ใยแก้วนำแสงแบบสองชั้น ( DCF ) เป็นใย แก้วนำแสงชนิดหนึ่งที่มีโครงสร้างประกอบด้วยวัสดุทางแสงสามชั้น แทนที่จะเป็นสองชั้นตามปกติ ชั้นในสุดเรียกว่าแกนกลางซึ่งล้อมรอบด้วยชั้นหุ้ม ด้านใน และชั้นหุ้ม ด้านในนี้ล้อมรอบด้วยชั้นหุ้มด้านนอกอีกทีทั้งสามชั้นทำจากวัสดุที่มีดัชนีหักเห แตกต่าง กัน

เส้นใยหุ้มสองชั้นมีสองประเภทที่แตกต่างกัน ประเภทแรกได้รับการพัฒนาขึ้นในช่วงต้นของประวัติศาสตร์เส้นใยนำแสง โดยมีจุดประสงค์เพื่อควบคุมการกระจายตัวของแสงในเส้นใยเหล่านี้ ในเส้นใยเหล่านี้ แกนกลางจะนำแสงส่วนใหญ่ และชั้นหุ้มด้านในและด้านนอกจะเปลี่ยนแปลงการกระจายตัวของสัญญาณที่นำโดยแกนกลาง ประเภทที่สองได้รับการพัฒนาขึ้นในช่วงปลายทศวรรษ 1980 เพื่อใช้กับเครื่องขยายสัญญาณใยแก้วนำแสง กำลังสูง และเลเซอร์ใยแก้วนำแสงในเส้นใยเหล่านี้ แกนกลางจะถูกเจือด้วย สารเจือปน ที่มีฤทธิ์ซึ่งทั้งนำและขยายแสงสัญญาณ ชั้นหุ้มด้านในและแกนกลางจะร่วมกันนำ แสง ปั๊มซึ่งให้พลังงานที่จำเป็นสำหรับการขยายสัญญาณในแกนกลาง ในเส้นใยเหล่านี้ แกนกลางจะมีดัชนีหักเหสูงสุด และชั้นหุ้มด้านนอกจะมีดัชนีหักเหต่ำที่สุด ในกรณีส่วนใหญ่ ชั้นหุ้มด้านนอกทำจาก วัสดุ พอลิเมอร์ มากกว่าแก้ว

ในเส้นใยหุ้มสองชั้นสำหรับการชดเชยการกระจายตัว ชั้นหุ้มด้านในจะมีดัชนีหักเหต่ำกว่าชั้นหุ้มด้านนอก เส้นใยประเภทนี้ยังเรียกว่าเส้นใยหุ้มด้านในแบบลดระดับและเส้นใยโปรไฟล์รูปตัว W (เนื่องจากกราฟสมมาตรของโปรไฟล์ดัชนีหักเหมีลักษณะคล้ายตัวอักษร W) ^{[ 1 ]}

เส้นใยแบบสองชั้นหุ้มนี้มีข้อดีคือมี การสูญเสีย จากการโค้งงอ เล็กน้อยต่ำมาก นอกจากนี้ยังมีจุดกระจายแสงเป็นศูนย์สองจุด และมีการกระจายแสงต่ำใน ช่วง ความยาวคลื่น ที่กว้างกว่า เส้นใยแบบชั้นเดียวมาตรฐานมาก เนื่องจากสามารถควบคุมการกระจายแสงของเส้นใยแบบสองชั้นหุ้มนี้ได้อย่างมาก เส้นใยเหล่านี้จึงสามารถใช้ในการชดเชยการกระจายแสงสีในระบบสื่อสารทางแสงและการใช้งานอื่นๆ ได้

ในเส้นใยสองชั้นสมัยใหม่สำหรับเครื่องขยายสัญญาณและเลเซอร์กำลังสูง ชั้นหุ้มด้านในจะมีดัชนีหักเหสูงกว่าชั้นหุ้มด้านนอก ทำให้ชั้นหุ้มด้านในสามารถนำแสงได้ด้วยการสะท้อนภายในทั้งหมดในลักษณะเดียวกับแกนกลาง แต่สำหรับช่วงความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน วิธีนี้ทำให้สามารถ ใช้ เลเซอร์ไดโอดซึ่งมีกำลังสูงแต่ความสว่าง ต่ำ เป็นแหล่งกำเนิดแสงปั๊มได้ แสงปั๊มสามารถส่งผ่านเข้าไปในชั้นหุ้มด้านในขนาดใหญ่ได้อย่างง่ายดาย และแพร่กระจายผ่านชั้นหุ้มด้านใน ในขณะที่สัญญาณแพร่กระจายในแกนกลางที่มีขนาดเล็กกว่า แกนกลางที่เจือสารจะค่อยๆ ดูดซับแสงจากชั้นหุ้มขณะที่มันแพร่กระจาย ทำให้เกิดกระบวนการขยายสัญญาณ วิธีการปั๊มแบบนี้มักเรียกว่าการปั๊มด้วยชั้นหุ้ม (cladding pumping ) ซึ่งเป็นทางเลือกแทนการปั๊มด้วยแกนกลาง แบบดั้งเดิม (core pumping ) ซึ่งแสงปั๊มจะถูกส่งเข้าไปในแกนกลางขนาดเล็ก การคิดค้นการปั๊มด้วยชั้นหุ้มโดยทีมวิจัยเส้นใยของ Polaroid (H. Po และคณะ ) ได้ปฏิวัติการออกแบบเครื่องขยายสัญญาณและเลเซอร์ใยแก้ว^{[ 3 ]}ด้วยวิธีการนี้ เลเซอร์ไฟเบอร์สมัยใหม่สามารถผลิตพลังงานต่อเนื่องได้ถึงหลายกิโลวัตต์ ในขณะที่แสงสัญญาณในแกนกลางยังคงรักษาคุณภาพลำแสงใกล้เคียงกับขีดจำกัดการเลี้ยวเบน^{[ 4 ]}

รูปร่างของชั้นหุ้มมีความสำคัญมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางของแกนมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับขนาดของชั้นหุ้มด้านในสมมาตรแบบวงกลมในเส้นใยหุ้มสองชั้นดูเหมือนจะเป็นวิธีแก้ปัญหาที่แย่ที่สุดสำหรับเลเซอร์ไฟเบอร์ ในกรณีนี้โหมดแสงจำนวนมากในชั้นหุ้มจะพลาดแกนกลางและไม่สามารถใช้ปั๊มได้^{[ 5 ]}ในภาษาของทัศนศาสตร์เชิงเรขาคณิตรังสีส่วนใหญ่ของแสงปั๊มจะไม่ผ่านแกนกลาง และไม่สามารถปั๊มได้ การติดตามรังสี^{[ 6 ]}การจำลองการแพร่กระจายแบบพาราแอ็กเซียล[ ^{7 ] และ}การวิเคราะห์โหมด^{[ 8 ]}ให้ผลลัพธ์ที่คล้ายกัน

โดยทั่วไป โหมดของท่อนำคลื่นจะมี "รอยแผล" ซึ่งสอดคล้องกับวิถีคลาสสิก รอยแผลเหล่านี้อาจหลีกเลี่ยงแกนกลางได้ ดังนั้นโหมดจึงไม่เกิดการเชื่อมต่อ และการกระตุ้นโหมดดังกล่าวในเครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์แบบสองชั้นจึงไร้ประโยชน์ รอยแผลเหล่านี้สามารถกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอมากหรือน้อยในไฟเบอร์ที่เรียกว่าไฟเบอร์อลวน^{[ 9 ]}ซึ่งมีรูปร่างหน้าตัดที่ซับซ้อนกว่าและให้การกระจายความเข้ม ที่สม่ำเสมอมากขึ้น ในชั้นหุ้มด้านใน ทำให้สามารถใช้แสงปั๊มได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม การเกิดรอยแผลเกิดขึ้นแม้ในไฟเบอร์อลวน

รูปทรงเกือบเป็นวงกลมที่มีการบิดเบี้ยวเป็นเกลียวเล็กน้อยดูเหมือนจะเป็นรูปทรงที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดสำหรับเส้นใยแบบอลวนในเส้นใยดังกล่าวโมเมนตัมเชิงมุมของรังสีจะเพิ่มขึ้นทุกครั้งที่สะท้อนจากผนังเรียบ จนกระทั่งรังสีกระทบกับ "ส่วนโค้ง" ซึ่งเส้นโค้งเกลียวจะขาด (ดูรูปด้านขวา) แกนกลางซึ่งวางอยู่ใกล้กับส่วนโค้งนี้ จะถูกรังสีทั้งหมดตัดผ่านอย่างสม่ำเสมอกว่าเมื่อเทียบกับเส้นใยแบบอลวนอื่นๆ พฤติกรรมของรังสีนี้มีความคล้ายคลึงกับทัศนศาสตร์ของคลื่น ในภาษาของโหมด โหมดทั้งหมดมีอนุพันธ์ที่ไม่เป็นศูนย์ในบริเวณใกล้เคียงกับส่วนโค้ง และไม่สามารถหลีกเลี่ยงแกนกลางได้หากวางไว้ที่นั่น ตัวอย่างหนึ่งของโหมดแสดงอยู่ในรูปด้านล่างและด้านขวา แม้ว่าบางโหมดจะแสดงรอยแผลเป็นและช่องว่างกว้าง แต่ไม่มีช่องว่างใดที่ปกคลุมแกนกลาง

คุณสมบัติของ DCF ที่มีโครงสร้างหุ้มเป็นรูปทรงเกลียวสามารถตีความได้ว่าเป็นการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม กำลังสองของอนุพันธ์ของโหมดที่ขอบเขตสามารถตีความได้ว่าเป็นความดัน โหมด (รวมถึงรังสี) ที่สัมผัสกับขอบเขตรูปทรงเกลียวจะถ่ายโอนโมเมนตัมเชิงมุมบางส่วนไปยังขอบเขตนั้น การถ่ายโอนโมเมนตัมเชิงมุมนี้ควรได้รับการชดเชยด้วยความดันที่ส่วนภายใน ดังนั้นจึงไม่มีโหมดใดสามารถหลีกเลี่ยงส่วนภายในได้ โหมดต่างๆ อาจแสดงรอยแผลเป็นที่รุนแรงตามเส้นทางคลาสสิก (รังสี) และช่องว่างกว้าง แต่รอยแผลเป็นอย่างน้อยหนึ่งรอยควรเข้าใกล้ส่วนภายในเพื่อชดเชยโมเมนตัมเชิงมุมที่ถ่ายโอนโดยส่วนที่เป็นเกลียว

การตีความในแง่ของโมเมนตัมเชิงมุมบ่งชี้ถึงขนาดที่เหมาะสมที่สุดของชิ้นส่วน ไม่มีเหตุผลที่จะทำให้ชิ้นส่วนใหญ่กว่าแกนกลาง เพราะชิ้นส่วนขนาดใหญ่จะไม่ทำให้รอยแผลเป็นกระจุกตัวเพียงพอที่จะทำให้เกิดการเชื่อมต่อกับแกนกลาง และไม่มีเหตุผลที่จะทำให้รอยแผลเป็นกระจุกตัวอยู่ในมุมที่เล็กกว่าแกนกลาง เพราะค่าอนุพันธ์ที่น้อยเมื่อเทียบกับรัศมีจะทำให้การผลิตมีความแข็งแรงน้อยลง ยิ่งค่าอนุพันธ์มากเท่าไร ความผันผวนของรูปร่างที่ยอมรับได้โดยไม่ละเมิดเงื่อนไขก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้นดังนั้น ขนาดของชิ้นส่วนควรมีขนาดใกล้เคียงกับขนาดของแกนกลาง ${\displaystyle R'(\phi )}$${\displaystyle R'(\phi )>0}$

ที่เข้มงวดกว่านั้น คุณสมบัติของโดเมนรูปทรงเกลียวเป็นผลมาจากทฤษฎีบทเกี่ยวกับพฤติกรรมขอบเขตของโหมดของDirichlet Laplacian ^{[ 10 ]}แม้ว่าทฤษฎีบทนี้จะถูกกำหนดขึ้นสำหรับโดเมนที่ไม่มีแกนกลาง แต่ก็ห้ามโหมดที่หลีกเลี่ยงแกนกลาง โหมดที่หลีกเลี่ยงแกนกลางจึงควรคล้ายกับโหมดของโดเมนที่ไม่มีแกนกลาง

การเพิ่มประสิทธิภาพแบบสุ่มของรูปทรงปลอกหุ้มยืนยันว่าเกลียวเกือบเป็นวงกลมทำให้เกิดการเชื่อมต่อที่ดีที่สุดของปั๊มเข้าสู่แกนกลาง^{[ 11 ]}

เส้นใยแบบสองชั้นเรียว (T-DCF) คือเส้นใยที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางของชั้นนอก ชั้นใน และแกนกลางแปรผันอย่างราบรื่นตามความยาว แกนกลางที่ด้านแคบของ T-DCF รองรับการแพร่กระจายของโหมดพื้นฐานเท่านั้น ในขณะที่ด้านกว้าง แกนกลางสามารถนำทางโหมดได้หลายโหมด อย่างไรก็ตาม มีการแสดงให้เห็นในเชิงทดลองว่าแสงที่ส่งเข้าไปในปลายด้านแคบของ T-DCF จะแพร่กระจายเข้าไปในแกนกลางด้านกว้างโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงเนื้อหาของโหมด^{[ 12 ]}ด้วยเหตุนี้ ที่ปลายด้านกว้าง (ส่วนใหญ่เป็นมัลติโหมด) ของ T-DCF แสงจะแพร่กระจายเฉพาะในโหมดลำดับต่ำสุดด้วยคุณภาพลำแสงที่ยอดเยี่ยม ดังนั้น เส้นใยเรียวจึงเป็นวิธีที่ไม่เหมือนใครและง่ายในการนำการแพร่กระจาย (และการขยาย) ของโหมดพื้นฐานมาใช้ในเส้นใยมัลติโหมด

ประสิทธิภาพการดูดซับพลังงานปั๊มในเส้นใยเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญของเลเซอร์ไฟเบอร์แบบสองชั้น ในหลายกรณีประสิทธิภาพนี้สามารถประมาณได้ด้วย^{[ 2 ]}

${\displaystyle 1-\exp \left(-F{\frac {\pi r^{2}}{S}}\alpha L\right),}$

ที่ไหน

${\displaystyle S}$คือพื้นที่หน้าตัดของวัสดุหุ้ม

${\displaystyle r}$คือรัศมีของแกนกลาง (ซึ่งถือว่าเป็นรูปวงกลม)

${\displaystyle \alpha }$คือค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงของปั๊มในแกนกลาง

${\displaystyle L}$คือความยาวของเส้นใยหุ้มสองชั้น และ

${\displaystyle F}$เป็น พารามิเตอร์ปรับ ค่าที่ไม่มีมิติซึ่งบางครั้งเรียกว่า "ปัจจัยการเติม"${\displaystyle 0<F<1}$

ปัจจัยการเติมเต็มอาจขึ้นอยู่กับการกระจายตัวเริ่มต้นของแสงปั๊ม รูปทรงของปลอกหุ้ม และตำแหน่งของแกนกลางภายในปลอกหุ้มนั้น

พฤติกรรมแบบเลขชี้กำลังของประสิทธิภาพการดูดซับพลังงานปั๊มในแกนกลางนั้นไม่ชัดเจนนัก อาจคาดได้ว่าโหมดบางโหมดของชั้นหุ้ม (หรือรังสีบางรังสี) จะมีการเชื่อมต่อกับแกนกลางได้ดีกว่าโหมดอื่นๆ ดังนั้น ความสัมพันธ์ที่ "แท้จริง" อาจเป็นการรวมกันของเลขชี้กำลังหลายตัว การเปรียบเทียบกับการจำลองเท่านั้นที่ยืนยันการประมาณนี้ได้ ดังแสดงในรูปด้านบนและด้านขวา โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การประมาณนี้ใช้ไม่ได้กับเส้นใยทรงกลม ดูงานเริ่มต้นของ Bedo et al. ที่อ้างถึงด้านล่าง สำหรับเส้นใยแบบอลวน ค่าจะเข้าใกล้หนึ่ง ค่าของสามารถประมาณได้โดยการวิเคราะห์เชิงตัวเลข ด้วยการแพร่กระจายของคลื่น การขยายตัวโดยโหมด หรือโดย การติดตามรังสีทางทัศนศาสตร์เชิงเรขาคณิตและค่า 0.8 และ 0.9 เป็นเพียงพารามิเตอร์ปรับค่าเชิงประจักษ์ ซึ่งให้ความสอดคล้องที่ดีของการประมาณค่าอย่างง่ายกับการจำลองเชิงตัวเลขสำหรับเส้นใยหุ้มสองชั้นสองประเภทเฉพาะ ได้แก่ แบบเยื้องศูนย์ทรงกลมและแบบสี่เหลี่ยมผืนผ้า เห็นได้ชัดว่า การประมาณค่าอย่างง่ายข้างต้นนั้นใช้ไม่ได้ผลเมื่อค่าพารามิเตอร์ออฟเซ็ตมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับขนาดของวัสดุหุ้ม ${\displaystyle F}$${\displaystyle F}$

ปัจจัยการเติมเข้าใกล้หนึ่งอย่างรวดเร็วเป็นพิเศษในปลอกหุ้มรูปทรงเกลียว เนื่องมาจากพฤติกรรมขอบเขตพิเศษของโหมดของDirichlet Laplacian ^{[ 10 ]}นักออกแบบไฟเบอร์แบบหุ้มสองชั้นมองหาการประนีประนอมที่เหมาะสมระหว่างรูปทรงที่เหมาะสมที่สุด (เพื่อการเชื่อมต่อปั๊มเข้ากับแกนกลางอย่างมีประสิทธิภาพ) และความเรียบง่ายของการผลิตพรีฟอร์มที่ใช้ในการดึงไฟเบอร์ ${\displaystyle F}$

การเพิ่มกำลังของเลเซอร์ไฟเบอร์ถูกจำกัดด้วยผลกระทบที่ไม่เป็นเชิงเส้นที่ไม่พึงประสงค์ เช่นการกระเจิงบริลลูอินแบบกระตุ้นและการกระเจิงรามานแบบกระตุ้นผลกระทบเหล่านี้จะลดลงเมื่อเลเซอร์ไฟเบอร์สั้น อย่างไรก็ตาม เพื่อการทำงานที่มีประสิทธิภาพ ควรดูดซับปั๊มในแกนกลางตามความยาวที่สั้น การประมาณข้างต้นใช้ได้ในกรณีที่มองในแง่ดีนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ยิ่งขั้นของดัชนีหักเหจากชั้นหุ้มด้านในไปยังชั้นหุ้มด้านนอกสูงขึ้นเท่าใด ปั๊มก็จะถูกกักเก็บไว้ได้ดีขึ้นเท่านั้น ในกรณีที่จำกัด ขั้นของดัชนีสามารถอยู่ในลำดับที่สอง จากแก้วไปยังอากาศ^{[ 13 ]}การประมาณด้วยปัจจัยการเติมจะให้การประมาณว่าเลเซอร์ไฟเบอร์แบบสองชั้นที่มีประสิทธิภาพสามารถสั้นได้เพียงใด เนื่องจากการลดขนาดของชั้นหุ้มด้านใน

สำหรับรูปทรงการหุ้มที่ดี ปัจจัยการเติมที่กำหนดไว้ข้างต้นจะเข้าใกล้หนึ่ง การปรับปรุงต่อไปนี้เป็นไปได้ที่การเรียวของวัสดุหุ้มแบบต่างๆ^{[ 14 ]}รูปทรงที่ไม่ธรรมดาของวัสดุหุ้มดังกล่าวได้รับการแนะนำ^{[ 15 ]}${\displaystyle F}$

ท่อนำคลื่นระนาบที่มีตัวกลางขยายสัญญาณแบบแอคทีฟอยู่ในตำแหน่งกลางระหว่างเลเซอร์โซลิดสเตทแบบ ดั้งเดิม และเลเซอร์ไฟเบอร์แบบสองชั้น ท่อนำคลื่นระนาบสามารถกักเก็บปั๊มแบบหลายโหมดและลำแสงสัญญาณคุณภาพสูง ทำให้สามารถเชื่อมต่อปั๊มได้อย่างมีประสิทธิภาพ และให้เอาต์พุตที่จำกัดการเลี้ยวเบน^{[ 7 ] [ 16 ]}