Разработка и изготовление инновационных волоконных световодов

Направления:

• Различные типы микроструктурированных волоконных световодов:
  - с большим диаметром поля моды для волоконных лазеров
  - с малым размером сердцевины для генерации суперконтинуума и нелинейного преобразования света
  - с воздушной сердцевиной
  - с фотонной запрещенной зоной без воздушных отверстий

• двулучепреломляющие световоды;

• волоконные световоды, стойкие к воздействию водорода и радиации;

• легирование кварцевого стекла активными добавками;

• технологические аспекты получения активных волоконных световодов;

• применение световодов со сложной структурой для сенсорики.

1. K. V. Proskurina, M. I. Skvortsov, E. V. Golikov, S. R. Abdullina, A. V. Dostovalov, O. N. Egorova, S. L. Semenov & S. A. Babin, «Application of a Twin-Core Fiber with Mode Coupling between the Cores for the Narrow-Linewidth Erbium Laser Implementation» Optoelectron. Instrument. Proc. 61, 34–39 (2025).
2. Sapozhnikov D.A., Melnik O.A., Chuchalov A.V., Kovylin R.S., Chesnokov S.A., Khanin D.A., Nikiforova G.G., Kosolapov A.F., Semjonov S.L., Vygodskii Y.S. «Soluble fluorinated cardo copolyimide as an effective additive to photopolymerizable compositions based on di(meth)acrylates: application for highly thermostable primary protective coating of silica optical fiber» International Journal of Molecular Sciences. – 2024. – Vol. 25, N. 10 – P. 5494.
3. Zabegaeva O.N., Kosolapov A.F., Semjonov S.L., Ezernitskaya M.G., Afanasyev E.S., Godovikov I.A., Chuchalov A.V., Sapozhnikov D.A. «Polyamide-imides as novel high performance primary protective coatings of silica optical fibers: influence of the structure and molecular weight» Reactive and Functional Polymers» – 2024 – Vol. 194. – 105775.
4. Egorova O.N., Semjonov S.L., Zhuravlev S.G., Salganskii M.Yu., Yashkov M.V., Ferraro M. «Michelson interferometer based on a fiber with a germanium-doped core and inner cladding for high-temperature sensing» Optical Fiber Technology. – 2024. – Vol. 88. – 104016.
5. Pryamikov Andrei D., Gladyshev Alexey V., Kosolapov Aleksei F., Bufetov Igor' A. «Hollow-core optical fibers: current state and development prospects» Physics-Uspekhi. –2024. – Vol. 67. – P. 129-156.
6. Булатов М.И., Григорьев Н.С., Фофанов А.В., Косолапов А.Ф., Семенов С.Л. «Исследование скорости деградации волоконного световода в медном покрытии» Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки. – 2024. – Т. 515, № 1. – С. 67.
7. Denisov A., Dvoyrin V., Kosolapov A., Likhachev M., Velmiskin V., Zhuravlev S., Semjonov S. «All-Glass Single-Mode Leakage Channel Microstructured Optical Fibers with Large Mode Area and Low Bending Loss» Photonics. – 2023. – V. 10, No.4, Paper 465. – P. 1-19.
8. M. I. Bulatov, N. S. Grigoriev, A. F. Kosolapov, and S. L. Semjonov. «Optical Loss in Copper-Coated Multimode Optical Fibers of Different Diameters» Physics of Wave Phenomena, 2022, Vol. 30, No. 6, pp. 397–399
9. Olga N. Egorova, Sergey G. Zhuravlev, Oleg I. Medvedkov, Sergey L. Semjonov, «Spectrally multiplexed Bragg gratings in a multicore optical fiber with seven different cores for directional curvature measurements» Optical Fiber Technology, Volume 73, 2022, 103031,
10. Evgeny A. Plastinin, Vladimir V. Velmiskin, Ludmila D. Iskhakova, Alexander V. Kharakhordin, Sergey L. Semjonov «Bismuth-doped optical fiber from nanoporous glass with air cladding» Optical Engineering, 61, 036108, (2022).
11. A.A. Rybaltovsky, O.N. Egorova, S.G. Zhuravlev, B.I. Galagan, S.E. Sverchkov, B.I. Denker, S.L. Semjonov, “Distributed Bragg reflector fiber laser directly written in a composite fiber manufactured by melting phosphate glass in a silica tube” Optics Letters Vol. 44, Issue 14, pp. 3518-3521 (2019).
12. O.N. Egorova, M.E. Belkin, D.A. Klushnik, S.G. Zhuravlev, M.S. Astapovich, and S. L. Semojnov, “Microwave Signal Delay Line Based on Multicore Optical Fiber,” Physics of Wave Phenomena, Vol. 25, No. 4, pp. 289–292 (2017).
13. O. N. Egorova, M. S. Astapovich, and S. L. Semjonov, “Crosstalk in rectangular cross-section heterogeneous multicore fiber,” Optical Engineering, Vol. 55, No. 9, pp. 090507 -1 -4 (2016).
14. О.Н. Егорова, С.Л. Семенов, Е.М. Дианов, С.Е. Сверчков, Б.И. Галаган, Б.И. Денкер «Световоды с высокой концентрацией активных редкоземельных ионов с сердцевиной из фосфатного и оболочкой из кварцевого стекла» Квантовая электроника, т. 46, № 12, с. 1071-1076 (2016).
15. S.L. Semjonov, O.N. Egorova, O.I. Medvedkov, M.S. Astapovich, A.G. Okhrimchuk, E.M. Dianov, B. I. Denker, B. I. Galagan, S. E. Sverchkov, «Fabrication and Investigation of Active Composite Fibers with Phosphate Core and Silica Cladding» Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering 13, Technology, Systems, and Applications. Сер. "Fiber Lasers XIII: Technology, Systems, and Applications", с. 97281P (2016).
16. O.N. Egorova; S.L. Semjonov; O.I. Medvedkov; V.S. Astapovich; A.G. Okhrimchuk; B.I. Galagan; B.I. Denker; S.E. Sverchkov; E.M. Dianov, “High-beam quality, high-efficiency laser based on fiber with heavily Yb3+-doped phosphate core and silica cladding,” Optics Letters, Vol. 40, N. 16, pp. 3762-3765 (2015).
17. O. N. Egorova, S. L. Semjonov, A. K. Senatorov, M. Y. Salganskii, A. V. Koklyushkin, V. N. Nazarov, A. E. Korolev, D. V. Kuksenkov, Ming-Jun Li, and E. M. Dianov, “Multicore fiber with rectangular cross-section,”Optics Letters, Vol. 39, No. 7, pp. 2168-2170 (2014).
18. O.N. Egorova, S.L. Semjonov, V.V. Velmiskin, Yu. P. Yatsenko, S.E. Sverchkov, B. I. Galagan, B.I. Denker, E.M. Dianov, “Phosphate-core silica-clad Er/Yb-doped optical fiber and cladding pumped laser,” Optics Express, Vol. 22, N. 7, pp. 7632-7637 (2014).
19. V.V. Velmiskin, O.N. Egorova, S.L. Semjonov, V. Mishkin, K. Nishchev, «Active material for fiber core made by powder-in-tube method: subsequent homogenization by means of stack-and-draw technique» Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering Microstructured and Specialty Optical Fibres. Сер. "Microstructured and Specialty Optical Fibres" Brussels, p. 84260I (2012).
20. C. Lecaplain, L. Rasoloniana, J. Michaud, A. Hideur, O.N. Egorova, S.L. Semjonov, E.M. Dianov, “Mode-locked all-solid photonic bandgap fiber laser,” Applied Physics B: Lasers and Optics, Vol. 107, No.2. 2012. pp. 317-322 (2012).
21. Bufetov I. A., Melkumov M. A., Firstov S. V., Shubin A. V., Semenov S. L., Vel'miskin V. V., Levchenko A. E., Firstova E. G., Dianov E. M., "Optical gain and laser generation in bismuth-doped silica fibers free of other dopants" // OPTICS LETTERS, 36 (2) 166-168 (2011)
22. Zlenko A. S., Dvoyrin V. V., Mashinsky V. M., Denisov A. N., Iskhakova L. D., Mayorova M. S., Medvedkov O. I., Semenov S. L., Vasiliev S. A., Dianov E. M., "Furnace chemical vapor deposition bismuth-doped silica-core holey fiber" // OPTICS LETTERS,36 (13) 2599-2601 (2011)
23. Kosolapov A.F., Pryamikov A.D., Biriukov A.S., Shiryaev V.S., Astapovich M.S., Snopatin G.E., Plotnichenko V.G., Churbanov M. F., Dianov E. M., "Demonstration of CO₂-laser power delivery through chalcogenide-glass fiber with negative-curvature hollow core" // Optics Express, 19 (25) 25723-25728 (2011)
24. Pryamikov A.D., Biriukov A.S., Kosolapov A.F., Plotnichenko V.G., Semjonov S.L., Dianov E.M., "Demonstration of a waveguide regime for a silica hollow - core microstructured optical fiber with a negative curvature of the core boundary in the spectral region > 3.5 mm" // Optics Express, 19 (2) 1441-1448 (2011)
25. А.Н.Денисов, А.Е.Левченко, С.Л.Семенов, Е.М.Дианов, "Микроструктурированные волоконные световоды с большим двулучепреломлением и малой асимметрией поля моды" // Квантовая электроника, 41(6), 243-248 (2011).
26. Alexander N. Denisov; Andrey E. Levchenko; Sergei L. Semjonov; Evgeniy M. Dianov, "Microstructured fiber with high-birefringence and low mode field non-circularity", Fiber Lasers VIII: Technology, Systems, and Applications, edited by Jay W. Dawson, Proceeding of SPIE Vol.7914 (2011) 79142G
27. Ю.П. Яценко, В.О. Назарьянц, А.Ф. Косолапов, М.С. Астапович, В.Г. Плотниченко, Е.М. Дианов, А.Н. Моисеев, М.Ф. Чурбанов, В.В. Дорофеев, А.В. Чилясов, Г.Е. Снопатин, "Дисперсионные и волноводные характеристики микроструктурированных световодов из теллуритного стекла 68TeO2-22WO3-8La2O3-2Bi2O3 для генерации суперконтинуума", Квант. электроника, 2010, 40 (6), 513-518.
28. Yury P. Yatsenko, Alexey F. Kosolapov, Andrey E. Levchenko, Sergey L. Semjonov, and Evgeny M. Dianov, "Broadband wavelength conversion in a germanosilicate-core photonic crystal fiber", Opt. Lett. 34, 2581-2583 (2009)
29. Semjonov S.L., Egorova O.N., Kosolapov A.F, Levchenko A.E.,Velmiskin V.V., Pryamikov A.D.,Salganskiy M.Y., Khopin V.F., Yashkov M.V., Guryanov A.N., Dianov E.M. "LMA fibers based on two-dimensional solid-core photonic bandgap fiber design ", Fiber Lasers VII: Technology, Systems, and Applications, edited by Kanishka Tankala, Jay W. Dawson, Proceeding of SPIE Vol.7580 (SPIE, Bellingham, WA, 2010) 7580 18.
30. S.L. Semjonov, V.F. Khopin, M.Y. Salganskiy, A.N. Guryanov, A.F. Kosolapov, I.V. Nikolin, E.M. Dianov, "Multimode Graded-Index Fluorine-Doped Fibers for Harsh Environments Fabricated by MCVD-Method", Proc. CLEO/QELS'2010, San Jose, California, May 16-21, 2010, paper CTuAA5.
31. S. Semjonov, V. Bogatyrev, A. Malinin "Hermetically coated specialty optical fibers", 2nd Workshop on Specialty Optical Fibers and Their Applications (WSOF-2), edited by Juan Hernandez-Cordero, Ismael Torres-Gomez, Alexis Mendez, Proc. of SPIE Vol. 7839, pp. 783912-1 - 783912-4 (2010).
32. Egorova, O N; Semjonov, S L; Kosolapov, A F; Denisov, A N; Pryamikov, A D; Gaponov, D A; Biriukov, A S; Dianov, E M; Salganskii, M Y; Khopin, V F; Yashkov, M V; Gurianov, A N; Kuksenkov, D V, "Single-mode all-silica photonic bandgap fiber with 20-um mode-field diameter", Optics Express, Vol. 16 Issue 16, pp.11735-11740 (2008).
33. R.Herda, S.Kivisto, O.G. Okhotnikov , A.F. Kosolapov, A.E. Levchenko, S.L. Semjonov, and E.M.Dianov, "Environmentally stable mode-locked fiber laser with dispersion compensation by index-guided photonic crystal fiber", IEEE Photon Tech. Lett., Vol. 20, No. 3, 2008, pp. 217-219
34. А. Ф. Косолапов, С. Л. Семенов, А. Н. Денисов, "Механические свойства микроструктурированных световодов на основе высокочистого кварцевого стекла", Неорганические материалы, т. 43, No.3, стр. 362-367 (2007)
35. Семенов С. Л. " Пpочность волоконных световодов на основе кваpцевого стекла пpи pазличных скоpостях нагpужения и возможность ее диагностики", Деформация и разрушение материалов, No.9, 33-41 (2007)
36. С.Л.Семенов, "Влияние ограниченности скорости диффузии воды к дефекту и термофлуктуаций на прочность волоконных световодов после контрольного теста", Краткие сообщения по физике, No. 9, стр. 38-47 (2007).
37. Sergey.Semjonov and G.Scott Glaesemann, " High-speed tensile testing of optical fibers – new understanding for reliability prediction", Chapter 18 In Micro- and Opto-Electronic Materials and Structures: Physics, Mechanics, Design, Reliability, Packaging, Vol.1, Materials Physics, edited by E.Suhir, Y.C.Lee, and C.P.Wong, Berlin: Springer, 2007. ISBN 978-0-387-27974-9, pp. 595-626 (2007)
38. Alexey F. Kosolapov , Sergei L. Semjonov, Alexandr N. Denisov, Evgeny M. Dianov, "Mechanical strength and fatigue of microstructured optical fibers", in Proc. Optical Fiber Communication Conference and The National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC'2007), March 25-19, 2007, Anaheim, CA, USA, (Optical Society of America, Washington, DC, 2007), Paper OThA3 (2007).
39. Vladimir A. Bogatyrev and Sergei Semjonov, "Metal-Coated Fibers", Chapter 15 in Specialty Optical Fibres Handbook, edited by Alexis Mendez and T.F.Morse, Academic Press: Elsiver, 2007, ISBN-10: 012369406X, ISBN-13: 978-0123694065, pp. 491-512 (2007).
40. S.L. Semenov, A.F. Kosolapov, I.V. Nikolin, R. Ramos, V. Vaynshteyn, A. Hartog, "Fiber prfomance in hydrogen atmosphere at high temperature" // Proc. SPIE, Vol. 6193, pp. 61930N - 1-8 (2006)

• Исследованы особенности распространения оптического излучения по волоконному световоду с сердцевиной из кварцевого стекла и оболочкой, являющейся двумерным фотонным кристаллом, который состоит из элементов (цилиндров) с повышенным показателем преломления, с малым отношением диаметра элемента к расстоянию между центрами соседних элементов (0,1–0,3) и значительным расстоянием между центрами соседних элементов (порядка 10–12 мкм). Установлено, что в таком типе световодов может быть получена локализация излучения в сердцевине в спектральном диапазоне, соответствующем фундаментальной запрещенной зоне фотонно-кристаллической оболочки. При этом минимальные оптические потери лежат в диапазоне 1000–1500 нм и составляют 20–30 дБ/км, а спектральная ширина зоны локализации моды сердцевины зависит от параметров оболочки и сердцевины и составляет несколько сотен нанометров по уровню 100 дБ/км.


• Обнаружено, что в световодах с сердцевиной из кварцевого стекла и оболочкой, являющейся двумерным фотонным кристаллом с отношением диаметра элемента к расстоянию между центрами соседних элементов менее 0,4, в случае если сердцевина световода образована одним отсутствующим элементом оболочки, она является одномодовой в пределах всего спектрального диапазона фундаментальной запрещенной зоны за счет снижения эффективной разности показателей преломления сердцевины и оболочки с уменьшением длины волны. С учетом этого эффекта, а также экспериментально показанной возможности получить локализацию моды сердцевины в фундаментальной запрещенной зоне с центром в окрестности длины волны 1000 нм при достаточно большом диаметре сердцевины (около 20 мкм) с приемлемыми оптическими потерями, предложен новый подход к созданию активных световодов с увеличенным диаметром поля моды для мощных лазеров и усилителей, основанный на использовании световодов данной конструкции.


• Обоснована правомерность нового подхода к созданию активных композитных световодов методом «стержень в трубке» с сердцевиной, изготовленной из фосфатного стекла, и оболочкой из кварцевого стекла. Впервые показано, что данный вид световодов обладает приемлемыми для практического использования оптическими потерями на уровне 1–2 дБ/м, а также высокой механической прочностью самого световода – 5–7 ГПа – и мест его соединений, определяемой качеством поверхности оболочки из кварцевого стекла. В световодах, легированных эрбием и иттербием, при накачке по оболочке дифференциальная эффективность генерации относительно введенной мощности накачки составила 28% при длине световода порядка 50 см. В световодах, легированных только иттербием, дифференциальная эффективность генерации относительно введенной мощности накачки при накачке по сердцевине составила 74% и была достигнута при длине световода всего 5 см. Достигнутый уровень эффективности лазерной генерации близок к уровню эффективности в световодах на основе кварцевого стекла, но при этом оптимальная длина активного композитного световода существенно меньше. В изготовленных композитных световодах также обнаружено наличие фоточувствительности к действию излучения на длине волны 248 нм, что позволяет формировать резонатор лазера непосредственно в сердцевине активного световода.


• Теоретически предсказан и экспериментально реализован новый подход к снижению перекрестных оптических помех в многосердцевинных волоконных световодах, заключающийся во введении барьерного слоя с пониженным показателем преломления между сердцевинами. Наличие такого барьерного слоя, расположенного на некотором расстоянии от сердцевин, позволяет снизить взаимодействие между модами соседних сердцевин за счет снижения поперечной компоненты напряженности поля моды в области барьерного слоя. Впервые экспериментально реализована структура гетерогенного многосердцевинного волоконного световода прямоугольного поперечного сечения с сердцевинами, расположенными в один ряд. Экспериментально показано, что, благодаря существованию эффекта преимущественного направления изгиба за счет прямоугольной формы поперечного сечения, использование данной структуры световода позволяет избежать роста перекрестных оптических помех между сердцевинами, вызванного уменьшением разности постоянных распространения мод соседних сердцевин при приближении радиуса изгиба световода к критическому. Однако при малых диаметрах изгиба (менее 1-2 см) за счет увеличения связи мод сердцевин с модами оболочки происходит резкое возрастание перекрестных оптических помех.


• Предложен новый тип микроструктурированных волоконных световодов с полой сердцевиной. Этот новый тип световодов также дает возможность транспортировать мощное лазерное излучение в широком спектральном диапазоне (от УФ до среднего ИК). Экспериментально подтверждено, что в предложенной конструкции микроструктурированных световодов из кварцевого стекла свет может направленно распространяться в спектральном диапазоне вплоть до 4.5 мкм, где кварцевое стекло практически непрозрачно. Впервые продемонстрирована возможность направленного распространения излучения СО₂-лазера в световоде с полой сердцевиной на основе халькогенидного стекла.


• Разработан новый дизайн микроструктурированного световода с высоким двулучепреломлением, в котором стеклянная сердцевина окружена двумя или более рядами отверстий одинакового диаметра с различным расстоянием между отверстиями. Показано, экспериментально и теоретически, что такая конструкция обеспечивает значительное двулучепреломление (до 5 10^-4) при низкой круговой ассиметрии выходного оптического излучения.


• Впервые изготовлен и исследован световод без воздушных отверстий , локализующий излучение за счет эффекта запрещенной зоны, с малым отношением диаметров неоднородностей в оболочке к расстоянию между ними (0.12). Диаметр поля моды в данном световоде на длине волны 1 мкм составил 20 мкм при одномодовом характере распространения. Оптические потери в середине фундаментальной полосы пропускания (в диапазоне длин волн 1000-1200 нм) составили 20 дБ/км при диаметре изгиба световода 30 см.


• Разработана методика улучшения оптической однородности легированного кварцевого стекла , полученного методом MCVD для создания световодов с большим диаметром модового пятна.. Впервые изготовлен и исследован активный (легированный ионами иттербия) световод без воздушных отверстий, локализующий излучение за счет эффекта запрещенной зоны, с малым отношением диаметров неоднородностей в оболочке к расстоянию между ними (0.12). Диаметр поля моды в данном световоде на длине волны 1 мкм составил 18 мкм при одномодовом характере распространения.


• Разработана технология получения легированного оптического материала , предназначенного для использования в качестве световедущей сердцевины кварцевых активных волоконных световодов, путем спекания порошкообразных оксидов исходных веществ. Экспериментально показано, что данная технология позволяет производить кварцевое стекло, легированное оксидами с низким давлением паров при температуре трансформации стекла (Al₂O₃, Bi₂O₃, оксиды редкоземельных элементов) в количестве 2 мол % и более. Изготовлены и исследованы световоды, легированные оксидами иттербия и висмута.


• Проведено исследование механической прочности и статической усталости микроструктурированных световодов. Обнаружено, что уменьшение температуры вытяжки световодов не сказывается на их прочности в случае надлежащего качества поверхности отверстий и внешней поверхности заготовки. Получено также, что такие высокопрочные микроструктурированные световоды не проявляют какой-либо деградации оптических и механических свойств в лабораторных условиях, даже в случае незащищенных торцов. Зависимость прочности и параметра статической усталости таких световодов от вида вещества, заполняющего отверстия, сходна с поведением стандартных высокопрочных световодов с удаленным полимерным покрытием.


• Впервые проведено комплексное исследование явления статической усталости кварцевого стекла (роста исходных дефектов размером от 2-3 нм до 1-2 мкм) в световодах с полимерным покрытием в присутствии влаги при различных скоростях нагружения (от статической нагрузки до нагружения со скоростью 104 ГПа/сек). Получено экспериментальное подтверждение существования эффекта ограничения скорости распространения трещины (в диапазоне 10^-4-10^-3 м/сек) скоростью диффузии влаги к вершине трещины. Показано определяющее влияние этого эффекта на прогнозирование долговечности световодов.