فیبرهای دو-غلافی

تعریف: فیبرهای نوری با ساختار موجبری متفاوت برای نورهای پمپ و سیگنال.
فیبرهای دو-غلافی[۱] تکنولوژی مهمی در محدوده اپتیک فیبری فعال[۲]، بویژه در زمینه لیزرها و تقویت فیبری[۳] پرتوان است.
لیزرهای فیبری و یا تقویت کننده ها که بر پایه فیبرهای تک-مد[۴] که به طور عادی آلاییده شده اند، می توانند خروجی در حد پراش[۵] تولید کنند، اما این امر منابع دمش را به کیفیت پرتو[۶] در حد پراش محدود می کند، که نتیجه آن عموما توان های پایین خواهد بود. از سوی دیگر استفاده از فیبرهای چند مدی[۷] معمولا (البته نه همیشه) منجر به ضعیف شدن کیفیت پرتو می شود.
این مسئله پیچیده با نوآوری در طراحی فیبرهای دو-غلافی حل شده است، که امکان دمش از طریق غلاف در دستگاه های فیبری را فراهم می کند. در اینجا نور لیزر در مغزی تک-مد (چند-مده) انتشار می یابد، که توسط غلاف داخلی[۸] احاطه شده که نور دمش را هدایت می کند. تنها مغزی (یا گاهی اوقات حلقه دور مغزی) با عناصر خاکی کمیاب آلاییده شده است. نور دمش در غلاف داخلی توسط غلاف بیرونی[۹] با ضریب شکست کمتر محدود شده است، همچنین بخشی از آن داخل مغزی فیبر تک-مد منتشر می شود، که توسط یون های فعال لیزری جذب خواهند شد. ناحیه غلاف داخلی (در مقایسه با مغزی آن) به طور قابل توجهی بزرگ است و به صورت معمول گشودگی عددی[۱۰] آن بسیار بالاتر است، به طوریکه می تواند تعداد زیادی از مدهای انتشاری را پشتیبانی کند، که امکان تزویج بهینه نور خروجی، به عنوان مثال دیودهای لیزری با توان بالا (به عنوان مثال پرتوهای شکل دهی شده بارهای لیزری توان بالا)، با وجود کیفیت پرتو ضعیف را می دهد.

شکل ۱- تقویت کننده فیبری دمش شده از غلاف بر پایه فیبرهای دو-غلافی. نور سیگنال در مغزی آلاییده شده فیبر تزویج شده است، در حالی که نور دمش به غلاف داخلی تزویج شده است. مغزی فیبر به جهت جذب بهینه نور دمش به صورت D شکل دهی شده است.

همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است، نور پمپ لزوما لازم نیست به دو انتهای فیبر تزویج شود. همچنین امکان استفاده از تکنولوژی دمش از پهلو[۱۱] نیز مقدور می باشد که لزوم دسترسی به انتهای فیبر به جهت دمش را از بین می برد. به عنوان مثال شیارهای v-شکل لایه نشانی شده که در ناحیه غلاف داخلی ایجاد شده اند را می توان به جهت انعکاس نور دمش به غلاف داخلی استفاده کرد.
طرح های متنوعی از فیبرهای دو-غلافی مختلف وجود دارد. شکل ۲ سطح مقطع عرضی برای مهمترین انواع طراحی را نشان می دهد.

طراحی فیبرهای دو-غلافی
 

شکل ۲۲- انواع مختلف طراحی فیبرهای دو-غلافی. مغزی فیبر با رنگ آبی، غلاف داخلی با خاکستری روشن و غلاف بیرونی با خاکستری تیره نشان داده شده است.

ساده ترین نوع طراحی دارای یک غلاف دمش دایره ای و مغزی ای است که در مرکز فیبر قرار گرفته شده است (اولین طراحی در شکل ۲). این مدل برای ساخت و استفاده نسبتا آسان است، اما در این نوع از فیبرها مدهای قابل انتشار وابسته به غلاف داخلی وجود دارد (مربوط به باریکه های مارپیچ) که به صورت تنگاتنگ با مغزی همپوشانی دارد، به طوری که بخش قابل توجهی از نور دمش دچار جذب ناقص می شوند. به عنوان یک نتیجه، بهره[۱۲] و بازدهی توان[۱۳] در معرض خطر قرار دارند. برای محدود کردن این مسئله، این مشکل را می توان با فیبرهای شدیداً مارپیچ شده حل کرد.

 شکل ۳: توزیع دامنه نور دمش در امتداد فیبر دو-غلافی با غلاف دمش دایره ای. این شبیه سازی عددی[۱۴] انجام شده با نرم افزار RP Fiber Power، نشان می دهد که توزیع شدت نور پمپ، ایجاد یک “حفره” در منطقه هسته را نتیجه می دهد. دمش باقی مانده در معرض جذب کاملا ناقص قرار می گیرد. با یک هسته D-شکل، برای مثال، این اثر را می توان کاهش داد.

می توان با استفاده از طرح اصلاح شده تقارن کمتر، از مدها با همپوشانی ضعیف در مغزی دوری کرد. به عنوان مثال از این نمونه طرح ها، مغزی های غیر مرکزی یا غلاف های داخلی غیر دایره ای (به عنوان مثال بیضوی، D-شکل یا مستطیل شکل) هستند. چنین غلاف های دمشی اغلب تطابق بهتری با خواص منابع دمش مانند بارهای دیودی با پرتوهای شکل دهی شده [۱۵]دارند. با این حال، اگر سرتاسر فیبر (نه فقط غلاف فیبر) به شکل غیر دایره ای باشد، این مسئله ممکن است در زمان اتصال جوش فیبری[۱۶] مشکلاتی را ایجاد کند.

شکل ۴- ساختار یک فیبر کریستال فوتونی [۱۷] با غلاف هوا.

 
همچنین فیبرهای دو-غلافی می توانند به عنوان فیبرهای کریستال فوتونی مانند آنچه در شکل ۴ نشان داده شده است، ساخته شوند. در اینجا، مغزی پمپ چند-مدی با فاصله های بسیار کم در غلاف هوا معلق است، در حالیکه از طریق آن نور پمپ نمی تواند خارج شود. چنین ساختاری می تواند یک گشودگی عددی بسیار بالا، حداقل ۶/۰ برای نور پمپ نتیجه دهد، بیشتر از این باعث کاهش الزامات مربوط به درخشندگی[۱۸] منبع دمش می شود. ضخامت ساختار می تواند طوری انتخاب شود که همزمان رسیدن به پایداری مکانیکی[۱۹] خوب، هدایت حرارتی[۲۰] بالا و کمترین اتلاف دمش حاصل شود. یکی دیگر از مزیت های این نوع فیبرها این است که نور پمپ به دور از لایه محافظ پلیمری نگه داشته می شود، که باعث جلوگیری از هر گونه آسیب به سبب جذب نور پمپ خواهد شد. هدایت در مغزی، مانند سایر فیبرهای کریستال فوتونی به دست می آید.
 
مشخصه ها و روش های ساخت فیبرهای دو-غلافی                 
علاوه بر ویژگی های مغزی فیبرها، نسبت مساحت ناحیه غلاف داخلی به مغزی فیبر مشخصه بسیار مهمی است. این نسبت مساحت نباید بیش از حد بزرگ باشد، چرا که در غیر این صورت طول جذب موثر پمپ بزرگ خواهد شد، و شدت پمپ در مغزی کوچک می شود، در نتیجه باعث پایین آمدن ترازهای تحریکی می شود که همچنین می تواند افول بهره وری توان را سبب شود. نسبت مساحت از مرتبه ۱۰۰-۱۰۰۰ رایج است. منابع دمش که درخشندگی آنها بهبود یافته است، اجازه استفاده از فیبرها با نسبت مساحت کوچکتر و در نتیجه با طول کوتاهتر، که همچنین باعث کاهش تاثیر انواع مختلف اثرات غیرخطی می شود را سبب می شود.
در بسیاری از موارد، مغزی و غلاف داخلی فیبرهای دو-غلافی شبیه به فیبرهای معمولی که از مغزی، پمپ می شوند هستند، با این تفاوت که علاوه بر این، غلاف بیرونی ضریب شکست کمتری دارد. اگر غلاف داخلی از سیلیکا[۲۱] ساخته شود، غلاف بیرونی ممکن است از سیلیکا آلاییده شده با فلوئور ساخته شده باشد. گشودگی عددی برای غلاف داخلی با توجه به این موضوع می تواند به عنوان مثال، ۰٫۲۸≈ باشد. مقادیر بزرگتر، با غلاف بیرونی پلیمری قابل دستیابی است، اما این گونه از فیبرها نمی توانند درجه حرارت های بسیار بالا را تحمل کنند و ممکن است انتشار نور دمش را با اتلاف بالایی همراه سازد. بنابراین، غالبا طراحی های تمام شیشه ای، برای خروجی های توان بالا، ارجحیت دارد. توجه داشته باشید که طرح فیبر های کریستال فوتونی مانند آنچه که در شکل های ۴ و ۵ نشان داده شده، راه حل تمام شیشه ای با گشودگی عددی (NA) بسیار بالا برای غلاف داخلی ارائه داده است.

شکل ۴: تصویر میکروسکوپی از انتهای یک فیبر کریستال فوتونی میله ای شکل. این طراحی شبیه به آنچه که در شکل ۴ نشان داده شده است می باشد، اما مغزی نسبتا بزرگ است و هدایت همراه با حفظ قطبش[۲۲] را با وارد کردن تنش[۲۳] توسط دو میله به دست آورده است. عکس توسط NKT Photonics ارائه شده است.

کاربردها
فیبرهای دو-غلافی به طور گسترده برای دمش از مغزی فیبرهای لیزری توان بالا و تقویت کننده ها استفاده می شود. چنین دستگاهی می تواند یک بازدهی تبدیل نسبتا توان بالا (گاهی اوقات بالاتر از ۸۰٪) همراه با کیفیت پرتو بالا داشته باشد. همچنان که کیفیت پرتو خروجی می تواند محدود به حد پراش باشد، در عین ضعیف بودن کیفیت پرتو دمش، درخشندگی لیزر یا تقویت کننده خروجی می تواند بسیار بالاتر از کیفیت پرتو منبع دمش باشد. به خصوص اگر این افزایش در درخشندگی برای یک کاربرد ضروری باشد، فیبرهای لیزری دمش از مغزی ممکن است به عنوان یک مبدل درخشندگی[۲۴] نامیده شود.
مشکلات معمول با فیبرهای دو-غلافی
همانطور که در بالا اشاره شده است، بیشتر جذب ناقص نور پمپ می تواند از مدهای غلافی با همپوشانی ضعیف مغزی ناشی شود. حتی اگر اختلاط قوی مدها با طراحی مناسب تضمین شود، جذب نور پمپ ممکن است با توجه به همپوشانی محدود نور پمپ با مغزی آلاییده شده فیبر کاهش یابد. بنابراین، به طور معمول بر این اساس نیاز به یک طول بلند از فیبرهای فعال است. این به منزله یک عامل مضر، به عنوان مثال در مسئله غیر خطییت[۲۵] فیبر، خواهد بود. همچنین، میزان بزرگتری از یونهای آلاییده شده می تواند مسئله رسیدن به لیزر و یا عملیات تقویت کننده با طول موج سیگنال های کوتاه را مشکل سازد و افزایش مقدار زیادی از نور فلوئورسانس می تواند بازده تبدیل توان را کاهش دهد.
ممکن است بخشی از نور سیگنال خارج از مغزی فیبر و در غلاف دمش شده، تزویج شود، به عنوان مثال در نتیجه خم شدن و یا توسط یک توری براگ فیبری[۲۶] این مسئله ممکن است رخ دهد. این نور پس از آن در غلاف داخلی دمش باقی خواهد ماند و توسط لایه پوششی (مانند فیبرهای دیگر) تلف نخواهد شد. ممکن است برخی از انواع خارج کننده های نورهای غلافی[۲۷] (خارج کننده های مدهای غلافی[۲۸]) برای حذف این نورها نیاز باشد، البته اگر این امر در خروجی دستگاه ها توزیع شده باشد. همچنین این امر ممکن است در مورد نورهای پمپ باقی مانده نیز صادق باشد.

 
مراجع

 
 

---