено стабильности дисперсионных параметров по длине световодов и, как следствие, почти полностью отсутствовала экспериментальная информация о зависимости эффективности преобразования сигнала в процессе четырехволнового смешения в зависимости от длины световода.

В главе 2 описана разработанная методика и реализованная на основе интерференционного метода установка для измерения спектральной зависимости хроматической дисперсии в световодах (в частности с

5 J.C. Knight, Т.А. Birks, P.St. Russell, and D.M.Atkin, "All-silica single-mode optical fiber with photonic crystal cladding" Optics Letters, Vol.21 Nol9,pp 15471549 October 1. 1996

микроструктурированной оболочкой). В пункте 2.1 приведены обоснования выбора за основу интерферометрического метода и требования, выдвигаемые к реализуемой установке. В пункте 2.2 подробно описана схема установки (см. рис. 1), используемые компоненты и метод измерения. Традиционно в интерферометрическом методе измеряется спектральная зависимость |рупповой задержки в волокне от различных источников света. Оригинальностью этой установки является использование в качестве источника света набора суперлюминесцентных диодов обладающих большой спектральной яркостью, либо нового типа лазерного источника - низко когерентного лазерного источника «белого света». Использование такого уникально яркого источника позволило использовать в схеме поляризаторы для измерения в одной поляризационной моде во всем спектральном диапазоне, и измерять световоды с большими потерями, в том числе и на ввод излучения в световод. Также был применен электрооптический модулятор, который позволил в реальном времени прописывать интерференционную картину целиком. В силу набора статистики этот модулятор позволил увеличить точность определения максимума интерференционной картины, что существенно облегчило юстировку интерферометра

В пункте 2.3 проведен анализ получаемых результатов и сравнение измерений, проведенных на разработанной установке, с измерениями, проведенными на промышленном оборудовании. Собранная установка

1 CJ1 источник; 2 контролер поляризации; 3 SM волокно; 4 объектив; 5 поляризатор; 6 светоделительная пластинка; 7 исследуемый ВС; S 100%-ное зеркало; 9 90° призма на электромеханическом подвесе; 10 монохроматор; 11 фотоприемник; 12 усилитель; 13 осциллограф.

Рис.1. Схема установки для измерения дисперсии в волоконных световодах.

позволяет проводить измерения в широком спектральном диапазоне от 600 нм до 1700 нм с учетом двулучепреломления в образце. Для стандартного световода SMF 28 (Corning) получено хорошее совпадение результатов измерения на разработанной установке и с использованием промышленного прибора CD 400 (PerkinElmcr) (см. рис. 2). Точность определения длины волны нулевой дисперсии составила 2 нм, погрешность определения абсолютной величины коэффициента хроматической дисперсии составила менее 3 пс/(нм км). Также показано, что в разработанной установке можно измерять межмодовую групповую задержку.

Глава 3 посвящена изучению влияния технологических факторов на дисперсионные и нелинейные свойства МВС. В пункте 3.1 приведены результаты отработки технологии изготовления заготовок МВС. Показано, что

я., нм

Рис. 2. Графики зависимости коэффициента хроматической дисперсии для световода 5М/7 28. Точками представлено измерение, проведенное на СО 400, пунктирной линией - теоретическая кривая, сплошной линией представлен результат полученный на разработанной установке.

при подобранном режиме сверления можно изготовить отверстия диаметром от 1.5 мм на глубину до 100 мм (см. рис.3) с линейно убывающим диаметром отверстия с коэффициентом убывания к=-3.6 10"3. Также показано, что увод центра отверстия от заданной геометрии на глубине 100 мм составляет менее чем 0.025 мм. Продемонстрировано, что данный подход может быть применен к изготовлению заготовок из теллуритного и халькогенидного стекла. В силу технологических ограничений мы можем изготавливать заготовки с внешним диаметром до 25 мм, что ограничивает число слоев отверстий в оболочке. В

связи с этим в пункте 3.2 проведен численный анализ МВС, оболочка которых состоит только из 2 слоев отверстий, в том числе и с разным коэффициентом заполнения по слоям. Показано, что увеличенный диаметр внешнего слоя позволяет более гибко управлять не только положением нуля хроматической дисперсии и его наклоном, но и расширить спектральный диапазон, в котором поддерживается волноводный режим (см. рис.4). Также указано на то, что увеличенный внешний слой влияет на диаметр пятна моды, что приводит к увеличению нелинейного коэффициента. В пункте 3.3 проведен численный анализ влияния неточностей изготовления заготовки МВС на его дисперсионные свойства. Показано, что достигнутая точность в изготовлении заготовки МВС на этапе сверления позволяют рассчитывать на изготовление световода с отклонением положения длины волны нулевой дисперсии от заданной на 1 нм на длине световода в 1 км.

Глава 4 посвящена экспериментальному исследованию процесса четырехволнового смешения в МВС. В пункте 4.1 рассмотрены основные оптические свойства используемых образцов и описаны параметры собранных установок.

В пункте 4.2 приведены основные полученные результаты и их обсуждение. Экспериментально продемонстрированы различные режимы преобразования частот при импульсной накачке в область нормальной и аномальной дисперсии световода.

Также в световодах, изготовленных нами с использованием оригинальной методики, позволяющей значительно упростить технологический процесс, было реализовано преобразование излучения с частотным сдвигом больше 5000 см'1 (см. рис. 5). Впервые, в реальном МВС был измерен коэффициент усиления сигнала по длине световода. Измеренная длина усиления составила 100 м (см. рис. 6) при этом ширина

Рис. 3. Фотографии просверленных заготовок МВС из кварцевого стекла.

200 150 100 60 о

-50 -100 -150 -200

' О

О

г

/г* Д V з * \ °о °о 0

№ \ V ил.-/ * А: М«1 <л в 2.3 мш) •' А; М-0.4 (л ■ &92 Мкн) л А: М*0.3 (Л ■ 0.69 мкн) - - В; М-1 (л - 2 3 нкм) В; М-0.4 (Л * 0.92 мм) -^Л; М=0.3 (л • 0.69 нкм)

\ д \

1, л \ г» V

1.0 1Д

X, нм

а)

¿л

а о

а п

□ п

к;М-1 (Л ■ 2 3 мки) к; М-0.4 (Л >0.92 нкм) ^ М«=О.Э (л « 0.69 мкн) 1;М»1 <л-2.3 нкм) );М=0.4 (л ■ 0.92 мкы) М«0.Э (Л * 0.69 мм*)

о о

Л А

•82?

0.8

1.0 1.2 Л, МКМ

1.4

1.6

б)

Рис. 4. а) дисперсия, б) эффективная площадь моды в зависимости от длины волны для двухслойных световодов типа «А», имеющих одинаковый коэффициент заполнения в слоях (к1=к2=0.69), и двухслойных световодов типа «В», имеющих больший коэффициент заполнения во втором слое (к]=0.69, к2=0.96), для коэффициентов масштабирования М=1; 0.4; 0.3.

Рис.5. Фотография с экрана анализатора оптического спектра, показывающая преобразование сигнала с 1098.5 нм на 686.3 нм при накачке 844.7нм в волокне № 3. Мощность накачки 200мВт. Показанная эффективность преобразования 0.1%

перестройки составила 0.7 нм). Этот факт свидетельствует о достаточно хорошем оптическом качестве этого двухслойного микроструктурированного световода, позволяющем сохранять эффективную площадь моды стабильной на значительной длине.

В пункте 4.3 приведены результаты по созданию импульсно-периодического лазера с самомодуляцией добротности. Показано, что использование активного световода с многоэлементной оболочкой с дополнительным отрезком одномодового световода позволяет достаточно просто реализовать импульсный волоконный лазер с пиковой мощностью около 1 кВт и наносекундной длительностью импульсов. Исследованы

Рис. б. Экспериментальная зависимость эффективности преобразования от длины образца для двухслойного световода 3. На вставке показана полоса параметрического преобразования частоты, измеренная при максимальной эффективности преобразования (Ь=100м).

спектры излучения лазера с различными дополнительными световодами. Показано, что применение световода с микроструктурированной оболочкой позволяет получить внутрирезонаторную генерацию суперконтинуума. В заключении приведены основные результаты диссертации:

1. Разработана методика и реализована экспериментальная установка для исследования дисперсионных свойств обычных ВС и МВС интерферометрическим методом в спектральном диапазоне 600-1700 нм. Методика позволяет измерять коэффициент хроматической дисперсии для одной поляризационной моды. Экспериментальная установка

позволяет проводить измерение в ВС длиной 50 см, точность определения длины волны нулевой дисперсии составила 2 нм, погрешность определения абсолютной величины коэффициента хроматической дисперсии составила менее 5%.

2. Отработана технология изготовления заготовок МВС на основе кварцевого стекла методом механического сверления. Максимальные размеры изготовляемых заготовок: длина заготовки — 130 мм, диаметр заготовки до - 25 мм, диаметр отверстий от - 1.5 мм, увод центров отверстий от заданной геометрии - менее 30 мкм. В зависимости от коэффициента заполнения можно изготавливать от 2 до 6 слоев дырок в оболочке. Показано, что изготовленные по разработанной технологии заготовки позволяют обеспечить вариации длины волны нулевой дисперсии менее 1 нм на длине световода в 1 км.

3. Теоретически и экспериментально показано, что в заготовках с малым числом слоев с неодинаковым коэффициентом заполнения по слоям возможно управление дисперсионной кривой в широком спектральном диапазоне. Разработка МВС с заданной дисперсионной характеристикой позволила экспериментально продемонстрировать преобразование с частотным сдвигом более 5000 см"1. Эффективность преобразования составила 0.1% при 200 мВт накачки от непрерывного титан-сапфирового лазера. Экспериментально измеренная длина параметрического усиления составила 100 м при спектральной ширине взаимодействия 0.7 нм.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

I. А.Е. Левченко, A.C. Курков, C.JI. Семенов, "Измерение дисперсии в волоконных световодах с микроструктурированной оболочкой", Квант. электроника, 2005, 35 (9), 835-838.

II. Ю.П. Яценко, А.Е. Левченко, А.Д. Прямиков, А.Ф. Косолалов, С.Л. Семенов, Е.М. Дианов, "Четырехволновое смешение в двухслойных микроструктурированных световодах", Квант, электроника, 2005, 35 (8), 715-719.

III. Д.А. Грух, А.Е. Левченко, A.C. Курков, В.М. Парамонов, "Иттербиевый волоконный лазер с самомодуляцией добротности и внутрирезонаторным преобразованием спектра", Квант, электроника, 2005,35 (5), 442-444.

IV. D.A. Grakh, А.Е. Levchenko, A.S. Kurkov, V.M. Paramonov, "Self-Q-switched laser based on Yb3+ doped GTWave fiber", ICONO/LAT 2005 LThK22 May 11-15,2005.

V. Беланов A.C., Дианов E.M., Кривенков В.И., Курков A.C., Левченко А.Е, Харитонова К.Ю., «Световоды с малой дисперсией в широком диапазон длин волн», Радиотехника, 2004. №12, с 15-16.

VI. Беланов A.C., Дианов Е.М., Курков A.C., Левченко А.Е, Харитонова К.Ю., «Расчет дисперсии в световодах с высоким содержанием воздуха в оболочке», LVDi научная сессия, посвященная дню радио, секция 8. 19-20 мая 2004 г. г. Москва.

VII. А.Е. Левченко, Ю.П. Яценко, А.Д. Прямиков, А.Ф. Косолалов, С.Л. Семенов «Экспериментальное исследование дисперсионных и нелинейных свойств световодов с микроструктурированной оболочкой», «Научная сессия МИФИ 2006», 23-27 январь 2006г

Напечатано с готового оригинал-макета

Издательство ООО "МАКС Пресс" Лицензия ИД N 00510 от 01.12.99 г. Подписано к печати 17.08.2006 г. Формат 60x90 1/16. Усл.печ.л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 566. Тел. 939-3890. Тел./факс 939-3891. 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2-й учебный корпус, 627 к.

Введение

Глава 1. Микроструктурированные волоконные световоды (МВС) (по литературе)

1.1 Структура и основные свойства МВС

1.2 Методы изготовления МВС

1.3 Методы измерения хроматической дисперсии

1.4 Четырехволновое смешение в МВС

1.5 Постановка задачи

Глава 2. Экспериментальная методика исследования дисперсионных свойств ВС

2.1 Выбор метода измерения

2.2 Экспериментальная установка

2.3 Экспериментальные результаты

2.4 Выводы к главе

Глава 3. Исследование влияния технологических условий изготовления заготовки МВС на его дисперсионные свойства

3.1 Отработка технологии изготовления заготовок МВС. Оценка геометрических параметров получаемых отверстий в кварцевом стекле при механическом сверлении

3.2 Волноводные характеристики МВС с двумя слоями отверстий в оболочке

3.3 Численный анализ влияния вариаций геометрических параметров структуры на дисперсионные свойства МВС с малым числом слоев отверстий в оболочке

3.4 Выводы к главе

Глава 4. Четырехволоновое смешение в МВС

4.1. Образцы и экспериментальные методики

4.2. Параметрическое преобразование частоты Результаты и обсуждение

4.3 Внутрирезонаторное преобразование спектра в волоконном лазере с самомодуляцией добротности и с использованием МВС

4.4 Выводы к главе

Прогресс волоконной оптики как одной из областей квантовой электроники во многом определяется появлением новых типов волоконных световодов и развитием технологии их производства. Так, появление одномодовых волоконных световодов позволило сделать качественный скачок в волоконно-оптической связи. Создание волоконных световодов, легированных активными элементами, фактически привело к созданию новой области квантовой электроники, связанной с волоконными лазерами и усилителями. Новые возможности развития волоконной оптики появились и в связи с разработкой технологии получения микроструктурированных волоконных световодов.

Волноводные свойства стандартных волоконных световодов (ВС) на основе кварцевого стекла обеспечиваются эффектом полного внутреннего отражения. Для достижения полного внутреннего отражения необходимо, чтобы показатель преломления сердцевины (111) был больше чем, у окружающей среды (оболочки Пг): П1>П2. Как правило, это достигается легированием материала сердцевины добавкой, повышающей показатель преломления сердцевины и/или легированием материала оболочки добавкой, понижающей показатель преломления. В течение последнего десятилетия исследования по созданию новых материалов привели к созданию так называемых микроструктурированных световодов.

Микроструктурированный волоконный световод (МВС) представляет собой стеклянную микроструктуру с периодически или апериодически расположенными воздушными отверстиями. В настоящей работе исследуются световоды, в которых отверстия располагаются вокруг центральной части структуры (сердцевины), понижая эффективный показатель преломления и формируя, таким образом, отражающую оболочку волновода. Сердцевина таких световодов состоит из чистого кварцевого стекла или стекла с добавками других элементов. Следует отметить, что волноводный режим может быть также обеспечен за счет высокой отражательной способности оболочки волокна в области фотонных запрещенных зон. Такие режимы волноводного распространения реализуются в волоконных световодах с оболочкой в виде двумерно-периодической микроструктуры (двумерного фотонного кристалла) и полой сердцевины. Изучение таких световодов является отдельной темой и не входит в данную работу.

Исторически, оптические волокна, у которых в оболочку введены воздушные отверстия, распространяющиеся в осевом распространении, были известны с самого начала исследований кварцевых волоконных световодов. P. V. Kaiser and Н. W. Astle [1] в своей работе 1974 года продемонстрировали первое волокно из плавленого кварца с низкими для того времени потерями. В изготовленной структуре очень маленькая сердцевина держалась на тонких мостиках из плавленого кварца в окружении воздуха.

Однако вплоть до 1996 года эти работы не находили развития, так как основное внимание уделялось разработке обычных ВС для целей телекоммуникаций. В 1996 году Rüssel с коллегами продемонстрировали волокна с так называемой фотонно-кристаллической оболочкой [2]. Этой работой Russell с коллегами открыли новую, обширную тему для исследований. Этой группой [3, 4, 5, 6] были продемонстрированы волокна с оболочкой, которая состоит из нескольких сотен воздушных отверстий, идущих вдоль оси волокна. Несмотря на схожесть механизмов локализации света между обычными волокнами и МВС, работающими на разнице эффективных показателей преломления между сердцевиной и оболочкой, были найдены существенные отличия в свойствах, которые стали предметом новых исследований [7, 8, 9].

Следует отметить, что, вообще говоря, круг задач, связанных с микроструктурированными световодами, является чрезвычайно широким. Достаточно сказать, что по данной теме уже опубликовано более 1000 работ и по крайней мере 2 монографии [10, 11]. Количество публикуемых работ увеличивается с каждым годом. Данная диссертационная работа посвящена лишь отдельным аспектам проблемы исследования дисперсионных и нелинейных свойств микроструктурированных световодов. В стандартных ВС на основе кварцевого стекла разность показателей преломления оболочки и сердцевины не превышает 0.06. В МВС эта величина может достигать 0.45 (предельный случай, когда свет распространяется по «волоску» из кварцевого стекла окруженного воздухом). Благодаря большой разности эффективных показателей преломления сердцевины и оболочки удается существенно уменьшить диаметр пятна моды. Это в свою очередь позволяет существенно увеличить нелинейный коэффициент у. В стандартных ВС на основе кварцевого стекла коэффициент нелинейности у может изменяться в диапазоне 1-30 Вт^км"1, в зависимости от длины волны и уровня легирующей примеси в сердцевине. В МВС из кварцевого стекла у может превышать величину 100Вт'км'1 [12]. В силу большой величины разницы показателей преломления сердцевины и оболочки и малого диаметра сердцевины волноводный вклад в хроматическую дисперсию начинает существенным образом влиять на спектральную зависимость хроматической дисперсии. В частности, длина волны нулевой хроматической дисперсии в МВС на основе кварцевого стекла может быть смещена в коротковолновый диапазон длин волн. Управление дисперсионными характеристиками и высокая степень локализации излучения позволяет достичь радикального увеличения эффективности нелинейно-оптических явлений.

Благодаря своим уникальным дисперсионным и нелинейным свойствам, микроструктурированые световоды являются перспективными для решения многих прикладных задач, например, таких, как параметрические усилители и оптический параметрический конвертер частот. Однако при оптических параметрических преобразованиях существенную роль играет не только профиль дисперсионной кривой, но и стабильность дисперсионных параметров по длине световода. Особенно остро проблема стабильности дисперсионных параметров по длине световода встает для преобразования с большими частотными сдвигами. Отметим, что в литературе недостаточно освещены проблемы стабильности дисперсионных свойств микроструктурированных световодов по длине световодов.

Таким образом, актуальность работы определяется широким кругом возможных применений микроструктурированных световодов в качестве нелинейных элементов, а также необходимостью более детального исследования стабильности дисперсионных параметров по длине световода и связи дисперсионных параметров с параметрами, контролируемыми при вытяжке световодов.

Цели диссертационной работы могут быть сформулированы следующим образом:

• Создание методики измерения хроматической дисперсии в экспериментальных образцах микроструктурированных световодов в широком спектральном диапазоне с * учетом двулучепреломления.

• Исследование влияния физических и технологических процессов при изготовлении микроструктурированных световодов на дисперсионные свойства и стабильность дисперсионных свойств по длине световода.

• Экспериментальное исследование параметрического преобразования излучения с большими частотными сдвигами.

Работа выполнялась в Научном центре волоконной оптики при Институте общей физики им. A.M. Прохорова РАН.

По материалам, вошедшим в диссертационную работу, были опубликованы: 4 статьи в журналах, 3 работы были представлены в форме научного доклада на конференциях.

Основные результаты диссертации состоят в следующем

1. Разработана методика и реализована экспериментальная установка для исследования дисперсионных свойств обычных ВС и МВС интерферометрическим методом в спектральном диапазоне 6001700 нм. Методика позволяет измерять коэффициент хроматической дисперсии для одной поляризационной моды. Экспериментальная установка позволяет проводить измерение в ВС длиной 50 см, точность определения длины волны нулевой дисперсии составила 2 нм погрешность определения абсолютной величины коэффициента хроматической дисперсии составила менее 5%.

2. Отработана технология изготовления заготовок МВС на основе кварцевого стекла методом механического сверления. Максимальные размеры изготовляемых заготовок: длина заготовки - 130 мм, диаметр заготовки до - 25мм, диаметр отверстий от - 1.5 мм, увод центров отверстий от заданной геометрии - менее 30 мкм. В зависимости от коэффициента заполнения можно изготавливать от 2 до 6 слоев дырок в оболочке. Показано, что изготовленные по разработанной технологии заготовки позволяют обеспечить вариации длины волны нулевой дисперсии менее 1 нм на длине световода в 1 км.

3. Теоретически и экспериментально показано, что в заготовках с малым числом слоев с неодинаковым коэффициентом заполнения по слоям возможно управление дисперсионной кривой в широком спектральном диапазоне. Разработка МВС с заданной дисперсионной характеристикой позволила экспериментально продемонстрировать преобразование с частотным сдвигом более 5000 см"1. Эффективность преобразования составила 0.1% при 200 мВт накачки от непрерывного титан-сапфирового лазера. Экспериментально измеренная длина параметрического усиления составила 100 м при спектральной ширине взаимодействия 0.7 нм.

Благодарности

В заключении автор благодарит сотрудников Научного центра волоконной оптики при ИОФ им A.M. Прохорова РАН, без взаимодействия с которыми эта работа не была бы проделана. Отдельно хотелось бы выразить благодарность моим научным руководителям Куркову Андрею Семеновичу и Семенову Сергей Львовичу, а так же Яценко Юрию Павловичу за выбор научного направления и постоянную поддержку во время работы. Важную роль в работе сыграла поддержка директора НЦВО Дианова Евгения Михайловича. Отдельно хотелось бы поблагодарить Косолапова Алексея Федоровича за плодотворные дискуссии и обсуждения. А также других сотрудников российский и зарубежных лабораторий за плодотворное сотрудничество.

5. Заключение.

1. V. Беланов A.C., Дианов E.M., Кривенков В.И., Курков A.C., Левченко А.Е, Харитонова К.Ю., «Световоды с малой дисперсией в широком диапазон длин волн», Радиотехника, 2004. №12, с 15-16.

2. VI. Беланов A.C., Дианов Е.М., Курков A.C., Левченко А.Е, Харитонова К.Ю., «Расчет дисперсии в световодах с высоким содержанием воздуха в оболочке», LVIX научная сессия, посвященная дню радио, секция 8. 19-20 мая 2004 г. г. Москва.

3. P.V.Kaiser and H.W. Astle "Low loss single material fibers made from pure fused silica". The Bell system Technical Journal, Vol.53., pp. 1021-1039,1974.

4. J.C. Knight, T.A. Birks, P.St. Russell, and D.M.Atkin, "All-silica single-mode optical fiber with photonic crystal cladding" Optics Letters, Vol.21 Nol9,pp 15471549 October 1.1996

5. J.Knight, T.Birks, T.Atkin and P.Russell,"Pure silica single-mode fibre with hexagonal photonic crystal cladding". Optical Fiber Communication Conference, Vol.2 p.CH35901,1996.

6. T.Birks, D.Atkin,G.Wylongowski, P. Russell and P.Roberts "2D photonic band gap structures in fiber form," Photonic Band Gap Materials (C. Soukoulis, ed.) Kluwer, 1996.

7. T.Birks, P.Roberts, P.Russell, D.Atkin and T. Shepherd "Full 2-D photonic bandgaps in silica/air structures", IEE Electronics Letters, Vol. 31 pp 1941-1943,Oct 1995.

8. J.Knight, T.Birks, P. Russell, and J. Sandro "Properties of photonic crystal fiber and effective index model", Journal of the Optical Society of America A. Vol.15 pp. 748-752, March 1998.

9. J.Broeng, D.Mogilevtsev S. Barkou and A.Bjarklev, "Photonic crystal fiers: a new class of optical waveguaides", Optical Fiber Technology, Vol.5, pp 305-330, July 1999

10. T.Monro, D.Richardson and N.Broderick, "Efficient modeling of holey fibers," Optical Fiber Communication Conference, San Diego, FG3, pp. 111-113,Feb.l999

11. R.Windier, J.Wagener, and D.DiGiovani "Silica-air micro structured fibers: properties and applications" Optical Fiber Conference, San Diego, FG1, pp 106107, Feb. 1999.

12. A. Bjarklev, J. Broeng, A.S. Bjarklev,"Photonic Crystal Fibres"KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS 2003

13. Желтиков A.M. «Оптика микроструктурированных волокон» Москва Наука 2004.12 www.crysta1-fiber.com веб сайт компании "CRYSTAL FIBER"

14. T.Birks, J.Knight, and P. Russell, "Endlessly single mode photonic crystal fiber" Optics Letters, Vol.22 pp. 961-963, July 1997.

15. J.Knight, T. Birks, P. Russell, and J. Sandro, "Properties of photonic crystal fibers and effective index model" Journal of the Optical Society ofAmerica A, Vol. 15, pp.748-752, March 1998.

16. Knight et al. Photon technology Letters 12 (807-809) 2000.

17. W.A. Gambling,H.Matsumura, and C.M. Ragdale. "Mode dispersion, materialdispersion, and profile dispersion in graded undex single-mode fibers" Ieee Microwaves, Opt., Acoust. 1979,Vol3 N06,p239-246

18. М.Адамс. «Введение в теорию оптических волноводов» Москва, Мир,1984

19. Дж. Э. Мидвинтер «Волоконные световоды для передачи информации» Радио и связь 1983.

20. P.Russel "Photonic Crystal Fibres", Summer-School on Advanced Glass-Based Nano-Photonics 12-16 July 2004, Bath UK.

21. J.B.Eom, K.W.Park,Y.Chung, W-T.Han, U-C.Paek, D.Y.Kim and B.H.Lee, "Optical Properties measurements of several photonic crystal fibers", SPIE, Photonics West 2002,San Jose,CA.USA.

22. J.Kirchhof, K.Gerth, J.Kobelke, K.Schuster,"Photonic Crystal Fibers-Viscous Behaviour of Silica Tubes During Colapsing and Hollow Fiber Drawing" Poc2002 Glass Odyssey,6th ESG Conference, 2-6 June 2002, Montpellier,p 196.

23. S. C. Xue, R. I. Tanner, G. W. Barton, R. Lwin, M. C. J. Large, and L. Poladian, "Fabrication of Microstructured Optical Fibers-Part I: Problem Formulation and Numerical Modeling of Transient Draw Process," J. Lightwave Technol. 23, 2245-(2005)

24. S. C. Xue, R. I. Tanner, G. W. Barton, R. Lwin, M. C. J. Large, and L. Poladian, "Fabrication of Microstructured Optical Fibers-Part II: Numerical Modeling of Steady-State Draw Process," J. Lightwave Technol. 23,2255- (2005)

25. X.Feng, A.K. Mairaij, D.W.Hewak and T.M.Monro "Nonsilica glasses for holey fibers", Journal of Lightwave Technology, Vol.23, №6. June 2005

26. T.M.Monro,Y.D.West, D.W.Hewak,N.G.R. Broderick, and D.J. Richardson "Chalcogenide holey fibers", IEE Electronics Letters, Vol 36, No.24 Nov 2000

27. T.Monro,K.M. Kiang, J.H.Lee, K.Frampton, Z.Yusoff, R.Moore, J.Tucknott, D.W.Hewak, H.N.Rutt and D.J.Richardson "Highly nonlinear extruded singlemode holey optical fibers" Proc. OFC 2002, OSA Technical Digest 315-317, Anheim, California,USA.

28. K.M. Kiang,K.Frampton,T.M.Monro, R. Moore,J. Tucknott, D.W. Hewak, D.J. Richardson, and H.N. Rutt, "Extruded single mode nonsilica glass holey optical fibers."

29. T. Hasegawa, E. Sasaoka, M. Onishi, M.Nishimura, Y.Tsyuji and M Koshiba "Novek hole assisted lightguide fiber exhiting large anomalous dispersion and low loss below 1 db/km" OFC'2001,2001, Post deadline paper PD5.

30. T. Hasegawa, E. Sasaoka, M. Onishi, M.Nishimura, Y.Tsyuji and M Koshiba "Novel hole assisted lightguide fiber exhiting large anomalous dispertion and low loss" /Optics Express, Vol.9, Nol3, Dec2001, pp 681-686.

31. Tajima et al: OFC 2003 postdeadline PD133 iyuT-T Recommendation G.650, "Definitions and test methods for the relevant parameters of single mode fibres".

32. A.M. Бородниковский «Методы и средства измерения хроматической дисперсии» LIGHTWAVE Russian edition № 1 2004 р.36-40

33. A.J. Barlow, R.S. Jones and K.W. Forsyth "Technique for Direct Measurement of Single-mode Fiber Chromatic Dispersion", Jnl. Lightwave Technology, LT-5, 1987, ppl207-1213.

34. Hen-Tai Shang, "Chromatic dispersion measurement by white-light interferometry on meter-length single-mode optical fibers", Electrnics Letters 1981 Vol. 17No.l7pp.603-605.

35. J. Stone, D. Marcuse «Direct measurement of second-order dispersion in short optical fibers using white-light interferometry». Electrnics Letters, 1984 Vol.20 No. 18 p. 751-752

36. W.D. Bomberger, J.J. Burke "Interferometrc Measurement of dispersion of a single mode optical fiber" ELECTRONICS LETTERS 1981 Vol.17, No. 14, pp.495-496

37. F. Mengel "Interferometric monomode fibre measurements: influence of spectrum and second-order dispersion" Electronics letters 1984 Vol.20 No.2

38. M.J. Gander R. McBride, J.D.C. Jones, D. Mogilevtsev, T.A. Birks, J.C. Knight and P.St.J. Russel "Experimental measurement of group velocity dispertion in photonic crystal fibre" Electrnics Letters 7th January 1999 Vol. 35 No.l pp.63-64.

39. A.V. Belov, A.S. Kurkov, V.A. Semenov, A.V. Chikolini. "The measurement of chromatic dispertion in single-mode fibers by interferometric loop", 14 Europ. Conf. Opt.Commun. Brighton, 1988. Conf. Publ. No.292, Parti, P507-509.

40. A.V. Belov, A.S. Kurkov, V.A. Semenov, A.V. Chicolini, "The measurement of the chromatic dispersion in single-mode fibers by interfeometrick loop", J. Lightwave Technol., 1989, Vol.LT-7,No.5, p.863,-868

41. D. Ouzounov, D. Homoelle, W. Zipfel, W.W. Webb, A.L. Gaeta, J.A. West, J.C. Fajardo, K.W. Koch "Group velocity dispersion measurements of microstractured fibers" CLEO 2001, CMP4.

42. D. Ouzounov, D. Homoelle, W. Zipfel, W.W. Webb, A.L. Gaeta, J.A. West, J.C. Fajardo, K.W. Koch "Dispersion measurements of microstractured fibers using femtosecond laser pulses", J. Optics Communications 192(2001) 219-223

43. L.F. Mollenauer, P.V. Mamyshev, M.J. Neubelt "Method for facile and accurate measurement of optical fiber dispersion maps", Optics Letters, Vol.21, No. 21, pp 1724-1726. November 1, 1996.

44. M. Gonzales-Herraez, L. Thevenaz, P. Robert „distributed measurement of chromatic dispersion by four-wave mixing and Brillouin optical-time-domain analysis" Optics Letters, Vol. 28, No 22 pp. 2210-2212,2003

45. Агравал Г., Нелинейная волоконная оптика, (М., Мир, 1996).

46. Mashinsky V. М., Neustruev V. В., Dvoyrin V. V, Vasiliev S. A., Medvedkov О. I., Bufetov I. A., Shubin A.V., Dianov E. M., Guryanov A. N., Khopin V. F., Salgansky M. Yu., Opt. Lett. 15,2596 (2004).

47. Tanaka K., Narasaki A., Hirao K., Opt.Lett., 25,251 (2000).

48. Lee J.H., Nagashima Т., Hasegava Т., Ohara S., Sugimoto N., Tanemura Т., Kikuchi K., Proceedings (DFC2005, PDP23, (2005).

49. Stolen R. H., Bjorkholm J. E., Ashkin A., Appl. Phys. Lett., 24, 308 (1974).

50. Stolen H., Bosh M.A., Lin C., Opt.Lett., 6,213, (1981).

51. Wadsworth W. J., Joly N., Knight J. C„ Birks T. A., Biancalana F., Russell P. St. J. "Supercontinuum and four-wave mixing with Q-switched pulses in endlessly single-mode photonic crystal fibres" Optics Epress 12,299 304 (2004) / Vol., No. 2

52. T. Andersen, K. Hilligsoe, C. Nielsen, J. Thogersen, K. Hansen, S. Keiding, and J. Larsen, "Continuous-wave wavelength conversion in a photonic crystal fiber with two zero-dispersion wavelengths," Opt. Express 12,4113-4122 (2004)

53. Tateda M., ShibataN., and Seikai S., IEEE J. QE-Yl No.3,404 (1981)

54. Белов A.B., Дианов E.M, Курков A.C. Квантовая электроника, 13, № 8, 1680(1986)

55. Грух Д.А., Богатырев В.А., Сысолятин А.А, Парамонов В.М., Курков А.С., Дианов Е.М. Квантовая Электроника, 34,247 (2004)

56. Folkenberg J. R., Nielsen M. D., Mortensen N. A., Jakobsen C., and Simonsen H. R., Opt. Express 12,956 (2004)http://www.opticsexpress.org/abstract.cfm?URI=OPEX-12-5-956

57. Шило A.B., Степаненко H.M., Прудников E.JI. «Изготовление алмазных трубчатых сверл методом гальванопластики» Синтетические алмазы, N1 с 61-63,1970

58. Скрипко Г.Ф. Пащенко Н.Г. «Сверление глубоких отверстий сверлами из синтетических алмазов», Синтетические алмазы №4 с 31. 1974

59. Френкель Ш.Т. «Алмазный инструмент для сверления отверстий в неметаллических материалах» Синтетические алмазы №2ю с 52-55 1974.

60. Кангун В.Р. Цыпкин Р.З. «Алмазное сверление неметаллических материалов». НИИМАШ, 197564 «Справочник технолога оптика» Машиностроение 1983

61. Ferrando A., Silvestre Е., Andres P., Mirret J.J., Andres M.V., Optics Express, 13,687 (2001).

62. Monro T.M., Richardson D.J., Broderick N.G., P.J. Bennett., Journal of Lightwave Technology, 17,1093 (1999).

63. Koshiba M., Saitoh. K, Optics Express, Д, 1746 (2003)

64. Ferrarini D.,Vincetti L., Zoboli M„ Proceedings OFC 2003, .2, F15,23 (2003).

65. Белов A.B., Дианов E.M., Квантовая электроника, 32,641 (2002)

66. Saitoh К, Koshiba М., Hasegava Т., Sasaoka Е., Optics Express, Д, 843 (2003).

67. Poletti F„ Finazzi V., Monro T.M., Broderick N.G.R., Tse V., Richardson D.J., Optics Express, 13,3728 (2005).

68. Wadsworth W.J., Joly N., Knight J.C., Birks T.A., Biancalana F., Russell P.St. J., Optics Express, 12,299 (2004).

69. Andersen T.V., Hilligsoe K.M., Nielsen C.K., Thogersen J., Hansen K.P., Keiding S.R., Larsen J.J., Optic Express, 12,4113 (2004).

70. Alfano R.R."The ultrafast supercontinuum laser source" Proc. Conf on Lasers'85, DECEMBER 2-6, 1985.

71. R Alfano "The supercontinuum laser source", Berlin: Springer Verlag 1989.

72. Chernikov S.V., Fotiadi A.A. Proc, Conf. on Laser and Electro-Optics, (Baltimore, 1997, p.477)

73. Chernikov S.V., Zhu Y., Taylor J.R., Gapontsev V.P. Opt.Lett. v.22,298 (1997).

74. Грух Д.А., Курков A.C., Раздобреев И.М., Фотиади A.A. Квантовая электроника, т. 32,1017, (2002).

75. Chen Z.J., Grudinin A.B., Porta J., Minely J.D. Opt.Lett. v.23,454 (1998)

76. Grudinin A.B., Payne D., Turner P.W., Zervas M.N., Ibsen M., Durkin M.K. International patent WO 00/67350, priority date 30.04/1999.