Fibra de dupla camada - Double-clad fiber

Perfil de índice de refração de fibra dupla-clad de compensação de dispersão. c: núcleo, i: revestimento interno, o: revestimento externo.

Perfil de índice de refração de fibra dupla-clad para lasers e amplificadores de fibra de alta potência. c: núcleo, i: revestimento interno, o: revestimento externo.

A fibra de revestimento duplo ( DCF ) é uma classe de fibra óptica com uma estrutura que consiste em três camadas de material óptico em vez das duas habituais. A camada mais interna é chamada de núcleo . Ele é cercado pelo revestimento interno , que é cercado pelo revestimento externo . As três camadas são feitas de materiais com diferentes índices de refração .

Existem dois tipos diferentes de fibras de revestimento duplo. O primeiro foi desenvolvido no início da história da fibra óptica com o objetivo de projetar a dispersão de fibras ópticas. Nessas fibras, o núcleo carrega a maior parte da luz, e o revestimento interno e externo alteram a dispersão do guia de ondas do sinal guiado pelo núcleo. O segundo tipo de fibra foi desenvolvido no final dos anos 1980 para uso com amplificadores de fibra de alta potência e lasers de fibra . Nessas fibras, o núcleo é dopado com material dopante ativo ; ele guia e amplifica a luz do sinal. O revestimento interno e o núcleo juntos guiam a luz da bomba , que fornece a energia necessária para permitir a amplificação no núcleo. Nessas fibras, o núcleo tem o índice de refração mais alto e o revestimento externo tem o mais baixo. Na maioria dos casos, o revestimento externo é feito de um material polimérico em vez de vidro .

Fibra de compensação de dispersão

Na fibra de revestimento duplo para compensação de dispersão, a camada de revestimento interna tem índice de refração mais baixo do que a camada externa. Este tipo de fibra também é chamado de fibra de revestimento interno deprimido e fibra de perfil W (pelo fato de que um gráfico simétrico de seu perfil de índice de refração se assemelha superficialmente à letra W).

Este tipo de fibra de dupla camada tem a vantagem de perdas muito baixas por micro-dobras . Ele também tem dois pontos de dispersão zero e baixa dispersão em uma faixa de comprimento de onda muito mais ampla do que a fibra padrão com revestimento simples. Uma vez que a dispersão de tais fibras de revestimento duplo pode ser projetada em grande medida, essas fibras podem ser usadas para a compensação da dispersão cromática em comunicações ópticas e outras aplicações.

Fibra para amplificadores e lasers de fibra

Diagrama esquemático de laser de fibra de revestimento duplo bombeado por revestimento

Seção transversal de DCF circular com núcleo deslocado

Seção transversal de DCF com revestimento interno retangular

Em fibras duplas modernas para amplificadores de fibra de alta potência e lasers, o revestimento interno tem um índice de refração mais alto do que o revestimento externo. Isso permite que o revestimento interno oriente a luz por meio da reflexão interna total, da mesma forma que o núcleo, mas para uma faixa diferente de comprimentos de onda. Isso permite que os lasers de diodo , que têm alta potência, mas baixo brilho , sejam usados ​​como fonte de bomba óptica. A luz da bomba pode ser facilmente acoplada ao grande revestimento interno e se propaga através do revestimento interno enquanto o sinal se propaga no núcleo menor. O núcleo dopado absorve gradualmente a luz do revestimento conforme ela se propaga, conduzindo o processo de amplificação. Esse esquema de bombeamento costuma ser chamado de bombeamento de revestimento , que é uma alternativa ao bombeamento de núcleo convencional , no qual a luz da bomba é acoplada ao pequeno núcleo. A invenção do bombeamento de revestimento por uma equipe de pesquisa de fibra da Polaroid (H. Po, et al. ) Revolucionou o design de amplificadores de fibra e lasers. Usando este método, os lasers de fibra modernos podem produzir energia contínua de até vários quilowatts, enquanto a luz de sinal no núcleo mantém a qualidade do feixe limitada pela difração .

A forma do revestimento é muito importante, especialmente quando o diâmetro do núcleo é pequeno em comparação com o tamanho do revestimento interno. A simetria circular em uma fibra de revestimento duplo parece ser a pior solução para um laser de fibra; neste caso, muitos modos de luz no revestimento perdem o núcleo e, portanto, não podem ser usados ​​para bombeá-lo. Na linguagem da óptica geométrica , a maioria dos raios da luz da bomba não passa pelo núcleo e, portanto, não pode bombeá-lo. O rastreamento de raios , as simulações da propagação paraxial e a análise de modo fornecem resultados semelhantes.

Fibras caóticas

Em geral, os modos de guia de ondas apresentam "cicatrizes", que correspondem às trajetórias clássicas. As cicatrizes podem evitar o núcleo, então o modo não está acoplado, e é inútil excitar tal modo no amplificador de fibra de dupla camada. As cicatrizes podem ser distribuídas de maneira mais ou menos uniforme nas chamadas fibras caóticas, possuem formato transversal mais complicado e proporcionam distribuição mais uniforme de intensidade no revestimento interno, permitindo o uso eficiente da bomba de luz. No entanto, a cicatriz ocorre mesmo em fibras caóticas.

Forma espiral

Revestimento em forma de espiral (azul), seu pedaço (vermelho) e 3 segmentos de um raio (verde).

Modos de fibra dupla-clad em forma de espiral.

Uma forma quase circular com pequena deformação em espiral parece ser a mais eficiente para fibras caóticas . Em tal fibra, o momento angular de um raio aumenta a cada reflexão da parede lisa, até que o raio atinja o "pedaço", no qual a curva espiral é quebrada (veja a figura à direita). O núcleo, colocado nas proximidades desse pedaço, é interceptado com mais regularidade por todos os raios em comparação com outras fibras caóticas. Esse comportamento dos raios tem uma analogia na ótica das ondas. Na linguagem dos modos , todos os modos têm derivada diferente de zero nas proximidades do bloco e não podem evitar o núcleo se ele for colocado lá. Um exemplo de modos é mostrado na figura abaixo e à direita. Embora alguns modos mostrem cicatrizes e grandes vazios, nenhum desses vazios cobre o núcleo.

A propriedade dos DCFs com revestimento em forma de espiral pode ser interpretada como conservação do momento angular. O quadrado da derivada de um modo no limite pode ser interpretado como pressão. Os modos (assim como os raios) que tocam a fronteira em forma de espiral transferem algum momento angular para ela. Esta transferência de momento angular deve ser compensada pela pressão no bloco. Portanto, nenhum modo pode evitar o pedaço. Os modos podem mostrar cicatrizes fortes ao longo das trajetórias clássicas (raios) e vazios amplos, mas pelo menos uma das cicatrizes deve se aproximar do pedaço para compensar o momento angular transferido pela parte espiral.

A interpretação em termos de momento angular indica o tamanho ótimo do pedaço. Não há razão para tornar o pedaço maior do que o núcleo; um grande pedaço não localizaria as cicatrizes o suficiente para fornecer acoplamento com o núcleo. Não há razão para localizar as cicatrizes em um ângulo menor que o núcleo: a pequena derivação para o raio torna a fabricação menos robusta; quanto maior for, maiores serão as flutuações de forma que são permitidas sem quebrar a condição . Portanto, o tamanho do pedaço deve ser da mesma ordem que o tamanho do núcleo. ${\ displaystyle R '(\ phi)}$${\ displaystyle R '(\ phi)> 0}$

Mais rigorosamente, a propriedade do domínio em forma de espiral segue do teorema sobre o comportamento de contorno dos modos do Laplaciano de Dirichlet . Embora este teorema seja formulado para o domínio sem núcleo, ele proíbe os modos que evitam o núcleo. Um modo que evita o núcleo, então, deve ser semelhante ao do domínio sem núcleo.

A otimização estocástica da forma do revestimento confirma que uma espiral quase circular realiza o melhor acoplamento da bomba ao núcleo.

Cônico

A fibra cônica de dupla camada (T-DCF) é uma fibra cujos revestimentos externos e internos e diâmetros de núcleo variam suavemente com o comprimento. O núcleo no lado estreito do T-DCF suporta a propagação do modo fundamental apenas, enquanto no lado largo o núcleo é capaz de guiar muitos modos. No entanto, foi mostrado experimentalmente que a luz lançada na extremidade estreita de um T-DCF se propaga para o núcleo largo sem qualquer alteração do conteúdo do modo. Como resultado, na extremidade ampla (substancialmente multimodo) do T-DCF, a luz se propaga apenas no modo de ordem inferior com excelente qualidade de feixe. Portanto, a fibra cônica é uma maneira única e fácil de implementar a propagação (e amplificação) do regime de modo fundamental em uma fibra multimodo.

Factor de enchimento

Estimativas da eficiência da bomba em uma fibra de revestimento duplo com (azul) e (vermelho), discutidas em comparação com os resultados das simulações de traçado de raio (curvas pretas).${\ displaystyle F = 0,8}$${\ displaystyle F = 0,9}$

A eficiência de absorção da energia de bombeamento na fibra é um parâmetro importante de um laser de fibra de dupla camada. Em muitos casos, essa eficiência pode ser aproximada com

${\ displaystyle 1- \ exp \ left (-F {\ frac {\ pi r ^ {2}} {S}} \ alpha L \ right),}$

Onde

${\ displaystyle S}$ é a área da seção transversal do revestimento

${\ displaystyle r}$ é o raio do núcleo (que é considerado circular)

${\ displaystyle \ alpha}$é o coeficiente de absorção da luz da bomba no núcleo

${\ displaystyle L}$ é o comprimento da fibra de revestimento duplo, e

${\ displaystyle F}$é um parâmetro de ajuste adimensional , que às vezes é chamado de "fator de preenchimento"; .${\ displaystyle 0 <F <1}$

O fator de enchimento pode depender da distribuição inicial da luz da bomba, da forma do revestimento e da posição do núcleo dentro dele.

O comportamento exponencial da eficiência de absorção da bomba no núcleo não é óbvio. Pode-se esperar que alguns modos de revestimento (ou alguns raios) sejam melhor acoplados ao núcleo do que outros; portanto, a dependência "verdadeira" pode ser uma combinação de vários exponenciais. Apenas a comparação com simulações justifica esta aproximação, conforme mostrado na figura acima e à direita. Em particular, esta aproximação não funciona para fibras circulares, veja o trabalho inicial de Bedo et all, citado abaixo. Para fibras caóticas, aproxima-se da unidade. O valor de pode ser estimado por análise numérica com propagação de ondas, expansão por modos ou por traçado de raio óptico geométrico , e os valores 0,8 e 0,9 são apenas parâmetros de ajuste empírico, que fornecem boa concordância da estimativa simples com simulações numéricas para duas classes específicas de fibras duplamente folheadas: offset circular e retangular. Obviamente, a estimativa simples acima falha quando o parâmetro de deslocamento se torna pequeno em comparação com o tamanho do revestimento. ${\ displaystyle F}$${\ displaystyle F}$

O fator de preenchimento se aproxima da unidade especialmente rapidamente no revestimento em forma de espiral, devido ao comportamento de contorno especial dos modos do Laplaciano de Dirichlet . Os projetistas de fibra de dupla camada buscam um compromisso razoável entre a forma otimizada (para o acoplamento eficiente da bomba ao núcleo) e a simplicidade da fabricação da pré - forma usada para puxar as fibras. ${\ displaystyle F}$

A escala de potência de um laser de fibra é limitada por efeitos não lineares indesejados, como espalhamento Brillouin estimulado e espalhamento Raman estimulado . Esses efeitos são minimizados quando o laser de fibra é curto. Para uma operação eficiente, no entanto, a bomba deve ser absorvida no núcleo ao longo do comprimento curto; a estimativa acima se aplica neste caso otimista. Em particular, quanto maior a etapa no índice de refração do revestimento interno para o externo, melhor confinada a bomba é. Como um caso limite, o degrau de índice pode ser da ordem de dois, do vidro ao ar. A estimativa com fator de preenchimento fornece uma estimativa de quão curto pode ser um laser de fibra de dupla camada eficiente, devido à redução no tamanho do revestimento interno.

Estruturas alternativas

Para boas formas de revestimento, o fator de preenchimento , definido acima, se aproxima da unidade; o seguinte aprimoramento é possível em vários tipos de afilamento do revestimento; são sugeridas formas não convencionais de tal revestimento. ${\ displaystyle F}$

Os guias de onda planos com um meio de ganho ativo ocupam uma posição intermediária entre os lasers de estado sólido convencionais e os lasers de fibra de dupla camada. O guia de onda planar pode confinar uma bomba multimodo e um feixe de sinal de alta qualidade, permitindo o acoplamento eficiente da bomba e saída limitada por difração.

Notas e referências