RU2611213C1

RU2611213C1 - Microstructured optical fibre for second-harmonic broadband generation

Info

Publication number: RU2611213C1
Application number: RU2015144536A
Authority: RU
Inventors: Юрий Павлович Яценко; Сергей Львович Семенов; Алексей Вячеславович Гладышев
Priority date: 2015-10-16
Filing date: 2015-10-16
Publication date: 2017-02-21

Abstract

FIELD: physics, communication.

SUBSTANCE: invention relates to the field of the fibre-optic technology and can be used in the nonlinear fibre frequency converters of the ultrashort pulses. The microstructured optical fibre for the second-harmonic broadband generation in the infrared optical range of the pumping wavelengths is made of the transparent material and has two air electrode holes located in the cross section of the fibre diameter, and a fibre core located between the electrode holes in the central part of the fibre. The fibre core is formed with the adjoining anode hole and the air holes of the microstructured membrane having a smaller size in comparison with the anode hole located in the cross section between the anode and the cathode holes.

EFFECT: simplification of the fibre manufacturing process, as well as the number minimization of the microstructured membrane holes needed to ensure low-loss of the waveguide mode and optimum overlap of the light-guiding mode with the formation area of the quadratic nonlinearity in the temperature Pauling.

6 cl, 9 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области оптоволоконной техники и может быть использовано в нелинейных волоконных преобразователях частоты сверхкоротких импульсов, в широкополосных волоконных линиях связи, в спектроскопии высокого разрешения.The invention relates to the field of fiber optic technology and can be used in nonlinear fiber frequency converters of ultrashort pulses, in broadband fiber communication lines, in high resolution spectroscopy.

Известен световод на основе плавленого кварца, в котором создана квадратичная нелинейность путем температурного полинга (P. Blazkiewicz, W. Xu, D. Wong, S. Fleming, “Mechanism for thermal poling in twin-hole silicate fibers”, J. Opt. Soc. Am. B, 19, 870-874 (2002)). Формирование квадратичной нелинейности в световоде включает в себя следующие этапы: A well-known fused silica fiber is known in which quadratic nonlinearity is created by temperature poling (P. Blazkiewicz, W. Xu, D. Wong, S. Fleming, “Mechanism for thermal poling in twin-hole silicate fibers”, J. Opt. Soc Am. B, 19, 870-874 (2002)). The formation of quadratic nonlinearity in a fiber includes the following steps:

1) Создание световода, имеющего в оболочке отверстия для электродов.1) Creating a fiber with holes for electrodes in the sheath.

2) Введение в отверстие электродов, которые могут быть в виде тонкой металлической проволоки или полностью заполняющего отверстие металла, введенного в расплавленном состоянии под давлением. 2) The introduction of electrodes into the hole, which can be in the form of a thin metal wire or completely filling the hole of the metal introduced in the molten state under pressure.

3) Нагрев отрезков световодов длиной несколько десятков сантиметров в течение времени от нескольких десятков минут до нескольких часов в печке при температуре ~200-300°С при одновременном прикладывании к электродам напряжения ~2-10 кВ.3) Heating of segments of optical fibers several tens of centimeters long for a period of time from several tens of minutes to several hours in the oven at a temperature of ~ 200-300 ° C while applying a voltage of ~ 2-10 kV to the electrodes.

4) Остывание образца при приложенном напряжении на электродах.4) Cooling of the sample at an applied voltage on the electrodes.

После снятия напряжения в световоде вблизи анода формируется в поперечном сечении отрицательно заряженная область протяженностью около 10 мкм, образующаяся за счет движения мобильных ионов водорода H⁺ и щелочных металлов, в первую очередь Na⁺, Li⁺, приводящая к образованию «вмороженного» электрического поля E (T. G. Alley, S. R. J. Brueck, “ Visualization of the nonlinear optical space-charge region of bulk thermally poled fused-silica glass”, Opt. Lett., 23, 1170 (1998). A. Kudlinsky, G. Martinelly, and Y. Quiquempois, “Time evolution of second-order nonlinear profiles induced within thermally poled silica samples”, Opt. Lett., 30, 1039 (2005)). В результате световод приобретает в области вблизи анода квадратичную нелинейную восприимчивость ч⁽²⁾, однородно распределенную вдоль световода ( QUOTE

, где ч⁽³⁾- кубичная нелинейная восприимчивость). Такой однородно заполингованный световод может иметь значения ч⁽²⁾ вплоть до десятых долей пм/В на длинах световода порядка десятков см, что позволяет использовать его в различных приложениях волоконной оптики, связанных с квадратичным электрооптическим эффектом Поккельса (электрооптические волоконные модуляторы, переключатели, схемы селекции импульсов). Однако из-за отсутствия фазового синхронизма, обусловленного наличием материальной и волноводной дисперсии, однородно заполингованный световод нельзя использовать для эффективного преобразования частоты, основанного на эффекте ч⁽²⁾, и, в частности, для генерации второй гармоники (ВГ). After the voltage is removed, a negatively charged region with a length of about 10 μm is formed in the fiber near the anode in the cross section, which is formed due to the motion of mobile hydrogen ions H⁺ and alkali metals, primarily Na⁺Li⁺leading to the formation of a “frozen-in” electric field E (TG Alley, SRJ Brueck, “Visualization of the nonlinear optical space-charge region of bulk thermally poled fused-silica glass”, Opt. Lett., 23, 1170 (1998). A Kudlinsky, G. Martinelly, and Y. Quiquempois, “Time evolution of second-order nonlinear profiles induced within thermally poled silica samples”, Opt. Lett., 30, 1039 (2005)). As a result, the fiber acquires in the region near the anode a quadratic nonlinear susceptibility⁽²⁾uniformly distributed along the fiber (QUOTE

where h⁽³⁾- cubic nonlinear susceptibility). Such a uniformly polished fiber can have values of h⁽²⁾ up to tenths of pm / V at fiber lengths of the order of tens of cm, which makes it possible to use it in various applications of fiber optics related to the quadratic electro-optical Pockels effect (electro-optical fiber modulators, switches, pulse selection circuits). However, due to the lack of phase synchronism due to the presence of material and waveguide dispersion, a uniformly polished fiber can not be used for efficient frequency conversion based on the effect of⁽²⁾, and, in particular, for the generation of the second harmonic (SH).

Известен периодически полингованный световод со ступенчатым профилем показателя преломления (Патент № WO 2001006304 A2, G02F1/365, 2001), в котором создается периодическая решетка ч⁽²⁾ путем стирания вмороженного поля в однородно полингованном световоде коротковолновым оптическим излучением, как правило, находящемся в ультрафиолетовой области спектра, с периодом L_QPM, равным или кратным периоду рассогласования фазовых скоростей излучения накачки и второй гармоники QUOTE

, где β(ω₁) и β(2ω₁) – постоянные распространения на частоте излучения накачки ω₁ и второй гармоники 2ω₁ соответственно. Для периодически полингованных световодов условие фазового синхронизма может быть представлено в виде разложения в ряд Тейлора в области длины волны накачки QUOTE

A periodically polished fiber with a stepped profile of the refractive index is known (Patent No. WO 2001006304 A2, G02F1 / 365, 2001), in which a periodic grating h ^{(2) is created} by erasing the frozen-in field in a uniformly polished fiber with short-wave optical radiation, usually located in ultraviolet spectral region, with a period L _QPM equal to or a multiple of the mismatch period of the phase velocities of the pump radiation and the second harmonic QUOTE

, where β (ω ₁ ) and β (2ω ₁ ) are the propagation constants at the pump radiation frequency ω ₁ and second harmonic 2ω _1, respectively. For periodically polished fibers, the phase matching condition can be represented as a Taylor expansion in the QUOTE pump wavelength region

Периодическая решетка позволяет получить точный синхронизм лишь в нулевом порядке (для центральной частоты сигнала накачки и второй гармоники). Для широкополосного сигнала накачки, характерного для большинства применений, степень выполнения условия квазисинхронизма зависит от последующих дисперсионных членов в разложении в ряд Тейлора и в первую очередь от первой и второй производных, ответственных за рассогласование групповых скоростей QUOTE

и дисперсию QUOTE

. Основной недостаток известного стандартного периодически полингованного световода со ступенчатым профилем показателя преломления заключается в том, что близкие к нулю значения параметра d₁₂ можно получить лишь для длин волн накачки, больших 1.7 мкм (P. G. Kazansky and V. Prunery, “Electric-field poling of quasi-phase-matched optical fibers”, J. Opt. Soc. Am. B, 11, 3170-3179 (1997)). В результате большие значения d₁₂ не позволяют эффективно использовать широкополосные источники накачки для преобразования длины волны в области более коротких длин волн 0.8-1.55 мкм, в которых находятся важные для приложений телекоммуникационные диапазоны. The periodic lattice allows one to obtain exact synchronism only in the zeroth order (for the central frequency of the pump signal and the second harmonic). For the broadband pump signal, which is typical for most applications, the degree of fulfillment of the quasisynchronism condition depends on the subsequent dispersion terms in the Taylor expansion and, first of all, on the first and second derivatives, which are responsible for the group velocity mismatch QUOTE

and variance QUOTE

. The main disadvantage of the known standard periodically polished fiber with a stepped profile of the refractive index is that close to zero values of the parameter d ₁₂ can be obtained only for pump wavelengths greater than 1.7 μm (PG Kazansky and V. Prunery, “Electric-field poling of quasi phased-matched optical fibers ”, J. Opt. Soc. Am. B, 11, 3170-3179 (1997)). As a result, large values of d ₁₂ do not allow efficient use of broadband pump sources for converting the wavelength in the region of shorter wavelengths of 0.8-1.55 μm, in which the telecommunication ranges important for applications are located.

Известен микроструктурированный световод для широкополосной генерации в области коротких длин волн накачки (патент США № US2002126370(A1), G02F 1/365, 2002), выбранный в качестве прототипа. В прототипе световод, в котором осуществляется температурный полинг, содержит помимо двух отверстий для электродов микроструктурированную оболочку, состоящую из воздушных отверстий, окружающих сердцевину в гексагональной симметрии. Дисперсионные свойства известного световода с микроструктурированной оболочкой зависят от диаметра отверстий d_h и расстояния между ними Λ таким образом, что при определенном соотношении d_h и Λ они позволяют получить нулевое рассогласование групповых скоростей (d₁₂=0) в области коротких длин волн и малые значения для дисперсии в₁₂. В прототипе методом численного анализа рассмотрено несколько типов микроструктурированных световодов для накачки на длине волны 1.55 мкм и показано, что ширина полосы синхронизма, определяемая как полная ширина на половине максимума (FWHM) мощности второй гармоники, составляет десятки нанометров, что значительно превосходит ширину полосы для ступенчатых световодов, не превышающую 2 нм. Known microstructured fiber for broadband generation in the field of short pump wavelengths (US patent No. US2002126370 (A1), G02F 1/365, 2002), selected as a prototype. In the prototype, the fiber, in which temperature poling is carried out, contains in addition to two holes for the electrodes a microstructured sheath consisting of air holes surrounding the core in hexagonal symmetry. The dispersion properties of the known fiber with a microstructured sheath depend on the diameter of the holes d _h and the distance between them Λ so that for a certain ratio of d _h and Λ they allow to obtain zero mismatch of group velocities (d ₁₂ = 0) in the region of short wavelengths and small values for variance of ₁₂ . In the prototype, several types of microstructured optical fibers for pumping at a wavelength of 1.55 μm were considered by numerical analysis and it was shown that the width of the synchronism band, defined as the full width at half maximum (FWHM) of the second harmonic power, is tens of nanometers, which significantly exceeds the bandwidth for stepwise optical fibers not exceeding 2 nm.

Однако следует отметить, что по прошествии уже более 10 лет с момента опубликования прототипа заявленное в прототипе расширение полосы в периодически полингованных микроструктурированных световодах реализовано не было. Из экспериментальных работ по полингу микроструктурированных световодов известна работа (D. Faccio, A. Busacca, W. Belardi, V. Pruneri, P. G. Kasansky, T. M. Monro, D. J. Richardson, B. Grappe, M. Cooper, and C.N. Pannell, "Demonstration of thermal poling in holey fibers," Electron. Lett., 37, 107 (2001)), в которой экспериментально подтверждена возможность однородного полинга в микроструктурированных световодах с эффективностью, не превышающей полинг в ступенчатых световодах. Известна также работа (А.В.Гладышев, Ю.П.Яценко, С.Л.Семенов, П.Г.Казанский, Е.М.Дианов. Создание квадратичной нелинейности в микроструктурированных кварцевых световодах. Фотон-экспресс, №6 (110), 118 (2013)), в которой осуществлен однородный полинг в световоде, имеющем микроструктурированную оболочку, окружающую сердцевину, состоящую из одинаковых отверстий, расположенных в гексагональной симметрии. В данной работе была продемонстрирована более низкая эффективность однородного полинга по сравнению со ступенчатыми световодами. Это, в частности, связано с рядом указанных ниже недостатков прототипа, затрудняющих или делающих практически невозможной реализацию заявленных параметров. However, it should be noted that after more than 10 years after the publication of the prototype, the extension of the strip declared in the prototype in the periodically polished microstructured optical fibers was not implemented. Of the experimental works on the poling of microstructured optical fibers, the work (D. Faccio, A. Busacca, W. Belardi, V. Pruneri, PG Kasansky, TM Monro, DJ Richardson, B. Grappe, M. Cooper, and CN Pannell, "Demonstration of thermal poling in holey fibers, "Electron. Lett., 37, 107 (2001)), which experimentally confirmed the possibility of uniform poling in microstructured optical fibers with an efficiency not exceeding the poling in stepwise optical fibers. Work is also known (A.V. Gladyshev, Yu.P. Yatsenko, S. L. Semenov, P. G. Kazansky, E. M. Dianov. Creating quadratic nonlinearity in microstructured quartz optical fibers. Photon Express, No. 6 (110) ), 118 (2013)), in which homogeneous polishing was performed in a fiber having a microstructured shell surrounding the core, consisting of identical holes located in hexagonal symmetry. In this work, a lower efficiency of homogeneous poling was demonstrated in comparison with stepwise fibers. This, in particular, is associated with a number of the following disadvantages of the prototype, making it difficult or almost impossible to implement the claimed parameters.

Одним из недостатков прототипа является игнорирование связи, существующей между параметрами микроструктурированной оболочки и параметрами световода, определяющими эффективность полинга, такими как количество элементов структуры между анодом и сердцевиной, расстояние от сердцевины до электродов и волноводные потери. При использовании в световоде для полинга предложенной в прототипе микроструктурированной оболочки диаметр воздушных отверстий d_h и интервал между ними Λ имеют конкретные значения, при которых дисперсионные свойства световода позволяют получить минимальное рассогласование групповых скоростей. Однако при этом не учитывается тот факт, что количество слоев воздушных отверстий при таких d_h и Λ, необходимое для получения малых волноводных потерь, может быть слишком большим, чтобы обеспечить оптимальные условия для полинга, такие как: а) малое количество отверстий между электродами, препятствующих движению положительно заряженных ионов, б) 10-микронная область вмороженного поля перекрывает световедущую сердцевину. Как следует из расчетов, представленных в описательной части настоящего изобретения (фиг. 8, 9), ни один из световодов, указанных в прототипе в Таблице 1, условиям оптимального полинга не удовлетворяет. Так, в частности, для того чтобы получить потери меньше 1 дБ/м для световода B из Таблицы 1 прототипа с параметрами микроструктурированной оболочки Λ=2 мкм и d_h/Λ=0.4 требуется как минимум 7 слоев воздушных отверстий. В этом случае расстояние от края 7-го слоя до противоположного края сердцевины будет находиться на расстоянии ~17 мкм от края анода (фиг. 9), что значительно превышает необходимое для оптимального полинга расстояние. One of the disadvantages of the prototype is the neglect of the relationship between the parameters of the microstructured sheath and the parameters of the fiber, which determine the poling efficiency, such as the number of structural elements between the anode and the core, the distance from the core to the electrodes and waveguide losses. When using the microstructured cladding proposed in the prototype in the fiber for polishing, the diameter of the air holes d _h and the interval between them Λ have specific values at which the dispersion properties of the fiber allow to obtain a minimum mismatch of group speeds. However, this does not take into account the fact that the number of layers of air holes for such d _h and Λ, necessary to obtain small waveguide losses, may be too large to provide optimal conditions for poling, such as: a) a small number of holes between the electrodes, hindering the movement of positively charged ions, b) the 10-micron region of the frozen field overlaps the light guide core. As follows from the calculations presented in the descriptive part of the present invention (Fig. 8, 9), not one of the optical fibers indicated in the prototype in Table 1 satisfies the conditions for optimal poling. So, in particular, in order to obtain a loss of less than 1 dB / m for the fiber B from Table 1 of the prototype with the parameters of the microstructured cladding Λ = 2 μm and d _h /Λ=0.4, at least 7 layers of air holes are required. In this case, the distance from the edge of the 7th layer to the opposite edge of the core will be at a distance of ~ 17 μm from the edge of the anode (Fig. 9), which significantly exceeds the distance necessary for optimal poling.

Существенным недостатком прототипа с точки зрения практического воплощения является отсутствие анализа точности, с которой необходимо изготавливать световод с заявленными параметрами, обеспечивающими расширение полосы синхронизма. Так, из результатов анализа, проведенного в настоящем изобретении, следует, что представленные в прототипе в Таблице 1 параметры световодов A и B находятся в области слишком высокой чувствительности дисперсионных свойств к вариациям диаметра световода, при которой расчетные значения ширины полосы синхронизма очень сложно реализовать практически. Типичные значения вариаций внешнего диаметра при вытяжке световодов даже с относительно простой структурой ступенчатого профиля составляют величину порядка 1%. Как показано в описательной части настоящего изобретения (фиг. 8), в области параметров, заявленных для световодов А и В из таблицы 1 прототипа, при 1% сжатии (расширении) микроструктуры рассогласование групповых скоростей увеличивается от оптимального близкого к нулю значения до значений, при которых ширина полосы синхронизма уменьшается более чем на порядок. A significant disadvantage of the prototype from the point of view of practical implementation is the lack of analysis of the accuracy with which it is necessary to produce a fiber with the stated parameters, providing an extension of the synchronism band. So, from the results of the analysis carried out in the present invention, it follows that the parameters of the fibers A and B presented in the prototype in Table 1 are in the region of too high sensitivity of the dispersion properties to variations in the diameter of the fiber, at which the calculated values of the synchronism bandwidth are very difficult to implement practically. Typical values of the variations in the outer diameter during the drawing of optical fibers even with a relatively simple structure of a stepped profile amount to about 1%. As shown in the descriptive part of the present invention (Fig. 8), in the range of parameters declared for optical fibers A and B from table 1 of the prototype, at 1% compression (expansion) of the microstructure, the mismatch of group velocities increases from an optimal value close to zero to values at whose synchronism bandwidth decreases by more than an order of magnitude.

Поставленная задача состоит в создании микроструктурированного световода для широкополосной генерации второй гармоники, структура оболочки которого позволяет минимизировать число отверстий микроструктурированной оболочки, необходимое для обеспечения низких потерь волноводной моды, обеспечить оптимальное перекрытие световедущей сердцевины с областью формирования квадратичной нелинейности при температурном полинге, уменьшить технологические требования к точности задания параметров до приемлемого для практической реализации уровня. The task is to create a microstructured optical fiber for broadband second harmonic generation, the cladding structure of which allows minimizing the number of holes of the microstructured cladding necessary to ensure low waveguide mode losses, to ensure optimal overlap of the light guide core with the region of quadratic nonlinearity formation during temperature poling, and to reduce technological requirements for accuracy setting parameters to acceptable for practical implementation ovnya.

Технический результат достигается тем, что в микроструктурированном световоде, выполненном из прозрачного материала, имеющем два воздушных электродных отверстия, расположенные в поперечном сечении по диаметру световода, и световедущую сердцевину, расположенную между электродными отверстиями в центральной части световода, отличающийся тем, что световедущая сердцевина образована примыкающим к ней анодным отверстием и воздушными отверстиями микроструктурированной оболочки, имеющими меньший размер по сравнению с анодным отверстием, расположенными в поперечном сечении между анодным и катодным отверстиями, при этом параметры микроструктурированной оболочки, размер анодного отверстия, отстройка анодного отверстия от центра сердцевины имеют значения, позволяющие расширить возможности практической реализации широкополосной генерации второй гармоники, в связи с тем, что они обеспечивают отсутствие элементов микроструктуры между анодом и световедущей сердцевиной, препятствующих движению зарядов при создании квадратичной нелинейности, перекрытие световедущей сердцевины с областью квадратичной нелинейности, значительное сокращение элементов микроструктуры, необходимое для получения низких потерь фундаментальной моды, круговую симметрию фундаментальной моды в области максимальной интенсивности вблизи анодного отверстия, нулевое рассогласование групповых скоростей для длин волн накачки и второй гармоники при пониженной чувствительности ширины полосы синхронизма к вариациям диаметра. The technical result is achieved in that in a microstructured optical fiber made of a transparent material having two air electrode openings located in cross section along the diameter of the optical fiber and a light guide core located between the electrode holes in the central part of the optical fiber, characterized in that the light guide core is formed by an adjacent to it the anode hole and the air holes of the microstructured shell, having a smaller size compared with the anode hole, located in the cross section between the anode and cathode holes, while the parameters of the microstructure shell, the size of the anode hole, the detuning of the anode hole from the center of the core are important for expanding the practical implementation of broadband second harmonic generation, due to the fact that they provide the absence of microstructure elements between the anode and the light guide core, preventing the movement of charges when creating a quadratic nonlinearity, overlapping light guide heart evins with a region of quadratic nonlinearity, a significant reduction in the microstructure elements necessary to obtain low fundamental mode losses, circular symmetry of the fundamental mode in the region of maximum intensity near the anode hole, zero mismatch of group velocities for pump and second harmonic wavelengths with a reduced sensitivity of the synchronism bandwidth to variations diameter.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 приведено полное поперечное сечение микроструктурированного световода с асимметричной микроструктурированной оболочкой. 1 - прозрачный материал, 2 - анодное отверстие, 3 – катодное отверстие, 4 – увеличенное изображение центральной части, R_a - радиус анодного отверстия, Λ - расстояние между отверстиями микроструктурированной оболочки, d_h - диаметр отверстия, d_CA- расстояние от края анодного отверстия до противоположного края сердцевины. In FIG. Figure 1 shows the full cross section of a microstructured fiber with an asymmetric microstructured cladding. 1 - transparent material, 2 - anode hole, 3 - cathode hole, 4 - enlarged image of the central part, R _a - radius of the anode hole, Λ - distance between the holes of the microstructure shell, d _h - diameter of the hole, d _CA - distance from the edge of the anode holes to the opposite edge of the core.

На фиг. 2 приведены поперечные сечения центральной части микроструктурированного световода с различным числом отверстий асимметричной микроструктурированной оболочки. In FIG. Figure 2 shows cross sections of the central part of a microstructured fiber with a different number of holes of an asymmetric microstructured sheath.

На фиг. 3 показано рассчитанное поперечное распределение мощности фундаментальной моды, полученное в световоде с двумя слоями отверстий микроструктурированной оболочки для длины волны накачки 1.55 мкм. Стрелки указывают направление вектора электрического поля.In FIG. Figure 3 shows the calculated transverse power distribution of the fundamental mode obtained in a fiber with two layers of holes in a microstructured sheath for a pump wavelength of 1.55 μm. The arrows indicate the direction of the electric field vector.

На фиг. 4 приведена зависимость относительного диаметра отверстий D от шага микроструктуры Λ при нулевом рассогласовании групповых скоростей (d₁₂=0) излучения накачки 1.55 мкм и второй гармоники 0.775 мкм для световода с асимметричной гексагональной микроструктурированной оболочкой. Штриховой линией выделены две области параметров с повышенной (Область 1) и пониженной (Область 2) чувствительностью ширины полосы синхронизма к вариациям диаметра световода. Штрихпунктирные линии разделяют области параметров с различным минимально возможным числом слоев N микроструктурированной оболочки, для которых потери находятся на уровне меньше 1 дБ/м. In FIG. Figure 4 shows the dependence of the relative hole diameter D on the microstructure pitch Λ at zero mismatch of group velocities (d ₁₂ = 0) of pump radiation of 1.55 μm and second harmonic 0.775 μm for a fiber with an asymmetric hexagonal microstructured sheath. The dashed line marks two parameter areas with increased (Region 1) and reduced (Region 2) sensitivity of the synchronism bandwidth to variations in the fiber diameter. The dash-dotted lines separate the parameter regions with different minimum possible number of layers N of the microstructured shell, for which the losses are less than 1 dB / m.

На фиг. 5 показана зависимость ширины полосы синхронизма от параметра Λ для длины волны накачки 1.55 мкм. Кривая 1 рассчитана для параметров структуры, соответствующих нулевому рассогласованию групповых скоростей. Кривая 2 рассчитана для параметров, соответствующих сжатию или расширению структуры на уровне 1%. In FIG. Figure 5 shows the dependence of the phase-matching bandwidth on the parameter Λ for a pump wavelength of 1.55 μm. Curve 1 is calculated for structure parameters corresponding to zero mismatch of group velocities. Curve 2 is calculated for parameters corresponding to compression or expansion of the structure at the level of 1%.

На фиг. 6 приведена зависимость потерь от параметра Λ, рассчитанная для длины волны накачки 1.55 мкм при нулевом рассогласовании групповых скоростей. In FIG. Figure 6 shows the dependence of losses on the parameter Λ, calculated for a pump wavelength of 1.55 μm with zero mismatch of group velocities.

На фиг. 7 показана зависимость расстояния от анодного отверстия до противоположного края сердцевины d_CA от параметра Λ, рассчитанная для длины волны накачки 1.55 мкм при нулевом рассогласовании групповых скоростей. In FIG. Figure 7 shows the dependence of the distance from the anode hole to the opposite edge of the core d _CA on the parameter Λ, calculated for a pump wavelength of 1.55 μm with zero mismatch of group velocities.

На фиг. 8 приведена зависимость относительного диаметра отверстий D от расстояния между ними Λ при нулевом рассогласовании групповых скоростей (d₁₂=0) излучения накачки 1.55 мкм и второй гармоники 0.775 мкм для предложенного в прототипе световода с симметричной гексагональной микроструктурированной оболочкой. Штриховой линией выделены две области параметров с повышенной (Область 1) и пониженной (Область 2) чувствительностью ширины полосы синхронизма к вариациям диаметра световода. Штрихпунктирные линии разделяют области параметров с различным минимально возможным числом слоев N микроструктурированной оболочки, для которых потери меньше 1 дБ/м.In FIG. Figure 8 shows the dependence of the relative diameter of the holes D on the distance Λ between them at zero mismatch of group velocities (d ₁₂ = 0) of pump radiation 1.55 μm and second harmonic 0.775 μm for the optical fiber with a symmetrical hexagonal microstructured sheath proposed in the prototype. The dashed line marks two parameter areas with increased (Region 1) and reduced (Region 2) sensitivity of the synchronism bandwidth to variations in the fiber diameter. The dash-dotted lines separate the parameter regions with different minimum possible number of layers N of the microstructured shell, for which the losses are less than 1 dB / m.

На фиг. 9 показана зависимость расстояния от анодного отверстия до противоположного края сердцевины d_СА, от параметра Λ для предложенного в прототипе световода с симметричной гексагональной микроструктурированной оболочкой, рассчитанная для параметров D и Λ, представленных на фиг. 8.In FIG. 9 shows the dependence of the distance from the anode hole to the opposite edge of the core d _CA on the parameter Λ for the fiber of the symmetric hexagonal microstructured clad proposed in the prototype, calculated for the parameters D and Λ shown in FIG. 8.

На фиг. 1, 2 изображено поперечное сечение микроструктурированного световода с асимметричной оболочкой, являющегося предметом настоящего изобретения. Микроструктурированный световод с асимметричной оболочкой, выполненный из прозрачного материала 1, имеет два воздушных электродных отверстия 2 и 3, расположенные в поперечном сечении по диаметру световода, и отличается тем, что оболочка, формирующая сердцевину, состоит из анодного отверстия 2, радиус которого R_a, и отверстий меньшего диаметра d_h, расположенных на одинаковом расстоянии Λ в один (фиг. 1) или несколько (фиг. 2) слоев в гексагональной симметрии в промежутке между анодным и катодным отверстиями. При этом сердцевина сформирована анодным отверстием, край которого отстоит от противоположного края сердцевины на величину d_CA, равную диаметру сердцевины, и отверстиями неполной микроструктурированной гексагональной оболочки, окружающими одно пропущенное отверстие гексагональной оболочки в центре световода. Использование гексагональной симметрии для микроструктурированной оболочки ввиду технологичности и простоты изготовления такого световода является наиболее предпочтительным вариантом, однако не исчерпывает всех возможностей, заложенных в предлагаемой конструкции, допускающей и иное расположение отверстий микроструктурированной оболочки. Предлагаемая конструкция световода позволяет максимально приблизить сердцевину к аноду и устранить элементы структуры, препятствующие движению ионов от анода к сердцевине при создании квадратичной нелинейности. Процедура полинга не препятствует использованию воздушного анодного отверстия в качестве части микроструктурированной оболочки, окружающей сердцевину, так как после полинга анодные и катодные отверстия освобождаются от электродов и остаются свободными при подаче излучения накачки. In FIG. 1, 2 shows a cross section of a microstructured fiber with an asymmetric cladding, which is the subject of the present invention. A microstructured light guide with an asymmetric cladding made of a transparent material 1 has two air electrode holes 2 and 3 located in cross section along the diameter of the light guide, and differs in that the clad forming the core consists of anode hole 2 with a radius R _a , and holes of smaller diameter d _h located at the same distance Λ in one (Fig. 1) or several (Fig. 2) layers in hexagonal symmetry in the gap between the anode and cathode holes. The core is formed by an anode hole, the edge of which is spaced from the opposite edge of the core by a value d _CA equal to the diameter of the core, and holes of an incomplete microstructured hexagonal shell surrounding one missing hole in the hexagonal shell in the center of the fiber. The use of hexagonal symmetry for a microstructured sheath, due to the manufacturability and ease of manufacture of such a fiber, is the most preferable option, however, it does not exhaust all the possibilities inherent in the proposed design, which also allows a different arrangement of the holes of the microstructured sheath. The proposed fiber design allows you to bring the core closer to the anode and eliminate structural elements that impede the movement of ions from the anode to the core when creating a quadratic nonlinearity. The polishing procedure does not prevent the use of the air anode hole as part of the microstructured shell surrounding the core, since after polishing the anode and cathode holes are freed from the electrodes and remain free when the pump radiation is applied.

Особенностью предлагаемой конструкции является то, что анодное отверстие является частью микроструктурированной оболочки, поэтому радиус анодного отверстия R_a и расстояние от края анодного отверстия до противоположного края сердцевины d_CA непосредственно влияют на волноводные и дисперсионные свойства. При этом в конструкции учтено, что диаметр анодного и катодного отверстия должен значительно превышать диаметр сердцевины и, соответственно, диаметр отверстий формирующей сердцевину микроструктурированной оболочки, поскольку только в этом случае возможно создание в сердцевине однородного поперечного распределения квадратичной нелинейности, необходимого для эффективного преобразования во вторую гармонику. Катодное отверстие не влияет на волноводные и дисперсионные характеристики, поскольку со стороны катода сердцевину окружает микроструктурированная оболочка. В данной конструкции диаметр катодного отверстия равен анодному отверстию, а его отстройка от центра более чем в два раза превышает отстройку от центра анодного отверстия. Эти параметры катодного отверстия, обычно используемые при полинге в ступенчатых световодах, являются предпочтительными, поскольку позволяют обеспечить в сердцевине однородное распределение вмороженного электрического поля и разместить между сердцевиной и катодным отверстием достаточное количество элементов микроструктурированной оболочки для решения поставленной задачи. A feature of the proposed design is that the anode hole is part of a microstructured shell; therefore, the radius of the anode hole R _a and the distance from the edge of the anode hole to the opposite edge of the core d _CA directly affect the waveguide and dispersion properties. Moreover, the design took into account that the diameter of the anode and cathode holes should significantly exceed the diameter of the core and, accordingly, the diameter of the holes of the microstructured shell forming the core, since only in this case it is possible to create a uniform transverse distribution of quadratic nonlinearity in the core necessary for efficient conversion to the second harmonic . The cathode hole does not affect the waveguide and dispersion characteristics, since the microstructured shell surrounds the core on the cathode side. In this design, the diameter of the cathode hole is equal to the anode hole, and its detuning from the center is more than twice the detuning from the center of the anode hole. These parameters of the cathode hole, which are usually used when polishing in stepped fibers, are preferable because they provide a uniform distribution of the frozen-in electric field in the core and place a sufficient number of elements of the microstructure cladding between the core and the cathode hole to solve the problem.

Оптимальное соотношение между вышеперечисленными параметрами, позволяющее осуществить широкополосную генерацию в предлагаемой конструкции, установлено путем численного моделирования с использованием стандартного пакета Matlab-Femlab. При этом учитывалось, что эффективность преобразования во вторую гармонику η может быть выражена через фазовое рассогласование постоянных распространения мод накачки и второй гармоники Дв(Дл) следующим образом The optimal ratio between the above parameters, which allows for broadband generation in the proposed design, was established by numerical simulation using the standard Matlab-Femlab package. In this case, it was taken into account that the efficiency of conversion to the second harmonic η can be expressed through the phase mismatch of the propagation constants of the pump modes and the second harmonic Dv (L) as follows

QUOTE

,QUOTE

,

где L_f – длина световода; A_OVL – эффективная площадь перекрытия мод накачки и второй гармоники. Условие фазового синхронизма Дв(Дл)=0, разложение которого в ряд Тейлора для периодически полингованных световодов представлено во вводной части, позволяет получать максимальные значения для η. Полный квазисинхронизм с учетом более высоких порядков (m≥1) достигался за счет варьирования параметров структуры. Оценка ширины полосы Дл производилась по уменьшении η в два раза от максимального значения при варьировании длины волны накачки. where L _f is the length of the fiber; A _OVL is the effective overlap area of the pump modes and the second harmonic. The phase-matching condition Dv (L) = 0, the expansion of which in the Taylor series for periodically polished optical fibers is presented in the introductory part, allows us to obtain maximum values for η. Complete quasisynchronism, taking into account higher orders (m≥1), was achieved by varying the structure parameters. The bandwidth D was estimated by decreasing η by a factor of two from the maximum value with varying pump wavelengths.

Численное моделирование проводилось для телекоммуникационной длины волны накачки 1.55 мкм, для которой в обычных ступенчатых световодах синхронизм при m≥1 отсутствует. Однако данной длиной волны не исчерпываются все возможности, заложенные в предлагаемой конструкции, и аналогичное рассмотрение может быть проведено и для других длин волн накачки, предпочтительно в области 0.8-1.7 мкм. В расчетах предполагалось, что световод изготовлен из кварцевого стекла, однако это не исключает возможности получения аналогичных характеристик для световода, изготовленного из другого прозрачного материала. Numerical modeling was carried out for a telecommunication pump wavelength of 1.55 μm, for which synchronism is absent for m≥1 in ordinary stepped fibers. However, this wavelength does not exhaust all the possibilities inherent in the proposed design, and a similar consideration can be carried out for other pump wavelengths, preferably in the region of 0.8-1.7 μm. In the calculations, it was assumed that the fiber was made of quartz glass, however, this does not exclude the possibility of obtaining similar characteristics for a fiber made of another transparent material.

В результате расчетов было установлено, что модовые характеристики для предлагаемой конструкции световода с асимметричной гексагональной микроструктурированной оболочкой в минимальной степени отличаются от конструкции с симметричной гексагональной микроструктурированной оболочкой, полностью окружающей сердцевину, для значений параметра d_CA, удовлетворяющих условию QUOTE

. Из этого условия следует, что величина d_CA равна диаметру сердцевины симметричной гексагональной оболочки, имеющей в центре одно пропущенное отверстие, при этом отстройка края анодного отверстия от центра сердцевины равна отстройке от центра сердцевины краев примыкающих к сердцевине одинаковых отверстий микроструктурированной оболочки. Расчет производился для данных значений параметра d_CA при типичном значении радиуса анодного отверстия R_a, равном 25 мкм. Поскольку такое значение R_a выбрано произвольно, оно не ограничивает возможность выбора других его значений, с которыми могут быть получены аналогичные результаты. На фиг. 3 показано поперечное распределение для фундаментальной моды, рассчитанное для конструкции световода с числом слоев N=2 в неполной гексагональной оболочке. Мода находится в центре сердцевины, сформированной анодным отверстием и неполной гексагональной микроструктурированной оболочкой, имеющей одно пропущенное отверстие в центре световода, и имеет круговую симметрию в области максимальной интенсивности. Такое же симметричное модовое распределение при QUOTE

имеет предлагаемая конструкция световода и при другом числе слоев N неполной гексагональной оболочки, показанных на фиг. 2. As a result of calculations, it was found that the mode characteristics for the proposed fiber design with an asymmetric hexagonal microstructured cladding are minimally different from the design with a symmetric hexagonal microstructured cladding that completely surrounds the core for d _CA parameters satisfying the QUOTE condition

. From this condition it follows that the value of d _CA is equal to the diameter of the core of the symmetrical hexagonal shell, which has one missed hole in the center, while the detuning of the edge of the anode hole from the center of the core is equal to the detuning from the center of the core of the edges of identical holes of the microstructure shell adjacent to the core. The calculation was performed for the given values of the parameter d _CA with a typical value of the radius of the anode hole R _a equal to 25 μm. Since such a value of R _{a is} chosen arbitrarily, it does not limit the choice of its other values with which similar results can be obtained. In FIG. Figure 3 shows the transverse distribution for the fundamental mode calculated for the design of a fiber with the number of layers N = 2 in an incomplete hexagonal cladding. The mode is located in the center of the core, formed by the anode hole and the incomplete hexagonal microstructured sheath, having one missing hole in the center of the fiber, and has circular symmetry in the region of maximum intensity. Same symmetrical mode distribution with QUOTE

has the proposed fiber design and for a different number of layers N of an incomplete hexagonal sheath shown in FIG. 2.

На фиг. 4 представлена зависимость относительного диаметра D=d_h/Λ от шага структуры Λ для предлагаемой конструкции световода при выполнении условия синхронизма в нулевом и первом порядке, рассчитанная для длины волны накачки 1.55 мкм. Здесь выделены две области параметров D и Λ, отличающиеся по ширине полосы синхронизма и чувствительности к изменениям диаметра световода. Ниспадающий участок зависимости D от Λ (область 1) является областью максимальной ширины полосы синхронизма, поскольку здесь дисперсионные характеристики позволяют одновременно получить синхронизм и во втором порядке. Максимальная ширина полосы синхронизма в области 1 составляет 120 нм, (фиг. 5, кривая 1), однако при изменении диаметра световода на 1%, она уменьшается более чем на порядок и составляет 8.5 нм (фиг. 5, кривая 2). Область 2 находится в широком интервале значений параметра Λ от 1.96 мкм до 6.7 мкм, при этом размер отверстий микроструктурированной оболочки изменяется в пределах от 0.66 мкм до 6.65 мкм. В области 2 ширина полосы не превышает 40 нм, однако она не уменьшается при отклонении диаметра световода на 1%, поскольку в области 2 имеет место более медленное изменение относительного диаметра D с ростом параметра Λ и более плавная зависимость дисперсионных членов d₁₂ и в₁₂ от геометрических параметров (фиг. 5, кривая 2). Таким образом, параметры асимметричной оболочки, принадлежащей области 2, имеют преимущество по практической реализуемости максимальной ширины полосы. In FIG. Figure 4 shows the dependence of the relative diameter D = d _h / Λ on the step of the structure Λ for the proposed fiber design under the condition of synchronism in the zero and first order, calculated for a pump wavelength of 1.55 μm. Here, two regions of the parameters D and Λ are distinguished, differing in the width of the synchronism band and sensitivity to changes in the fiber diameter. The drop-down section of the dependence of D on Λ (region 1) is the region of the maximum synchronism bandwidth, since here the dispersion characteristics allow simultaneous synchronization in the second order. The maximum width of the synchronism band in region 1 is 120 nm (Fig. 5, curve 1), however, when the fiber diameter is changed by 1%, it decreases by more than an order of magnitude and is 8.5 nm (Fig. 5, curve 2). Region 2 is in a wide range of Λ from 1.96 μm to 6.7 μm, while the size of the holes of the microstructured shell varies from 0.66 μm to 6.65 μm. In region 2, the bandwidth does not exceed 40 nm, however, it does not decrease when the fiber diameter deviates by 1%, since in region 2 there is a slower change in the relative diameter D with increasing parameter Λ and a smoother dependence of the dispersion terms d ₁₂ and ₁₂ on geometric parameters (Fig. 5, curve 2). Thus, the parameters of the asymmetric shell belonging to region 2 have an advantage in the practical feasibility of the maximum bandwidth.

На фиг.4 вертикальными линиями разграничены области параметров Λ и D, удовлетворяющих условию синхронизма, с указанием минимального числа слоев отверстий N в неполной гексагональной оболочке, которое необходимо для достижения потерь на уровне меньше 1 дБ/м. В соответствии с расчетами, представленными на фиг. 6 для длины волны накачки 1.55 мкм, в области пониженной чувствительности к вариациям (область 2) потери меньше 1 дБ/м осуществимы при следующем минимальном числе отверстий оболочки: In Fig. 4, the vertical lines demarcate the regions of the parameters Λ and D that satisfy the synchronism condition, indicating the minimum number of layers of holes N in the incomplete hexagonal shell, which is necessary to achieve losses of less than 1 dB / m. In accordance with the calculations presented in FIG. 6 for a pump wavelength of 1.55 μm, in the region of reduced sensitivity to variations (region 2), losses less than 1 dB / m are feasible with the following minimum number of shell openings:

1) в области значений параметра Λ, больших 5.29 мкм, но меньших 6.7 мкм, микроструктурированная оболочка содержит 4 одинаковых отверстия, расположенные в гексагональной симметрии в одном слое (N=1), и имеет структуру 4, показанную на фиг.1.1) in the range of the parameter Λ, larger than 5.29 μm, but smaller than 6.7 μm, the microstructured shell contains 4 identical holes located in hexagonal symmetry in one layer (N = 1), and has a structure 4 shown in Fig. 1.

2) В области значений параметра Λ, больших 4.43 мкм, но меньших 5.29 мкм, микроструктурированная оболочка содержит 11 одинаковых отверстий, расположенных в гексагональной симметрии в двух слоях (N=2), и имеет структуру 1, показанную на фиг.2.2) In the range of the Λ parameter, greater than 4.43 μm, but smaller than 5.29 μm, the microstructured shell contains 11 identical holes located in hexagonal symmetry in two layers (N = 2), and has the structure 1 shown in Fig. 2.

3) В области значений параметра Λ, больших 3.77 мкм, но меньших 4.43 мкм, микроструктурированная оболочка содержит 23 одинаковых отверстия, расположенных в гексагональной симметрии в трех слоях (N=3), и имеет структуру 2, показанную на фиг. 2.3) In the range of the parameter Λ, greater than 3.77 μm, but smaller than 4.43 μm, the microstructured shell contains 23 identical holes located in hexagonal symmetry in three layers (N = 3) and has a structure 2 shown in FIG. 2.

4) В области значений параметра Λ, больших 3.48 мкм, но меньших 3.77 мкм, микроструктурированная оболочка содержит 38 одинаковых отверстий, расположенных в гексагональной симметрии в четырех слоях (N=4), и имеет структуру 3, показанную на фиг. 2.4) In the range of the Λ parameter, greater than 3.48 μm, but smaller than 3.77 μm, the microstructured shell contains 38 identical holes located in hexagonal symmetry in four layers (N = 4) and has the structure 3 shown in FIG. 2.

5) В области значений параметра Λ, больших 1.96 мкм, но меньших 3.48 мкм, микроструктурированная оболочка содержит пять слоев (N=5) отверстий, расположенных в гексагональной симметрии, из которых 36 одинаковых отверстий расположены в первых четырех слоях относительно сердцевины и 18 одинаковых отверстий, имеющих больший диаметр, расположены в пятом слое, и имеет структуру 4, показанную на фиг. 2.5) In the range of the parameter Λ, greater than 1.96 μm, but smaller than 3.48 μm, the microstructured shell contains five layers (N = 5) of holes located in hexagonal symmetry, of which 36 identical holes are located in the first four layers relative to the core and 18 identical holes having a larger diameter are located in the fifth layer, and has a structure 4 shown in FIG. 2.

На фиг. 7 показано, как зависит от параметра Λ расстояние от края анодного отверстия до противоположного края сердцевины d_СА, рассчитанное для асимметричной микроструктурированной оболочки при выполнении условия синхронизма в нулевом и первом порядках. Поскольку в предлагаемой конструкции световода между анодом и противоположным краем сердцевины отсутствуют другие отверстия оболочки, величина d_СА не зависит от количества элементов гексагональной оболочки и определяется лишь параметрами d_h и Λ в соответствии с условием QUOTE

. Для длины волны 1.55 мкм во всей области изменения Λ величина d_СА не превышает 10 мкм, удовлетворяя требованию оптимального перекрытия области квадратичной нелинейности со световедущей модой. In FIG. Figure 7 shows how the distance from the edge of the anode hole to the opposite edge of the core d _CA , calculated for an asymmetric microstructured shell under the condition of synchronism in the zeroth and first orders, depends on the parameter Λ. Since there are no other shell openings between the anode and the opposite edge of the core in the proposed fiber design, the d _CA value does not depend on the number of elements of the hexagonal casing and is determined only by the parameters d _h and Λ in accordance with the QUOTE

. For a wavelength of 1.55 μm in the entire region of variation of Λ, the d _CA value does not exceed 10 μm, satisfying the requirement of optimal overlap of the region of quadratic nonlinearity with the light guide mode.

Типичные характеристики микроструктурированного световода, составляющего предмет данного изобретения, полученные для длины волны накачки 1.55 мкм, приведены в Таблице. Typical characteristics of the microstructured optical fiber constituting the subject of this invention, obtained for a pump wavelength of 1.55 μm, are shown in the Table.

Таблица. Типичные характеристики микроструктурированного световода для широкополосной генерации второй гармоники при накачке 1.55 мкм. Диаметр анодного отверстия 50 мкм. Table. Typical characteristics of a microstructured fiber for broadband second-harmonic generation at 1.55 μm pumping. The diameter of the anode hole is 50 μm.

Световод имеет различное минимальное количество отверстий микроструктурированной оболочки, необходимое для получения малых потерь в области нулевого рассогласования групповых скоростей, которое зависит от диаметра сердцевины, равного величине d_СА. Световод с меньшим числом отверстий микроструктуры более прост в изготовлении и имеет больший период решетки L_QPM. Световод с большим числом элементов структуры и меньшими размерами сердцевины может быть предпочтительным в тех приложениях, где более важно получение максимальной ширины полосы и максимальной эффективности преобразования. Существенно, что для всех представленных в таблице значений d_СА и, соответственно, диаметра сердцевины параметры световода находятся в области пониженной чувствительности ширины полосы к техническим вариациям диаметра, при этом реально достижимая ширина полосы синхронизма составляет не менее 20 нм, что как минимум на порядок превышает ширину полосы для ступенчатых световодов. The fiber has a different minimum number of holes in the microstructured sheath, which is necessary to obtain small losses in the region of zero mismatch of group velocities, which depends on the core diameter equal to d _CA. A fiber with fewer microstructure holes is easier to manufacture and has a longer lattice period L _QPM . A fiber with a large number of structural elements and smaller core sizes may be preferable in applications where it is more important to obtain the maximum bandwidth and maximum conversion efficiency. It is significant that for all the values of d _CA and, correspondingly, the core diameter, the fiber parameters are in the region of reduced sensitivity of the bandwidth to technical variations in diameter, while the achievable synchronism bandwidth is at least 20 nm, which is at least an order of magnitude higher bandwidth for stepped optical fibers.

На фиг. 8 для сравнения представлены зависимости D=d_h/Λ от Λ для предложенного в прототипе (патент США № US2002126370(A1), G02F 1/365, 2002) световода с симметричной гексагональной оболочкой, полностью окружающей сердцевину, при выполнении условия синхронизма в нулевом и первом порядке, рассчитанные для длины волны накачки 1.55 мкм. Как и в случае световода с асимметричной гексагональной оболочкой, здесь также выделены две области параметров D и Λ, отличающиеся по полосе синхронизма и чувствительности к изменениям диаметра световода. В области 1 существует повышенная чувствительность дисперсионных характеристик к технологическим вариациям диаметра световода на уровне 1%, соответствующим реальной точности изготовления световодов. Практически достижимая ширина полосы синхронизма не превышает 8 нм, что значительно ниже приведенных в прототипе значений для световодов А и В, приведенных в прототипе в Таблице 1, параметры которых соответствуют области 1. In FIG. 8 for comparison, the dependences D = d _h / Λ on Λ are presented for the optical fiber with a symmetrical hexagonal cladding completely surrounding the core, provided that the synchronism condition is zero and zero, proposed in the prototype (US patent No. US2002126370 (A1), G02F 1/365, 2002) first order calculated for a pump wavelength of 1.55 μm. As in the case of a fiber with an asymmetric hexagonal cladding, two regions of the parameters D and Λ are also distinguished here, differing in the phase-matching band and sensitivity to changes in the fiber diameter. In region 1, there is an increased sensitivity of the dispersion characteristics to technological variations in the fiber diameter at a level of 1%, which corresponds to the real accuracy of fiber manufacturing. The practically achievable synchronism bandwidth does not exceed 8 nm, which is significantly lower than the values given in the prototype for the fibers A and B shown in the prototype in Table 1, the parameters of which correspond to region 1.

На фиг. 9 показано, как зависит от Λ расстояние от края анодного отверстия до противоположного края сердцевины d_СА, рассчитанное для предложенной в прототипе (патент США № US2002126370(A1), G02F 1/365, 2002) конструкции световода с симметричной микроструктурированной оболочкой при выполнении условия синхронизма в нулевом и первом порядке и потерях, меньших 1 дБ/м. Для симметричной микроструктурированной оболочки, окружающей сердцевину, величина d_СА зависит от количества элементов структуры в соответствии с соотношением QUOTE

, где N - число слоев; QUOTE

QUOTE

; Δ – минимальный технологический зазор порядка одного микрона между анодным отверстием и краем микроструктурированной оболочки. Из фиг. 9 видно, что во всей области параметров, значительно перекрывающей параметры всех световодов А-Е, предложенных в прототипе в Таблице 1, расстояние от края анодного отверстии до края сердцевины d_CA превышает 10 мкм. In FIG. Figure 9 shows how, depending on Λ, the distance from the edge of the anode hole to the opposite edge of the core d _CA calculated for the optical fiber design with a symmetrical microstructure cladding proposed in the prototype (US patent No. US2002126370 (A1), G02F 1/365, 2002) under the condition of synchronism in zero and first order and losses less than 1 dB / m. For a symmetric microstructured shell surrounding the core, the d _CA value depends on the number of structural elements in accordance with the QUOTE relation

where N is the number of layers; QUOTE

QUOTE

; Δ is the minimum technological gap of the order of one micron between the anode hole and the edge of the microstructured shell. From FIG. 9 it can be seen that in the entire range of parameters that significantly overlaps the parameters of all the optical fibers AE proposed in the prototype in Table 1, the distance from the edge of the anode hole to the edge of the core d _CA exceeds 10 μm.

Таким образом, предлагаемая в данном изобретении конструкция световода с асимметричной оболочкой имеет существенное преимущество перед предложенным в прототипе (патент США № US2002126370(A1), G02F 1/365, 2002) световодом с симметричной микроструктурированной оболочкой, окружающей сердцевину, заключающееся в том, что она позволяет как минимум в 1.5 раза уменьшить количество элементов микроструктуры и упростить технологичный процесс изготовления световода, полностью устранить элементы микроструктуры между анодом и сердцевиной, препятствующие движению зарядов при полинге, обеспечить оптимальное перекрытие световедущей моды с областью квадратичной нелинейности во всей области изменения параметров микроструктуры, соответствующих нулевому рассогласованию групповых скоростей накачки и второй гармоники. Thus, the design of an asymmetric clad fiber according to the present invention has a significant advantage over that proposed in the prototype (US Patent No. US2002126370 (A1), G02F 1/365, 2002) of a fiber with a symmetrical microstructure cladding surrounding the core, which consists in the fact that it allows to reduce the number of microstructure elements by at least 1.5 times and simplify the technological process of manufacturing a fiber, completely eliminate microstructure elements between the anode and core, which impede movement iju charges during poling, to ensure optimal overlap of the light-guiding fashion with the area of a quadratic nonlinearity in the entire range of the microstructure of the parameters corresponding to the zero mismatch pump group velocity and the second harmonic.

Claims

1. Microstructured fiber for broadband second harmonic generation in the infrared optical pump wavelength range, made of a transparent material, having two air electrode holes located in cross section along the diameter of the fiber, and a light guide core located between the electrode holes in the Central part of the fiber, the fact that the light guide core is formed by the anode hole adjacent to it and the air holes of the microstructured shell, having a smaller size in comparison with the anode hole located in the cross section between the anode and cathode holes, the parameters of the microstructure shell, the size of the anode hole, the detuning of the anode hole from the center of the core have values that expand the possibilities for practical implementation of broadband second harmonic generation in connection with the fact that they ensure the absence of microstructure elements between the anode and the light guide core that impede the movement of charges when creating of vadratic nonlinearity, overlap of the light guide core with the region of quadratic nonlinearity, significant reduction of microstructure elements necessary to obtain low fundamental mode losses, circular symmetry of the fundamental mode in the region of maximum intensity near the anode hole, zero mismatch of group velocities for pump wavelengths and second harmonic with reduced sensitivity synchronism bandwidth to diameter variations.

2. The fiber according to claim 1, characterized in that the anode hole adjacent to the core makes it possible to bring the light guide core as close as possible to a region of 10 μm quadratic nonlinearity created by temperature poling near the anode, while for a pump wavelength of 1.55 μm, the light guide core has dimensions not exceeding 10 microns, in the entire range of parameters of the hexagonal microstructured shell, providing broadband second harmonic generation.

3. The fiber according to claim 1, characterized in that the anode hole adjacent to the core, the size of which is significantly larger than the size of the core and the size of the holes of the microstructured shell, allows at least one and a half times reduction in the number of elements of the microstructured shell required for waveguide propagation of radiation in the light guide core .

4. The fiber according to claim 1, characterized in that for each value of the parameters of the microstructured sheath corresponding to zero mismatch of the group pump velocities and the second harmonic in the region of reduced sensitivity of the synchronism bandwidth to diameter variations, the fiber has the minimum possible number of microstructure elements necessary to obtain low losses, depending on the size of the core and the microstructured sheath, while for a wavelength of 1.55 μm, the fiber has a loss in this region less than 1 dB / m with an anode hole radius of 25 μm and the number of holes located layerwise in hexagonal symmetry in the range from 4 holes located in one layer to 54 holes located in five layers, and in the first four layers of the hole relative to the core have the same diameter, and in the fifth layer have a larger diameter.

5. The fiber according to claim 1, characterized in that it has an asymmetric cladding surrounding the core, which allows for a symmetric spatial distribution of the fundamental waveguide mode in the center of the light guide core when the edge of the anode hole is detuned from the center of the core, equal to the offset from the center of the core of the edges adjacent to the core identical holes of the microstructured shell located at the same distance from the center of the core and from the nearest holes.

6. The fiber according to claim 1, characterized in that the parameters surrounding the core of the cladding provide zero mismatch between the group pump and second harmonic velocities and are in the region of reduced sensitivity of the synchronism bandwidth to variations in the diameter of the fiber, which reduces the technological requirements for the accuracy of setting parameters, for a pump wavelength of 1.55 μm with an anode hole radius of 25 μm, this region exists for the diameter of the holes of the hexagonal shell in the range from 0.66 μm up to 6.65 μm, the distance between the holes of the hexagonal shell in the range from 1.96 μm to 6.7 μm, and the width of the phase-matching band in the mentioned region has values not lower than 20 nm with a diameter variation of 1%, which is at least an order of magnitude greater than the achievable bandwidth for step light guides.