Анализ рассеяния излучения периодической структурой микрополостей в многомодовом оптическом волноводе

Петухова А.Ю., Перминов А.В., Конин Ю.А., Напарин М.А.

Ссылка для цитирования:

Петухова А.Ю., Перминов А.В., Конин Ю.А., Напарин М.А. Анализ рассеяния излучения периодической структурой микрополостей в многомодовом оптическом волноводе // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 11. С. 3–13. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-11-3-13

Petukhova A.Yu., Perminov A.V., Konin Yu.A., Naparin M.A. Analysis of radiation scattering by a periodic structure of microcavities in a multimode optical waveguide [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 11. P. 3–13. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-11-3-13

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Оптическое излучение, рассеянное периодической структурой из микрополостей, сформированной в плоском волноводе, моделирующем многомодовое волокно 62,5/125 мкм. Цель работы. Получение распределения мощности рассеянного от периодической структуры микрополостей пулеобразной формы оптического излучения на боковой поверхности плоского волновода на основе математического моделирования, создание методики оценки эффективности рассеивающих элементов и получение значений геометрических параметров структуры микрополостей, при которых достигается наибольшая равномерность рассеяного излучения. Метод. Математическое моделирование рассеяния излучения на периодической структуре в пакете COMSOL Multyphysics. Модель предполагает варьирование размеров и взаимного расположения микрополостей. Основные результаты. Получены распределения мощности рассеянного излучения с длиной волны 1310 нм с боковой поверхности волновода. Показано, что размеры и взаимное расположение микрополостей существенно влияют на распределение мощности рассеянного излучения. Предложена методика оценки равномерности распределения рассеянной мощности вдоль волновода. Практическая значимость. Результаты применимы к многомодовому оптическому волокну с периодической структурой из микрополостей, рассеивающей лазерное излучение. Такое волокно можно применять в медицинских целях. Периодические структуры возможно использовать как чувствительный элемент для волоконно-оптических датчиков. Результаты применимы для разработки рассеивателей с наиболее однородной диаграммой направленности рассеянного излучения.

Ключевые слова:

оптический волновод, периодическая структура микрополостей, рассеяние излучения, многомодовое волокно, пулеобразная форма микрополостей

Благодарность:

исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-21-00169

Коды OCIS: 290.0290, 010.1310

Список источников:

1. Буфетов И.А., Дианов Е.М. Оптический разряд в волоконных световодах // УФН. 2005. Т. 175. № 1. С. 100–103. https://doi.org/10.3367/UFNr.0175.200501g.0100
Bufetov I. A., Dianov E.M. Optical discharge in optical fibers // Physics–Uspekhi. 2005. V. 48. № 1. P. 91–94. https://doi.org/10.1070/PU2005v048n01ABEH002081
2. Shuto Y. Fiber fuse phenomenon. 3rd ed. Osaka, Japan: Design Egg, Inc, 2021. 370 р.
3. Shuto Y., Yanagi S., Asakawa S., et al. Fiber fuse phenomenon in step-index single-mode optical fibers // IEEE J. Quant. Electron. 2004. V. 40. № 8. P. 1113–1121. https://doi.org/10.1109/JQE.2004.831635

4. Shuto Y. Cavity pattern formation and its dynamics of fiber fuse in single-mode optical fibers // J. Informatics Math. Sci. 2020. V. 12. № 4. P. 271–288. https://doi.org/10.26713/jims.v12i4.1459
5. Todoroki S. Quantitative evaluation of fiber fuse initiation probability in typical single-mode fibers // Proc. Opt. Fiber Commun. Conf. and Exhibition. Los Angeles, USA. 2015. P. 859–866. https://doi.org/10.48505/nims.3839
6. Todoroki S. Fiber fuse propagation modes in typical single-mode fibers // OSA Technical Digest. 2013. JW2A.11. https://doi.org/10.1364/NFOEC.2013.JW2A.11
7. Konin Y.A., Scherbakova V.A., Perminov A.V., et al. Study of micro-cavities formed by optical breakdown under the influence of a magnetic field // Opt. Commun. 2022. V. 517. P. 128242. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2022.128242
8. Конин Ю.А., Щербакова В.А., Булатов М.И. и др. Исследование характеристик оптического волокна с внутренней структурой микронеоднородностей, сформированной с помощью эффекта плавления // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 11. С. 80–89. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-11-80-89
Konin Yu.A., Scherbakova V.A., Bulatov M.I., et al. Structural characteristics of internal microcavities produced in optical fiber via the fuse effect // J. Opt. Technol. 2021. V. 88. № 11. P. 672–677 https://opg.optica.org/jot/abstract.cfm?URI=jot-88-11-672
9. Yamada M., Tomoe A., Kinoshita T., et al. Heating and burning of optical fibers and cables by light scattered from bubble train formed by optical fiber fuse // IEICE Trans. Commun. 2012. V. E95.B. № 8. P. 2638–2641. https://doi.org/10.1587/transcom.E95.B.2638
10. Yamada M., Kinoshita T., Kimura Y., et al. Scattering characteristic of light generating an optical fiber fuse // Optoelectron. and Сommun. Conf. and Australian Conf. on Opt. Fiber Technol. July 6–10, 2014. P. 179–180.
11. Konin Y.A., Petrov A.A., Starikova V.A., et al. Wide temperature range fiber optic sensor // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2022. V. 86. № 1. P. 100–103. https://doi.org/10.3103/S1062873822700472
12. Konin Y.A., Petrov A.A., Perminov A.V., et al. Fiber optic sensor for cryogenic liquids // Bulletin of Russian Academy of Sciences: Physics. 2024. V. 88. № 6. P. 983–985. https://doi.org/10.1134/S1062873824706949
13. Ströbl S., Domke M., Rühm A., et al. Investigation of non-uniformly emitting optical fiber diffusers on the light distribution in tissue // Biomed. Opt. Exp. 2020. V. 11. № 7/1. P. 3601. https://doi.org/10.1364/BOE.394494
14. Бункин Ф.В., Трибельский М.К. Нерезонансное взаимодействие мощного оптического излучения с жидкостью // УФН. 1980. Т. 130. № 2. С. 193–240. https://doi.org/10.3367/UFNr.0130.198002a.0193
Bunkin F.V., Tribel’ski M.I. Nonresonant interaction of high-power optical radiation with a liquid // Soviet Physics Uspekhi. 1980. V. 23. № 2. P. 105–133. https://doi.org/10.1070/PU1980v023n02ABEH004904
15. Klubben W.S., Logunov S. L., Fewkes E. J., et al. Novel light diffusing fiber for use in medical applications // Proc. SPIE 9702. Optical Fibers and Sensors for Medical Diagnostics and Treatment Applications XVI. March 7, 2016. P. 970218. https://doi.org/10.1117/12.2218267
16. Petukhova A.Y., Perminov A.V., Starikova V. A., et al. Mathematical model of radiation scattering on quasiperiodic microstructure in optical fiber // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2024. V. 88. № 6. P. 1000–1009. http://doi.org/10.1134/S1062873824706986
17. Корсакова Е.А., Львов А.Е., Кашуба И.А. и др. Волоконно-оптические сборки на основе поликристаллических световодов для среднего инфракрасного диапазона // Оптический журнал. 2019. Т. 86. № 7. С. 58–66. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2019-86-07-58-66
Korsakova E.A., L’vov A.E., Kashuba I.A., et al. Fiberoptic assemblies based on polycrystalline lightguides for the mid-IR // 2019. J. Opt. Technol. V. 86. № 7. P. 439–445. ttps://doi.org/10.1364/JOT.86.000439