Группой исследователей из МФТИ и Университета Тампере создано оптоволокно с экстремально большим размером сердцевины, сохраняющее когерентные свойства света. Об этой разработке опубликована статья была опубликована в «Optics Express».

Отмечается, что данная разработка найдёт применение при конструировании мощных импульсных оптоволоконных лазеров и усилителей, а также поляризационных сенсоров.

Вопрос сохранения характеристик света является краеугольным камнем, когда речь заходит об использовании оптоволокна. Существует два основных параметра, которые в ряде приложений необходимо сохранять: распределение интенсивности в поперечном сечении и поляризация (характеристика направления колебания электрического или магнитного поля в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны). В своей работе исследователям удалось добиться выполнения обоих этих условий.

На сегодняшний день одним из наиболее распространённых типов лазеров являются волоконные. В них, как и в других видах лазеров, есть резонатор — среда, которую свет многократно проходит в обоих направлениях. Ввиду геометрических параметров волоконного резонатора, пучок света на выходе может иметь лишь ряд строго определённых форм поперечного распределения интенсивности излучения, так называемых поперечных мод резонатора. Естественным желанием является контролировать модовый состав света, причём на практике чаще всего учёные и инженеры желают получить лишь одну чистую фундаментальную моду, не изменяющуюся со временем.

Для поддержки одномодового режима работы волокно должно состоять из сердечника и оболочки — материалов с разными показателями преломления, причём толщина внутренней части, по которой распространяется излучение, составляет, как правило, менее 10 микрометров.

При увеличении оптической мощности света, распространяющегося по волокну, растёт и количество поглощаемой энергии, что приводит к изменению характеристик волокна, а именно, например, происходит неконтролируемое изменение показателя преломления в материале, из которого волокно изготовлено. Эти эффекты приводят к тому, что возникают паразитные нелинейные эффекты, дополнительные спектральные линии излучения и т.д., что в значительной степени ограничивает мощность передаваемых сигналов. Решением этой проблемы, которое использовали исследователи МФТИ и Erybdthcbntnf Тампере является вариация диаметра сердцевины и оболочки вдоль длины волокна.

При условии, что расширение волокна происходит адиабатическим образом, то есть достаточно медленно, можно сократить долю перекачиваемой в другие моды энергии до уровня ниже одного процента, даже если диаметр сердцевины волокна может достигать 100 мкм, что является очень большим размером для одномодовых волокон. При этом большой диаметр сердцевины и его нерегулярность по длине волокна увеличивают порог возникновения нелинейных эффектов.

Для решения второй задачи — сохранения поляризации — авторы сделали оболочку волокна анизотропной: внутренняя часть оболочки имеет различную ширину и высоту (эллиптическую форму), и это приводит к тому, что скорость распространения света с различным направлением колебаний поля отличается. Процесс перекачки из одной поляризационной моды в другую при такой структуре волокна практически сходит на нет. В работе учёные показали, что длина пути света через волокно, при которой колебания разных поляризаций оказываются в противофазе, — так называемая длина поляризационных биений — зависит от диаметра, и чем диаметр больше, тем меньше эта длина. Данная длина соответствует полному обороту состояния поляризации внутри волокна.