М.А. Абельмас1, О.В. Иванов2

1 Ульяновский государственный технический университет (г. Ульяновск, Россия)

2 Ульяновский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН (г. Ульяновск, Россия)

1 abelmax1998@mail.ru; 2 olegivvit@yandex.ru

Постановка проблемы. При расчете современных волоконно-оптических датчиков, работа которых основана на взаимодействии мод соприкасающихся оптических волокон, как правило, используется приближение линейно-поляризованных мод. При этом полагают, что направление поляризации на границе оболочки совпадает с направлением поляризации внутри волокна, а продольная компонента поля не учитывается. Однако в структурах, в которых взаимодействие происходит через поверхностное поле на границе оболочки волокна, поле может быть неоднородным вблизи поверхности. В этом случае продольная компонента может вносить сравнимый с вкладом радиальной и азимутальной компонент. Однако точный расчет пространственного распределения поля, а также направления поляризации по всему сечению волокна и на границе ранее не проводился.

Цель. Произвести точный расчет гибридных мод бессердцевинного оптического волокна и пространственного распределения составляющих их электрических полей для различных модовых чисел и сравнить векторное распределение поля для моды LP21 внутри и на границе оболочки.

Результаты. Получены зависимости постоянных распространения мод от радиуса оболочки. Выполнен сравнительный анализ продольной и поперечных компонент электрических полей на границе оболочки волокна, в результате чего подтверждена значимость продольной компоненты в формировании поверхностного электрического поля. Продемонстрирован вклад разных компонент в формирование электрического поля. Определены поляризационные характеристики электрических полей на границе оболочки. Представлена зависимость направления поляризации поля от азимутального угла. Проведено сравнение вектора поляризации внутри и на границе оболочки и выявлено значительное отклонение вектора под поверхностью волокна.

Практическая значимость. Приведенные результаты имеют важное значение для нахождения коэффициентов связи мод, расчет которых необходим при создании волоконно-оптических датчиков соприкасающихся волокон.

Абельмас М.А., Иванов О.В. Поверхностные электромагнитные поля мод LP2m бессердцевинных волоконных световодов //
Радиотехника. 2025. Т. 89. № 6. С. 114–125. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202506-11

1. Удд Э. Волоконно-оптические датчики. Техносфера. 2008. С. 17.
2. Chiang K.S., Liu Y., Liu Q., Rao Y. Optical sensing based on light coupling between two parallel long-period fiber gratings // Photonic Sensors. 2011. V. 1. № 3. P. 204–209.
3. Tripathi S.M., Kumar A., Varshney R.K., Kumar Y.B.P., Marin E., Meunier J.-P. Strain and temperature sensing characteristics of single-mode–multimode–single-mode structures // J. Lightwave Technol. 2009. V. 27. № 13. P. 2348.
4. Kogelnik H., Schmidt R. Switched directional couplers with alternating Δβ // IEEE J. Quantum Elect. 1976. V. 12. № 7. P. 396–401.
5. Chiang K.S., Ng M. N., Liu Y., Li S. Evanescent-field coupling between two parallel long-period fiber gratings // Proc. Lasers Electro-Opt. Soc. 2000 Ann. Meeting. 15–16 Nov. Rio Grande. 2000. P. 836–837.
6. Hong Z., Li X., Zhou L., Shen X., Shen J., Li S., Chen J. Coupling characteristics between two conical micro/nano fibers: simulation and experiment // Opt. Express. 2011. V. 19. № 5. P. 3854.
7. Wu Q., Semenova Y., Ma Y., Wang P., Guo T., Long J., Farrell G. Light coupling between a singlemode-multimode-singlemode (SMS) fiber structure and a long period fiber grating // J. Lightwave Technol. 2011. V. 29. № 24. P. 3683–3688.
8. Baiad M.D., Gagné M., Lemire-Renaud S., De Montigny E., Madore W.-J., Godbout N., Kashyap R. Capturing reflected cladding modes from a fiber Bragg grating with a double-clad fiber coupler // Opt. Express. 2013. V. 21. № 6. P. 6873.
9. Cai Z., Liu F., Guo T., Guan, B.-O., Peng, G.-D., Albert J. Evanescently coupled optical fiber refractometer based a tilted fiber Bragg grating and a D-shaped fiber // Opt. Express. 2015. V. 23. № 16. Р. 20971.
10. Schlangen S., Bremer K., Zheng Y., Isaak A., Wurz M. Manufacturing and characterization of asymmetric evanescent field polished couplers for grating assisted mode selective fiber coupling // P. Soc. Photo-opt. Ins. 2018. V. 10681. P. 1068116.
11. Zhang W., Huang L., Gao F., Bo F., Xuan L., Zhang G., Xu J. Tunable add/drop channel coupler based on an acousto-optic tunable filter and a tapered fiber // Opt. Lett. 2012. V. 37. P. 1241–1243.
12. Zhang C., Chiang K.S. Broadband optical fiber tap based on cladding-mode coupling // Opt. Eng. 2012. V. 51 № 7. Р. 075001.
13. Иванов О.В., Никитов С.А., Гуляев Ю.В. Оболочные моды оптических волокон, свойства и применение // УФН. 2006. Т. 49. № 2. С. 167–191.
14. Lam P.K., Stevenson A.J., Love J.D. Bandpass spectra of evanescent couplers with long period gratings // Electron. Lett. 2000. V. 36. № 11. Р. 967–969.
15. Bachim B.L., Ogunsola O.O., Gaylord T.K. Optical-fiber-to-waveguide coupling using carbon-dioxide-laser-induced long-period fiber gratings // Opt. Lett. 2005. V. 30. № 16. P. 2080–2082.
16. Юсупова Л.И., Иванов О.В. Интерферометры на основе вставок оптических волокон с тонкой сердцевиной SM600 и SM450 // Радиотехника. 2019. Т. 83. № 9. С. 74-78.
17. Xu X., Ouyang X., Zhou A., Deng H., Yuan L. An integrated wavelength selective coupler based on long period grating written in twin-core fiber // Opt. Commun. 2019. V. 445. P. 1–4.
18. Бутов О.В., Томышев К.А., Нечепуренко И.А. Волоконные брэгговские решетки с наклонными штрихами и сенсоры на их основе // УФН. 2022. Т. 192. С. 1385.
19. Manuilovich E.S., Tomyshev K.A., Butov O.V. Ultrastable combined planar‐fiber plasmon sensor // Sensors. 2019. V. 19. № 4245.
20. Liu Y., Chiang K. S., Liu Q. Symmetric 3´3 optical coupler using three parallel long-period fiber gratings // Opt. Express. 2007. V. 15. № 10. P. 6494.
21. Kim M.J., Chan F.Y.M, Paek U.-C., Lee B.H. Tunable add/drop filter for CWDM system using cladding mode coupling assisted by long-period fiber gratings // Proc. Optical Fiber Comm. Conf. and the National Fiber Optic Engineers Conf. 5–10 March. 2006. Anaheim. P. 3.
22. Kritzinger R., Meyer J., Burger J. Investigation of the power coupling of novel wavelength-selective couplers incorporating axially symmetric long-period fiber gratings // S. Afr. J. Sci. 2011. V. 107. № 5/6. P. 703–705.
23. Fang L., Jia H. Mode add/drop multiplexers of LP02 and LP03 modes with two parallel combinative long-period fiber gratings // Opt. Express. 2014. V. 22. № 10. P. 16621.
24. Liu Q., Chiang K. S., Liu Y. Analysis of six-port optical fiber couplers based on three parallel long-period fiber gratings // J. Lightwave Technol. 2008. V. 26. № 18. P. 3277–3286.
25. Chiang K.S., Chan F.Y.M., Ng M.N. Analysis of two parallel long-period fiber gratings // J. Lightwave Technol. 2004. V. 22. № 5. P. 1358–1366.
26. Zhang W., Huang L., Gao F., Bo F. Tunable broadband light coupler based on two parallel all-fiber acousto-optic tunable filters // Opt. Express. 2013. V. 21. № 14. P. 1358.
27. Абельмас М.А., Иванов О.В. Поверхностные электромагнитные поля оболочечных мод бессердцевинных волоконных световодов // Радиотехника и электроника. 2024. Т. 69. № 12. С. 1150–1161.
28. Kawano K., Kitoh T. Introduction to optical waveguide analysis: solving maxwell’s equations and the schrodinger equation. N.Y.: Wiley. 2001.
29. Iizuka K. Elements of the photonics. N.Y.: Wiley. 2002.
30. Huang W.P. Coupled-mode theory for optical waveguides // J. Opt. Soc. Am. A. 1994. V. 11. № 3. P. 963-983.
31. Erdogan T. Cladding-mode resonances in short-and long-period fiber grating filters // J. Opt. Soc. Am. A. 1997. V. 14. № 8.
    P. 1760.