Материальное и модовое двулучепреломление анизотропных одномодовых волоконных световодов с напрягающими областями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СУРИН СЕРГЕЯ ЮРЬЕВИЧ

МАТЕРИАЛЬНОЕ И МОДОВОЕ ДВШЧВДРЕЛСШЕННК АНИЗОТРОПНЫХ ОДНОМОДОШХ ВОЛСШ1ШХ СВБТОЮДОВ С НАПРЯГАВШИМ ОБЛАСТЯМИ

(01.04.21 - лвзерная физика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата фкзико-мэтекатичесгеп нзук

ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ «ЙЗИКИ

. УДК. 621.391.029.7 На правах рукописи

МОСКВА - 1992

Работа выполнена в Институте химия высокочистых веществ РАН

(Нижние Новгород).

Научные руководители: член-корреспондент РАН,

доктор физико-математических наук Дианов Евгений Михайлович; доктор химических наук Гурьянов Алексей Николаевич.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, Неуструев Владимир Борисович; доктор физико-математических наук Беланов Анатолий Семенович.

Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники РАН.

Защита состоится " О " "4 199_0 г. в ' часов

¡у

на заседании Специализированного совета К 003.49. 02 в Институте общей физики РАН по адресу: 117942. Москва. ГСП 312.

ул. Вавилова, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФ РАН.

о > г ; ."7

Автореферат разослан 'Ч.у

Ученый секретарь Совета

Т. В. Боля К

1. Обцэя характеристика работ».

Актуальность темы. В последние годы интенсивно разрабатываются волоконные световоды, способны® сохранять состояние ло-ляризации распространяющэгося вдоль шя излучения, тая газыва-емые анизотропные одномодовыа оолоконшэ световоды (ЛОВС). Интерес к разработке которых обусловлен их пркыонением з когерентных линиях волоконно-оптической свлзя к э волоконно-оптических датчиках Фазовой модуляции.

К настоящему времени наиболее перспективными из них являются одномодовне анизотропные световоды с сильным двулучепро-лонлением, возникающим за счет внутренних анизотропных напряжений световода, источник которых - специальным образоа сформированные области световода с отличным от остального материала коэффициентом термического расширения (КТР). Наилучшие характеристики из них достигнуты у световодов трех основных типов: световоды с эллиптической напрягающей оболочкой, световоды типа "bow-tie" и PANDA. Но так как световоды типа PAKDA качественно могут рассматриваться как частный случай световодов типа "bow-tie", то исследование характеристик ЛОВС с напт рягающими областями мохет проводиться на рассмотрении световодов двух типов - световодов с эллиптической напрягающей оболочкой и световодов типа "bow-tie".

Важнейшей характеристикой анизотропных световодов является их величина двулучепреломления, так как именно она определяет их основные параметры, такие как: поляризационная дисперсия, рааность хроматических дисперсий поляризационных мод, h-параметр и состояние поляризации излучения на выходе световода, поэтому исследование метериального и модового двулуче-

преломления анизотропных световодов, ьлияния на него структурных параметров световода представляет Сольной интерес с точки зрения использования этих сзетоводсв в оптоэлектроннах системах и является актуальной задачей.

К моменту начала исследований, представленных в диссертационной работе, теоретические рассмотрения основных типоз АОВ'" ограничивались лишь случаями идеальной симметрии напрягающих областей анизотропных световодов. Очевидно, что 8 процессе изготовления АОВС идеальная симметрия поперечной напрягающей структуры не будет выдержана в силу различных технологических ограничений. В связи с этим представляет интерес теоретическое исследование влияния асимметричных отклонений в поперечной напрягающей структуре анизотропных световодов на величины их двулучепреломления, которое также определяет актуальность рассматриваемой задачи диссертации.

Целью диссертационной работы является теоретическое ис-следосанке влияния структурных параметров АОЕС нз материальное и модовое двулучепреломление анизотропных сднсмодовых световодов на основе квасцевого стекла с эллиптической кэпря-гаюдей оболочкой и световодов типа "bow-tie", е том числе:

- теоретическое исследование методом конечных элементов полей термоупругих напряжений и обусловленного ими материального дзулучепреломления АОВС этих двух типов;

- теоретический анализ влияния геометрических параметров поперечной структуры на зеличину материального двулучелролом-ленкя ленточного световода;

- теоретическое исследование влияния асимметричных отклонений в напрягающих структурах АОВС с эллиптической напрягающей оболочкой и АОБС типа "bow-tie" на величины материального

двулучопреломления и определенна технологических допусков к л вэличину асимметричных отклонений в напрягающих структурах этих световодов;

- разработка численного метода анализа анизотропного волнового уравнения, позволяющего определять распределение поле; основной моды АОБС ее постоянную распространения:

- теоретическое исследование разработанным методом влияния геометрических параметров напрягающих структур различных типов АОВС на их нодовое двулучепрелсмлоние.

В диссертации решена научная задача оптимизаций напрягающих структур анизотропных светозодсв с напрягающими областями и определены технологические допуски на асимметричные отклонения в нэпрягакцда структурах этих световодов.

Практическая ценность работы.

Результаты исследований двулучепреломления АОВС с напря-"" тающими областями позволили:

1. Определить оптимальные значения параметров геометрии поперечной напрягающей структуры для АОБС с эллиптической напрягающей оболочкой (включал световод ленточного типа) н АОВС типа "bow-tie", что является аахннм с точки зрения изготовления световодов, обладающих максимальным ¿вулучвпреломлением.

2. определить технологичесхке допуска асимметричных смещений в напрягающих структурах АОВС, при которых величина дву-лучепрэломления световодов существенно ке изменяется,- что является важным для тех типов АОБС (световоды ленточнсго типа). при изготовлении которых наблюдаются сущестзеннь-е асимметричные отклонения в подерочной структуре.

Апробация работы.

Материалы, включенные в диссертацию, докладывались pa

кшгарах отдела волоконной оптякы ИОФ РАН к на И Ыекдукародиой входе по когерентной оптике (Ужгород, 19S9 г. ).

Пубяияапии. основные результаты диссертации опубликованы в четыгюк'печатан работах.

2. Содержание работы.

Структура диссертация. Диссертация состоит из введения, пяти глаз, заклмчения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 149. страницах, содержит 54 рисунка, I таблицу.

Список цитируемой литературы содержит 115 наименований.

Введено. Во введения обоснована актуальность диссертационной работы, сфорнулироэана основная цель исследования. Кратко изложено содержание материала по главам.

В первой гласе диссертации дан обзор литературы по исследованию поляризационных свойств АОВС. рассмотрены основные характеристики и различные типы АОВС. Изложены основные способы создания анизотропии показателя преломления в поперечном се-ченпи волоконного световода, описаны термоупругие напряжения в анизотропных световодах к дана общая постановка задачи диссертации.

Во второй главо описаны аналитические'методы анализа дву-лучепреломляюодх свойств АОВС, осковашшо на решении уравнения для ториоупругого поте1щкала, и даны кх основные результаты, отпосявдсся к рассматриваемым в диссертации тшан АОВС, что позволяет проводтоь сравнения с ними результатов чкелешюго анализа потока ;соне>ч!шх элементов, представленных в следующей

главе. Также в этой главе дано описание метода конечных элементов применительно к нахождении торноупругих напряжений в поперечном сечений световода н излагается обоснование пренебрежения остаточными напряжениями, возникающими из-за градиента температуры остывания АОВС.

В третьей главе диссертации представлены результаты численного анализа влияния параметров геометрии напрягающей структуры, включая асимметрию, на величину двулучепреломления АОВС с эллиптической напрягающей оболочкой, с круглой и эллиптической внешнее границей и АОВС тэта "Ьоя-Ие". Также исследован вопрос о точности метода конечных элементов приминительно к рассматриваемой задзче и определено оптимальное число конечных элементов, используемых при вычислениях.

Показано, что оптимальными параметрами разбиения будут К

- ЮТ2 я Н - 272, где Н - общее число конечных элементов, Ке

- чксло конечных элементов в области сердцевины световода. Также показано, что точность решения ИКЭ зависит не только от

V*

абсолютных значений Н и Хс, но и от их отношения, т.к. последнее отражает соотносимость линейных размеров соседних элементов разбиения в сгущающейся сетке.

Из представленного исследования точности МКЭ можно сделать вывод, что метод конечных элементов, реализуемый в настоящей работе, позволяет вычислять величины упругих напряжения в сердцевине световода с точностью не хуже 3% - 4%, что позволяет использовать данную реализацию МКЭ при анализе двулучепрв-ломляющих свойств АОВС.

В четвертой главе представлено теоретическое обоснование

числимого анализа подового двулучепреломленил анизотропных одномодовых волоконных световодов.

Продедущвв, вторая к третья главы были посвещены исследованию материального двулучвпреломления сердцевины АОВС, определяемому разностью упругих напряжение вдоль осей симметрии ,чапрягающей поперечной структуры световода. Но для распространяемых по световоду двух ортогонально поляризованных собственных мод реальное, подовое двулучепреломление, определяемое разность» постоянных распространения этих мод:

АР - Ру

будет отличаться от величины материального двулучвпреломления сердцевины световода в силу неоднородного распределения электромагнитного поля к поля термоупругих напряжений по поперечному сечению алкзотропного световода. Для нахождения медового двулучвпреломления АОВС необходимо ропать анизотропное волновое уравнение вида:

у*К + к'п'Е - .

где п* (Х.у) - тензор даэлектрической проницаемости световода,

/

зависящие от поперечных координат, в случае плоских деформаций АОВС он имеет вид:

^».у] О Аж(х.у)= П^(х.у) г£у(х.у> О

.0 О п^(х.у)

к = ¿и/А. - волновое чкело в свободной пространстве, А. - длина волны электромагнитного излучения.

Решение'анизотропного волнового уравнения для произвольного распределения тензора показателя преломления является одной ез сложнейиих задач электродинамики. В этой главе" изложены основные аналитические и численные методы анализа анизотроп-

ого волнового уравнения, причем, что касается численного ке-ода в пункте анализа двулучепреломляющих свойств АОВС. то он первые предложен и реализован в ходе выполнения настоящей иссертационной работы.

В пятой главе диссертации приведены результаты численного яализа методом конечных элементов влияния на кодовое двулуче-релоыление геометрических параметров поперечной структуры ЭВС с эллиптической напрягающей оболочкой, с круглой и эллнп-кческов внешней границей и АОВС типа "bow-tie". Представлены анные, относящиеся к распределению электромагнитного поля по эпэречному сечению АОВС.

Используя результаты расчетов поля термоупругях напряже-<й (третья глава), з силу фотоупругого эффекта можно опреде-ггь тензор диэлектрической проницаемости П* для каждого косного элемента, на которые было разбито поперечное сечение >етовода. А так кзк термоупругие напряжения определялись во :ев напрягающей структуре световода, то мы можем определить »определение п* для всего поперечного сечения анизотропного >етовода с учетом дисперсионных свойств П2(М. определяемых в >рмв многочлена Зельмейера:

А АХ' А

пг(к) = 1 -i— + -5— 4 " ,

[в для кварцевого стокла А- 0.69072, А,- 0.408218, А,-890815, 1г 0.069066, I,- 0.115662. 1,- 9.900559. Тем самым I можем решать анизотропное волновое уравнение для выбранного ВС на той же самой решетке разбиения поперечного сечения, с мощью которой было найдено распределение поля термоупругих прягений световода, что позволяет аппроксимировать распреде-

донпе h* » форм« наиболее близкой к реальному распределению тенаора дкзлвхтрнчесхой проницаемости в АОВС. это в было использовано при расчете методом конэчкых элементов модового двуяучепрадомлония и распределения поля основное моды АОВС.

В закяячекии кратко излагаются основные результаты, полуденные в диссертации.

1. Анализ двулучепрелоилящих свойст АОВС с эллиптическое нхпркгаэдей обояочжой показал, что для световода ленточного типа как наклон, так я форма крквоЯ зависимости материального двулучепрвяомлешш от эллиптичности напрягающей оболочки завесят от относительных размеров последней для всех возможных значений эллиптичности. Также похазано, что величина материального дзулучепреяоиленжя монотонно уменьшается с ростом относительна размеров напрягающее оболочки при всех значениях ее эмшгяганвсти. Зависимость величины материального двулуче-првломленяя для ленточного световода от эллиптичности напрягающей оболочки нелинейна и имеет характер возрастающей кривой до значения эллиптичности е =>0.8, превыввиие которой приводит к уменьиению даулучепреломлення ленточного световода.

2. Показано, что асимметричные смещения как сердцевины АОВС с эллиптической напрягающей оболочкой , так и напрягающей оболочки приходят к заметному уменьшению его материального двулучепреломленю линь тогда, когда расстояние между центром сердцевинм световода н виеяней границей напрягающей оболочки становится меньвхм диаметра сердцевины. Последний результат позволяет использовать ашрокие технологические допуски при механической обработке заготовки в ходе изготовления ленточных световодо». Кроме того Ъоказано, что асимметричные смещения

как сердцевины, тах и напрягающей оболочки вдоль налой оси напрягающего эдпкпса оказывают Солее сильное влияние- на величину материального двулучепреломления, чем смешения вдоль большой оси напрягающего эллипса.

3. Б диссертационной работе представлены результаты численного анализа влияния на материальное двулучепрелоиление АОБС типа "bow-tie" параметров геометрии его поперечноЛ напрягающая структуры. Показано, что величина материального дву-лучепрелсмления АОВС типа Hbow-tie" монотонно возрастает при увеличении относительных размеров напрягающих секторов,1 если их большой радиус rz < 0.8R, ( R - радиус внешней границы световода ). Превышение этоп величины приводит к сильному уменьшении двулучепреломления световода. Сильное увеличение величины материального двулучепреломления происходит при приближении малого радиуса напрягающих секторов Г( к сердцевине световода. Результаты расчета зависимости материального двулучепреломле ния АОВС типа "Ьои-tle" от величины угла его напрягающих секторов а показали, что оптимальное значение л, при котором достигается максимальная величина материального двулучепрелоцле-ния световода, составляет 90*. Сравнение результатов численного анализа для АОВС Tima "bow-tie" и АОВС с эллиптической напрягающей оболочкой показало, что при технологически достижимых параметрах геонетрии поперечной напрягающей структуры световодов величины материального двулучепреломления световодов первого типа будут в 1.5- 2 раза выше, чем для свотоводов второго типа.

4. В диссертации представлены результата численного анализа влияния асимметрии- поперечной структуры Л02С типа "bow-tje" на воличииу ого материального двулучепролскления. Показа-

но. что асимметричные смещения сердцевины относительно центра

симметрии поперечной структуры и азимутальные асимметричные

смещения напрягающих секторов относительно друг друга оказыва-

/

ют наиболее сильное влияние на величину материального двулуче-лреломления АОЗС ткпа "ЬОИ'-11ен. Численный анализ- позволил определить аппроксимирующие формулы для смещений сердцевины вдоль осей симметрии его напрягающей структуры (х и у) при которых величина материального двулучепрелоыления не изменяется более, чем на 5% :

3

Т"

йу * ~'

6

■:э\ло :>;•:, рад ал'3 но. чтс при угле азимутальных смещений напрягаю-гдих еакторов <15' величина материального двулучепреломле-ния сватоведа уменьшается менее, чем из 5?.

Ъ диссертационной работ« впервые предложен и реализован \'.рл решении анизотропного волнового уравнения метод двойной итэраики неизвестных переменных и неизвестного параметра системы линейных уравнений

о. Получены результаты численного анализа модобьп д&улу-чзлрэ-сишгяющях свойств АОВС с эллиптической напрягающей оболочкой ир* различных геометрических параметрах поперечной напря-■ а аде® структуры световода. Представленные результаты позволи-. •:» ояррделить оптимальные геометрические параметры напрягающей -.П'^уктуры с гочки зрения модового двулучепреломления. Опти-калойай эллиптичность напрягающей оболочки с 0.6 - 0.7, оп-пгмэ.ч.ъное зкг.ченне параметра С.2 (рис. 1).

7. Б диссертации представлены результаты численного анализа зависимостей модоеого доулучепреломлэжя АОБС тлпа "boitte" при различных параметра* геометрии поперечно."; напрягающей структуры, что позвол/ло определить оптимальные зьаченял с точки зрения чодовога двулучепрэломленкя величин малого и большого радиуса напрягающих секторов Г* 0. 18i? и г * 0.6R -Э, 67R (R - радиус; внешней границы световода) и оптимальное значение угла напрягающих сехторои с- 90" (рис. 2),

Основные результаты диссертации опубликованы а следующих кэчатных работах:

I. 3. Э. Аруткнян, С.Ю. Сурии, "Исследование напряжений 6 анизотропных одномодоеых световодах с эллиптической внешней оболочкой". Письма е ГГФ, том , 16, вып. 2. 26 января 1990 г., стр. 16-20.

2- 3. Э. Арутюиян. А. Б. Грудинин. С. В. Игнатьев, O.S. Смирнов, С. Ю.Сурин. "Анизотропные одномодовые светозода с эллиптической оболочкой". Москва, ИОФ РАН. Препринт Ко. 60. 1990.

3. A.B.Crudlnln, A.N.CurJanov, Z.E.KarutJjnlan, S.V.fsnatjev, O.B.Smirnov, and s.Ju.Sur In, "Polarization character Istioc of Mreferingent libers "il til elliptical ¿tress -induced and outer claddings", J. So v. bightwane Com. . 1991. v. I . No. 2, pp. 155-167.

4. Z-E-HSratjuniar., S.V.Ignatjev, and S, Ju. Sur in, "Investi--s'ar.lon et »odal blrsferlngsnce 'Iî! slliptical-strëss-clad- ' • Ury» bt ihs finite-element method", J. So?, Lightwave ■>.<»».. V. I, No. 3, pp. 285-289.