Потери сигнала в оптоволокне с полой сердцевиной приблизились к стандартным значениям

Британским физикам удалось снизить уровень затухания сигнала в оптических волокнах с полой сердцевиной. Для длин волн 1064 и 850 нанометров значения потерь оказались сравнимы со стандартными, а на длине волны 660 нанометров полые волокна превзошли существующие аналоги. Таких результатов авторам удалось добиться благодаря использованию полых трубок внутри сердцевины и правильно подобранной геометрии поперечного сечения. Работа опубликована в Nature Communications.

Несмотря на то, что реальные потери сигнала в оптоволокне близки к теоретическому пределу, у него все еще есть ряд недостатков. Например, хроматическая дисперсия в волокне приводит к расширению световых импульсов во времени, из-за чего идущие подряд импульсы могут накладываться друг на друга. Это связано с тем, что спектр импульса состоит из набора немного отличающихся длин волн. Волны разной длины распространяются по световоду-волокну с разной скоростью, и в итоге они приходят в одну и ту же точку в разное время. Чем длиннее волокно, тем сильнее будет проявляться этот эффект. Кроме того, в сердцевине волокна могут возникать нелинейные эффекты, например, четырехволновое смешение, что может приводить к нежелательному искажению спектра сигнала.

Борьба с нежелательными эффектами в рамках существующих технологий довольно ограниченна, поэтому к решению проблем применяют новые подходы, а также используют и новые виды волокон. Одно из таких направлений — использование волокон с полой сердцевиной вместо привычного кварцевого стекла. Среди существенных плюсов их использования — отсутствие видимой хроматической дисперсии и нелинейностей, а также высокая критическая мощность (максимальная мощность, которую можно передавать по волокну без его повреждения). Однако потери в таких волокнах до недавнего времени значительно превышали аналогичные значения для стандартных волокон.

Если причина потерь сигнала в кварцевых волокнах заключается в рэлеевском рассеянии (фотоны сталкиваются с атомами, возбуждают их, а те в свою очередь излучают на той же длине волны, но уже во все стороны), то для волокон с полой сердцевиной критичными становятся микроизгибы и перетекание сигнала из сердцевины в оболочку. Для борьбы со вторым эффектом используют дополнительные полые трубки внутри волокна: это позволяет лучше локализовать пучок в центре волокна. Группа физиков из Саутгемптонского университета во главе с Франческо Полетти (Francesco Poletti) предположила, что именно их можно использовать в волокне с полой сердцевиной, чтобы добиться минимальной потери сигнала.

Авторы изготовили три типа волокон для разных длин волн: 660 нанометров, 850 нанометров и 1060 нанометров. При расчете диаметра сердцевин для каждого волокна физики учитывали соотношение длины волны излучения с толщиной оболочки и размером внутренних полых трубок. Кроме этого, им удалось сделать волокна с размером сердцевины в два раза больше, чем у кварцевых волокон. При этом такой волновод все еще поддерживает лишь одну поперечную моду, что позволяет избежать дополнительных нежелательных эффектов. Увеличение диаметра сердцевины делает воздушные волокна привлекательными для применений, где необходимо комбинировать объемную и волоконную оптику.

В инфракрасном диапазоне волокна с полой сердцевиной сравнимы с кварцевым стеклом, а на длине волны 660 нанометров даже превосходят их. Помимо этого, у всех трех типов воздушных волокон широкая полоса пропускания, то есть в них с одинаковыми потерями могут распространяться не только указанные длины волн, но и отличающиеся от них на 40-50 нанометров.

Итоговые значения потерь оказались равными 2,85 децибела на километр для 660 нанометров, 1,45 для 850 нанометров и 0,51 для 1064 нанометров. Физики планируют уменьшить эти значения в своих будущих работах за счет модификации структуры волокна и использования других материалов в качестве оболочки. Они уже провели моделирование волокна на 850 нанометров с усовершенствованной структурой и предсказывают значение потерь в нем не выше 0,3 децибела на километр.

Помимо известных применений оптоволокон в коммуникациях, квантовых технологиях и фотонике, ученые находят менее очевидные, но не менее интересные. Так, американские и итальянские инженеры предложили простой метод регистрации деформации с помощью соприкасающихся волокон, исследователи из Стэнфордского университета создали и протестировали систему обнаружения сейсмических волн с помощью оптоволокна, а китайские ученые превратили оптоволокно в датчик движения для носимой электроники.

Оксана Борзенкова