09. Гладких В. А., Власенко В. Д. Влияние микроизгиба на поле и энергию слабонаправляющего оптоволокна с градиентным профилем в одномодовом режиме

Печать

УДК 535:681.7.068.1

DOI: 10.15507/2658-4123.034.202403.495-515

Влияние микроизгиба на поле и энергию слабонаправляющего оптоволокна с градиентным профилем в одномодовом режиме

Гладких Вячеслав Александрович
кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Вычислительного центра Дальневосточного отделения Российской академии наук – обособленное подразделение ХФИЦ ДВО РАН (680000, Российская Федерация, г. Хабаровск, ул. Ким Ю Чена, д. 65), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3922-9609, Researcher ID: GLU-2712-2022, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Власенко Виктор Дмитриевич
кандидат физико-математических наук, ученый секретарь Вычислительного центра Дальневосточного отделения Российской академии наук – обособленное подразделение ХФИЦ ДВО РАН (680000, Российская Федерация, г. Хабаровск, ул. Ким Ю Чена, д. 65), ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7782-4532, Researcher ID: E-2432-2019, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Аннотация
Введение. Оптические волокна широко используются для передачи сигналов связи с высокой пропускной способностью на большие расстояния. Ключевым свойством, обеспечивающим такую производительность, является низкое затухание, при котором сигналы испытывают минимальные потери мощности, распределяясь вдоль оптического волокна. Одним из факторов, влияющих на потерю мощности при передаче информации, является механический изгиб волокна. Изгиб может увеличить потери передачи мощности оптическим волокном как за счет макроизгиба, так и микроизгиба. Исследование зависимости потерь при изгибе от параметров волновода позволяет контролировать потери оптического волокна при передаче информации.
Цель исследования. Оценить влияние микроизгиба на поле и энергию слабонаправляющего оптоволокна с градиентным профилем показателя преломления в одномодовом режиме.
Материалы и методы. Из уравнений для полей прямого и изогнутого участков слабонаправляющего оптоволокна для произвольного градиентного профиля показателя преломления последующим решением неоднородных уравнений Гельмгольца методом функции Грина получено выражение для относительной энергии: отношения энергии поля изогнутого участка оптоволокна к энергии поля прямого участка оптоволокна (в первом приближении для одномодового режима).
Результаты исследования. Полученное выражение для относительной энергии зависит от двух параметров – волноводного параметра и отношения радиуса оптоволокна к радиусу кривизны. Для квадратичного случая степенного профиля, как наиболее приближенного к реально используемому, численными расчетами построены зависимости относительной энергии от критериев, характеризующих изгиб для разных значений волноводного параметра.
Обсуждение и заключение. Показано, что в случае микроизгиба, чем больше длина волны или меньше радиус волокна, тем меньше потери. Полученные результаты могут быть использованы как в расчетах профилей оптического волокна, предназначенных для работы в изогнутом состоянии и исключающих дорогостоящее экспериментальное моделирование световодов, так и при конструировании волноводов для решения конкретных приложений, в частности, для повышения энергоэффективности, надежности и работоспособности средства измерения.

Ключевые слова: слабонаправляющее оптоволокно, одномодовый режим, микроизгиб, градиентный профиль показателя преломления, уравнение Гельмгольца, функция Грина, относительная энергия

Благодарности: авторы выражают признательность анонимным рецензентам.

Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Для цитирования: Гладких В. А., Власенко В. Д. Влияние микроизгиба на поле и энергию слабонаправляющего оптоволокна с градиентным профилем в одномодовом режиме // Инженерные технологии и системы. 2024. Т. 34, № 3. С. 495–515. https://doi.org/10.15507/2658-4123.034.202403.495-515/p>

Заявленный вклад авторов:
В. А. Гладких – разработка концепции и плана статьи, проведение теоретических исследований, обзор и анализ литературы, формулировка выводов.
В. Д. Власенко – расчеты, анализ результатов, подготовка текста с последующей доработкой.

Поступила в редакцию 07.12.2023; поступила после рецензирования 09.02.2024;
принята к публикации 16.02.2024

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Gambling W. A., Matsumura H., Ragdale C. M. Curvature and Microbending Losses in Single-Mode Optical Fibres // Optical and Quantum Electronics. 1979. Vol. 11. P. 43–59. https://doi.org/10.1007/BF00624057

2. Потери в одномодовых волоконных световодах на однократных изгибах по малому радиусу. Прямоугольный профиль показателя преломления / В. А. Аксенов [и др.] // Радиотехника и электроника. 2004. Т. 49, № 6. С. 734–742. EDN: OWHJWF

3. Wang Q., Farrell G., Freir T. Theoretical and Experimental Investigations of Macro-Bend Losses for Standard Single Mode Fibers // Optics Express. 2005. Vol. 13, Issue 12. P. 4476–4484. URL: https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-13-12-4476&id=84325 (дата обращения: 17.11.2023).

4. Wen-Ming C., Shyh-Lin T. Performance Enhancement on Mechanical and Electrical Effects for On-line Fiber-Optic Bending Loss Measurement // Optik. 2005. Vol. 116, Issue 5, P. 201–210. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2005.01.013

5. New Optical Fiber Micro-Bend Pressure Sensors Based on Fiber-Loop Ringdown / Z. Wang [et al.] // Procedia Engineering. 2012. Vol. 29. P. 4234–4238. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2012.01.649

6. Mode Coupling and Field Distribution in Sub-mm Permanently Bent Single Mode Optical Fibers / A. Iadicicco [et al.] // Optics & Laser Technology. 2013. Vol. 47. P. 292–304. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2012.08.012

7. Optical Fibers with Gradient Index Nanostructured Core / R. Buczyński [et al.] // Optics Express. 2015. Vol. 23, Issue 20, P. 25588–25596. https://doi.org/10.1364/OE.23.025588

8. Manipulating Microbending Losses in Single Mode Optical Fiber for Pressure Sensing / W. M. Mukhtar [et al.] // Journal of Advanced Research in Applied Sciences and Engineering Technology. 2017. Vol. 9, Issue 1. P. 14–21. URL: https://www.akademiabaru.com/doc/ARASETV9_N1_P14_21.pdf (дата обращения: 15.11.2023).

9. 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. Vol. 45. P. 235–243. https://doi.org/10.1016/j.yofte.2018.07.010

10. Гладких В. А. Расчет мощности поля, проникающего во внешнюю оболочку слабонаправляющего одномодового волоконного световода // Компьютерная оптика. 2019. Т. 43, № 4. С. 557–561. https://doi.org/10.18287/2412-6179-2019-43-4-557-561/a>

11. Two-Dimensional Displacement Optical Fiber Sensor Based on Macro-Bending Effect / A. Ghaffar [et al.] // Optics & Laser Technology. 2019. Vol. 120. Article no. 105688. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2019.105688

12. Мосунова И. Д., Селезнёв Д. А., Ременникова М. В. Исследование спектрального пропускания оптического волокна при малых изгибах // Прикладная фотоника. 2019. Т. 6, № 1–2. C. 17–23. EDN: KYIJVJ

13. An Investigation in the Influence of Helical Structure on Bend Loss of Pavement Optical Fiber Sensor / L. Meng [et al.] // Optik. 2019. Vol. 183. P. 189–199. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2019.02.102

14. Улучшение технических характеристик волоконно-оптических измерительных преобразователей / Е. А. Полякова [и др.] // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. 2020. № 1 (33). C. 126–135. https://doi.org/10.21685/2227-8486-2020-1-10

15. 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. Vol. 245. Article no. 167735. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2021.167735

16. Design, Sensing Principle and Testing of a Novel Fiber Optic Displacement Sensor Based on Linear Macro-Bending Loss / Y. Zheng [et al.] // Optik. 2021. Vol. 242. Article no. 167194. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2021.167194

17. Хисамов Д. В., Смирнова А. Н., Азанова И. С. Влияние радиуса изгиба на долговечность оптических волокон типа «Панда» // Вестник Пермского университета. Физика. 2021. № 4. С. 52–57. URL: https://clck.ru/3CFDWe (дата обращения: 17.11.2023).

18. Evaluating and Minimizing Induced Microbending Losses in Optical Fiber Sensors Embedded Into Glass-Fiber Composites / P. Zhu [et al.] // Journal of Lightwave Technology. 2021. Vol. 39, Issue 22. P. 7315–7325. https://doi.org/10.1109/JLT.2021.3112484

19. Расчет параметров макроизгибного отвода оптического излучения из волоконных световодов / И. В. Денисов [и др.] // Радиотехника. 2021. Т. 85, № 2. С. 18−26. URL: https://radiotec.ru/ru/journal/Radioengineering/number/2021-2/article/19457 (дата обращения: 15.11.2023).

20. Дышлюк А. В., Ерюшева У. А., Витрик О. Б. Расщепление резонансных линий изогнутого волоконно-оптического резонатора Фабри-Перо // Компьютерная оптика. 2021. Т. 45, № 1. С. 38–44. URL: https://computeroptics.ru/KO/PDF/KO45-1/450105.pdf (дата обращения: 17.11.2023).

21. Влияние геометрии оптического волокна на выходное лазерное излучение / Р. Р. Кашина [и др.] // Фотоника. 2021. Т. 15, № 2. С. 144–150. URL: https://www.photonics.su/journal/article/8768(дата обращения: 17.11.2023).

22. Гладких В. А., Власенко В. Д. Исследование поля и энергии в слабопроводящем оптоволокне со степенным профилем показателя преломления произвольной степени // Инженерные технологии и системы. 2022. Т. 32, № 4. С. 588–599. EDN: LARQQM

23. Micro-Bending Sensing Based on Single-Mode Fiber Spliced Multimode Fiber Bragg Grating Structure / X. Sun [et al.] // Optics Communications. 2022. Vol. 505. Article no. 127513. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2021.127513

24. A Liquid Level Sensor Based on Spiral Macro-Bending Plastic Optical Fiber / K. Liao [et al.] // Optical Fiber Technology. 2022. Vol. 70. Article no. 102874 https://doi.org/10.1016/j.yofte.2022.102874

25. Investigation of a Spring-Shaped Fiber Modulation Based on Bending Loss for Detecting Linear Displacement / Y. Zheng [et al.] // Measurement. 2022. Vol. 194. Article no. 10976. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2022.110976

26. Иванов Д. А. Волоконно-оптические WDM-мультиплексоры/демультиплексоры с малыми изгибными потерями // Russian Technological Journal. 2022. Т. 10, № 2. С. 7–13. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2022-10-2-7-13

27. Иванов С. А., Закалкин П. В., Смирнов И. Ю. Моделирование оптического волокна на основе фазоконтурных схем замещения // Радиотехника и электроника. 2022. Т. 67, № 5. С. 500–508. URL: https://sciencejournals.ru/view-article/?j=radel&y=2022&v=67&n=5&a=RadEl2205007Ivanov (дата обращения: 17.11.2023).

28. Large-Mode-Area Multi-Resonant All-Solid Photonic Bandgap Fiber with Low Bending Loss and Robust Single-Mode Operation / X. Chen [et al.] // Optics & Laser Technology. 2023. Vol. 157. Article no. 108668. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108668

29. Funnell A. C., Thomas P. J. Design of a Flexible Weight Sensor Using Optical Fibre Macrobending // Sensors. 2023. Vol. 23, Issue 2. Article no. 912. https://doi.org/10.3390/s23020912

30. Денисов И. В., Лисовский Н. В. Систематизация чувствительных к изгибу волоконных световодов // Прикладная фотоника. 2023. Т. 10, № 1. С. 131–148. URL: https://applied.photonics.pstu.ru/_res/fs/4561file.pdf (дата обращения: 14.11.2023).

31. Fusion Splicing of Hollow-Core to Standard Single-Mode Fibers Using a Gradient-Index Bridge Fiber / Z. Zhang [et al.] // Journal of Optical Technology. 2023. Vol. 90, Issue 1. P. 76–83. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-01-76-83

32. Жгуты оптических волокон c высоким показателем преломления для проведения ТГц визуализации с субволновым разрешением (обзор) / Д. Г. Меликянц [и др.] // Оптика и спектроскопия. 2023. Т. 131, Вып. 6. С. 762–781. URL: https://journals.ioffe.ru/articles/55910 (дата обращения: 17.11.2023).

33. Моделирование температурного поля поверхности при электроискровом легировании металлов / В. Д. Власенко [и др.] // Инженерные технологии и системы. 2019. Т. 29, № 2. С. 218–233. https://doi.org/10.15507/2658-4123.029.201902.218-233

34. Трещиков В. Н., Листвин В. Н. DWDM-системы // Фотон-экспресс. 2012. № 7. С. 34–37. EDN: PIBPEO

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.