Investigation of Field and Energy in a Weakly-Conducting Optical Fiber with an Arbitrary Degree of Refractive Index Profile
- Авторлар: Vlasenko V.D.1, Gladkikh V.A.1
-
Мекемелер:
- Computer Center of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences
- Шығарылым: Том 32, № 4 (2022)
- Беттер: 588-599
- Бөлім: Technologies, Machinery and Equipment
- ##submission.dateSubmitted##: 19.06.2025
- ##submission.dateAccepted##: 19.06.2025
- ##submission.datePublished##: 23.06.2025
- URL: https://ogarev-online.ru/2658-4123/article/view/297148
- DOI: https://doi.org/10.15507/2658-4123.032.202204.588-599
- ID: 297148
Дәйексөз келтіру
Толық мәтін
Аннотация
Introduction. We consider a weakly conductive gradient fiber in the single-mode regime and solve the equation for the electric field in the core of this fiber in a general form in the first approximation. The aim of this study is to study the field and energy in the core of a weakly conductive gradient fiber without taking into account the polarization in the single-mode regime in the case of a power-law (generally) refractive index profile.
Materials and Methods. From Maxwell’s equations for dielectric media, there was derived an equation for the field in a fiber with gradient refractive index profile. Making the appropriate substitutions, replacing the zero-order Bessel function with a Gaussian function, and making the necessary approximation of the resulting equation, we arrive at an equation that we solve by the Wentzel – Kramers – Brillouin method and obtain analytical expressions for the field and energy inside waveguide for an arbitrary degree of the refractive index.
Results. There was obtained a solution of the equation for the field in fiber with a powerlaw refractive index profile. Numerical calculations were carried out. A graph of the dependence of a dimensionless quantity – “normalized” energy – on the waveguide parameter for the first five powers of the profile (n = 1, 2, 3, 4, 5) was plotted.
Discussion and Conclusion. It is shown that the energy increases faster for the profile with n = 1, and after this value, the energy for the profile with n = 1 increases sharply, and for n > 1, the energy growth decreases with increasing n. The results obtained in this work can be used for creating an energy-efficient core, for carrying out a possible analysis of information transmission, and for designing waveguides taking into account specific applications.
Толық мәтін
Введение
В качестве оптических волокон применяются диэлектрики со ступенчатым или градиентным профилем показателя преломления. Ведутся интенсивные экспериментальные исследования по поиску оптимальных материалов волокон для тех или иных целей. Аналитически исследованы волноводы для волокон со ступенчатым профилем показателя преломления. С градиентным профилем показателя преломления аналитика осложняется в связи с трудностями при решении достаточно сложных уравнений, возникающих из-за пространственной зависимости профиля показателя преломления. Эксперименты показали, что хорошей моделью для математического исследования физических процессов с градиентным профилем может служить модель степенного профиля показателя преломления. Самое известное точное решение связано с неограниченным параболическим профилем показателя преломления. В связи со сложностями при получении точного решения для других случаев градиентных профилей разрабатываются разнообразные приближенные методы решения таких уравнений.
Целью настоящей работы является приближенное решение для поля в сердцевине слабопроводящего градиентного световода (в одномодовом режиме) в случае степенного (в общем виде) профиля показателя преломления и исследование зависимости энергии поля в сердцевине волновода от волноводного параметра.
Обзор литературы
В науке и технике давно используются оптические волокна (световоды), по которым могут распространяться оптические лучи. Достаточно полные и общие сведения о световодах и диэлектрических волноводах содержатся в фундаментальной монографии А. Снайдера и Дж. Лава, где широко представлена информация о различных видах волноводов с кратким описанием экспериментальных и теоретических результатов с большим количеством примеров и различных математических методов1. Однако со времени издания этого труда прошло немало времени, и исследования по этой тематике значительно продвинулись. Кратко отметим их направления.
Предложено устойчивое к изгибам одномодовое волокно с большой площадью моды и низкими потерями на изгибе [1]; дан анализ многожильного маломодового волокна с составным профилем показателя преломления и двойной вспомогательной структурой [2]; смоделирована и вычислена уникальная трехмерная прерывистая конечно-элементная модель Петрова – Галеркина для моделирования лазерного усиления в волоконном усилителе [3]; предложены оптоволоконные датчики, основанные на френелевском отражении на конце волокна [4]. Усовершенствован и модифицирован метод расширенной тангенс-функции (применяется для получения оптических солитонов для двухъядерных ответвителей кубической четверти (CQ) в оптических метаматериалах, имеющих секстический степенной закон Кудряшова с произвольным показателем преломления) [5]; рассмотрены ребристые волноводы, в которых направляющий слой в основном состоит из пластины с наложенной на нее одной или несколькими полосами [6]; исследованы сегментированные волноводы (такие волноводы могут периодически изменять свое поперечное сечение, обеспечивая передачу света без потерь через так называемые блоховские моды) [7].
Заслуживает внимание работа, где впервые были предложены перспективные микроструктурированные или дырчатые волоконные световоды из кварцевого стекла. В оболочке таких световодов делаются продольные отверстия, расположенные в поперечном сечении относительно друг друга в том или ином порядке [8]. Большой контраст показателя преломления сердцевины и оболочки определяет уникальные оптические свойства таких волноводов. В частности, варьируя геометрию оболочки, можно управлять дисперсионными свойствами световода. Математический аппарат для анализа таких световодов можно найти в других статьях [9–11]. Возможность управления показателем преломления оболочки в таких волноводах позволяет создавать одномодовое оптоволокно. В нем на любой длине волны распространяется только одна мода (еще одна особенность таких волноводов – существование одномодового режима в волокнах с большим диаметром сердцевины). Различные аспекты этого направления хорошо представлены [12–15].
Что касается классических градиентных световодов, то на сегодняшний день получено точное решение для поля в волокне только в случае неограниченного параболического профиля: обобщенные полиномы Лагерра в цилиндрических координатах или функции Гаусса – Эрмита в декартовых. Подробный анализ этого решения можно найти в классической литературе2. Для произвольного градиентного планарного волновода получены модовые решения уравнения Гельмгольца – амплитуда моды представлена в виде экспоненты с показателем в виде ряда Тейлора, коэффициенты которого находятся из рекуррентных соотношений [16]. С помощью моделирования показано, что градиентные микролинзы Микаэляна и «рыбий глаз» Максвелла могут формировать изображения со сверхразрешением.
Представлен новый подход к разработке структурированных оптических волокон. Показано, что при внутреннем наноструктурировании сердцевины, состоящей из двух стекол, могут быть созданы волокна с эффективным профилем градиента показателя преломления с заданным распределением показателя преломления [17].
В случае трехмерного градиентного световода с круглым поперечным сечением ранее нами получено в первом приближении аналитическое выражение для поля и энергии в одномодовом режиме внутри слабопроводящего волокна со степенным профилем показателя преломления с произвольной степенью (с учетом поляризации) путем решения уравнения Гельмгольца методом функции Грина. Построены зависимости энергии от волноводного параметра для второй и третьей степени профиля показателя преломления выражения. Показано, что в рассматриваемом приближении энергия увеличивается с ростом волноводного параметра до определенного значения параметра, после которого зависимости энергии от волноводного параметра меняются местами для второй и третьей степени [18].
В настоящей работе другими методами, отличными от примененных в статье [18], мы определим поле и энергию в одномодовом режиме внутри слабопроводящего волокна со степенным профилем показателя преломления с произвольной степенью без учета поляризации (что упрощает вычисления), построим соответствующие зависимости энергии и результаты сопоставим с результатами предыдущей работы [18]. Тем самым мы полностью решим задачу без учета поляризации и с учетом поляризации. Результаты данной и предыдущей [18] работ могут быть использованы для конструирования световодов в зависимости от конкретных приложений (в частности, построенные зависимости энергии от волноводного числа могут помочь подобрать материал сердцевины световода с подходящей степенной зависимостью профиля показателя преломления).
Материалы и методы
Выведем уравнение для поля в световоде с градиентным профилем показателя преломления. Пусть – соответственно электрическая и магнитная составляющие электромагнитного поля (t – время, R = (x, y, z) – координаты). Из уравнений Максвелла для диэлектрических сред с показателем преломления n2(R), отделяя временную часть, в результате преобразований для электрической компоненты электромагнитного поля (для магнитной компоненты аналогично) получим:
где c – скорость света, ω – циклическая частота, k = w / с. Для волокна (сердцевины) градиентного световода n2 = n2(r), поле в волокне также зависит от r и распространяется вдоль оси z. Для поля запишем – соответственно единичный вектор направления распространения поля вдоль оси z, постоянная распространения и угол в плоскости (x, y)
. (2)
Случай с ненулевой правой частью в (2) в первом приближении рассмотрен нами в другой работе [18]. Отбрасывая в (1) правую часть (не рассматривая поляризационные свойства, описываемые членами, содержащими ), от (1), (2) перейдем к скалярному уравнению в полярных координатах для основной моды (m = 0):
(3)
Показатель преломления для волновода обычно записывается в следующем виде:
(4)
где h(r) – возрастающая от 0 до 1 функция при изменении r от 0 до ρ; – показатели преломления волокна и оболочки; Δ – высота профиля; ρ – радиус круглого в поперечнике волокна.
Подставляя (4) в (3), запишем результат в виде (перейдем к безразмерной переменной γ)
(5)
здесь V, NA – волноводный параметр и числовая апертура.
При этом (4) принимает вид
(6)
Результаты исследования
Найдем решение уравнения для поля в световоде с градиентным профилем показателя преломления.
Поскольку
то решение уравнения (5) будем искать в виде
(8)
Подставляя (8) в (5), с учетом (7) для неизвестной функции f(γ) получим уравнение
(9)
Заменим здесь функцию Бесселя , описывающую одномодовый режим волновода со ступенчатым профилем, на гауссову функцию (r0 – радиус модового пятна):
причем (см. [18–22]):
(11)
обоснование применения этой формулы для нашего случая, полученной для волновода со ступенчатым профилем показателя преломления, показано в другой работе [21]. Подставляя (10) в (9), запишем уравнение в виде
(12)
Рассмотрим коэффициент при первой производной и выясним, при каких значениях γ он обращается в нуль (воспользуемся (11)):
откуда
(13)
Выбирая первый вариант для поля внутри сердцевины волновода, перепишем (12) в упрощенном виде
Решать уравнение будем аналогично методу ВКБ (Вентцеля – Крамерса – Бриллюэна)3 (современное изложение в [23]).
Итак, искомую функцию запишем в виде
(15)
Подставляя в (14), получаем уравнение для функции p(γ)
(16)
Предположим малость второй производной :
(17)
Тогда для (16) мы можем записать
,(18)
и согласно (8), (10) и (15) получим для поля
Поскольку в случае ступенчатого волновода , то выбираем знак плюс – в этом случае (19) сводится к выражению (10).
Окончательно получаем
Подчеркнем, что при поле не обращается в нуль, согласно предыдущему выражению.
Дифференцируя из (18), условие (17) запишем в виде
.(21)
Формулы (20), (21) получены для произвольной функции h(γ), удовлетворяющей требованиям из (6).
Полагая выполненным неравенство (21), для поля в случае степенного профиля показателя преломления запишем функцию h(γ) вместе с выражением для поля (20):
С помощью вспомогательного интеграла
(22)
предыдущее выражение для поля, в случае степенного профиля показателя преломления, принимает окончательный вид (в (22) a = 4V2, m = n + 2):
Наконец, для безразмерной нормированной энергии (отношение энергии поля (23) к энергии поля (10) для ступенчатого профиля в одномодовом режиме) находим (несмотря на выбранный вариант в (13), не снижая общности, интегрируем по γ от нуля до единицы)
На рисунке для слабопроводящего оптоволокна с градиентным профилем показателя преломления, без учета поляризации в одномодовом режиме в случае степенного профиля показателя преломления при n = 1, 2, 3, 4, 5, построены зависимости «нормированной» энергии Wnorm(n) от волноводного параметра. Показано, что до значения Vc ~ 0,9 быстрее растет энергия для профиля с n = 1 (но в точке Vc ~ 0,9 для всех рассмотренных степеней энергия совпадает), а после этого значения с резким отрывом растет энергия для профиля с n = 1, а для n > 1 рост энергии уменьшается с увеличением n.
для профиля показателя преломления n: 1 – профиль n = 1; 2 – профиль n = 2;
3 – профиль n = 3; 4 – профиль n = 4; 5 – профиль n = 5
Fig. Dependence of the normalized energy Wnorm on the waveguide parameter V for the refractive index
profile n: 1 – profile n = 1; 2 – profile n = 2; 3 – profile n = 3; 4 – profile n = 4; 5 – profile n = 5
Если сравнить результаты с данными нашей предыдущий работы [18], посвященной анализу поля и энергии слабопроводящего оптоволокна, с учетом поляризации в одномодовом режиме в случае степенного профиля показателя преломления, рассмотренного для случаев n = 2, 3, то учет поляризации сводится к смещению точки Vc от значения 0,9 до значения 1,55.
Обсуждение и заключение
Как видно из рисунка, при изменении параметра V от значения 0,5 до 2,405, согласно формуле (11), нормированная энергия Wnorm растет от 1 до Wnorm(max) ≈ 7,5 для профиля с n=1, до Wnorm(min) ≈ 2 для профиля с n = 5. Для всех рассмотренных профилей значения соответствующих энергий превышают энергии ступенчатого профиля для соответствующих значений параметра V. Исключая мало применяемый профиль с n=1, видим, что наиболее энергоэффективным из всех степенных профилей оказывается профиль с n = 1, что подтверждается экспериментальными данными4.
Поскольку согласно формуле (5)
и энергоэффективность возрастает с ростом параметра V, то при постоянной численной апертуре NA в рассматриваемом слабонаправляющем случае (NA << 1 – малая разность между показателем преломления в сердцевине волокна и показателем преломления оболочки) параметр V можно повышать либо уменьшением длины волны, либо увеличением радиуса сердцевины.
Данная работа посвящена исследованию зависимости поля и энергии в градиентных волокнах со степенным профилем показателя преломления. Результаты получены в общем виде для произвольной степени показателя преломления и проиллюстрированы для выбранных степеней (в предыдущей работе [18] для случаев n = 2, 3, а в настоящей для n = 1, 2, 3, 4, 5). При этом аналитические расчеты были проведены разными методами. Показано, что учет поляризации сводится к смещению точки пересечения Vc от значения 0,9 до значения 1,55. Полученные результаты, с учетом конкретных приложений, могут быть применены при конструировании энергетически выгодного профиля сердцевины волокна и для анализа передачи информации.
1 Снайдер А., Лав Дж. Теория оптических волноводов. Пер. с англ. М. : Радио и связь, 1987. 656 с.
2 Адамс М. Введение в теорию оптических волноводов. Пер. с англ. М. : Мир, 1984. 512 с. ; Семенов Н. А. Оптические кабели связи: теория и расчет. М. : Радио и связь, 1981. 152 с.
3 Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Квантовая механика (Нерелятивистская теория). 4-е изд., испр. М. : Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. 768 с.
4 Семенов Н. А. Оптические кабели связи: теория и расчет.
Авторлар туралы
Victor Vlasenko
Computer Center of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences
Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: vlasenko@as.khb.ru
ORCID iD: 0000-0001-7782-4532
ResearcherId: E-2432-2019
Scientific Secretary, Cand.Sc. (Phys.-Math.)
Ресей, 65 Kim Yu Chen St., Khabarovsk 680000Vyacheslav Gladkikh
Computer Center of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences
Email: gladkih@as.khb.ru
ORCID iD: 0000-0002-3922-9609
ResearcherId: GLU-2712-2022
Senior Researcher, Cand. Sci. (Phys.-Math.)
Ресей, 65 Kim Yu Chen St., Khabarovsk 680000Әдебиет тізімі
- Tong Y., Chen S., Tian H. A Bend-Resistant Low Bending Loss and Large Mode Area Two-Layer Core Single-Mode Fiber with Gradient Refractive Index Ring and Multi-Trench. Optical Fiber Technology.2018;45:235–243. doi: https://doi.org/10.1016/j.yofte.2018.07.010
- Wang G., Zhang J., Zhang H., et al. A Low Crosstalk Multi-Core Few-Mode Fiber with Composite Refractive Index Profile and Air-Hole Embedded Trench Assistance. Optics Communications. 2019;499.doi: https://doi.org/10.1016/j.optcom.2021.127258
- Hennekinga S., Grosekb J., Demkowicza L. Model and Computational Advancements to Full Vectorial Maxwell Model for Studying Fiber Amplifiers. Computers & Mathematics with Applications.2021;85(1):30–41. doi: https://doi.org/10.1016/j.camwa.2021.01.006
- Brientin A., Leduc D., Gaillard V., et al. Numerical and Experimental Study of a Multimode Optical Fiber Sensor Based on Fresnel Reflection at the Fiber Tip for Refractive Index Measurement. Optics & Laser Technology. 2021;143. doi: https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107315
- Eldidamony H.A., Ahmed H.M., Zaghrout A.S., et al. Cubic–Quartic Solitons in Twin-Core Couplers with Optical Metamaterials Having Kudryashov’s Sextic Power Law of Arbitrary Refractive Index by Using Improved Modified Extended Tanh-Function Method. Optik. 2022;265. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2022.169498
- Talukdar T.H., Allen G.D., Kravchenko I., Ryckman J.D. Single-Mode Porous Silicon Waveguide Interferometers with Unity Confinement Factors for Ultra-Sensitive Surface Adlayer Sensing. Optics Express.2019;23(16):22485–22498. doi: https://doi.org/10.1364/OE.27.022485
- Hochberg M., Baehr-Jones T., Walker C., et al. Segmented Waveguides in Thin Silicon-On-Insulator.Journal of the Optical Society of America B: Optical Physics. 2005;22(7):1493–1497. doi: https://doi.org/10.1364/JOSAB.22.001493
- Knight J.C., Birks T.A., Russell P.St.J., Atkin D.M. All-Silica Single-Mode Optical Fiber with Photonic Crystal Cladding. Optics Letters. 1997;21(19):1547–1549. doi: https://doi.org/10.1364/OL.21.001547
- White T.P., Kuhlmey B.T., McPhedran R.C., et al. Multipole Method for Microstructured Optical Fibers.I. Formulation. Journal of the Optical Society of America B: Optical Physics. 2002;19(10):2322–2330.doi: https://doi.org/10.1364/JOSAB.19.002322
- Kuhlmey B.T., White T.P., Renversez G., et al. Multipole Method for Microstructured OpticalFibers. II. Implementation and Results. Journal of the Optical Society of America B: Optical Physics.2002;19(10):2331–2340. doi: https://doi.org/10.1364/JOSAB.19.002331
- Gaponov D.A., Biriukov A.S. The Effective Method for Analysis of Optical Properties of Microstructured Optical Fibers. Foton-Ekspress. 2005;(6):77–104. Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=20211611 (accessed 20.06.2022). (In Russ., abstract in Eng.)
- Roberts P.J., Couny F., Sabert H., et al. Ultimate Low Loss of Hollow-Core Photonic Crystal Fibers. Optics Express. 2005;13(1):236–244. doi: https://doi.org/10.1364/OPEX.13.000236
- Dudley J.M., Genty G., Coen S. Supercontinuum Generation in Photonic Crystal Fiber. Reviews of Modern Physics. 2006;78(4). doi: https://doi.org/10.1103/RevModPhys.78.1135
- Russell P.St.J. Photonic-Crystal Fibers. Journal of Lightwave Technology. 2006;24(12):4729–4749.Available at: https://opg.optica.org/jlt/abstract.cfm?uri=JLT-24-12-4729 (accessed 20.06.2022).
- Sharma D.K., Tripathi S.M., Sharma A. Modal Analysis of High-Index Core Tellurite Glass Microstructured Optical Fibers in Infrared Regime. Journal of Non-Crystalline Solids. 2019;511:147–160.doi: https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2019.02.001
- Kotlyar V.V., Kovalev A.A., Nalimov A.G. [Gradient Micro-Optics Elements to Achieve Super-Resolution]. Computer Optics. 2009;33(4):369–378. Available at: https://clck.ru/32cDqP (accessed 20.06.2022). (In Russ.)
- Buczyński R., Klimczak M., Stefaniuk T., et al. Optical Fibers with Gradient Index Nanostructured Core. Optics Express. 2015;23:25588–25596. doi: https://doi.org/10.1364/OE.23.025588
- Gladkikh V.A., Vlasenko V.D. Investigation of the Dependence of the Field Energy in a Low Conductive Fiber Optic with a Gradient Profile of the Refractive Index. Optik. 2021;245. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2021.167735
- Listvin V.N., Treshchikov V.N. [DWDM Systems]. Foton-Ekspress. 2012;(7):34–37. Available at:https://www.elibrary.ru/item.asp?id=20211587 (accessed 20.06.2022). (In Russ.)
- Gladkikh V.A. Calculation of the Power of the Field, Peneting into the External Environment of the Weaknessing Guide of a Single-Mode Fiber. Computer Optics. 2019;43(4):557–561. (In Russ., abstract in Eng.) doi: https://doi.org/10.18287/2412-6179-2019-43-4-557-561
- Gladkikh V.A., Vlasenko V.D. Energy Loss during Splitting of Two Optical Fibers, One of Which Is Elliptically Deformed at the Joint. Journal of Communications Technology and Electronics.2020;65(11):1074–1078. (In Russ., abstract in Eng.) doi: https://doi.org/10.31857/S0033849420110066
- Gladkikh V.A., Vlasenko V.D. Calculation of the Splice Loss of Two Fibers, One of Which Is Elliptically Deformed along Its Entire Length. Journal of Optical Technology. 2021;88(2):73–78. (In Russ.,abstract in Eng.) doi: https://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-02-73-78
- Hall B.C. Quantum Theory for Mathematicians (Graduate Texts in Mathematics, 267). New York:Springer; 2013. 566 р. doi: https://doi.org/10.1007/978-1-4614-7116-5
Қосымша файлдар
