Моделирование ИК-световодов. 
Материалы микро- и оптоэлектроники: кристаллы и световоды

Моделирование кварцевых световодов

Моделированию световодов на основе кристаллов твердых растворов галогенидов серебра и таллия (I), которые надо получить в результате, предшествовало моделирование кварцевых световодов в силу распространенности последних на мировом рынке и изученности их свойств. Задача заключалась в сравнении данных компьютерного обсчета и эксперимента для решения вопроса применимости методики моделирования уже к искомым волокнам. В результате создания компьютерных моделей были получены картины распределения, которые сравнивались с картинами реального распределения (рис. 5.15) излучения красного лазера (Л = 0,6328 мкм) по кварцевому волокну. Положительные результаты дают право применять методику построения моделей к искомым световодам. Качественное (визуальное) сравнение двух видов картин подтверждается количественными расчетами режима работы волокна, а точнее — расчета нормализованной частоты, по значению которой определяют режим работы.

Рис. 5.15. Проецирование излучения гелий-неонового лазера (А. = 632,8 мкм), проходящего через кварцевое волокно FISFC 200/245.

Перед тем как приступить к моделированию световодов на основе кристаллов твердых растворов галогенидов серебра и таллия (I), необходимо смоделировать кварцевые волокна, как говорилось выше. Был охвачен достаточно широкий спектр волокон — с сердцевинами 9 и 200 мкм, на длинах волн 0,555, 0,6328 и 10,6 мкм с разницей показателей преломления сердцевины и оболочки в 0,001,0,01 и 0,02. Последние две разницы показателей преломления являются «тестовыми», т. е. на них мы пробовали проводить моделирование в первый раз. Разница в тысячные доли единицы является оптимальной для кварцевых световодов; ее реально можно получить, т. е. является возможным выдержать соответствующий состав при изготовлении кварцевых волокон. Для искомых же волокон из галогенидов серебра и таллия (I) оптимальной является разница показателей преломления в несколько сотых единиц, т. к. технически сложно вытянуть волокно с показателями меньше этих (вследствие технических особенностей экструзии, диффузии на границе сердцевина-оболочка и т. д.).

Первоначально моделировалось волокно для многомодового режима с диаметром сердцевины 200 мкм. Результаты опыта с излучением красного лазера (длина волны — 632,8 нм) изображены на рис. 5.16 и представляют собой набор картин распределения излучения по сечению сердцевины волокна, т. е. изображения поля моды, характерных для некоего эффективного показателя преломления, являющегося функцией геометрии хода лучей и самого сечения световода, а на практике зависящего еще и от изгибов и прочих воздействий па волокно, что влияет па геометрию лучей. Эффективный показатель преломления принимает значения из промежутка «показатель преломления оболочки — показатель преломления сердцевины».

Следует отметить, что все изображения существуют в одном и том же волокне одновременно, но отличаются в разных точках его поперечного сечения. В отдельности можно увидеть любое из них, заводя излучение в волокно под разными углами, а также, как упоминалось выше, при механическом воздействии на сам световод.

Для большей визуализации некоторые изображения были переведены в трехмерный вид (рис. 5.17). Система координат в основании строится на размерах исходного изображения в пикселях, а не на размерах сердцевины волокна. Вертикальной оси соответствует шкала интенсивности двухмерной картины.

Рис. 5.16. Визуализация части модового состава для кварцевого волокна при d = 200 мкм; п = 1,460, п.. = 1,459; X = 632,8 нм.

* core ⁷ core ^{7 7} clad ^{77 7}

Всего 46 мод.

Рис. 5.17. Трехмерное изображение распределения электромагнитного излучения по поперечному сечению кварцевого световода: а — п_с№ = 1,459 182 (соответствующее двумерное изображение — четвертое в нижнем ряду нарис. 5.16), б — n_cf/ = 1,459 884 (третье в нижнем ряду на рис. 5.16).

Подобные картины построены и для зеленого излучения с длиной волны 555 нм (рис. 5.18), и для ближнего ИК-диапазона спектра при Х= 1,55 мкм (рис. 5.19).

Рис. 5.18. Визуализация части модового состава для кварцевого волокна при d = 200 мкм; п = 1,460, п, = 1,459; X = 555 нм.

г core ⁷ core ^{7 7} clad ^{7 7}

Всего 64 моды.

Рис. 5.19. Визуализация части модового состава для кварцевого волокна при d = 200 мкм; п = 1,460, п .= 1,459; Х= 1,55 мкм.

¹ core ⁷ core ^{7 7} clad ^{77 7}

Всего 22 моды Для большей наглядности некоторые двухмерные изображения переведены в трехмерные (рис. 5.20).

Для данного диаметра световода (200 мкм) проводился эксперимент по проецированию лазерного излучения (0,6328 мкм) согласно схеме на рис. 5.15. В результате был получен набор изображений, являющихся, по сути, экспериментальными картинами распределения излучения по поперечному сечению волокна, т. е. реальными аналогами моделируемых картин. Проводя качественное (визуальное) сравнение, выявились сходства между моделью и экспериментом (рис. 5.21).

Рис. 5.20. Трехмерное изображение распределения электромагнитного излучения по поперечному сечению кварцевого световода: а — п= 1,459 873 для X = 1,55 мкм (соответствующее двумерное изображение показано в середине верхнего ряда на рис. 5.19), б — п= 1,459 899 для X = 555 нм (показана справа внизу на рис. 5.18).

Рис. 5.21. Картина распределения излучения (X = 632,8 нм), проходящего через световод (результаты моделирования представлены на рис. 5.16): а — модель при л_{е (Г}= 1,459 884; б — соответствующая реальная картина В силу недостаточности качественного сравнения были проведены расчеты основных характеристик световода (табл. 5.2), в том числе нормализованной частоты, значения которой доказывают, что режим многомодовый, т. к. в данных условиях все значения больше граничного 2,405.

Таблица 5.2

Расчет основных характеристик волокна FISFC 200/245 на длинах волн 0,6328, 0,555 и 1,55 мкм. Показатели преломления сердцевины и оболочки, соответственно: п = 1,460; я, = 1,459

⁷ core ^{7 7} clad ⁷

Видно, что оба изображения на рис. 5.21 соответствуют многомодовому режиму. Одномодовый режим важно смоделировать, т. к. он является основным в волоконной оптике в силу того, что позволяет передавать излучение большей мощности и с меньшими потерями, чем многомодовый. В качестве образца взято волокно FISFC 9/125. Результаты подтверждающих режим работы расчетов сведены в таблицу 5.3.

Таблица 5.3

Расчет основных характеристик волокна FISFC 9/125 на длинах волн 0,6328, 0,555 и 1,55 мкм. Показатели преломления сердцевины и оболочки, соответственно: я = 1,460; я, = 1,459

⁷ core ^{7 7} dad ⁷

Согласно расчетам, одномодовый режим работы присущ волокну, работающему на длине волны 1,55 мкм, что подтверждает эмпирическое правило: одномодовый режим характерен для световода при соизмеримости диаметра сердцевины волокна и длины волны проходящего излучения. Качественную оценку режима работы дает моделирование, выходные данные которого показаны в табл. 5.4.

Таблица 5.4

Графическое изображение распределения излучения по кварцевому волокну с d =9 мкм; п = 1,460, п , = 1,459;

‘ core ⁷ core ^{7 7} clad ^{7 7}

" — /. = 632,8 нм, 3 моды; б — к = 555 нм, 3 моды; в — Т = 1,55 мкм, 1 мода

Некоторые соответствующие трехмерные модели представлены на рис. 5.22. На рис. 5.23 представлены модель распределения излучения и проекция того же, но уже реального, лазерного излучения (X = 632,8 нм). Видно сходство результатов. Это говорит о применимости моделирования для описания волокон. Поэтому следующим шагом было моделирование световодов на основе кристаллов галогенидов серебра и одновалентного таллия состава.

^§ 0,98⁰, 02^*0,98⁰, 02 •.

где.

Рис. 5.22. Трехмерное изображение распределения электромагнитного излучения по поперечному сечению кварцевого световода (см. табл. 5.4): а — п_е/)= 1,459 167, б — n_cff = 1,459 173, в — п= 1,459 696 для Х = 0,6328 мкм; г-п = 1,459 272, д — п_<0⁼ 1,459 767 для X = 0,555 мкм, е — п_е)Г= 1,459 191 для X = 1,55 мкм Получение картины распределения в виде проекции пучка излучения красного лазера получали по схеме, общий вид которой представлен на рис. 5.24. Линза из селенида цинка служит для получения многомодового режима, который случае положительного результата переходит в одномодовый при прохождении излучения через волокно. Схема служит для аттестации, т. е. для доказательства правильности применения метода моделирования. 176.

Рис. 5.23 Картина распределения излучения (Л = 632,8 нм), проходящего через световод (результаты моделирования на рис. 5.22: а — модель при п_{с (/} = 1,459 696; б — соответствующая реальная картина.

Рис. 5.24. Схема получения опытной картины распределения лазерного излучения по сечению световода (проекции): а-для световода на основе кристаллов твердых растворов галогенидов серебра и таллия (I); б — для кварцевого волокна; 1 — углекислотный лазер (А. = 10,6 мкм), 2 — гелийнеоновый лазер (X = 0,6328 мкм), 3 — линза из ZnSe, 4 — кварцевое волокно, 5 — световод на основе кристаллов твердого раствора AgBr — T1I, 6 — проекция лазерного пучка гелий-неонового лазера на рабочей поверхности, 7 — ИК-камера SPIR1CON, 8 — изображение проекции лазерного пучка углекислотного лазера.