Перевод Станислава Ивакина
Определение: оптоволокно, поддерживающее распространение только одной моды в направлении поляризации.
Одномодовые волокна (мономодовые волокна) – это оптические волокна, поддерживающие для данной длины волны распространение только одной моды в направлении поляризации. Обычно имеют относительно малое ядро (диаметром в несколько мкм) и малую разницу в показателях преломления ядра и оболочки. Радиус моды обычно составляет несколько мкм.
Специфической особенностью одномодового волокна является фиксированная форма профиля поперечной интенсивности излучения на выходе из волокна, независимая от условий ввода и пространственных свойств введённого излучения при допущении, что все моды, распространяющиеся в оболочке оптоволокна не могут донести существенную энергию до выхода из волокна. Условия ввода влияют только на эффективность преобразования вводимого излучения в распространяемую по волокну моду.
Условия эффективного ввода излучения в одномодовое волокно
Для эффективного ввода излучения в одномодовое волокно требуется, чтобы поперечный профиль комплексной амплитуды излучения на входном торце волокна соответствовал аналогичному профилю комплексной амплитуды моды волокна. Это подразумевает, что:
· Источник излучения имеет высокое качество пучка (М2≈1)
· Излучение сфокусировано на входном торце волокна (для соответствия плоским волновым фронтам распространяемой по волокну моды)
· Фокус излучения имеет правильный размер и точно юстирован относительно ядра (по положению и направлению). Точнее, ошибка в положении должна быть значительно меньше радиуса пучка, а угловая некоаксиальность должна быть мала относительно лучевой расходимости моды волокна.
Как правило, для стабильного длительного и эффективного введения распространяющегося в открытом пространстве лазерного луча в одномодовое волокно требуются грамотно сконструированные механические детали, позволяющие проводить точную юстировку и фиксацию фокусирующей линзы и торца волокна, не показывая при этом чрезмерных температурных дрейфов.
Используя одномодовые волокна с особенно большим эффективным модовым пятном (см. ниже), легче выполнить правильную юстировку по положению фокуса. Однако, более важна угловая юстировка.
Условия одномодового режима.
Для ступенчатых волокон условия достижения одномодового режима распространения излучения могут быть сформулированы с использованием нормированной частоты V, которая зависит от длины волны, радиуса ядра и числовой апертуры NA, - частота V должна быть меньше ≈ 2.405 [1]. Для этого радиус ядра должен быть мал, особенно для волокон с большой NA.
Как правило, волокно имеет одномодовые характеристики только в ограниченном диапазоне длин волн шириной в несколько сот нанометров. Нижняя граница этого диапазона определяется длиной волны отсечки; при длинах волн, меньших длины волны отсечки, волокно поддерживает распространение нескольких мод.
)
Этот переход очень резок и легко может быть обнаружен, например, при варьировании длины волны заводимого излучения в окрестности длины волны отсечки: форма передаваемого луча быстро меняется в многомодовом режиме, но остаётся неизменной в одномодовом. Верхняя граница диапазона длин волн эффективного одномодового режима распространения излучения обычно задаётся дополнительными потерями при изгибе, поглощением материала. Для определённых видов волокон, например, в волокне со специальным профилем коэффициента преломления оболочки (depressed cladding («вдавленная») формируется утечка излучения в оболочку.Фотонно-кристаллические волокна могут иметь существенно более широкие или более узкие диапазоны длин волн одномодового режима распространения излучения. Например, существуют т.н. «бесконечно» одномодовые волокна с очень широким диапазоном длин волн одномодового режима распространения. С другой стороны существуют волокна с фотонной запрещенной зоной, имеющие узкий диапазон длин волн одномодового режима и не распространяющие излучение на других длинах волн.
Одномодовые волокна с большим модовым пятном и «эффективно» одномодовые волокна.
Для решения некоторых задач требуются одномодовые волокна с относительно большим диаметром ядра в десятки мкм (→ волокна с большим модовым пятном). Такие волокна можно получить разными способами, например, выполнив ядро относительно большим, а разницу в показателях преломления – малой (малая числовая апертура NA); или используя фотонно-кристаллические волокна. Как правило, одномодовые волокна с большим модовым пятном более чувствительны к потерям при изгибе, чем многомодовые волокна из-за относительно слабого распространения излучения.
В ряде случаев не требуется строго одномодовое распространение излучения; и можно использовать т.н. «эффективно» одномодовые волокна, поддерживающие распространение нескольких поперечных мод, но где моды высших порядков имеют относительно высокие потери, а связь основной моды с модами высших порядков слаба.
Библиография
[1] D. Gloge, “Weakly guiding fibers”, Appl. Opt. 10 (10), 2252 (1971)
[2] Рекомендации Международного Союза Электросвязи (МСЭ), смотри http://www.itu.int/
По материалам интернет-энциклопедии www.rp-photonics.com
