Исследование поляризационных методов и технологий согласования волоконно-оптических и интегрально-оптических волноводов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Аксарин Станислав Михайлович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ МЕТОДОВ И ТЕХНОЛОГИЙ СОГЛАСОВАНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ И ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДОВ

Специальность 01.04.05 - Оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

23 ОКУ 2014

Санкт-Петербург - 2014

005553588

005553588

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент

Стригал ев Владимир Евгеньевич

Официальные оппоненты: Филатов Юрий Владимирович

доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) декан ФИБС, заведующий кафедрой ЛИНС

Николаев Владимир Александрович кандидат технических наук, доцент Начальник отдела коммуникаций СПБНЦ РАН

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный

университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

Защита диссертации состоится "Об" ноября 2014 г. в 17 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д212.227.02 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49, ауд. 466.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49 и на сайте fppo.ifmo.ru

Автореферат разослан «_£_» октября 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор Денисюк И.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Устройства, использующие оптические методы обработки информации и проведения измерений, давно существуют и применяются в науке и технике. В последнее десятилетие произошел существенный прорыв в производстве устройств, основанных на волоконно-оптических компонентах. В частности, это было обусловлено совершенствованием технологии производства и, как следствие, повышением качества волоконно-оптических компонентов.

Появление устройств, основанных на интерферометрических методах измерений, позволило вывести на новый уровень возможности приборостроения в области измерения физических величин. Особую роль в этом сыграли оптические волноводы, позволившие создать класс высокоточных поляризационно-интерферометрических датчиков физических величин. В пример можно привести волоконно-оптические гироскопы навигационного класса точности, волоконно-оптические гидроакустические антенны, датчики напряжения, тока и т.д.

Оптические волокна с двулучепреломлением, обладающие свойством передавать линейно-поляризованное излучение через всю длину волокна, широко используются в интерферометрических волоконно-оптических датчиках и других поляризационно-чувствительных устройствах в качестве чувствительных элементов и оптических трактов передачи информации. Сохранение поляризации достигается за счет создания асимметрии в структуре волокна, либо под действием индуцированной механической напряженности материала, создаваемой в процессе производства волокна, которая приводит к возникновению модового двулучепреломления. Такое двулучепреломление свидетельствует о наличии способности удерживать поляризацию в волокне.

Одним из препятствий на пути создания высокоточных приборов является влияние поляризационных эффектов, связанных с рассогласованиями поляризации интерферирующих волн, приводящее к возникновению ошибок и искажению сигнала интерферометра. Помимо этого, способность сохранять поляризацию введенного излучения также имеет предел. Таким образом, связанные с двулучепреломлением параметры являются наиболее важными при рассмотрении оптических волокон с двулучепреломлением. Эти параметры включают в себя: величину модового двулучепреломления (фазовое двулучепреломление), величину группового двулучепреломления (поляризационно-модовая дисперсия), дисперсию двулучепреломления, коэффициент экстинкции сохранения поляризации и Н-параметр.

Целью работы является комплексное исследование и модернизация метода прецизионной юстировки оптических волноводов с двулучепреломлением, разработка инструкций для практического применения при сборке и настройке приборов, позволяющих учитывать различные нелинейные эффекты, влияющие на точность и качество юстировки волокон.

Для достижения цели необходимо решить следующие основные задачи: 1. Выбрать наиболее точный метод и собрать экспериментальный стенд, позволяющий производить юстировку оптических осей анизотропных волноводов.

2. Разработать теоретическую модель и математический аппарат для анализа поляризационных преобразований в оптическом тракте, состоящем из элементов с двулучепреломлением.

3. Экспериментально подтвердить полученные выводы теоретической модели для оценки величины поляризационных преобразований.

4. Исследовать поляризационно-оптические характеристики оптических волокон с двулучепреломлением, применяемых при производстве волоконно-оптических поляризационно-интерферометрических датчиков.

5. Исследовать явление дисперсии двулучепреломления и оценить ее влияние на точность юстировки осей анизотропии.

6. Измерить величину дисперсии для анизотропных одномодовых волокон с эллиптической напрягающей оболочкой.

7. Провести исследование влияния записи волоконных брэгговских решеток (ВБР) на поляризационные характеристики оптических волокон с двулучепреломлением.

Научая новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

1. Разработана методика юстировки оптических осей различных оптических волноводов с двулучепреломлением с учетом влияния эффекта дисперсии двулучепреломления на точность юстировки.

2. Предложена методика диагностики поляризационных характеристик многоэлементной оптической системы, состоящей из оптических волноводов с двулучепреломлением, с учетом нелинейного эффекта дисперсии двулучепреломления на основе метода широкополосной интерферометрии и поляризационно-интерференционной схемы интерферометра Майкельсона.

3. Предложена методика измерения дисперсии двулучепреломления для оптического волокна с эллиптической напрягающей оболочкой для повышения точности юстировки оптических осей волноводов с двулучепреломлением (ДЛП).

4. Предложена оригинальная оптическая схема волоконно-оптического датчика для измерения напряженности электрического поля.

5. Проведено исследование влияния волоконных брэгговских решеток, записанных в специальные фоторефрактивные оптические волокна с эллиптической напрягающей оболочкой, на поляризационные характеристики оптических волокон (ОВ).

Практическое значение работы состоит в следующем:

1. Разработан и испытан комплекс для соединения и юстировки волоконных и интегрально-оптических компонентов с двулучепреломлением для производства волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) на базе ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», подтвержденный выпуском конструкторской и технологической документации с присвоением децимальных номеров, на основе которой ведется сборка ВОГ.

2. Разработана новая оптическая схема волоконно-оптического датчика для измерения напряженности электрического поля, и предложена методика юстировки оптических элементов чувствительного элемента датчика.

3. Измерено значение дисперсии двулучепреломления для оптического волокна с эллиптической напрягающей оболочкой, изготовленного по ТУ ЯЕИЛ.48-2008, равное 0,05 пс/(нм-км), для повышения точности юстировки оптического волокна.

4. Измерен и определен пороговый критический диаметр изгиба волокна, равный 40 мм, приводящий к снижению значения Н-параметра для оптического волокна с эллиптической напрягающей оболочкой, изготовленного по ТУ ЯЕИЛ.48-2008.

5. На основе разработанной методики получена зависимость коэффициента экстиикции поляризации от коэффициента отражения на ВБР, записанных в оптические волокна с ДЛП.

Защищаемые положения:

1. Методика диагностики поляризационных характеристик распределенной многоэлементной оптической системы, состоящей из элементов с двулучепреломлением, с учетом эффекта дисперсии двулучепреломления на основе метода широкополосной поляризационной интерферометрии с помощью сканирующего интерферометра Майкельсона, обеспечивающая точность оценки коэффициента экстинкции преобразования поляризации до -70 дБ.

2. Метод, позволяющий производить юстировку оптических осей различных оптических волноводов с двулучепреломлением с контролем точности до 0,02° с учетом влияния эффекта дисперсии двулучепреломления.

3. Математический аппарат, позволяющий производить расчет влияния дисперсии двулучепреломления на точность измерения углов рассогласования оптических осей различных волноводов с ДЛП.

4. Метод юстировки анизотропных оптических элементов волоконно-оптических устройств с отражателями.

5. Метод, обеспечивающий повышение точности выравнивания разности оптических длин ортогональных мод различных анизотропных элементов с отличающейся величиной двулучепреломления с контролем точности до центральной длины волны спектра используемого источника излучения.

6. Оптическая схема, позволяющая компенсировать временную расходимость поляризационных мод в отдельных элементах схемы.

7. Расчет, позволяющий учесть влияние записи ВБР в оптические волокна с двулучепреломлением на увеличение межмодового поляризационного преобразования.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XIII Конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (Санкт-Петербург, Россия, 2011), доклад на секции «Чувствительные элементы инерциальных навигационных систем» был удостоен премии Анфиногенова за лучший доклад; на VII Всероссийской межвузовской конференции (Санкт-Петербург, Россия, 2011); на I и II Конгрессе молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2012, 2013); на VI и VII Международной конференции молодых ученых и специалистов «01ТГИКА-2011» и «ОПТИКА-2013» (Санкт-Петербург, Россия, 2011, 2013); на XL, XLI, XLII научных и учебно-

методических конференциях НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2011, 2012, 2013). Диссертант является победителем конкурса грантов правительства Санкт-Петербурга 2011 года для студентов, аспирантов вузов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга.

Внедрение результатов. Результаты данного исследования широко применяются для производства волоконно-оптических гироскопов и при разработке рабочих макетов различных типов гидроакустических антенн на волоконных брэгговских решетках на базе ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»; также результаты используются на кафедре световодной фотоники Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики при исследовании новых типов оптических волокон с двулучепреломлением и интегрально-оптических волноводов, а также при разработке новых типов волоконно-оптических датчиков поляризационно-интерферометрического типа.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 3 статьях, входящих в список ВАК. Полный список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата и составляет 9 наименований.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех оригинальных глав и заключения, изложена на 116 страницах машинописного текста, содержит 88 рисунков и 1 таблицу, список цитированной литературы представлен 49 публикациями.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и задачи работы, представлена научная новизна, а также определена практическая ценность полученных результатов и приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору основных видов оптических волокон с двулучепреломлением и интегрально-оптических волноводов, дано определение эффекту двулучепреломления в оптических волноводах, Н-параметру и длине биений. Была рассмотрена основная область применения таких оптических волноводов и преимущества их использования, при конструировании и построении современных волоконно-оптических датчиков. При этом было акцентировано, что основная сложность использования таких волокон заключается в необходимости производить точную юстировку анизотропных оптических осей. Проанализированы основные методы юстировки, рассмотрены их достоинства и недостатки. Было замечено, что классические методы позволяют производить юстировку осей лишь на выходе конечного элемента, то есть отсутствует возможность контроля и ориентации оптических осей в середине какой-либо сложной многоэлементной оптической системы. Главным недостатком этих методов является полное отсутствие возможности сохранения одноименности при согласовании оптических осей. К тому же точность юстировки не превышает 0,5-1 градуса. Отмечено, что перечисленных

недостатков лишен метод юстировки, основанный на широкополосной интерферометрии с использованием поляризационного сканирующего интерферометра Майкельсона.

Во второй главе диссертации рассмотрено распространение ортогональных мод в оптическом волокне с двулучепреломлением при условии использования широкополосного источника излучения с гауссовым распределением спектральной плотности. Промоделирован механизм возникновения точек преобразования поляризации в оптических волноводах.

Определено выражение для расчета коэффициента экстинкции И.с преобразования поляризации в точке по видности интерференционной картины Ус, полученной сканированием оптического тракта подвижным зеркалом интерферометра Майкельсона, при условии положения анализатора под углом 45 градусов к анизотропным оптическим осям волновода:

41/с2

К =-7

1 - 4УС2 + 1

Для связи коэффициента экстинкции эквивалентного угла рассогласования а на вводе линейно поляризованного излучения в оптическое волокно получено выражение

вт(2 а)2

Ьс = — --2

(VI - э1п(2а)2 + 1)

В логарифмическом представлении выражение примет вид (рис. 1):

зт(2 а)2

Н = 101од

Угол рассогласования <>, градусы

Рис. 1. График зависимости коэффициента экстинкции от угла рассогласования

(^1 -зт(2а)2 + 1)

Предложен метод согласования осей оптических волокон с заранее неизвестной ориентацией оптических осей при помощи поляризационного интерферометра

Майкельсона. Кратко суть метода можно описать следующим образом (рис.2): излучение от источника линейно поляризуется, затем вводится в оптическое волокно " 1" с двулучепреломлением под углом а, при этом линейная поляризация раскладывается на две ортогональные компоненты, соответствующие поляризационным модам волокна.

При распространении по волокну моды расходятся на расстояние Ы соответствующее разности фаз набега для каждой из мод. Далее, на стыкс с волокном "2" и углом между осями волокон 9 соответствующие компоненты преобразуются в компоненты А, В, С, £>. На выходе волокна "2" все 4 компоненты по 2 пары разойдутся на расстояние 1,2, пройдут через анализатор с ориентированный под углом /? = 45 градусов и попадут на вход интерферометра Майкельсона.

Ы

Ы

¿А| ма (хт|х

интерферометр Майкельсона

\

V

\ , -А

I

у \ '

\

\

п фотоприемннк Рис. 2. Схема распространения поляризационных мод, при юстировке двух волокон

Математическое моделирование показало, что при смещении зеркала возникнет четыре интерференционных пика (рис.3), соответствующие всем возможным вариантам взаимного перекрытия пар волновых пакетов. Ориентируя анализатор под 45 градусов по максимуму последнего пика и выставляя поляризатор в ось первого волокна, затем, вращая два волокна друг относительно друга, можно добиться исчезновения интерференционного члена, возникающего при проходе во втором волокне.

Одно из преимуществ этого метода заключается в возможности определения взаимной ориентации оптических осей волокон друг относительно друга. Для этого необходимо повернуть поляризатор на 45 градусов и проверить наличие пиков отвечающих разность (при скрещенной ориентации) оптических ходов.

В общем виде, при любом числе точек преобразований поляризации формулу

интенсивности интерференционной картины (2) можно

представить в следующем 0 3хШ"1 1х10"' мо-

ВИд£. Длина плеча интерферометра, м

Рис. 3. Интерферограмма при первичном сканнировании

за сумму (при параллельной ориентации) или

+ 0.5

1р

I(Дх) = ^Х1{а,р, в1Л.....р) • со$Осйх{) ■ у(х,)

I

Х0{а,р, в12.....р)(1 + со5(к0Д5) • у(Дя))

- ^ Х1 (а,/?, вХ2.....р) • соггОоС^ + Дх)) • + Дх)

г ¡р

+ .....р) ■сох(/с0(^ - Д 5)) ^(ху - Д5)

£

где 1р — количество интерференционных пиков без симметричной части выражения; а и /3 - углы поворота поляризатора и анализатора соответственно; б?! 2 р — эквивалентная углу величина для каждого поляризационного преобразования; Х0(а,р, д12 р) - амплитуда центрального пика; ^¡(а,б12,...1Р) -соответствующая 1-я амплитуда преобразования для каждого интерференционного пика; х, - оптическая разность хода для каждого интерференционного пика, Ав - разность длин плеч интерферометра, у(Д5) -функция когерентности используемого источника оптического излучения. Количество интерференционных пиков можно рассчитать по формуле:

_ у /с! - 2"-1 1р ~~ 1ап\(к- ?г)! '

п—1

где к — число отрезков в оптическом тракте, на которые делят участок волокна поляризационные преобразования р. То есть к = р + 1.

В случае исследования Н-параметра волокна, который, как известно, является аддитивной величиной преобразований, связанных, чаще всего, с равномерно распределенными неоднородностями в волокне, можно использовать подход к анализу преобразований, как к вероятностному стохастическому процессу, и разделить весь оптический тракт на отрезки длиной, равные длине деполяризации Ьа:

I — _ ^сЛ Ап ~ Ас '

где !Ч1С - длина декогерентности оптического излучения, Ас — центральная длина волны излучения, Д п — разность эффективных показателей преломления оптических осей волокна, Л — длина биений.

Мощность одного преобразования, умноженная на количество преобразований, дает Н-параметр, нормированный на метр:

Н1 = , дБ/м

На примере намотанного участка оптического волокна с двулучепреломлением длиной 5 метров на диаметр 20 мм покажем результат возникновения распределенного преобразования поляризации (рис. 4 (нияший график)). Средний уровень видности величины преобразования равен 0,003, что

соответствует Н-параметру -40 дБ/м, при длине деполяризации 1й = 0,08 м. Зона после преобразования показывает минимально различимый уровень сигнал/шум 0,0003, -60 дБ/м.

Длина плеча интерферометра, м

Рис. 4. Сверху показана видность «чистой» функции когерентности источника излучения, полученная с изотропным волокном. Снизу - видность интерференционной картины, полученная сканнированием участка волокна с двулучепреломлением длиной 20 м и намотанного участка длиной 5 метров на диаметр 20 мм

При исследовании Н-параметра впервые был проведен ряд измерений (рис. 5) для оптического волокна с эллиптической напрягающей оболочкой, изготовленного по ТУ ЯЕИЛ.48-2008, используемого при производстве высокоточных навигационных систем на базе ВОГ в ОАО «Концерн «ЦНИИ» Электроприбор». Эксперимент заключался в намотке срединного участка оптического волокна на различные диаметры и снятии интерферограммы. В результате

исследования был определен пороговый критический диаметр намотки оптического волокна равный 40 мм, приводящий к снижению собственного значения Н-параметра без воздействия.

В третьей главе диссертации был Диаметр номт™. мм

рассмотрен и определен эффект дисперсии Рис, 5. Зависимость Н-параметра от двулучепреломления, влияние которого, как диаметра намотки оптического волокна было обнаружено, приводит к значительному снижению точности согласования поляризационных мод оптических волокон. Выражение для распределения интенсивности интерференционной картины с учетом дисперсии двулучепреломления примет следующий вид:

/(Д5) = ;0 1 + (1 + >?2Г

ехр

х соз к0 (Ап1 — Аз) ■

/ 2(дл/г - Дх) >

г] /2(ДМ-Дх)

1 + V2 V

где ДN — групповая разница эффективных показателей преломления ОВ с ДЛП, 77 - значение хроматической дисперсии, накопленное вдоль всей длины волокна I:

ДО - величина дисперсии двулучепреломления:

■) ДО • I,

ДО =

йт-

рт

где (¿т„

с^Д/?

(11 2жс V <1ш2 среднее время задержки между

двумя ортогональными

поляризационными модами волокна (поляризационно-модовая дисперсия), Д/3 разница постоянных распространения.

За счет влияния дисперсии происходит уширение № интерференционного пика

относительно нулевого \У0 по закону:

IV

— = (1 + п2)°-5 ,

и снижение видности интерференционного пика V:

''о

На рисунке сравнительные

Даинл плеча интерферометра, мм

показаны

Рис. 6. Пример уширения интерференционного пика на интерферограмме. Вверху длина волокна 40 м, внизу 230 м

интерферограммы, как пример уширения и снижения максимума амплитуды интерференционного пика для двух отрезков волокна длиной 40 метров и 230 метров.

Это явление приводит к снижению разрешающей способности определения месторасположения локальных точек преобразования поляризации для больших отрезков оптического волокна с двулучепреломлением пропорционально расширению спектра излучения источника. Для расчета коэффициента экстинкции преобразования поляризации с учетом дисперсии двулучепреломления на основе выражения (1) была предложена следующая формула:

4У2л/1 + г)2

К —

1 — + г]2 + 1

Для повышения точности расчетов при юстировке оптического волокна с ДЛП было впервые измерено значение параметра дисперсии двулучепреломления для оптических волокон с эллиптической напрягающей оболочкой,

изготовленных по ТУ ЯЕИЛ.48-2008, равное ДО = 0,05-

Эксперимент

нм-км

заключался в измерении ширины и уровня видности для отрезков волокна равных 2, 5, 42, 59, 77, 96, 141, 188 и 236 м. Построенная сравнительная картина видности для всех отрезков показана на рисунке 7. Значение ширины каждого интерференционного пика определялось по уровню 1/е2 относительно собственного максимума

2 0.3

f 0.2

0.1

О

2 м ...........i............. |

236 м Уу :Ц \ ................! IJ ..... ......- 1 ; Щу.....-.......- -..................- жч

-0.6

0.8

-0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6

Длина плеча интерферометра, мм Рис. 7. Результаты измерений интерференционных пиков для отрезков волокна с длинами 2, 5,42, 59,77, 96, 141, 188 и 236 м

По оценке максимума и ширины для каждого измерения были построены кривые уширения и снижения видности (рис. 8) и методом перебора определен коэффициент дисперсии двулучепреломления, равный ДО = 0,05 ——.

Рис. 8. Слева показан график уширения интерференционных пиков, справа - снижения водности интеференционной картины. Точками показаны измеренные значения, сплошной - кривые с подобранным коэффициентом дисперсии ДО = 0,05-^—

нм-км

Четвертая глава посвящена использованию методики юстировки различных волоконно-оптических и интегрально-оптических волноводов. Также в ней приведены примеры оценки величины поляризационных преобразований в оптическом тракте для построения волоконно-оптических датчиков физических величин различного рода.

Подробно описана ШКааНМ" ' ...... • .......¿Л

оригинальная методика

юстировки оптических волокон с многофункциональной интегрально-оптической схемой при сборке волоконно-оптических гироскопов.

Представлено описание разработанного комплекса для

прецизионной юстировки и Рис. 9. Узел сканирующего поляризационного

исследования оптических интерферометра Майкельсона

волноводов при сборке различных поляризационно-интерферометрических датчиков, позволяющего производить юстировку анизотропных элементов с контролем точности до 0,02 градуса между оптическими осями. Была проделана работа по проектированию, расчету и сборке комплекса, состоящего из 2-х главных функциональных узлов. Первый узел (рис. 9) включает в себя сканирующий поляризационный интерферометр Майкельсона с подвижным зеркалом на моторизированном микропозиционере и специально разработанный для этой цели фотодетектор с коэффициентом усиления 10б и низкими собственными шумами. В узел также входит персональный компьютер с платой сбора данных и блоком управления линейным микропозиционером.

В целом, первый функциональный узел выполняет контрольно-измерительную функцию и позволяет с высоким разрешением произвести

□ 2 0.25 Длина плеча

Г К(\

!А Ь 1 А А А А А: А А

.Ш- V у Н I I ( Й Ш/1 1 \ , у

0.004 0.005 0.006 Длина плеча, мм

0.007 0.008

Рис. 10. Результат сканирования при скорости перемещения зеркала 1 мм/с с разрешением 2 нм. Сверху интерферограмма, полученная смещением зеркала в диапазоне от 0 до 0,5 мм. Снизу интерферограмма, полученная смещением зеркала в области «нуля» разницы оптического хода зеркал

типичным результат при сканировании

сканирование оптического тракта на наличие поляризационных преобразований и определить их местоположение. На рис 10 представлен измерения распределения интерференционных пиков подвижным зеркалом интерферометра.

Второй узел выполняет функцию позиционирования и включает в себя 6-координатный

микропозиционер Н-206 Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. с компьютерным управлением, позволяющий производить юстировку элементов с точностью установления

линейных координат до 0,1 мкм и угловых координат до 1"(6 мкрад), микроскопом и видеокамерой (рис. 11 ). Рис. 11, Узел стыковки волноводов

Для определения требуемых точностных характеристик микропозиционера было проведено исследование эффективности ввода излучения между оптическим волокном и канальным волноводом при поперечных и угловых рассогласованиях. Результаты измерений показали, что для эффективного согласования волокна и интегрально-оптического волновода в пределах значений 0,2 дБ оптических потерь от максимально эффективного ввода, необходимо производить юстировку с точностью не более ±0,5 мкм по поперечным координатам (рис. 12) и ±0,5 градусов по угловым координатам.

Рис. 12. Распределение эффективности ввода оптического излучения из волновода в оптическое волокно при поперечном рассогласовании по координатам У и Т

Смещение !Юоси */.. мм

Смещение по oeil Y, мм г.

Для сварки оптических волокон с ДЛП используется сварочный аппарат Кир к ига 1;8М-10 О Р с возможностью ручной ориентации оптических волокон, который устанавливается в схему стыковочного комплекса вместо 6-координатного микропозиционера. При этом дальнейшая процедура юстировки не отличается.

Разработанный метод и комплекс для стыковки и юстировки успешно применяется при изготовлении и проверке качества изготовления ВОГ для ОАО «Концерн «ЦНИИ» «Электроприбор». Выпущены инструкции и технологическая документация, что подтверждается актом о внедрении.

Применение комплекса позволило провести исследование влияния записи волоконных брэгговских решеток в оптические волокна с эллиптической напрягающей оболочкой на возникновение локальных точек преобразования поляризации. В результате исследования получены данные, по которым были построены зависимости снижения коэффициента экстинкции опгического элемента от коэффициента обратных отражений на ВБР и от оптических потерь, вносимых ВБР (рис. 13). Было выявлено, что при значениях коэффициента отражения ВБР типа II выше значений 20-30% преобразование поляризации

Оптические потери, лБ Коэффициент отражения

Рис. 13. Показаны зависимости коэффициента экстинкции от оптических потерь на ВБР и коэффициента

отражения ВБР

В этой же главе диссертационной работы предложена оригинальная схема волоконно-оптического устройства измерения напряженности электрического поля (рис. 14), а также методика его юстировки при сборке в части присоединения чувствительного элемента в виде канального волновода с зеркалом на торце. Описанная методика является также оригинальной и позволяет производить юстировку любых анизотропных оптических элементов волоконно-оптических устройств с отражателями.

В последней части главы подробно изложен оригинальный метод повышения точности выравнивания оптических длин различных анизотропных элементов с отличающейся величиной двулучепреломления с контролем точности до центральной длины волны используемого источника излучения, заключающийся в определении местоположения поляризационной интерференции при изменении длины компенсационного волокна.

(о) Г^]

Рис. 14. Оптическая схема волоконно-оптического устройства измерения напряженности электрического

поля

Рассмотрим интерференционные компоненты формулы (1). В случае, когда разница оптических путей, приобретаемая в системе между ортогональными модами, становится меньше удвоенной длины декогерентности излучения, интерференционная картина центрального пика становится фазово-зависимой от положения поляризационного пика за счет первой слагаемой компоненты Т.\Р Х1 (а,Р. 2,...,р) ' сс^Оо*;) -у(л).

На рисунке 15, а) представлено типичное распределение интенсивности от длины Дв плеча интерферометра при АпЬ>2Ь(1с. Красной (нижней) линией показано текущее положение интерференционного пика, а синей (верхней) -относительная амплитуда суммарной итоговой картины с учетом центрального пика.

При условии ДпЬ = 0 распределение интерференции будет повторять функцию когерентности излучения (рис. 15, б), при этом общий максимум становится вдвое больше. Математически это можно объяснить суммой всех компонент / в одной фазе.

На рисунке 15, в) показан один из крайних случаев при среднем положении интерференционного пика в случае несовпадения фазы с центральным пиком. Видно, что в этом случае определение максимума месторасположения интерференционного пика затруднено.

Для точного выравнивания центрального и поляризационного пиков необходимо предварительно записать огибающую "чистой" функции когерентности. Затем, зная ее ширину декогерентности по уровню 0,03, сравнивать с длиной ¿03, измеренной по суммарной картине интерференции (рис. 15, г), для определения остатка необходимой дайны компенсации.

Разность оптического хода, мм

а) А п1 > 21ас

Разность оптического хода, мм

в) ДлХ < 21 Лс , в противофазе

X 32® ф ]

Ё °<|

с

и

6-";

Разность оптического хода, мм

б) Д п1 = О

г) ДпЬ <21ас, случайное положение

Рис. 15. На рисунках а), б) и в) показаны интерферограммы сближения вторичного пика (показан на

каждом графике снизу) с центральным, при различных положениях. Суммарное распределение интенсивности показано сверху. На рисунке г) показано отклонение от длины декогерентности для «чистого» и суммарного сигнала.

В заключении диссертации приведены основные выводы и результаты исследования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

• Получен математический аппарат для точного расчета величины поляризационных преобразований, возникающих на стыках оптических волноводов с двулучепреломлением на основе метода широкополосной интерферометрии с использованием поляризационного интерферометра Майкельсона.

• Предложен метод согласования поляризационных осей оптических волокон при помощи поляризационного интерферометра Майкельсона с точностью 0,02 градуса между оптическими осями.

• Получен общий вид формулы интенсивности интерференционной картины для любого числа поляризационных преобразований.

• Исследован вопрос возникновения распределенных преобразований в сложных оптических схемах и сформулирован метод расчета и оценки величины Н-параметра. Также было рассчитано, что минимальная чувствительность инструмента исследования к распределенным преобразованиям в оптических волокнах составляет -60 дБ/м.

• Предложена методика диагностики поляризационных характеристик многоэлементной оптической системы, состоящей из оптических волноводов с

двулучепреломлением, с учетом нелинейного эффекта дисперсии двулучепреломления на основе метода широкополосной интерферометрии и поляризационно-интерференционной схемы интерферометра Майкельсона.

• Предложена формула для расчета коэффициента экстинкции с учетом дисперсии двулучепреломления.

• Был проведен ряд измерений и определен пороговый критический диаметр намотки равный 40 мм, приводящий к снижению значения Н-параметра, и измерено значение параметра дисперсии двулучепреломления, равное AD =

0.0 5- для оптических волокон с эллиптической напрягающей оболочкой,

нм-км ^ '

изготовленных по ТУ ЯЕИЛ.48-2008.

• Подробно описана методика юстировки оптических волокон с многофункциональной интегрально-оптической схемой при сборке волоконно-оптических гироскопов.

• Представлено описание разработанного комплекса для прецизионной юстировки и исследования оптических волноводов при сборке различных поляризационно-интерферометрических датчиков, позволяющего производить юстировку анизотропных элементов с контролем точности до 0,02 градуса между оптическими осями.

• По результатам исследования влияния записи волоконных брэгговских решеток в оптические волокна с эллиптической напрягающей оболочкой на возникновение локальных точек преобразования поляризации были представлены графики снижения коэффициента экстинкции оптического элемента в зависимости от коэффициента обратных отражений на ВБР и от оптических потерь, вносимых ВБР. Было выявлено, что при значениях коэффициента отражения ВБР типа II выше значений 20-30% преобразование поляризации становится существенным и приближается к значениям -15-^-20 дБ.

• Предложена и рассмотрена оригинальная схема волоконно-оптического устройства измерения напряженности электрического поля, а также методика его юстировки при сборке в части присоединения чувствительного элемента в виде канального волновода с зеркалом на торце, при этом описанная методика позволяет производить юстировку любых анизотропных оптических элементов волоконно-оптических устройств с отражателями.

• Предложена оригинальная методика повышения точности выравнивания оптических длин различных анизотропных элементов с отличающейся величиной двулучепреломления с контролем точности до центральной длины волны используемого источника излучения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В

РАБОТАХ

Из Перечня ВАК:

1. Аксарин С.М., Архипов C.B., Варжель C.B., Куликов A.B., Стригалев В.Е. Исследование зависимости параметров анизотропных одномодовых волоконных световодов от диаметра намотки. Научно-технический вестник

информационных технологий, механики и оптики - 2013. - № 6(88). - С. 22-26. -0,3125 п.л./0,0625 пл.

2, Аксарин С.М., Варжель C.B., Стригалев В.Е., Куликов A.B., Варламов A.B. Определение оптических потерь при стыковке световодов с различным диаметром модового поля. Научно-Технический вестник информационных технологий механики и оптики 2013. - № 2(84). - С. 23-26. - 0,25 п.л./0,05 пл.

3. Аксарин С. М., Шрамко O.A., Рупасов A.B., Новиков Р.Л. Метод исследования зависимости h-параметра анизотропного световода от радиуса изгиба. Научно-Технический вестник информационных технологий механики и оптики 2014. -№ 1(89). - С. 26-30. - 0,3125 п.л./0,078 пл.

Изобретения:

1,Мешковский И.К. Стригалев В.Е. Аксарин С.М. Волоконно-оптическое устройство для измерения напряженности электрического поля (справка о приоритете заявки на изобретение № 2013136095 от 31.07.2013, приоритет от 31.07.2013.

Другие публикации:

1. Аксарин С.М., Шрамко O.A., Дейнека И.Г., Плотников М.Ю., Рупасов A.B. Исследование пространственного распределения выходного оптического излучения полосковых волноводов, выполненных на основе ниобата лития. Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых, Выпуск 2. Труды молодых ученых / Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. — СПб.: СПбГУ ИТМО,2011.-С. 71-72.-0, 125 п.л./0,025 пл.

2. Аксарин С.М., Стригалев В.Е. Методика и аппарат исследования локальных преобразований в оптических волокнах с двулучепреломлением. Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Выпуск 2. 2012. - С.44-45. - 0,125 п.л./0,075 пл.

3. Аксарин С.М., Стригалев В.Е. Исследование влияния дисперсии двулучепреломления на точность углового согласования поляризационных мод оптических волноводов волоконно-оптического гироскопа. Сборник трудов VII международной конференции молодых ученых и специалистов «ОПТИКА -2011». - С.480-481. -0,125 пл./0,075 пл.

4. Аксарин С.М., Киреенков А.Ю., Варжель C.B., Мунько A.C. Исследование поляризационных характеристик волоконных решеток брэгга, индуцированных в двулучепреломляющем оптическом волокне с эллиптической напрягающей оболочкой. Сборник трудов VIII международной конференции молодых ученых и специалистов «ОПТИКА-2013». - С. 329-330,- 0,125 п.л./0,032 пл.

5. Аксарин С.М., Артеев. В.А., Киреенков А.Ю. Уменьшение оптических потерь на сварке анизотропных световодов путем оптимизации ее параметров. Сборник трудов II Всероссийского конгресса молодых ученых СПб.: НИУ ИТМО, 2013. - С. 11-13.-0,1875 пл./0,0625 пл.

6. Аксарин С.М., Смоловик М.А., Шуклин Ф.А., Никитенко А.Н., Алейник A.C., Дейнека И.Г. Применение электрооптических методов измерений в волоконно-оптических датчиках высоких напряжений. Сборник трудов II Всероссийского конгресса молодых ученых СПб.: НИУ ИТМО, 2013. - С. 189-195. - 0,4375 п.л./0,0875 пл.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14 Тел. (812)233 46 69. Объем 1,0 у. п.л. Тираж 100 экз.