Оптические свойства изогнутых волоконных световодов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ



На правах рукописи

----- гьь хь

Моршнев Сергей Константинович

Оптические свойства изогнутых волоконных световодов

Специальность 01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

1 7 Гс"

■п

003476615

На правах рукописи

Моршнев Сергей Константинович

Оптические свойства изогнутых волоконных световодов

Специальность 01.04.21-лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской Академии Наук (Фрязинский филиал)

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор БЕЛАНОВ Анатолий Семенович (МГУ ПИ)

доктор физико-математических наук, профессор БИРЮКОВ Александр Сергеевич (НЦВО РАН)

доктор физико-математических наук, профессор

БЫКОВ Владимир Павлович

(ИОФАН)

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук

Институт прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород

Защита состоится 18 ноября 2009г., в 15 часов

на заседании Диссертационного совета Д 212.156.01 при Московском физико-техническом институте (Государственном университете) по адресу: 141700, Московская обл, г. Долгопрудный, Институтский пер. 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского физико-технического института (Государственного университета)

Автореферат разослан

2009 г.

Ученый секретарь, к.ф.-м.н.

Батурин А.С.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Волоконная оптика сохраняет высокие темпы развития с момента своего возникновения в 70-х годах XX века [1-6]. Помимо ординарных пассивных волоконных световодов (ВС), применяемых в оптической связи, появились специальные ВС, нашедшие применение в датчиках различных физических величин, волокна со специальными поляризационными свойствами, радиационно-стойкие волокна, ВС с активной средой для волоконных лазеров, и, наконец, микроструктурные волокна с отверстиями весьма малого диаметра вдоль всей длины волокна

Предметом исследований, изложенных в диссертации, являются исследования взаимодействия когерентного (в частности, поляризованного) оптического излучения с веществом в области упругого или неупругого изгиба ВС, а также физические аспекты волоконно-оптической связи, оптической обработки и передачи информации.

Известно, что изгиб является причиной так называемых изгибных потерь [7,8], однако, серьезному рассмотрению подвергся лишь выход излучения на изгибах по большому радиусу. В 80-х годах XX века, когда бурно развивалась оптика многомодовых волокон, мы исследовали изгибы многомодовых ВС по очень малым радиусам Д ~ 1-2 мм, что привело к созданию ряда оптических преобразователей информации - датчиков: уровня жидкости, рефрактометра, термометра и т.п. {1 -11}.

В 90-х годах для волоконно-оптической связи потребовались одномодовые ВС с малыми потерями на одиночных изгибах по малому радиусу. Мы провели исследования физических аспектов взаимодействия оптического излучения на участках однократных упругих изгибов, что позволило уточнить наши теоретические положения и проверить теорию экспериментом, в том числе и количественно. Были разработаны ВС с допустимым потерями на однократных изгибах по малому радиусу и малыми линейными потерями {12,13}.

Тогда же (1989 г.) появились ВС типа Брил [9], вытяжка которых осуществлялась при вращении заготовки с встроенным линейным двулучепреломле-нием {14}. Эти волокна предназначены для канализации когерентного поляризованного оптического излучения и взаимодействия его с внешним магнитным полем в рамках эффекта Фарадея. Они находят важное применение в интерферометрических датчиках электрического тока [10], {17,18}. Чувствительный элемент такого датчика представляет собой контур, где волокно изогнуто по некоторому радиусу Д.

Изгиб ВС создает дополнительное линейное двулучепреломление [11], от которого зависит чувствительность датчика. Теоретическое и экспериментальное исследование эволюции поляризационных состояний когерентного оцтического излучения в Брил волокнах позволило построить новую модель

spun волокна и экспериментально доказать ее адекватность физическим реалиям {17-19,22-25}

В последнее время изгиб по малому радиусу был использован нами в методике сканирования разрешенных и запрещенных зон новых микроструктурных волокон для канализации когерентного оптического излучения в од-номодовом режиме, исследования которых начались уже в XXI веке [12]. Была построена новая модель таких волокон, как совокупность сильно связанных треугольных волноводов {16}.

Цель диссертации. Целью диссертации является исследование физических аспектов волоконно-оптической связи, оптической обработки и передачи информации (в части волоконных световодов, изогнутых по малому радиусу, микроструктурных волоконных световодов (фотонных кристаллов), а также физики взаимодействия когерентного оптического излучения с магнитным полем в веществе световода (в части специальных магнито-чувствительных волоконных световодов).

Защищаемые положения

1. Изгиб волоконного световода является важным инструментом научных исследований в лазерной физике: физических процессов взаимодействия когерентного оптического излучения с веществом световода в присутствии внешнего магнитного поля, процессов распространения излучения в микроструктурных световодах (фотонных кристаллах), физических аспектов волоконно-оптической связи, оптической обработки и передачи информации.

2 Изгиб волоконного световода по малому радиусу выводит канализируемое световодом оптическое излучения из сердцевины на границу световод -внешняя среда для получения информации о параметрах внешней среды и возвращает оптическое излучение, несущее эту информацию, в сердцевину световода для ее дальнейшей передачи.

3 Распространение оптического излучения в изогнутом по радиусу Л волоконном световоде подчиняется тем же закономерностям, что и распространение излучения по прямолинейному волоконному световоду, но с перекошенным определенным образом (согласно конформному отображению) профилем показателя преломления

4 Выход лазерного излучения из сердцевины на изогнутом участке одномо-дового волоконного световода обусловлено явлением оптического туннели-рования сквозь барьер, определяемый профилем показателя преломления.

5 Световедущая оболочка микроструктурного волокна (фотонного кристалла) представляет собой совокупность световодов, связанных коллективным взаимодействием, расщепляющим уровни их индивидуальных констант распространения в зоны, похожие на энергетические зоны в кристаллах.

6. Изгиб микроструктурного волоконного световода (фотонного кристалла) по варьируемым радиусам дает возможность совместить уровень константы распространения основной канализируемой моды световода с той или иной зоной констант распространения оболочки, позволяя тем самым изучить зонную структуру фотонного кристалла.

7. В волоконных световодах, получаемых при вращении заготовки с сильным встроенным линейным двулучепреломлением (волокнах spun), образуется винтовая спиральная структура осей указанного встроенного линейного дву-лучепреломления, определяющая эволюцию поляризационных состояний когерентного оптического излучения в световодах этого типа.

8. Характер взаимодействия (эволюция поляризационных состояний) когерентного поляризованного оптического излучения с веществом изогнутых световодов типа spun указывает на отсутствие в них встроенного циркулярного двулучепреломления.

На защиту также выносятся:

1. Устройства по получению и оптической обработке информации, представленные датчиками уровня жидкости и температуры, а также устройством для дистанционной спектроскопии жидкостей на основе изгиба волоконного световода по малому радиусу.

2. Устройства для волоконно-оптической связи, представленные термооптическим переключателем каналов и термооптическим аттенюатором.

3. Модель изогнутого волоконного световода, позволяющая рассчитывать потери оптического излучения на изгибах световода по малому радиусу для различных профилей показателя преломления и различных радиусов изгиба, а также ее экспериментальное подтверждение.

4. Зонная модель световедущей оболочки микроструктурного волоконного световода (фотонного кристалла) на основе коллективного взаимодействия треугольных световодов.

3. Метод исследования зон констант распространения оболочки, использующий изгиб волоконного световода по варьируемым радиусам, и его экспериментальное подтверждение.

6. Модель волокна, получаемого вращением заготовки с сильным встроенным линейным двулучепреломлением (spun волокна), предназначенного для исследования взаимодействия когерентного поляризованного излучения с внешним магнитным полем в веществе световода. Модель представляет собой винтовую спиральную структуру осей линейного двулучепреломления в отличие от используемой ранее модели, включающей наряду с линейным еще и встроенное циркулярное двулучепреломление.

7. Теоретическое обоснование модели спиральной структуры, позволяющее объяснить ранее наблюдавшиеся (в том числе и другими авторами) физические эффекты, в волокнах spun, на основе приведенной модели без привлечения встроенного циркулярного двулучепреломления.

8. Методика эксперимента, использующая изгиб spun волокон двух типов (отличающихся скоростью вращения при вытяжке) по различным радиусам, для кардинального решения вопроса о модели spun волокна: спиральная структура осей встроенного линейного двулучепреломления или встроенное циркулярное двулучепреломление?

9 Эксперимент на основе волоконно-оптического отражательного интерферометра, использующий взаимодействие когерентного поляризованного излучения с внешним магнитным полем в веществе световода spun, позволяющий сделать выбор в пользу модели винтовой спиральной структуры осей встроенного линейного двулучепреломления.

Научная новизна и достоверность. Все результаты, выносимые на защиту, являются оригинальными. Достоверность полученных результатов обосновывается надежностью использованных аналитических методов и экспериментальным подтверждением выводов теории. Результаты диссертации согласуются с данными экспериментов, полученными другими авторами.

Научная и практическая ценность диссертации. Результаты диссертации {1-11} могут быть применены в разработках эффективных преобразователей оптической информации - датчиков физических величин, использующих изгибы волоконных световодов, как многомодовых, так и одномодовых и поляризационных Результаты и методики, развитые в диссертации, могут найти применение в приборах для оптической связи, а также в дистанционной рефрактометрии и спектроскопии

Предлагаемая в диссертации модель одномодового волоконного световода с различными профилями показателей преломления, изогнутого по фиксированному радиусу {12,13}, позволяет предсказывать потери на однократных изгибах по малому радиусу (-1-5 мм). Она может быть использована в расчетах профилей ВС, предназначенных для работы в изогнутом состоянии и исключить дорогостоящее экспериментальное моделирования световодов.

Метод сканирования разрешенных и запрещенных зон констант распространения в микроструктурном ВС, использующий изгибы ВС {16}, может быть использован в экспериментальных исследованиях распространения оптического излучения в микроструктурных волокнах.

Модель одномодового1 микроструктурного волокна, как совокупности сильно связанных треугольных волноводов, окружающих световедущую сердцевину {16}, позволяет наглядно и просто производить оценки параметров микроструктурных волокон не прибегая к сложным и длительным расчетам на компьютерах. ,

Результаты диссертации, относящиеся к поляризационным волоконным световодам, полученным при вращении заготовки (общепринятые названия LoBi и spun) {14,17-25}, могут быть использованы в тех областях исследований взаимодействия когерентного оптического излучения, где находят при-

менение эти ВС, в частности, в интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока.

Результаты изучения иерархии двулучепреломлений в волокне со спиральной структурой встроенного линейного двулучепреломления {17-25} могут быть использованы для сознательного выбора параметров волокна, предназначенного для различных целей. Например, для контуров интерферометрических датчиков с малым и большим радиусом намотки, для фазового модулятора и для фазовых пластинок.

Личный вклад автора. Практически все работы автора выполнены совместно с сотрудниками ФИРЭ им. В.А.Котельникова РАН. Однако, в диссертацию включены только те работы, в которых вклад автора был преобладающим. В частности, вся теоретическая компонента диссертации и 80% экспериментальной - выполнены автором. Защищаемые модели также предложены автором

На различных этапах исследований в постановке конкретных задач и обсуждения результатов принимали участие А.В.Францессон, МЕ.Жаботин-ский, Ю.КЛаморовский, Г.А.Иванов, В.А.Исаев, Н.И Старостин и В П Губин Объекты исследований - волоконные световоды были изготовлены также сотрудниками ФИРЭ им. В.А.Котельникова РАН: Г А.Ивановым, В.А.Аксеновым, Е.Л.Гречко (заготовки, «преформы» волоконных световодов) и ИЛ. Воробьевым, В.В.Волошиным, А.О.Колосовским (вытяжка волокон)

В работах, описанных в главе 2, в проведении экспериментов весомый вклад внесли А.С.Рябов и A.A. Затыкин. В работе, описанной в п.6.3, эксперимент по определению длины биений Lb встроенного в spun волокно линейного ДЛП был осуществлен М В.Рябко. В работах к Главе 8 решающий эксперимент был проведен Н.И.Старостиным, В П.Губиным и А.И.Сазоновым.

Апробация работы. Материалы вошедшие в диссертацию докладывались на следующих всесоюзных, всероссийских и международных конференциях. 7-th USSR-Japan Symposium on "Fibre optics, optoelectronics & micropattems"», (1980).

«ВОЛС-3», Москва 1-5 июня, (1980).

«Международная школа по когерентной оптике и голографии», Прага, 1-12 сентября (1980);

9-th USSR-Japan Symposium on "Fibre optics, optoelectronics & micropattems"», (1982).

XIX съезд по спектроскопии, г. Томск, 4-8 июля (1983). «Световодные системы связи и передачи информации», Москва, май, (1984). 3 International Conf. On Optical Information Processing, (1999), M, Russia 13-я международная конф. «ММТТ-2000», С-Петербург, 27-29.6.2000r.. «Лазеры, измерения, информация-2005», Санкт-Петербург, 8-9 июня 2005 г. «Лазеры, измерения, информация-2006», Санкт-Петербург, 7-8 июня 2006 г.

Всероссийская конференция по волоконной оптике Пермь, 10-12.10.2007 г., «Лазеры, измерения, информация-2008», Санкт-Петербург, 3-5 июня 2008 г. EOS Annual Meeting 2008,29th September - 2nd October, 2008, Paris, France

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 25 публикациях {1-25} из них в рецензируемых изданиях 18 публикаций {1-13, 16,18, 21,23,25}.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, восьми Глав, Выводов, Публикаций по теме диссертации и Списка литературы. Полный объем диссертации состоит из 203 страниц текста, включающих б таблиц, список публикаций по теме диссертации (28 наименований) и список цитируемой литературы (89 наименований), а также 119 рисунков.

Содержание диссертации

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, приведена ее структура, определены объекты исследований, их цели и задачи, обсуждены методы их решения, а также новизна, теоретическая и практическая ценность полученных результатов, освещена апробация работы и личный вклад автора.

В Главе 1 теоретически и экспериментально описывается распространение оптического излучения в многомодовом волоконном световоде (ВС) в области однократного неупругого изгиба по малому радиусу R {4-5-7}. Радиус изгиба считается малым, если на изогнутом отрезке существенная часть мощности оптического излучения покидает сердцевину и выходит в оболочку.

В п.1.0, в рамках известной теории скалярного волнового уравнения [13], {15} рассматриваются моды цилиндрического световода и вводятся необходимые для дальнейшего рассмотрения определения. В частности, приводится формула для приведенной константы распространения р/А0 (ПКР) в профиле показателя преломления (ПП):

где п0 п0 - ПП сердцевины и оболочки соответственно, ко - волновой вектор в пустоте, V- волноводный параметр, V,(У}~ параметр, получаемый при решении волнового уравнения. Показано, что ПКР в многомодовом ВС заполняют весь диапазон па <р1ка<пс-

В п.1.1, в рамках геометрической оптики рассмотрено распространение излучения в области изгиба {4} . Показано, что на изогнутом участке диапазон ПКР смещается в сторону меньших значений, и излучение с ПКР, удовлетворяющими условию р/ко < п0, испытывает преломление на границе сердцевина - оболочка и выходит в оболочку. Чем меньше радиус изгиба Я, тем

(1)

сильнее сдвигаются ПКР и тем большее количество мод получают возможность покинуть сердцевину, и распространяться по оболочке При критическом радиусе изгиба все излучение покинет сердцевину.

Свет, покинувший сердцевину ВС, возбуждает лишь небольшую часть волноводных мод оболочки с константами распространения, лежащими в узком интервале /?2 ^ Д, £ д. Если изгиб окружен воздухом, то излучение испытает на границе оболочка - внешняя среда полное внутреннее отражение и почти без потерь вернется в сердцевину ВС на участке, где ВС снова станет прямым. Погружение изгиба в среду с ПП пж приводит к выходу в эту среду оптического излучения с ПКР 1 < д/*0 й пж» к уменьшению интенсивности

излучения на выходе ВС.

В п.1.2 определен указанный диапазон Д -/?2 и критический радиус при котором излучение покидает сердцевину {4}. Использован метод конформного отображения на комплексной плоскости, предложенный в работе [8] для пленарных волноводов, и впервые примененный нами для цилиндрических ВС {4}. Метод преобразует изогнутый ВС в прямолинейный, но с перекошенным профилем ПП вида:

где п(х) - профиль ПП для неизогнутого волокна, д: - расстояние от оси волокна, г - внешний радиус волокна, Я - радиус изгиба.

Подчеркнем здесь чисто геометрический характер преобразования Для профилей ПП, в виде степенной функции, и при г « Я можно написать

где А = (п? -п*)/(2п?)> « ~ показатель степени в степенной функции профиля

ПП, р - радиус сердцевины ВС

Эффективные профили ПП (п2зф), для различных радиусов изгиба Я, приведены на рис 1. Чем меньше радиус Я, тем быстрее уменьшается эффективный ПП по сечению волокна от внешней части изгиба к внутренней Интервал уровней ПКР д +Д2 /£0 в оболочке, ограниченных с внутренней стороны

профилем Лэф сердцевины, а с внешней - ПП п^ оболочки, соответствует на внешнем краю ВС интервалу реальных ПП Птах - п^

О) = Чх)ехр[-(г - *)/ Л].

(2)

и:

= [х/рТ] [1-(г-*)/яГ>

(3)

"п*х = А = "Л1 ~/>)/Л] п^-Рг'К^Аг + Р)'*]

х(мкм)

Рис 1 Эффективные профили ГШ для различных радиусов изгиба Л.

Радиус изгиба, при котором излучение полностью покидает сердцевину, называется критическим радиусом и определяется выражением:

" 2п1

-(а + 2)

(5)

Ясно, что световоды со ступенчатым профилем (а > 10) лучше сопротивляются изгибу (имеют меньший радиус Я^)

Предложена методика эксперимента для определения модового состава оптического излучения, распространяющегося по оболочке ВС в области крутых изгибов, и интенсивности излучения, остающегося в сердцевине ВС, после прохождения изгиба по радиусу Л Методика заключается в измерении интенсивности оптического излучения на выходе ВС, содержащего изгиб по радиусу Д в зависимости от ГШ жидкости, в которую погружен изгиб.

В п. 1.3 приведены экспериментальные результаты, подтверждающие теоретическую модель, изложенную в п.1.2 {4}. Исследования проведены с ВС двух типов: с параболическим (тип 1) и ступенчатым (тип 2) профилями показателя преломления

Результаты измерений приведены на рис 2. Видно, что уменьшение радиуса изгиба Я ВС ведет к сокращению интенсивности остаточного излучения /„„ в сердцевине и при некотором радиусе все излучение в области изгиба распространяется по оболочке. Далее такое уменьшение радиуса Я ведет к смещению экспериментальных кривых влево по оси абсцисс, тек уменьшению констант распространения Р) и (52> ограничивающих интервал возбужденных мод мод оболочки, и к расширению этого интервала Из сопоставления рис. 1 и рис 2 видно, что приведенная теория пригодна для объяснения полученных результатов.

В п.1.4. рассмотрено интересное явление {5}, обнаруженное во время проведения исследований, описанных в п.1.3. При погружении ВС с крутым изгибом в среду с ПП близким к ПП вещества оболочки на участке с изгибом оптическое излучение покидало световод в виде узких пучков, показанных на рис 3. При уменьшении радиуса кривизны изгиба Я интенсивность первого пучка (считая от входного конца световода) монотонно возрастала за счет остальных пучков и при некотором Я = Я^ из ВС выходил единственный пучок. Апертура пучка при полном иммерсировании оболочки не превышала апертуры излучения в световоде, что подтверждает наше предположение,

№ /7д

Рис 2 Зависимость отношения сигналов на выходе световода с изгибом по радиусу Л до (10) и после (/)) погружения изгиба в жидкость

а) волоконный световод тип 1 Д - Л = 4 мм, О - Л = 2 мм, • - Я = 0,95 мм,

б) - тип 2 Д- Я = 3,2 мм, О - Л = 1,6 мм, • - Л = 0,9 мм

Рис 3 Пучковый режим выхода излучения при внутренней рефракции на границе раздела сердцевина - оболочка, Внешняя среда - глицерин, радиус изгиба Л = 2 мм.

сделанное в п.1.2 о том, что диапазон мод р, - р2 не расширяется при распространении излучения по оболочке.

В Главе 2 рассмотрены макеты преобразователей оптической информации, включающие неупругий изгиб по работам {1-5-11}.

В п.2.1 предложен датчик уровня жидкости {1,2}. Если изогнутый участок световода не соприкасается с жидкостью, то излучение, вышедшее на изогнутом участке в оболочку, после полного внутреннего отражения на границе оболочка - воздух возвращается обратно в сердцевину, когда световод снова становится прямым (потери не превышают 30%), и распространяется к приемнику излучения. На выходе световода приемник регистрирует резкое (контрастность до 1000) уменьшение интенсивности светового сигнала, когда изгиб соприкасается с поверхностью жидкости. Восстановление первоначальной интенсивности указывает на то, что уровень жидкости опустился ниже изогнутого участка волоконного световода. Точность измерения уровня жидкости составила ±0,4 мм

В п.2.2 рассмотрен рефрактометр {6} на основе изгиба многомодового ВС по радиусу Я. Если ПП внешней среды меняется в диапазоне р2/Аь < пж < РДо, то часть излучения выходит во внешнюю среду и интенсивность света на выходе ВС изменяется. Максимальное значение этой интенсивности при л» < р2/*о, затем по мере роста ПП пж она уменьшается и, наконец, когда пж > Р^Ло, становится равной нулю, если Я < Я^, или некоторой остаточной интенсивности, если Я > Яц, По сигналу на выходе ВС можно судить о ПП среды, окружающей изгиб в интервале ПП от п^ = Р1/Л0 до «пш = Рг/*о (см. (4)).

В п.23 рассмотрен датчик температуры {3,11}.

Если температура внешней среды изменяется, например, повышается, то ПП внешней среды чаще всего уменьшается. При этом часть лучей, которые выходили из оболочки во внешнюю среду, отражаются от границы раздела

оболочка - внешняя среда и возвращаются в сердцевину на измерительном участке волоконного световода Это увеличивает сигнал фотоприемника Если температура внешней среды уменьшается, то уменьшается и сигнал Используя силиконовую резину в качестве термооптической среды и варии-руя радиус изгиба можно получить диапазон измерений температуры Д7" ~ 150° Максимальная чувствительность термометра составила ~10"3 град

В п.2.4 предложен волоконный термооптический коммутатор {8} (рис 4), на основе пространственной локализации пучков на выходе из изгиба (см. п.1.5) и их свойства менять интенсивность и направление при изменении показателя преломления окружающей изгиб среды,

При выключенном электронагревателе 5 ПП внешней среды л>/? / А , и

все излучение, вышедшее в оболочку в ВС 1, проходит во внешнюю среду 4 и далее попадает в ВС 2 В этом состоянии развязка каналов составляла 14 дБ; внутренние потери -3 дБ. При включенном нагревателе 5 ПП силиконовой резины уменьшается до п < /?2/ка и интенсивность света на выходе ВС 2 падает, а на выходе ВС 1 возрастает. Развязка каналов в этом состоянии состав-

Эффект изменения ПП среды, окружающей изгиб, при ее нагреве можно использовать для создания волоконного термооптического аттенюатора {9}, описанного в п.2.5 Потери изменялись от 30-40 дБ до 1-2 дБ.

В п.2.6 рассматриваются принципы создания волоконно-оптической головки для дистанционной спектроскопии {7}. Проведено исследование взаимодействия излучения, канализируемого ВС с крутым изгибом с внешней средой, обладающей спектральными линиями поглощения, а также выделен сигнал аномальной дисперсии показателя преломления внешней среды.

В Главе 3 рассматривается выход оптического излучения на участке упругого однократного изгиба одномодового ВС по малому радиусу R на основе явления оптического туннелирования {12, 13} в рамках изучения физических аспектов волоконно-оптической связи

В п.3.1 рассмотрена аналогия ПКР в световоде и уровней энергии частицы в потенциальной яме, отмеченная еще Э Ферми [15]* частица и электромагнитная волна описываются одинаковыми волновыми уравнениями и эквива-

ляла 28 дБ, а внутренние потери -5 дБ.

Рис 4 Термооптический коммутатор

лентом энергии является квадрат ПП: Е => -п2. В нашем случае уровень квадрата ПКР ф/Ль)2, расположенный в профиле ПП п\х), играет роль уровня энергии в потенциальной яме. Если энергию отсчитывать от дна ямы, то аналог энергии в световоде имеет вид:

Е = п3с-(р/к0)2

»

где пс - ПП сердцевины световода

При туннелировании сквозь широкий барьер обычно пренебрегают волной, отраженной от дальнего края барьера. В этом случае вероятность D прохождения сквозь барьер равна просто квадрату амплитуды затухающей под барьером волны [14]:

(6)

D = ехг

|-2Mi

rt2 V^o J

-пг(х) dx

(7)

где р - радиус сердцевины, х6- координата точки, где заканчивается барьер.

Впервые о туннелировании света на изгибе одномодового ВС было заявлено Гэмблингом и Матсумурой (1977) [7].

В п.3.2 получены аналитические выражения, позволяющие определять зависимости потерь на геометрическом изгибе от различных параметров ВС с прямоугольным профилем ПП {12}. Вероятность туннелирования И:

ч 2

D = ехр

1

-^-j R(\-r/ Rf И* / 2 - arcsin M - M-Jl-M2)

(8)

гп, ¿^П^-г/Я + р/Я)

{0/кЖ-г/Я)

Пусть <рД - путь, пройденный волной по изгибу радиуса Я, <р - угол изгиба ВС. Потери излучения на изгибе Ьо$$(ср Я) в дБ определяют до формуле:

Шз(<рЯ)= 1018(У0/У)= Щ^О (9)

Потери возрастают пропорционально длине изгиба и вероятности туннелирования волны сквозь барьер в эффективном профиле ПП. При уменьшении радиуса изгиба вклад вероятности Б преобладает вследствии своей экспоненциальной зависимости.

В пЛ3 учтены изменения в профиле ПП, связанные с упругими напряжениями, возникающими при изгибе (внешние области растягиваются, внутренние сжимаются {12}). Если плотность материала меняется от значения р] до Р2, то ПП изменится от величины п1 до п2 по рефрактометрическому соотношению [16]- формуле Лоренца.

В п3.4 исследованы потери на однократном изгибе одномодового ВС {13} с треугольным профилем ПП. Расчет показал, что допустимые потери на изгибе с радиусом Я ~ 2,5 мм при треугольном профиле ПП имеют ВС с раз-

ностью ПП сердцевины и оболочки Ал,, > 0,013, тогда как при прямоугольном профиле ПП эта же величина значительно меньше Дл„ > 0,009

В п.3.5 разобран пример выбора параметров ВС, удовлетворяющего противоречивым требованиям: 1) малые потери на однократных изгибах, 2) малые линейные потери, 3) передачу сигнала на двух длинах волн (например, на Я.1 = 1,55 мкм и Х2 =1,3 мкм) при соблюдении условий 1) и 2)

В Главе 4 были экспериментально исследованы потери оптического излучения за счет туннелирования на однократных изгибах одномодовых ВС {12, 13} с целью проверки положений Главы 3. Были исследованы ВС как с профилями ПП близкими к прямоугольному, так и ВС с треугольным профилем ПП. Результаты подтвердили предложенную в Главе 3 модель изогнутого одномодового ВС.

В п.4.1 рассмотрены эксперименты по потерям на изгибе одномодовых оптических волокон с профилем ПП близким к прямоугольному {12} Измерения были проведены на установке, схема которой дана на рис 5 Использовались два инжекционных лазера, работавшие на длинах волн X = 1285 и 1536 нм. Потери на однократном изгибе на угол я/2 были измерены на одномодовых ВС стандартного диаметра 125 мкм, изготовленных методом \iCVD путем введения в сердцевину примеси германия различных концентраций Образцы ВС: А, В, С и Б различались разностями ПП Ап = пс - п0, приведенными в таблице 4.1. Были реализованы почти прямоугольные профили со степенью а я 7 (для образца А степень а » 4).

Экспериментальные данные и результаты расчетов приведены на рис 6 в виде графиков зависимости потерь от радиуса изгиба 1о.м(1/Л) Видно хорошее совпадение экспериментальных и теоретических данных в области первоначального роста потерь, т.е. в диапазоне 0,1 дБ < Ьо5$(1Л1)< 3,0 дБ.

В п.4.2 рассмотрены основные эксперименты по потерям на изгибе одномодовых оптических волокон с треугольным профилем ПП {13}. Измерения были проведены на той же установке (рис.5).

Таблица 4 1. Разность ПП Дп и длины волн отсечки ЬРМ моды образцов

ВС Дп-103 ^■отс

Образец А 5,0 1200 нм

Образец В 7,7 1270 нм

Образец С 10,0 1200 нм

Образец О 14,0 1220 нм

- объектив, 4 - котировочное устройство, 5 - волоконный световод, 6 - фильтр обо-лочечных мод, 7 - стержень радиуса Л, 8 - площадка натяжного устройства; 9 - нагрузка, 10 - фильтр оболочечных мод, 11 - фотодиод, 12 - приемник, 13 - цифровой вольтметр

Показано, что экспериментальные результаты для ВС с треугольным профилем ПП также совпадают с теоретическими несмотря на линейное приближение при расчетах.

Таким образом, в результате теоретических и экспериментальных исследований дополнительных потерь на однократных изгибах по малому радиусу разработана технология и получены образцы одномодовых ВС с треугольным профилем ПП (ДпО- = 0,012 0,014), которые имели как малые линейные потери (< 0,5 дБ/км на X = 1,3 мкм и < 0,3 дБ/км на X, = 1,55 мкм), так и величину дополнительных потерь менее 1 дБ при радиусе изгиба ~2,5 мм. Этот результат важен с точки зрения изучения физических аспектов волоконно-оптической связи, оптической обработки и передачи информации.

В Главе 5 предложена новая модель микроструктурного волокна, рассматривающая его периодическую структуру, как совокупность сильно связанных световодов {16}. В этой модели одинаковые константы распространения

Ш(1/см)

Рис 6 Потери от изгиба. Результаты эксперимента - точки и теоретического расчета -сплошные линии для четырех образцов (табл 1) А,В,С,0

когерентного оптического излучения отдельных световодов структуры расщепляются в зоны. Предложен и экспериментально осуществлен метод сканирования таких зон с помощью однократного изгиба ВС по варьирующимся радиусам.

В п.5.1 теоретически обосновывается представление оболочки основного световода в виде совокупности сильно связанных между собой световодов треугольного сечения. Величину расщепления ДЕ уровня энергии для случая, когда две потенциальные ямы сближаются настолько, что вероятность тунне-лирования между ними становится равной IV можно оценить по известной формуле квантовой механики [14,15]:

Д£/£«Ж (10)

при этом уровень энергии Е понимается согласно формуле (6). Ширина такой зоны зависит от степени связи световода треугольного сечения с аналогичными ближайшими соседями. Свет, распространяющийся в моде основного световода (дефекта структуры), может выйти в оболочку только при наличии в ее зонах ПКР, совпадающей с ПКР этой моды. ПКР первой моды основного световода лежит в профиле ПП выше зон ПКР световодов треугольного сечения, так как поперечный размер шестиугольного дефекта (ШД) структуры (нет отверстия) заметно превышает размеры самого большого треугольника (БТ) в периодической структуре оболочки. Однако, для второй и последующих мод эти условия могут не соблюдаться.

Рис 7. Поперечный срез микроструктурного волоконного световода под электронным микроскопом. 1 - отверстия радиусом »•<„, = 0,56 ±0,03 мкм, 2-дефект в периодической структуре (пропущенное отверстие) - шестиугольный дефект (ШД), 3 - большой треугольник (БТ), 4 - период структуры (расстояние между цензами отверстий) а = 2,78 ±0,01 мкм, 5 - расстояние хта= 5,8 мкм между центрами ШД и БТ

В последнем случае моды высших порядков возбуждают моды коллективно взаимодействующих световодов, и свет, распространяющийся в этих модах, покидает основной световод.

Расчет был проведен для ВС, приведенного на рис 7. Границы зон ПКР Р+/Ао и Р_/Ло волновода БТ определяются выражениями

(Р,!кЛ-"1фф <Р (11)

~V' УХ

где V, - решения соответствующих волновых уравнений для ШД или БТ, а V, - их волноводные параметры Величину эффективного ПП п^ рассчитываем по рефрактометрическому соотношению [16].

На рис 8 приведены графики зависимостей от волноводного параметра У-^ уровней констант распространения первой и второй мод ШД и зон первой и второй мод БТ в профиле ПП, рассчитанные согласно уравнению (11).

В п.5.2 обоснован метод сканирования зон микроструктурного волокна при его изгибе {16}. Из рис.8 видно, что край зоны р.До БТ (см. (11)) не может «догнать» при уменьшении длины волны уровень первой р1пДо моды ШД, хотя расстояние между ними сокращается. Мы использовали свойства изогнутого ВС для перемещения зон первой и второй моды большого треугольника относительно уровней констант распространения первой и второй мод шестиугольного дефекта (сердцевины).

При изгибе ВС по радиусу Я (см. Глава 1) зона констант распространения БТ смещается вверх относительно уровней ШД на величину:

Д = (х/Л) (Д^/Ао)' 02)

причем х - расстояние от оси ВС до ближайшего БТ, окруженного такими же треугольниками, х = 5,8 мкм.

Утр

Рис 8 Расположение ПКР (р/Ао) в профиле показателя преломления прямого микроструктурного волоконного световода в зависимости от волноводного параметра И,р 1 - первая мода шестиугольного дефекта (ШД), 2 - вторая (расчетная) мода 11Щ (без учета симметрии ШД),3 - зона первой моды большого треугольника (БТ), 4 - зона второй моды БТ, кружочки - вторая мода ШД из эксперимента.

В неизогнутом ВС первая мода шестиугольного дефекта располагается выше, чем зоны первой и второй мод БТ. Изгиб по радиусу Я ~ 3,25 мм сдвигает зону констант распространения первой моды БТ вверх, выравнивая ее с уровнем константы распространения первой моды ШД - становится возможным выход излучения его первой моды, в зону БТ.

Изменяя радиус изгиба, можно просканировать уровнем (р1пДо)2 первой моды ШД всю зону первой моды БТ и экспериментально определить ширину зоны. При изгибе ВС по радиусу Я ~ 1,5 мм уровень константы распространения первой моды ШД совпадает с краем зоны второй моды БТ, поэтому, можно определить зазор между зонами первой и второй мод.

В п.5.3 описан эксперимент по сканированию зон микроструктурного ВС первой модой шестиугольного дефекта (сердцевины) методом изгиба волокна по различным фиксированным радиусам {16}.

В диапазоне длин волн 300т500 нм было исследовано смещение коротковолновой границы спектра пропускания ВС от радиуса изгиба Я. Мы предполагаем, что этот тип спектра связан с выходом первой моды ШД в широкую зону второй моды БТ. Экспериментальные точки радиусов Я(к), при которых начинается выход первой моды, мы определяли по уровню потерь 5 дБ на длинноволновом краю На рис.9, даны экспериментальные точки и результаты теоретического расчета. Видно, что экспериментальные точки хорошо описываются теоретической кривой

На рис 10 приведен типичный спектр в диапазоне длин волн 450-5-700 нм Линейчатая структура спектров была достаточно сложной Вместе с тем, в каждом спектре можно выделить линию, находящуюся на длинноволновой границе, за которой (вплоть до 1700 нм) потери отсутствовали). При увеличении радиуса изгиба Я линия на длинноволновой границе смещалась в коротковолновую область Величина смещения совпадала с величиной, предсказываемой теорией Были сняты 46 спектров для различных радиусов изгиба, отличавшихся на 0,05 мм. Мы предполагаем, что этот тип спектра связан с выходом первой моды ШД в зону первой моды БТ.

В п.5.4 проведено обсуждение предложенной модели и полученных выше экспериментальных результатов {16}.

Экспериментально были получены три типа спектров потерь на изгибах с радиусами Л из диапазона 0,725+3,00 мм: 1) спектр типа коротковолновой границы пропускания в диапазоне длин волн 390-500 нм; 2) спектры линий потерь большой интенсивности (~ 8—16 дБ в максимуме) с богатой тонкой структурой в диапазоне длин волн 400-г800 нм, 3) спектры линий потерь малой интенсивности (~ 0,5x1,5 дБ) в диапазоне длин волн 600+1300 нм. Все спектральные линии при уменьшении радиуса изгиба смещались в длинноволновую область. В коротковолновой области происходит выход основной (первой) моды световода в широкую зону микроструктурного волокна.

Длина вопи (нм)

Рис 9 Радиус изгиба Л, по уровню потерь 5 дБ, при выходе 1-й моды ШД в зону 2-й моды БТ. Квадратики - эксперимент; сплошная линия - расчет с параметрами. рш = 2,2 мкм, рП1= 1,37 мкм; На = 0,202; * = 5,8 мкм; Ш = 0,41.

Длина волны (нм)

Рис.10 Длинноволновая область спектра потерь на изгибе радиусом Л =1,55 мм

Линии же спектра второго типа обусловлены выходом этой же первой моды, но в узкую зону, обеспечивающую потери при тех же радиусах в длинноволновой области. Ясно, что узкая зона имеет более высокие значения констант распространения, чем широкая, так как на одной и той же длине волны линия потерь появляется при больших радиусах, чем коротковолновая граница пропускания. Исходя из значений радиуса изгиба и ширины наблюдавшихся линий, была оценена ширина узкой зоны микроструктурного волокна.

Предположение о том, что сильно связанными между собой могут быть не все БТ, а только те из них, которые окружены со всех сторон точно такими же БТ, позволило обосновать полученный из эксперимента параметр 5,8 мкм - это расстояние, на которое удалены центры, связанных коллективным взаимодействием БТ, от центра ШД..

В Главе 6 вводится новая модель винтовой спиральной структуры осей линейного двулучепреломления {17-19} как альтернатива циркулярному дву-лучепреломлению в волокнах, полученных при вращении заготовки с сильным встроенным линейным двулучепреломлением (ДЛП). Эти волокна проявляют наиболее эффективное взаимодействие когерентного поляризованного излучения с магнитным полем в веществе световода. Рассчитано влияние изгиба световодов spun на их поляризационные свойства.

В п.6.0 введены известные [17] математические определения формализма матриц Джонса и дифференциальной матрицы Джонса, которая характеризует анизотропные оптические свойства среды в плоскости перпендикулярной направлению распространения в точке с координатой z. Получение полной матрицы Джонса связано с интегрированием диф-матрицы.

В п.6.1 иллюстрируется формализм диф-матрицы Джонса на примере волокна HiBi. с сильным линейным двулучепреломлением (ДЛП), полученным без кручения заготовки Пусть волоконный световод типа HiBi имеет встроенное линейное ДЛП с длиной биений Lb, тогда скорость нарастания фазовой задержки Др между волнами двух линейных поляризаций Ех и Еу будет:

Ьр = 2яИь =2я{пх -пу)/А, (13)

где пх, пу — показатели преломления для волн, поляризованных соответственно вдоль х и у. Циркулярное ДЛП, связанное, например, с упругим кручением ВС или эффектом Фарадея с длиной биений LF, обеспечивает скорость нарастание фазовой задержки между волнами двух циркулярных поляризаций El,Er ■

y = 2nlLF (14)

В базисе линейных поляризаций диф-матрица для волокна типа HiBi имеет вид

«11 «12 ;Д/?/2 yl 2 (15)

«21 «22 -у/2 -jAp/2

Вводится представление поляризационных состояний (ПС) на комплексной плоскости х'

Х = ЕГ/Ех (16)

Описанная комплексная плоскость - есть «географическая карта» сферы Пуанкаре [17] Мы воспользуемся этой плоскостью, т.к. в терминах х удобно интегрировать диф-матрицы Джонса. Так для матрицы с постоянными коэф-

фициентами nt] (IS)) дифференциальное уравнение для функции х(2) имеет вид:

J—"пЛГ,+(ЯВ-И||)йг + Яя (,7)

Уравнение (17) - это известное уравнения Риккати с постоянными коэффициентами. Решение уравнения позволяет получить фазовую задержку (<pR-(pL) между когерентными циркулярными волнами ортогональных поляризаций в волокне типа HiBi. В случае сильного линейного ДЛП и слабого магнитного поля разность фаз будет осциллирующей (но не накапливающейся с длиной волокна) весьма малой величиной. Волокна HiBi в этом смысле непригодны для наблюдения эффекта Фарадея.

В п.6.2 для волокон типа spun (которые изготавливают из заготовки с сильным линейным ДЛП, но при вращении заготовки в процессе вытяжки) предложена новая модель - анизотропная среда, в которой главные оси встроенного линейного ДЛП располагаются по винтовой спирали {17-19}.

Поляризационные свойства света, распространяющегося по прямолинейному участку spun волокна, помещенного во внешнее магнитное поле, могут быть описаны диф-матрицей в базисе циркулярных поляризаций:

jy!2 ,/(ДД/2)ехр02£) (18)

у(ДД/2)ехр(-;2£) -jy/2 \

где £ = 2яИы, 1Ы - шаг спирали. Дифференциальное уравнение для определения ПС на комплексной плоскости x(z,z<s) запишется в виде:

аг L 2. L

Это уравнение Риккати с гармоническими коэффициентами. Получаем фазовую задержку между когерентными циркулярными волнами ортогональных поляризаций (сигнал): Pl~<Pr =

= arctg

гле п.у&.а-гу (20)

В случае Д/?« £, то есть при преобладании кручения над линейным ДЛП ((£„ « ¿4)в выражении (20) реализуется фазовая задержка:

Ъ-<рк + (21)

Кроме фазовой задержки, обусловленной эффектом Фарадея, присутствует накапливающаяся с длиной волокна фазовая задержка, записанная во втором члене (21) В датчиках тока избавляются от этой фазовой задержки, пропуская излучение по волокну в обратном направлении (см. далее Глава 8).

Показано, что в прямолинейном волокне spun сигнал от эффекта Фарадея будет накапливаться с длиной волокна, если шаг кручения заготовки будет меньше длины биений Ьь собственного ДЛП волокна. Этот эффект подтвержден многими исследователями [9,10,19] в рамках другой модели [9]. Таким образом, модель спиральной структуры линейного ДЛП адекватно описывает известные поляризационные свойства прямолинейного волокна spun

В п.6.3 предложен способ измерений длины биений Lb внутреннего ДЛП в Spun волокнах {20} Способ заключается в измерении спектрального периода АХ интенсивности света, прошедшего через волокно spun, помещенное между двумя поляризаторами, и длины волокна I/ В рамках нашей модели длина биений Lb встроенного линейного ДЛП в spun волокне1

L] ={Ш2Х)1Ы1} (22)

В работе {20} предложенная теория подтверждена экспериментально.

В п.6.4 рассматривается поведение поляризационных состояний в волокне spun намотанном на катушку фиксированного радиуса R {17-19, 22-25}.Упругий изгиб ВС по радиусу R вызывает в ВС наведенное линейное ДЛП 5, определяемое выражением [11]

¿ = *0 {пу-пх)=гп!1ш t (23)

где LM = 22,792(л/л')(д2 /г2) Диф-матрица в базисе круговых поляризаций для ВС типа spun, намотанного на катушку радиуса R и помещенного в магнитное поле имеет вид-

±jy/2 7(Д/?/2)ехр(/2^)+Х^/2)ехр02о01| (24)

Угол ф0 - угол поворота осей ДЛП, индуцированного намоткой, по отношению к начальному углу поворота осей встроенного линейного ДЛП. Из диф-матрицы (24) и определения % (16), получаем уравнение:

^exp(/2£) + |exp(/2i>0)

X2±j2yz + j

-уехр(~ у2£)+-ехр(- j2<p0)

(25)

Это уравнение Риккати не имеет общих решений и дальнейший расчет был проделан численным образом.

Сравним эволюции ПС в прямолинейном ВС со спиральной структурой ДЛП (рис.11а) с параметрами Lb - 16 мм и = 8 мм и такого же волокна, намотанного по радиусу R = 10 мм (рис.1 lb). В эволюции ПС на сфере Пуанкаре можно выделить движения напоминающие прецессию и нутации гироскопа. Из рис 1 lb видно, что в случае изогнутого волокна каждый виток нутации не проходит теперь через полюс, и все эти витки являются огибающей

некоторой окружности диаметром DR (прецессия). Диаметр витка нутации Дрт определяется соотношением длины биений Lb и шагом спирали 1Ы.

Показано, что диаметр окружности Dr (прецессии) монотонно возрастает при уменьшении величины R, что позволяет связывать DR с Д7Ш, индуцированным изгибом. Можно утверждать, что вообще изгиб по фиксированному радиусу R будет уменьшать чувствительность волокна к внешнему магнитному полю.

Показано, что при увеличении линейного ДЛП в волокне (уменьшении ¿¿), уменьшается диаметр огибающей окружности Dr. Одновременно, (с уменьшением отношения Ц / увеличивается амплитуда нутации (Д^). Таким образом, при наличии спиральной структуры ДЛП внутреннее линейное ДЛП волокна подавляет индуцированное изгибом линейное ДЛП от намотки.

Изложенное выше подтверждает исследование эволюции ПС в волокнах с длиной биений Lb = 16 мм и радиусом намотки R = 10,3 мм, отличающихся скоростями вращения (шагом спирали !„). Показано, что по мере возрастания скорости вращения амплитуда нутационных колебаний (Д^) уменьшается, а диаметр окружности Dr, связанный с наведенным линейным ДЛП от изгиба, - растет. Таким образом, подавление линейного ДЛП, наведенного изгибом, непосредственно не зависит от скорости вращения заготовки.

П. 6.5 посвящен полемическому рассмотрению вопросов, связанных с двумя различными моделями волокна spun {17-19,22-25}. Модели, в которой присутствует только линейное ДЛП, встроенное в заготовку, оси которого располагаются в виде винтовой спиральной структуры при вытяжке с вращением заготовки, и модели, в которой присутствуют линейное ДЛП, встроенное в заготовку, и циркулярное ДЛП, получаемое при вытяжке..

Показано, что для получения циркулярного ДЛП с заданной длиной биений требуются сдвиговые напряжения превышающие на три порядка радиальные напряжения для получения линейного ДЛП с той же длиной биений. Этот результат работает против модели волокна spun с циркулярным ДЛП.

Тем не менее, ряд авторов научных статей [9,19] и даже учебников [20] продолжают утверждать, что при вытяжке волокна с вращением заготовки в ВС вмораживается циркулярное ДЛП с длинами биений равными шагу кручения. Вектор циркулярного ДЛП на сфере Пуанкаре ортогонален любому вектору линейного ДЛП, и, коль скоро циркулярное ДЛП подавляет внутреннее линейное ДЛП волокна для наблюдения эффекта Фарадея, оно неминуемо должно подавить также и более слабое линейное ДЛП, индуцированное намоткой по радиусу R, что не реализуется в волокнах spun.

В волокнах типа spun, полученных при вращении заготовки с сильным внутренним линейным ДЛП, наблюдают подавление линейного ДЛП, наведенного изгибом. Однако, это подавление достигается увеличением внутреннего линейного ДЛП (сокращением длины биений ¿¿), а не уменьшением шага кручения Наоборот, уменьшение шага Ьы при наличии изгиба приводит к уменьшению ма!тшто-оптической чувствительности волокна spun.

а) Ь)

Рис 11 Сравнение эволюций поляризационных состояний в волокнах со спиральной структурой линейного двойного лучепреломления- а) в прямолинейном волокне; Ь) в волокне изогнутом по радиусу Я = 10 мм В изогнутом волокне випси нутации огибают окружность диаметром йц. Диаметр витков нутации Длина биений Ц = 16 мм, шаг спирали = 8 мм

В главе 7 с точки зрения полученных выше результатов - наличия спиральной структуры осей линейного ДЛП, рассмотрены волокна {14, 21}, в которых минимизировано влияние источников линейного ДЛП [21] (так называемые волокна LoBi - low birefringence) Такие волокна получают также при вращении заготовки. В главе исследована фазовая задержка между когерентными линейно поляризованными модами оптического излучения, связанная с упругими изгибами одномодовых ВС типа LoBi.

В п.7.1 даны характеристики волокон LoBi и описаны известные способы их измерения {14}. Для определения длины биений встроенного ДЛП в волокнах LoBi можно использовать как способ определения длины биений по п.6.3 {20} (аналогично волокнам spun) так и поворот плоскости поляризации в процессе распространения излучения по волокну LoBi. Одновременно, можно сделать вывод о том, является ли волокно настоящим волокном LoBi У настоящего волокна LoBi плоскость поляризации не будет поворачиваться Поворот от случайных линейных ДЛП в среднем равен нулю.

В п.7.2 приведены результаты измерений фазовой задержки в прямолинейных волокнах LoBi (диаметр 125мкм и 80 мкм), проведенные традиционным методом. Исследования были проведены на большом количестве образцов на следующих длинах волн: ~ 670 нм; Х2 ~ 820 нм; Х3 ~ 1330 нм, Х4 ~ 1550 нм. В тексте диссертации приведены гистограммы распределений.

Фазрвая задержка не накапливалась на больших длинах волокна (26 м и 60 м). На этих длинах фазовая задержка составила 4,3° и 3,8°, соответственно На длине 4 м в стандартной схеме опыта R,¿ = 4,1°. Полученные результаты находятся в согласии с моделью спиральной структуры осей встроенного линейного ДЛП Обнаружено, что несмотря на принимаемые меры по уменьшению встроенного ДЛП в ВС типа LoBi остается регулярное встроенное линейное ДЛП с длинами биений I¿, от 30 до 80 мм в спиральной структуре.

В п.73 приведены результаты измерений фазовой задержки в волокнах LoBi, изогнутых (~1 виток) по фиксированному радиусу R. Фазовая задержка, получаемая от одного витка ВС на катушке радиуса R, обратно пропорциональна R [11]:

=& = S 2яй = 2^-0,2757-^(Я)^- (27)

Я R

где г - внешний радиус ВС; X - рабочая длина волны; п0(Х) - показатель преломления кварца на длине волны X. Функция R,d будет линейной функцией аргумента MR с наклоном, зависящим от длины волны А. и радиуса волокна г. Имеются экспериментальные данные по четырем длинам волн X: 670 нм, 820 нм, 1330 нм, 1550 нм и по ВС двух различных стандартных внешних диаметров 1г. 125мкм и 80мкм.

Анализ экспериментальных результатов показывает, что предсказываемые формулой (27) наклоны функций Rui в основном соблюдаются, эксперимен-

тальные точки практически следуют предсказанной закономерности. Волокна с различными шагами спирали в пределах от = 2,5 мм до I«, = 6 мм ведут себя при изгибе одинаковым образом, что существенно противоречит модели с встроенным циркулярным ДЛП. Сам факт отклонения экспериментальных точек от прямой (27) показывает, что линейные ДЛП встроенные в ВС носят регулярный (а не случайный) характер. Кроме того, величины отклонений позволяют оценить сверху длину биений встроенного ДЛП.

Глава 8 посвящена исследованию взаимодействия когерентных волн ортогональных поляризаций с веществом оптических волокон с винтовой спиральной структурой сильного двойного лучепреломления в чувствительном элементе волоконного отражательного интерферометрического датчика электрического тока {18}. Предложен и проведен решающий эксперимент {2225} в пользу модели спиральной структуры осей линейного ДЛП для описания эволюции поляризационных состояний в волокне ерш по сравнению с моделью, использующую циркулярное ДЛП.

В п.8.1 рассматривается принцип действия известного [10],{18,19} волоконного отражательного интерферометра, с целью выработать основные требования к чувствительному элементу интерферометра, которым является контур с волокном spun. Показано, что волокна со спиральной структурой осей линейного ДЛП, могут быть использованы в контуре чувствительного элемента.

В п.8.2 по фазовой задержке между когерентными волнами ортогональных круговых поляризаций рассчитана относительная чувствительность (04) S/Sm чувствительного элемента интерферометра в зависимости от параметров контура (радиус R намотки волокна в контуре) и параметров волокна spun (длина биений Lb встроенного линейного ДЛП и шаг винтовой спирали LM), используемого в контуре {18}. Расчет сделан на компьютере (согласно п.б.4).

При больших шагах спирали LM (малые значения ¿¿Д*,) наблюдается резкое снижение 04 S/Sm. Это связано с тем, что встроенное линейное ДЛП не подавляется спиральной структурой и эффект Фарадея перестает накапливаться с длиной волокна При уменьшении шага спирали при больших радиусах изгиба наблюдается монотонное увеличение чувствительности S/S^,, в общем похожее на увеличение, предсказываемое циркулярным ДЛП. Однако, уже при Л = 50 мм начинаются качественные отличия. Чувствительность S/Sm начинает уменьшаться при уменьшении шага спирали LM (увеличении отношения Lb/L,„)

Ситуация парадоксальная: с одной стороны без кручения наблюдение эффекта Фарадея невозможно, с другой стороны слишком сильное кручение приводит в условиях намотки к уменьшению ОЧ. Объяснить это можно следующим образом Влияние намотки подавляется при непосредственном участии собственного встроенного линейного ДЛП. При малых шагах спирали встроенное линейное ДЛП подавляется сильно и перестает справляться с ДЛП от намотки.

Для выбора адекватной модели волокна spun предложен следующий экс-перимент{22-25}. В чувствительном элементе интерферометра используют два ВС со встроенным ДЛП с одинаковыми длинами биений, например, Ц = 15 мм, отличающиеся шагом спирали, например, L^ = 2,5 мм и L2tw = 7,5 мм. Измеряют 04 датчика S/S^ в зависимости от радиуса R намотки ВС в чувствительном элементе. При больших радиусах (R ~ 40 мм), как и в прямолинейном ВС, величина S / у ВС с малым шагом спирали будет больше, чем у ВС с большим шагом спирали ¿aw- Однако, ВС с малым шагом спирали ¿и« будет быстрее терять чувствительность, чем ВС с большим шагом law. если уменьшать радиус R их намотки в чувствительном элементе. При малых радиусах R величина S / у ВС с малым шагом спирали будет меньше, чем у ВС с большим шагом.

Такое поведение коренным образом отличается от поведения ВС, имеющего циркулярное ДЛП. Графики 5/5вд для двух волокон с разными длинами биений циркулярного ДЛП пойдут параллельно не пересекаясь.

Дело за решающим экспериментом: если графики чувствительности контуров пересекаются - работает модель спиральной структуры встроенного линейного ДЛП, если не пересекаются - модель, включающая циркулярное ДЛП (или эллиптическое ДЛП).

0.3

А к —1

-а

■

Рис 12 Экспериментальная зависимость максимальной чувствительности волокон spun в контурах различных радиусов R Волокна имеют одинаковые значения длины биений встроенного линейного ДЛП Lb= 15 мм и отличаются шагом спирали: = 2,5 мм - ромбики и Ьы = 7,5 мм -треугольники. Сплошные линии -теория спиральной структуры встроенного линейного ДЛП

10 20 30 40 R (мм)

П.8.3 посвящен описанию предложенного выше (п.8.2) эксперимента, позволяющего сделать выбор между двумя моделями волокна spun{22-25}: моделью спиральной структуры встроенного линейного ДЛП, или моделью, включающая циркулярное ДЛП.

В эксперименте использовался отражательный волоконный двуполяриза-ционный интерферометр (ВДИ) {25}. Результаты измерений чувствительности при различных радиусах R намотки spun волокон представлены на рис.12.

Из рисунка видно, что экспериментальные точки весьма близки к пересекающимся графикам зависимостей чувствительности датчика от радиуса R изгиба. Таким образом, на основании проведенного эксперимента можно утверждать, что волокна spun описываются моделью спиральной структуры встроенного линейного ДЛП. Полученные результаты противоречат модели, включающей циркулярное ДЛП.

В Выводах перечислены основные результаты диссертации.

Основные результаты диссертации

1 В результате проведенных теоретических, расчетных и экспериментальных исследований, направленных на решение важных проблем лазерной физики:

а) изучено комплексное влияние геометрического форм-фактора оптического волокна, в том числе изгиба и микроструктурирования, на параметры распространения лазерного излучении в волоконно-оптических линиях связи (потери, константы распространения и их зоны в фотонно-кристаллических волокнах, поляризационные состояния излучения), а также на возможности применения таких волокон в качестве первичных преобразователей датчиков физических величин

б) выполнены исследования физики взаимодействия когерентного оптического излучения с магнитным полем в веществе световода, что позволило создать новый класс функциональных элементов на основе магнито-чувствительных волоконных световодов.

2 В рамках решения основной проблемы исследования физических аспектов волоконно-оптической связи, оптической обработки и передачи информации были решены следующие конкретные задачи.

2.1. С помощью изгиба малого радиуса была решена задача вывода оптического излучения из сердцевины на границу световод - внешняя среда для получения информации о параметрах внешней среды и возвращения оптического излучения, несущего эту информацию, в сердцевину световода для ее дальнейшей передачи.

2.2. Построена модель изогнутого волоконного световода, согласно которой распространение оптического излучения в изогнутом по радиусу R волоконном световоде подчиняется тем же закономерностям, что и распространение

излучения по прямолинейному волоконному световоду, но с перекошенным определенным образом (согласно конформному отображению) профилем показателя преломления. Модель позволяет по возвращаемому оптическому сигналу определять важные параметры внешней среды, окружающей изгиб: показатель преломления и коэффициент поглощения. Модель позволяет предсказывать потери лазерного излучения в одномодовых оптических волокнах на изгибе по фиксированному радиусу при использовании явления оптического туннелирования. Модель подтверждена экспериментально.

2.3. Предложены и реализованы на практике устройства для получения и оптической обработки информации на основе изгиба волоконного световода по малому радиусу индикатор уровня жидкости, термометр, рефрактометр, а также устройство для дистанционной спектроскопии жидкостей. Предложены и реализованы также устройства для волоконно-оптической связи, представленные термооптическими переключателем каналов и аттенюатором.

2.4. Построена модель изогнутого одномодового волоконного световода, согласно которой выход лазерного излучения из сердцевины на изогнутом участке обусловлен явлением оптического туннелирования сквозь барьер, определяемый профилем показателя преломления. Модель подтверждена экспериментально для различных профилей показателя преломления (например, прямоугольного, параболического и треугольного) и различных волноводных параметров, распространяющегося лазерного излучения.

2.5. Построена зонная модель световедущей оболочки микроструктурного волоконного световода (фотонного кристалла) на основе коллективного взаимодействия треугольных световодов, согласно которой уровни индивидуальных констант распространения этих световодов расщепляются в зоны, похожие на энергетические зоны в кристаллах. Модель подтверждена экспериментально.

2.6. Предложена и реализована на практике методика исследования зонной структуры микроструктурного волоконного световода (фотонного кристалла), включающая изгиб световода по варьируемым радиусам, позволяющая совмещать уровень константы распространения основной канализируемой моды световода с той или иной зоной констант распространения оболочки.

3. В рамках решения основной проблемы исследования физики взаимодействия когерентного оптического излучения с магнитным полем в веществе световода были решены следующие конкретные задачи. 3.1. Построена модель волокна, получаемого вращением заготовки с сильным встроенным линейным двулучепреломлением (spun волокна), предназначенного для исследования взаимодействия когерентного поляризованного излучения с внешним магнитным полем в веществе световода. Модель представляет собой спиральную структуру осей линейного двулучепреломления в от-

личие от используемой ранее модели, включающей наряду с линейным еще и встроенное циркулярное двулучепреломление.

3.2. В-рамках модели спиральной структуры проведен расчет разности фаз между волнами ортогональных циркулярных поляризаций, набегающей в результате прохождения поляризованного когерентного излучения по spun волокну в присутствии и отсутствии внешнего магнитного поля. Цель расчета - объяснение ранее наблюдавшихся оптических эффектов и предсказание новых эффектов, присущих только указанной модели.

3.3. Изучена иерархия двулучепреломлениий и эволюция поляризационных состояний когерентного оптического излучения в волокнах типа LoBi и в spun волокнах. Рассчитана относительная магнито-оптическая чувствительность spun волокон, намотанных в контуре по фиксированному радиусу.

3 4 Предложена и теоретически обоснована методика эксперимента, использующая изгиб spun волокон двух типов (отличающихся скоростью вращения при вытяжке) по различным радиусам, для кардинального решения вопроса о модели spun волокна: спиральная структура осей встроенного линейного двулучепреломления или встроенное циркулярное двулучепреломление? 3 5 Осуществлен эксперимент на базе волоконно-оптического отражательного интерферометра, на основе указанной методики, использующий взаимодействие когерентного поляризованного излучения с внешним магнитным полем в веществе изогнутого световода spun и позволяющий сделать выбор в пользу модели спиральной структуры осей встроенного линейного двулучепреломления.

Публикации по теме диссертации

{1} С К Моршнев, А С Рябов, ВНВолохов, М Е Жаботинский, А В Францессон, В С Ивановский, «Индикатор уровня жидкости», АС №735926, (1980), Бюлл. изобретений №19, от 27.05 80, стр.165 {2} В НВолохов, М КЖаботинский, С К Моршнев, А С Рябов, А В Францессон, Э С Янковский, «Волоконно-оптический датчик уровня жидкости», «Приборы и техника эксперимента», (1981), №6,197-198 {3} СКМоршнев.А С Рябов, А В Францессон «Устройство для измерения температуры», АС №859838, (1981), Бюлл. изобретений №32, от 30 08 81, стр 186 {4} С К Моршнев, А В Францессон, «Пропускание светового излучения крутыми изгибами волоконных световодов», Квантовая электроника, (1982), т 9, №2,284-291 {5} А А Затыкин, С К Моршнев, А.В Францессон, «Пучковый режим выхода излучения на кругом изгибе волоконного световода», Письма в ЖТФ, (1982), т.8, №2,97-100. {6} М КЖаботинский, А А Затыкин, С К Моршнев, А С Рябов, А В Францессон, «Крутой изгиб волоконного световода - основа датчиков физических величин», Радиотехника, (1982), т 37, №8,8-13. {7} А А Затыкин, С К.Моршнев, А В Францессон, «Взаимодействие излучения с поглощающей средой на участке световода с крутым изгибом», Квантовая электроника, (1983), т.10, №11,2283-2288. {8} А А Затыкин, С К Моршнев, А В Францессон, «Волоконный термооптический

коммутатор», Квантовая электроника, (1985), т 12, №1,211-213 {9} С К.Моршнев, А С Рябов, А В Францессон, «Волоконный термооптический аттенюатор», Радиотехника и электроника, (1985), т.30, №5,1034-1036 {10} С.КМоршнев, А С Рябов, А В Францессон, «Волоконные световоды для датчиков

на крутом изгибе», Радиотехника и электроника, (1986), т 31, №5,1010-1014 {11} Л С Рябов, В Н.Маврин, А В Мазур, С К Моршнев, А В Францессон, «Волоконно-

оптический термометр», Приборы и техника эксперимента, (1987), №1,215-218 {12} В А Аксенов, В В Волошин, ИЛ Воробьев, Г А Иванов, В А Исаев,

А О Кояосовский, СКМоршнев, Ю К. Чаморовский, «Потери в одномодовых волоконных световодах на однократных изгибах по малому радиусу Прямоугольный профиль показателя преломления», Радиотехника и электроника, (2004), т.49, №6,734-742 {13} В А Аксенов, ИЛ Воробьев, Г А Иванов, В А Исаев, СКМоршнев,

Л П Прокофьева, Ю К Чаморовский, В В Щербаков, «Потери в одномодовых волоконных световодах с треугольным профилем показателя преломления на однократных изгибах по малому радиусу», Радиотехника, (2004), №12, с 27-30 {14}Аксенов В.А, Моршнев С К, Иванов ГА, Чаморовский Ю К , «Поляризационные одномодовые волоконные световоды», Тезисы 13-й международной конференции «ММТТ-2000», С-Петербург, (2000), Т.7,53 {15} СКМоршнев, Учебное пособие: «Электромагнитные волны в диэлектрических волноводах», Препринт МФТИ, Москва, (2004) {16} СКМоршнев, И Л Воробьев, В.А Исаев, Ю К Чаморовский, «Сканирование зон микроструктурного волокна при его изгибе»,

Радиотехника и электроника, (2007), т 52, №12,1505-1517. {17} Губин В П, Исаев В А , Моршнев С К, Сазонов А И., Старостин Н И,

Чаморовский Ю К, Усов А И, Отрохов С Ю, «Цельноволоконные оптические датчики электрического тока с чувствительным элементом на основе SPUN световодов», Тезисы докладов конференции «Лазеры, измерения, информация 2005», Санкт-Петербург, 8-9 июня 2005 г. {18} В П Губин, В А Исаев, СКМоршнев, А И.Сазонов, НИ Старостин,

Ю К Чаморовский, А И Усов, «Волоконные световоды типа «SPUN» в датчиках тока», Квантовая электроника, (2006), т.36, №3,287-291 {19} УР Gubrn, У A Isaev, SUMorsknev, A ISazonov, NIStarostm, Yu KChamorovsky, AI Oussov, S Yu Otrokhov, «All-fiber sensor of electrical current with a SPUN fiber sensing element», Proc. SPIE, (2006), V 6251,625ЮР-1-ОР-9 {20} S KMorshnev, M VRyubko, Yu К Chamorovsky, «Measuring of an embedded linear

birefringence in Spun optical fibers», Proc. SPIE ,(2007), v 6594,65940R {21} В А Аксенов, В В Волошин, И JI Воробьев, ГА Иванов, В А Исаев, С К Моршнев, А О Колосовский, Ю К Чаморовский, «Особенности эффекта Фарадея в кварцевых волоконных световодах», Радиотехника и электроника, (2002), Т.47, №8,1011-1017. {22}Моршнев С К, Губин В П, Исаев В А, Старостин НИ, Сазонов А И.,

Чаморовский Ю К Короткое НМ, «Спиральная структура линейного двулуче-преломления или циркулярное двулучепреломление?», Вестник СпбО АИН (2008), №5,78-82 {23} SКMorshnev, VPGubin, VA Isaev, NIStarostm, A ISazonov,

Yu К Chamorovsky, NMKorotkov, "Concerning the question about physical model of birefringent spun fiber",

Optical Memory and Neural Networks, (2008), 17, №4,258-262. {24} MVRyabko, Yu.K.Chamorovshi, SKMorshnev, NIStarostm, "Optical current sensor based on microstructured optical fiber", EOS Annual Meeting 2008, 29 09 - 02.10, 2008, Paris, France, (2008), TOM4 - micro- and nanoscale photonic systems. {25} СКМоршнев, В П Губин, ИЛ Воробьев, НИСтаростин, А И Сазонов,

Ю К Чаморовский, Н М.Короткое, «Оптические волокна spun: спиральная структура линейного двулучепреломления или циркулярное двулучепреломление?», Квантовая электроника, (2009), т.39, №3,287-292.

Список цитируемой литературы

[1] DB Keck, RD Maurer, Р С Schultz, "On the ultimate lower limit of attenuation in glass optical waveguiedes", Appl Phys Lett, (1973), 22,307

[2] D Gloge, "Weakly guiding fibers", Appl.Opt, (1971), 10,2252

[3] Topical Meeting on Optical Fiber Transmission, Williamsburg, Va, (1975)

[4] А В Белов, MM Бубнов, A H Гурьянов, ДДГусовский, Г Г.Девятых, КМ Дианов,

А С Конов, ВГЛужаин, ЕП Никитин, А В Николайчик, А МПрохоров, А С Южин, «Волоконный световод с малыми потерями с сердцевиной из кварцевого стекла и с боросиликатной оболочкой», Письма ЖТФ, (1975), 1, 15,689.

[5] А В Белов, ММ Бубнов, А Н Гурьянов, ДДГусовский, Г Г Девятых, ЕМ Дианов,

А С.Конов, В.ГЛужаин, ЕП Никитин, А В Николайчик, А М Прохоров, А С Южин, «Стеклянные волоконные световоды с малыми потерями», Квант, электрон.,(1975), 2,9,2106.

[6] M.ffJ>omeuHKUH, В В Григорьянц, М.Е.Жаботинский, В.Н Исаков, Г.А.Иванов,

И А Коренева, О И Рябых, С В Шрейбер, ЮЛ Чаморовский, «Световоды из кварцевого стекла с радиальным изменением содержания бора и фосфора», Квант, электрон ,(1976), 3,10,2304.

[7] Gambling WA, Matsumura Н„ "Modes in curved step-index optical fibres", Election. Lett, (1977), 13, №18,532

[8] MHeiblum, J.H Harris, "Analisis of curved optical waveguides by conformal transformation", IEEE J. Quantum Electronics, (1975), QE-11, № 1, 75

[9] LamingRI, Payne DN, "Electric current sensors employing spun highly birefringent optical fibers", J. Lightwave Technol. LT-7, №12,2084, (1989)

[10] Blake J, Tantaswadi P andde Carvalho, IEEE Trans. On Power Delivery, (1996), 11,116

[11] Rashleigh SC, "Origins and control of polarization effects in single mode fibres", J. Lightwave Technol LT-1.2,312-331, (1983)

[12] J. C. Knight, T A. Birks, P S J Russell, artdD M Athn, "All-silica single-mode optical fiber with photonic crystal cladding," Opt Lett, (1996), 21,1547-1549

[13] УнгерХ.-Г , «Пленарные и волоконные оптические волноводы», М. Мир. (1980)

[14] ДД Ландау и ЕМ Лившиц, «Квантовая механика», Физ.- мат. литер, М, (1963).

[15] Э Ферми, «Лекции по квантовой механике», (2000), «Регулярная и хаотическая динамика», Ижевск, 2000

[16]Ахманов СА, Никитин СЮ, «Физическая оптика», Изд-во МГУ, М, (1998).

[17] Azzam R.MA, BasharaN М, «Ellipsometiy and Polarised Light», Amsterdam - New York - Oxford: North Holland Publ. Comp, (1977); «Эллипсометрия и поляризованный свет», «Мир», Москва, (1981)

[18] 5 X Short, АЛ Tsehkov, J U de Arruda and J, N Blake, "Imperfect Quarter-

Waveplate Compensation in Sagnac Interferometyer-Type Current Sensors", J. Lightwave Technol., 16, №7,1212-1219

[19] A Michie, J Canning, JBassett, J Haywood, KDigweed, MAslung, BAshton, M Stevenson, JDigweed, "Spun elliptically birefringent photonic crystal fibre", Opt Express, (2007), 15, №4,1811-1816.

[20] Дейкин Дус , Калшо Б «Оптоволоконные сенсоры: принципы и компоненты», Москва, «Мир», (1992), стр.347).

[21] SRNorman, DN Payne, М J Adams, A M Smith, "Fabrication of single-mode fibers exhibiting extremely low polarization birefringence", Electron Lett, (1979), 15,309

Введение.

Глава 1. Крутой изгиб многомодового волоконного световода.

1.0.Моды прямолинейного световода.

1.1 .Распространение излучения в области изгиба волокна.

1.2.Конформное отображение изогнутого световода в прямолинейный.

1.3 .Эксперимент.

1.4.Пучковый режим выхода излучения на крутом изгибе волоконного световода.

Глава 2. Применения изгиба многомодового волоконного световода.

2.1.Чувствительный элемент датчика уровня жидкости.

2.2 .Рефрактометр.

2.3.Чувствительный элемент датчика температуры.

2.4.Волоконный термооптический коммутатор.

2.5.Волоконный термооптический аттенюатор.

2.6.Изгиб волокна в среде с интенсивной линией поглощения.

Глава 3. Потери от изгиба. Одномодовый волоконный световод.

Теория.

3.1.Аналогия констант распространения в световоде и уровней энергии частицы в потенциальной яме.

3.2.Чисто геометрический изгиб. Прямоугольный профиль показателя преломления.

3.3.Учет изменений в показателе преломления волокна на изгибе.

3.4.Треугольный профиль показателя преломления.

3.5.Двухволновый световод.

Глава 4. Потери от изгиба. Одномодовый волоконный световод.

Эксперимент.—

4.1.Прямоугольный профиль показателя преломления.

4.2.Треугольный профиль показателя преломления.

Глава 5. Метод сканирования зон микроструктурного волокна при его изгибе.

5.1.Микроструктурный волоконный световод как совокупность сильно связанных коллективным взаимодействйЬм световодов треугольного сечения.<.*.

5.2.Метод сканирования зон микроструктурного волокна при его изгибе.

5.3.Эксперимент. Выход излучения в зоны первой и второй моды большого треугольника.

5.4.Модель и экспериментальные результаты. Обсуждение.

Глава 6. Изгиб в волокнах со спиральной (винтовой) структурой осей линейного двулучепреломления.

6.0.Некоторые определения.

6.1 .Прямолинейные волокна с сильным линейным двойным лучепреломлением.

6.2.Прямолинейные волокна со спиральной (винтовой) структурой осей линейного двойного лучепреломления.

6.3.Измерение длины биений внутреннего линейного двойного лучепреломления в spun волокнах.

6.4.Изгиб волокон со спиральной (винтовой) структурой осей линейного двойного лучепреломления.

6.5.0 циркулярном двойном лучепреломлении.

Глава 7. Волокна со слабым двулучепреломлением типа LoBi.

7.1 .Волокна со спиральной структурой слабого линейного двулучепреломления (LoBi).

7.2.Измерения фазовой задержки в волокнах LoBi. Эксперимент.

7.3.Изгиб волокон LoBi. Эксперимент.

Глава 8. Волокна spun: спиральная винтовая структура линейного двулучепреломления или циркулярное двулучепреломление?.

8.1.Требования к чувствительному элементу в волоконном интерферометрическом датчике тока.

8.2.Чувствительный элемент датчика тока.

Относительная чувствительность.

8.3.Спиральная структура линейного ДЛП или циркулярное ДЛП?

Решающий эксперимент.

Выводы.

Публикации по теме диссертации.

Волоконная оптика, как научное направление, начала бурно развиваться с момента разработки технологии волоконных световодов (ВС) с малыми (меньше 1 дБ/км) линейными потерями, т.е. ВС из кварцевого стекла. Первая конференция по вопросам волоконной оптики состоялась в 1975 г. [1]. Теоретические работы, например [2-4], появились еще раньше: в 1969-73 г.г. Нужно упомянуть практически значимые работы [5,6], посвященные источникам потерь в ВС. В нашей стране работы по ВС с малыми потерями были опубликованы в 1975-77 г.г. [7-11]. С тех пор волоконная оптика интенсивно развивается, находя применение в оптической связи, лазерной технике, технике обработки информации, оптических вычислительных машинах, оптических датчиках различных физических величин и т.д. Предметом исследований, изложенных в диссертации, являются исследования взаимодействия когерентного (в частности, поляризованного) оптического излучения с веществом в области упругого или неупругого изгиба ВС, а также физические аспекты волоконно-оптической связи, оптической обработки и передачи информации.

Научный интерес к изгибу волоконного световода появился практически вместе с появлением самих световодов (см., например, [12-14]). Первоначально изгиб ВС рассматривался только как источник потерь излучения [12-18], канализируемого световодом, которые необходимо было минимизировать. Первые волоконно-оптические датчики также появились в 70-х годах XX века [19]. Чаще всего тогда они представляли собой некий объемный чувствительный элемент, реагировавший на воздействие измеряемого физического поля, излучение к которому подводилось (и отводилось) волоконными световодами.

В 1980-82 г.г. нами были предложены чисто волоконные датчики {1-6}, в которых чувствительным элементом выступал неупругий изгиб многомодового ВС по малому радиусу. Для объяснения экспериментальных результатов была привлечена теория {4} на основе конформного отображения на комплексной плоскости, преобразующая изогнутый световод в прямолинейный, но с перекошенным профилем показателя преломления. Теория конформного отображения была впервые применена M.Heiblum и J.H.Harris [18] для планарных световодов. В 80-х годах интерес к распространению излучения на изогнутых участках световодов не ослабевает (например, [20-23]).

Кроме волоконно-оптических датчиков {7-8} в это время мы предложили несколько приборов и устройств {9-11} также на основе неупругого изгиба мно-гомодового ВС по малому (~1-гЗ мм) радиусу.

Впоследствии, для практических применений потребовались одномодовые ВС с малыми потерями на однократных изгибах радиусом ~2-гЗ мм. Была разработана теория туннелирования излучения сквозь барьер при перекошенном профиле ПП {12,13}, позволившая рассчитать потери одномодового волокна на упругом изгибе по малому радиусу. Эксперимент подтвердил предсказания теории.

В 80-х годах появились световоды, сохраняющие поляризацию канализируемого излучения [24-31]: ВС со слабым двулучепреломлением (LoBi = low birefringence) и волокна с сильным ДЛП (Hi-Bi = high birefringence). В принципе прямолинейные волокна Lo-Bi должны были сохранять линейную поляризацию излучения в лабораторной системе отсчета. Впоследствии выяснилось, что они слабо поворачивают плоскость поляризации света в процессе распространения его по ВС [32]. В волокнах Hi-Bi линейная поляризация излучения сохранялась в системе отсчета связанной с осями линейного ДЛП волокна в том случае, если излучение было поляризовано вдоль одной из главных осей линейного ДЛП.

Тогда же в 80-х годах было обнаружено, что изгиб ВС по фиксированному радиусу индуцирует в волокне линейное ДЛП [33,34].

В конце 80-х появились волокна spun с сильным встроенным линейным ДЛП, полученные при вращении заготовки [35]. В 90-х годах мы проводили исследования волокон Lo-Bi, включавшие определение фазовой задержки в прямолинейном волокне и фазовых задержек индуцированных изгибом ВС по различным фиксированным радиусам R {14}. В согласии с работами [27,36] мы не обнаружили циркулярного ДЛП в волокнах Lo-Bi, однако, также как в работе [37], был обнаружен поворот плоскости поляризации, нарастающий с длиной волокна. Были исследованы также волокна Lo-Bi, подвергнутые упругому кручению вокруг оси волокна. Оказалось, что такие волокна действительно обладают циркулярным ДЛГТ [34], однако, для получения одинаковых длин биений линейного и циркулярного ДЛП требуются существенно различные (отличающиеся на три порядка) соответственно поперечные и сдвиговые напряжения в материале волокна. В связи с этим возникли сомнения в наличии встроенного циркулярного ДЛП и в волокнах spun с сильным встроенным линейным ДЛП.

Дальнейшее изучение поляризационных свойств волокон spun привело к пониманию факта существования в этих волокнах спиральной (винтовой) структуры осей линейного встроенного ДЛП, что полностью объясняло накопившиеся к этому моменту экспериментальные факты без использования циркулярного ДЛП {15-17}. Получил новое звучание известный метод определения величины встроенного линейного ДЛП {18,19}. Наконец, был предложен и осуществлен решающий эксперимент {20-22}, позволивший утверждать, что встроенное циркулярное ДЛП в волокнах spun не проявляет себя. Основным моментом эксперимента было свойство волокна spun сопротивляться изгибу по фиксированному малому радиусу.

В конце 90-х годов появились микроструктурные волокна [38-39], в которых световедущую оболочку формирует периодическая решетка отверстий, идущих вдоль всего волокна, а сердцевину, канализирующую излучение, можно рассматривать, как дефект этой решетки. В таких световодах была обнаружена полосовая структура констант распространения. В настоящее время исследования микроструктурных волокон идет очень интенсивно.

Изгиб по малому радиусу был использован нами в методике сканирования разрешенных и запрещенных зон микроструктурных волокон {23}. Была построена новая модель таких волокон, представляющая микроструктурное волокно, как совокупность сильно связанных треугольных волноводов.

Целью диссертации является исследование физических аспектов волоконно-оптической связи, оптической обработки и передачи информации (в части волоконных световодов, изогнутых по малому радиусу, микроструктурных волоконных световодов (фотонных кристаллов), а также физики взаимодействия когерентного оптического излучения с магнитным полем в веществе световода (в части специальных магнито-чувствительных волоконных световодов).

Все результаты, выносимые на защиту, являются оригинальными. Достоверность полученных результатов обосновывается надежностью использованных аналитических методов и экспериментальным подтверждением выводов теории. Результаты диссертации согласуются с данными экспериментов, полученных другими авторами. Защищаемые положения диссертации:

1. Изгиб волоконного световода является важным инструментом научных исследований в лазерной физике: физических процессов взаимодействия когерентного оптического излучения с веществом световода в присутствии внешнего магнитного поля, процессов распространения излучения в микроструктурных световодах (фотонных кристаллах), физических аспектов волоконно-оптической связи, оптической обработки и передачи информации.

2. Изгиб волоконного световода по малому радиусу выводит канализируемое световодом оптическое излучения из сердцевины на границу световод - внешняя среда для получения информации о параметрах внешней среды и возвращает оптическое излучение, несущее эту информацию, в сердцевину световода для ее дальнейшей передачи.

3. Распространение оптического излучения в изогнутом по радиусу Л волоконном световоде подчиняется тем же закономерностям, что и распространение излучения по прямолинейному волоконному световоду, но с перекошенным определенным образом (согласно конформному отображению) профилем показателя преломления.

4. Выход лазерного излучения из сердцевины на изогнутом участке одномодо-вого волоконного световода обусловлено явлением оптического туннелирова-ния сквозь барьер, определяемый профилем показателя преломления.

5. Световедущая оболочка микроструктурного волокна (фотонного кристалла) представляет собой совокупность световодов, связанных коллективным взаимодействием, расщепляющим уровни их индивидуальных констант распространения в зоны, похожие на энергетические зоны в кристаллах.

6. Изгиб микроструктурного волоконного световода (фотонного кристалла) по варьируемым радиусам дает возможность совместить уровень константы распространения основной канализируемой моды световода с той или иной зоной констант распространения оболочки, позволяя тем самым изучить зонную структуру фотонного кристалла.

7. В волоконных световодах, получаемых при вращении заготовки с сильным встроенным линейным двулучепреломлением (волокнах spun), образуется винтовая спиральная структура осей указанного встроенного линейного двулуче-преломления, определяющая эволюцию поляризационных состояний когерентного оптического излучения в световодах этого типа.

8. Характер взаимодействия (эволюция поляризационных состояний) когерентного поляризованного оптического излучения с веществом изогнутых световодов типа spun указывает на отсутствие в них встроенного циркулярного двулу-чепреломления.

На защиту также выносятся:

1. Устройства по получению и оптической обработке информации, представленные датчиками уровня жидкости и температуры, а также устройством для дистанционной спектроскопии жидкостей на основе изгиба волоконного световода по малому радиусу.

2. Устройства для волоконно-оптической связи, представленные термооптическим переключателем каналов и термооптическим аттенюатором.

3. Модель изогнутого волоконного световода, позволяющая рассчитывать потери оптического излучения на изгибах световода по малому радиусу для различных профилей показателя преломления и различных радиусов изгиба, а также ее экспериментальное подтверждение.

4. Зонная модель световедущей оболочки микроструктурного волоконного световода (фотонного кристалла) на основе коллективного взаимодействия треугольных световодов.

5. Метод исследования зон констант распространения оболочки, использующий изгиб волоконного световода по варьируемым радиусам, и его экспериментальное подтверждение.

6. Модель волокна, получаемого вращением заготовки с сильным встроенным линейным двулучепреломлением (spun волокна), предназначенного для исследования взаимодействия когерентного поляризованного излучения с внешним магнитным полем в веществе световода. Модель представляет собой винтовую спиральную структуру осей линейного двулучепреломления.

7. Теоретическое обоснование модели спиральной структуры, позволяющее объяснить ранее наблюдавшиеся (в том числе и другими авторами) физические эффекты, в волокнах spun, на основе приведенной модели без привлечения встроенного циркулярного двулучепреломления.

8. Методика эксперимента, использующая изгиб spun волокон двух типов (отличающихся скоростью вращения при вытяжке) по различным радиусам, для кардинального решения вопроса о модели spun волокна: спиральная структура осей встроенного линейного двулучепреломления или встроенное циркулярное двулучепреломление?

9. Эксперимент на основе волоконно-оптического отражательного интерферометра, использующий взаимодействие когерентного поляризованного излучения с внешним магнитным полем в веществе световода spun, позволяющий сделать выбор в пользу модели винтовой спиральной структуры осей встроенного линейного двулучепреломления.

Результаты диссертации могут быть применены в разработках датчиков физических величин, использующих изгибы волоконных световодов, как много-модовых, так и одномодовых и поляризационных {1-4, 7, 9-11}. и

Предлагаемая в диссертации модель одномодового волоконного световода с различными профилями показателей преломления, изогнутого по фиксированному радиусу {12,13} может быть использована в расчетах профилей ВС, предназначенных для работы в изогнутом состоянии и исключить дорогостоящее экспериментальное моделирования световодов.

Метод сканирования разрешенных и запрещенных зон констант распространения в микроструктурном ВС {23}, может быть использован в экспериментальных исследованиях микроструктурных волокон, а модель {23}, позволяет наглядно и просто производить оценки параметров микроструктурных волокон, не прибегая к сложным и длительным точным расчетам на компьютерах, сокращая, тем самым, сроки моделирования микроструктурных ВС.

Результаты диссертации, относящиеся к поляризационным волоконным световодам, полученным при вращении заготовки (LoBi и spun) {15-22}, могут быть использованы, в частности, в интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока. Результаты изучения иерархии двулучепреломле-ний в волокне spun могут быть использованы для сознательного выбора параметров волокна, предназначенного, например, для контуров с малым и большим радиусом намотки, для фазового модулятора или для фазовых пластинок.

Наконец, решающий выбор {22, 27} между двумя моделями spun волокна, был осуществлен с помощью изгибов spun волокон по различным радиусам.

Практически все работы автора выполнены совместно с сотрудниками ФИРЭ им. В.А.Котельникова РАН. Однако, в диссертацию включены только те работы, в которых вклад автора был преобладающим. В частности, вся теоретическая компонента диссертации и 80% экспериментальной - выполнены автором. Защищаемые модели также предложены автором.

На различных этапах исследований в постановке конкретных задач и обсуждения результатов принимали участие А.В.Францессон, М.Е.Жаботинский, Ю.К.Чаморовский, Г.А.Иванов, В.А.Исаев, Н.И.Старостин и В.П.Губин.

Объекты исследований - различные волоконные световоды были изготовлены также сотрудниками ФИРЭ им. В.А.Котельникова РАН: Г.А.Ивановым,

В.А.Аксеновым, Е.Л.Гречко (заготовки ВС) и И.Л.Воробьевым, В.В.Волошиным, А.О.Колосовским (вытяжка волокон).

В работах, описанных в главе 2, в проведении экспериментов весомый вклад внесли А.С.Рябов и А.А. Затыкин. В работе, описанной в п.6.3, измерения по определению длины биений Ьь встроенного в spun волокно линейного ДЛП были осуществлены М.В.Рябко. В работах к главе 8 решающий эксперимент, предложенный и рассчитанный автором, был проведен Н.И.Старостиным, В.П.Губиным и А.И.Сазоновым.

Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались на следующих всесоюзных, всероссийских и международных конференциях: •7-th USSR-Japan Symposium on "Fibre optics, optoelectronics & micropatterns"», (1980); •«BOJIC-3», Москва, 1-5 июня, (1980);

•«Международная школа по когерентной оптике и голографии», Прага, 1-12 сентября (1980); •9-th USSR-Japan Symposium on "Fibre optics, optoelectronics & micropatterns"», (1982); •XIX съезд по спектроскопии, г. Томск, (1983);

•«Световодные системы связи и передачи информации», Москва,май, (1984); •3 International Conf. On Optical Information Processing, (1999), M, Russia; •13-я международная научная конференция «ММТТ-2000»,С-Петербург, (2000); •«Лазеры, измерения, информация-2005», Санкт-Петербург,8-9 июня 2005 г.; •«Лазеры, измерения, информация-2006»,Санкт-Петербург,7-8 июня 2006 г.; •Всероссийская конференция по волоконной оптике Пермь, 10-12 октября 2007 г.; •«Лазеры, измерения, информация-2008»,Санкт-Петербург,3 - 5 июня 2008 г.; •EOS Annual Meeting, 29-september - 2- October, (2008), Paris, France.

По материалам диссертации в рецензируемых журналах опубликовано 18 научных работ {1-13,16, 22, 23,26, 27}.

Диссертация состоит из Введения, восьми Глав, Выводов, Публикаций по теме диссертации {28 наименований} и Списка цитируемой литературы [103 наименования].

297 ВЫВОДЫ

1. В результате проведенных теоретических, расчетных и экспериментальных исследований, направленных на решение важных проблем лазерной физики: а) изучено комплексное влияние геометрического форм-фактора оптического волокна, в том числе изгиба и микроструктурирования, на параметры распространения лазерного излучении в волоконно-оптических линиях связи (потери, константы распространения и их зоны в фотонно-кристаллических волокнах, поляризационные состояния излучения), а также на возможности применения таких волокон в качестве первичных преобразователей датчиков физических величин. б) выполнены исследования физики взаимодействия когерентного оптического излучения с магнитным полем в веществе световода, что позволило создать новый класс функциональных элементов на основе магнито-чувствительных волоконных световодов.

2. В рамках решения основной проблемы исследования физических аспектов волоконно-оптической связи, оптической обработки и передачи информации были решены следующие конкретные задачи.

2.1. С помощью изгиба малого радиуса была решена задача вывода оптического излучения из сердцевины на границу световод - внешняя среда для получения информации о параметрах внешней среды и возвращения оптического излучения, несущего эту информацию, в сердцевину световода для ее дальнейшей передачи.

2.2. Построена модель изогнутого волоконного световода, согласно которой распространение оптического излучения в изогнутом по радиусу R волоконном световоде подчиняется тем же закономерностям, что и распространение излучения по прямолинейному волоконному световоду, но с перекошенным определенным образом (согласно конформному отображению) профилем показателя преломления. Модель позволяет по возвращаемому оптическому сигналу определять важные параметры внешней среды, окружающей изгиб: показатель преломления и коэффициент поглощения. Модель позволяет предсказывать потери лазерного излучения в одномодовых оптических волокнах на изгибе по фиксированному радиусу при использовании явления оптического туннелирования. Модель подтверждена экспериментально.

2.3. Предложены и реализованы на практике устройства для получения и оптической обработки информации на основе изгиба волоконного световода по малому радиусу: индикатор уровня жидкости, термометр, рефрактометр, а также устройство для дистанционной спектроскопии жидкостей. Предложены и реализованы также устройства для волоконно-оптической связи, представленные термооптическими переключателем каналов и аттенюатором.

2.4. Построена модель изогнутого одномодового волоконного световода, согласно которой выход лазерного излучения из сердцевины на изогнутом участке обусловлен явлением оптического туннелирования сквозь барьер, определяемый профилем показателя преломления. Модель подтверждена экспериментально для различных профилей показателя преломления (например, прямоугольного, параболического и треугольного) и различных волноводных параметров, распространяющегося лазерного излучения.

2.5. Построена зонная модель световедущей оболочки микроструктурного волоконного световода (фотонного кристалла) на основе коллективного взаимодействия треугольных световодов, согласно которой уровни индивидуальных констант распространения этих световодов расщепляются в зоны, похожие на энергетические зоны в кристаллах. Модель подтверждена экспериментально.

2.6. Предложена и реализована на практике методика исследования зонной структуры микроструктурного волоконного световода (фотонного кристалла), включающая изгиб световода по варьируемым радиусам, позволяющая совмещать уровень константы распространения основной канализируемой моды световода с той или иной зоной констант распространения оболочки.

3. В рамках решения основной проблемы исследования физики взаимодействия когерентного оптического излучения с магнитным полем в веществе световода были решены следующие конкретные задачи.

3.1. Построена модель волокна, получаемого вращением заготовки с сильным встроенным линейным двулучепреломлением (spun волокна), предназначенного для исследования взаимодействия когерентного поляризованного излучения с внешним магнитным полем в веществе световода. Модель представляет собой винтовую спиральную структуру осей линейного двулучепреломления в отличие от используемой ранее модели, включающей наряду с линейным еще и встроенное циркулярное двулучепреломление.

3.2. В рамках модели спиральной структуры проведен расчет разности фаз между волнами ортогональных циркулярных поляризаций, набегающей в результате прохождения поляризованного когерентного излучения по spun волокну в присутствии и отсутствии внешнего магнитного поля. Цель расчета - объяснение ранее наблюдавшихся оптических эффектов и предсказание новых эффектов, присущих только указанной модели.

3.3. Изучена иерархия двулучепреломлениий и эволюция поляризационных состояний когерентного оптического излучения в волокнах типа LoBi и в spun волокнах. Рассчитана относительная магнито-оптическая чувствительность spun волокон, намотанных в контуре по фиксированному радиусу.

3.4. Предложена и теоретически обоснована методика эксперимента, использующая изгиб spun волокон двух типов (отличающихся скоростью вращения при вытяжке) по различным радиусам, для кардинального решения вопроса о модели spun волокна: спиральная структура осей встроенного линейного двулучепреломления или встроенное циркулярное двулучепреломление?

3.5. Осуществлен эксперимент на базе волоконно-оптического отражательного интерферометра, на основе указанной методики, использующий взаимодействие когерентного поляризованного излучения с внешним магнитным полем в веществе изогнутого световода spun и позволяющий сделать выбор в пользу модели винтовой спиральной структуры осей встроенного линейного двулучепреломления.

Публикации по теме диссертации

1} Моршнев С.К., Рябов A.C., Волохов В.Н., Жаботинский М.Е.,Францессон A.B., Ивановский B.C., «Индикатор уровня жидкости»,

Авторское свидетельство №735926, (1980), Бюллетень изобретений №19, от 27.05.80, стр.165

2} Волохов В.Н., Жаботинский М.Е., Моршнев С.К, Рябов A.C., Францессон A.B., Янковский Э. С. «Волоконно-оптический датчик уровня жидкости», Приборы и техника эксперимента, (1981), №6, 197-198.

3} Моршнев С.К., Рябов A.C., Францессон A.B., «Устройство для измерения температуры»,

Авторское свидетельство №859838, (1981), Бюллетень изобретений №32,

4} Моршнев С.К., Францессон A.B., (1982), «Пропускание светового излучения крутыми изгибами волоконных световодов», Квантовая электроника, (1982), т.9. №2,284-291

5} Затыкин A.A., Моршнев С.К., Францессон A.B., «Пучковый режим выхода излучения на крутом изгибе волоконного световода», Письма в ЖТФ, (1982), т.8, №2, 97-100.

6} Жаботинский М.Е., Затыкин A.A., Моршнев С.К., Рябов A.C., Францессон A.B., «Крутой изгиб волоконного световода - основа датчиков физических величин», Радиотехника, (1982), т.37, №8, 8-13.

7} Рябов A.C., Маврин В.Н., МазурА.В., Моршнев С.К, Францессон A.B., «Волоконно-оптический термометр», Приборы и техника эксперимента, (1987), №1, 215-218.

8} Моршнев С.К, Рябов A.C., Францессон A.B., «Волоконные световоды для датчиков на крутом изгибе»,

Радиотехника и электроника, (1986), т.31, №5, 1010-1014.

9} Затыкин A.A., Моршнев С.К, Францессон A.B., «Волоконный термооптический коммутатор»

Квантовая электроника, (1985), т. 12, №1,211-213.

10} Моршнев С.К, Рябов A.C., Францессон A.B., «Волоконный термооптический аттенюатор»,

Радиотехника и электроника, (1985), т.30, №5, 1034-1036

11} Затыкин A.A., Моршнев С.К, Францессон A.B., «Взаимодействие излучения с поглощающей средой на участке световода с крутым изгибом», Квантовая электроника, (1983), т. 10, №11, 2283-2288.

12} Аксенов В.А., Волошин В.В., Воробьев И.Л., Иванов Г.А., Исаев В.А., КолосовскийА.О., Моршнев С.К, Чаморовский Ю.К, «Потери в одномодовых волоконных световодах на однократных изгибах по малому радиусу. Прямоугольный профиль показателя преломления», Радиотехника и электроника, (2004), т.49, №6, 734-742

13} Аксенов В.А., Воробьев И.Л., Иванов Г.А., Исаев В.А., Моршнев С.К.,

Прокофьева Л.П., Чаморовский Ю.К., Щербаков В.В., «Потери в одномодовых волоконных световодах с треугольным профилем показателя преломления на однократных изгибах по малому радиусу», Радиотехника, (2004), №12, 27-30

14}Аксенов В.А., Моршнев С.К., Иванов Г.А., Чаморовский Ю.К., «Поляризационные одномодовые волоконные световоды», Сборник трудов 13-й международной научной конференции «ММТТ-2000», С-Петербург, (2000), Т.7, с.53

15} Губин В.П., Исаев В.А., Моршнев С.К., Сазонов А.И., Старостин Н.И.,

Чаморовский ЮЖ., УсовА.И, Отрохов С.Ю., «Цельноволоконные оптические датчики электрического тока с чувствительным элементом на основе SPUN световодов», Тезисы докладов конференции «Лазеры, измерения, информация-2005», Санкт-Петербург, 8-9 июня 2005 г., с.16-17.

16}Губин В.П., Исаев В.А., Моршнев С.К., Сазонов А.И., Старостин Н.И.,

Чаморовский ЮЖ., УсовА.И, «Волоконные световоды типа «SPUN» в датчиках тока», Квантовая электроника, (2006), т.36, №3,287-291

11}Gubin V.P., Isaev V.A., Morshnev S.K., Sazonov A.I., Starostin N.I., ChamorovskyYu.K., Oussov A.I., Otrokhov S. Yu,. «All-fiber sensor of electrical current with a SPUN fiber sensing element»,

Proc. SPIE , (2006), V.6251,62510P-1-0P-9.

18}Моршнев СЖ., Рябко M.B., Чаморовский ЮЖ., «Измерение встроенного линейного двулучепреломления в волоконных световодах типа «spun» », Тезисы докладов конференции «Лазеры, измерения, информация-2005»,Санкт-Петербург, 7-8 июня 2006 г., (2006), с. 54-55.

19 }Morshnev S.K., Ryabko М. V.,Ghamorovskii Y.K, «Measuring of an embedded linear birefringence in Spun optical fibers», Proc. SPIE, (2007), v.6594, 65940R

20} Моршнев C.K., Губин В.П., Исаев B.A., Старостин Н.И., Сазонов А.И, Чаморовский ЮЖ., Короткое Н.М., «Спиральная структура линейного двулучепреломления или циркулярное двулучепреломление?», «Лазеры, измерения, информация-2006»,

Тезисы докладов конф., Санкт-Петербург, 3-5 июня 2008 г., (2008), с.51.

21}Моршнев С.К., Губин В.П., Исаев В.А., Старостин НИ, Сазонов А.И., Чаморовский ЮЖ., Короткое Н.М., «Спиральная структура линейного двулучепреломления или циркулярное двулучепреломление?», Вестник СпбО АИН, (2008), №5, 78-86.

22}Моршнев С.К., Губин В.П., И.Л.Воробьев, Старостин Н.И., Сазонов А.И, Чаморовский ЮЖ., Короткое Н.М., «Оптические волокна spun: спиральная структура двулучепреломления или циркулярное двулучепреломление» , Квант, электроника, (2009), т.39, №3,287-292

23}Моришев С.К., Воробьев И.Л., Исаев В.А., Чаморовский Ю.К., «Сканирование зон микроструктурного волокна при его изгибе», Радиотехника и электроника, (2007), т.52, №12, 1505-1517.

24}Моршнев С.К., Учебное пособие: «Электромагнитные волны в диэлектрических волноводах», Препринт МФТИ, Москва, (2004)

25} Моршнев С.К, Губин В.П., Исаев В.А., Старостин Н.И., Чаморовский Ю.К., «Эволюция поляризационных состояний в волокне со спиральной структурой двойного лучепреломления », Тезисы докладов Всероссийской конференции по волоконной оптике Пермь, 10-12, октября 2007 г., А4-7, Фотон-экспресс (2007), т.б (62), с.64-65

26} Аксенов В.А., Волошин В.В., Воробьев И.Л., Иванов Г.А., Исаев В.А., Моршнев С.К, Колосовский А. О., Чаморовский Ю.К., «Особенности эффекта Фарадея в кварцевых волоконных световодах»,

Радиотехника и электроника, (2002), Т.47, №8, 1011-1017

27}Morshnev S.К., Gubin V.P., Isaev V.A., Starostin N.I., Sazonov A.I., Chamorovsky Yu.K, Korotkov N.M., "Concerning the Question about Physical Model of Birefringent Spun Fiber",

Optical Memory and Neural Networks (Information Optics), (2008), 17, №4,258-262

28}Ryabko M. V., Chamorovsky Yu.K., Morshnev S.K., Starostin N.I., "Optical current sensor based on microstructured optical fiber",

EOS Annual Meeting, 29-september - 2- October, (2008), Paris, France, v.4.

1. Topical Meeting on Optical Fiber Transmission, Williamsburg, Va, USA, (1975).

2. A. W.Snyder, "Asimptotic expression for eigenfiinction and eigenvalues of a dielectric optical waveguides"',

3. EE Trans. Microwave Theory Techn.,, (1969), v.MTT-17,1310.

4. C.N.KurtW.Streifer, "Guided Waves in inhomogeneous focusing media", IEEE Trans. Microwave Theory Techn.,, (1969), v.MTT-17,250

5. D.Gloge, "Weakly guiding fibers", Appl.Opt., (1971), v.10,2252.

6. D.B.Keck, R.D.Maurer, P.C.Schultz, "On the ultimate lower limit of attenuation in glass optical waveguiedes",

7. Appl.Phys.Lett., (1973), v.22,307.

8. D.B.Keck, "Spatial and temporal power transfer measurements on a low loss optical waveguide",

9. Appl.Opt., (1974), v.13,1882.

10. Письма ЖТФ, (1975), т.1, №15, 689.

11. А.В.Белов, М.М.Бубнов, А.Н.Гурьянов, Д.Д.Гусовский, Г.Г.Девятых, Е.М.Дианов, А.С.Конов, В.Г.Лулсаин, Е.П.Никитин, А.В.Николайчик, А.М.Прохоров, А.С.Южин, «Стеклянные волоконные световоды с малыми потерями»,

12. Квант, электрон.,(1975), т.2, №9,2106.

13. А.В.Белов, А.Н.Гуръянов, Д.Д.Гусовский, Г.Г.Девятых, Е.М.Дианов, В.Г.Лужаин, А.В.Николайчик, А.М.Прохоров, А.С.Южин, «Стеклянный волоконный световод с распределенным по сечению показателем преломления»,

14. Квант, электрон., (1976), т.З, №3,667.

15. М.И.Ботвинкин, В.В.Григоръянц, М.Е.Жаботинский, В.Н.Исаков, Г.А.Иванов,

16. Н.А.Коренева, О.И.Рябых, С.В.Шрейбер, Ю.К. Чалюровский, «Световоды из кварцевого стекла с радиальным изменением содержания бора и фосфора», Квант. электрон.,(1976), т.З, №10,2304.

17. А.В.Белов, А.Н.Гуръянов, Г.Г.Девятых, Е.М.Дианов, В.Б.Неуструев, А.В.Николайчик, А.М.Прохоров, В.Ф.Хопин, А.С.Южин, «Стеклянный волоконный световод с потерями менее 1 дБ/км».

18. Квант, электрон., (1977), т4, №9,2041.

19. E.A.J.Marcatili, " Dielectric rectangular waveguide and directional coupler for integrated optics",

20. Bell SystTechn.J., (1969), v.48,2071.

21. L.Lewin, "Radiation from curved dielectric slabs and fibers",

22. EE Trans. Microwave Theory Techn., (1974), v.MTT-22, 718-727.

23. A. W.Snyder, I. White, D.J.Mitchell, "Radiation from bent optical waveguides", Electron Lett., (1975), v.ll, №15, 332.

24. E.F.Kuester, D.C.Chang, "Surface-wave radiation loss from curved dielectric slabs and fibers", IEEE, J.Quant.Electron., (1975), QE-11, №11,903.

25. D.Marcuse, "Field deformation and loss caused by curvature of optical fibers", J.OptSoc.Am., (1976), v.66, №4,311, там же, 216.

26. Gambling W.A., Matsumura #, "Modes in curved step-index optical fibres", Electron. Lett., (1977), v.13, №18, 532.

27. M.Heiblum, J.H.Harris, "Analisis of curved optical waveguides by conformal transformation",

28. EE J. Quant. Electronics, (1975), v.QE-11, № 1 , 75.

29. Патент Франции №2219403, G 01 F 23/22, (1974)

30. J.Sakai, T.Kimura, "Analitical bending loss formula of optical fibers with field deformation",

31. Radio Science, (1982), v.17, №1,21.

32. P.Danielsen, D.Yevick, "Propagation beam analisis of bent optical waveguids", J.Opt.Commun., (1983), v.4, №3, 94.

33. R.Baets, f.E.Lagasse, "Loss calculation design of arbitrary curved integrated optic waveguides",

34. J.OptSoc.Am., (1983), v.73, №2, 177.

35. H.F.Taylor, "Bending effects in optical fibers", J.Lightwave Tech., (1984), v.2, №5, 617.

36. S.R.Norman, D.N.Payne, M.J.Adams, A.M. Smith, "Fabrication of single-mode fibres exhibiting axtremely low polarization birefrindence",

37. Electron.Lett., (1979), v.15, 309-311.

38. LJeunhomme, M.Monerie, "Polarisation-maintaining single-mode fibre cable design", Electron.Lett., (1980), v.16, 921-922.

39. A.J. Barlow, D. N. Payne, "Polarisation maintenance in circularly-birefringent fibres", Electron Lett. (1981), v.ll, №11,388-389.

40. A.J. Barlow, D. N. Payne, M.R.Hadley, R.J.Mansfield, "Production of single-mode fibers with negligible intrinsic birefringence and polarization mode dispertion",

41. Electron Lett. (1981), v.17, №20,725-726.28.it H. Stolen andE. H. Turner, "Faraday rotation in highly birefringent optical fibers," Appl. Opt. (1980), v.19, 842-845.

42. Ourmazd, M. P. Varnham, R. D. Birch, and D. N. Payne, "Thermal properties of highly birefringent optical fibers and preforms,"

43. Appl. Opt. (1983), v.22, 2374-2379.

44. R.D.Birch, M.P. Varnham, D.N.Payne, KOkamoto, "Fabrication of a stress-guiding optical fibre",

45. Electron Lett. (1983), v.19, №21, 866-867,

46. L.Li, J.R.Oian, D.N.Payne, "Current sensors using highly birefringent bow-tie fibres" Electron Lett. (1986), v.23,№21,1142-1144,

47. J.N.Ross, "The rotation of the polarization in low birefringence monomode optical fibres due to geometric effects" ,

48. Optical Quantum Electron. (1984), v.16,455-461.

49. A. M. Smith, "Birefringence induced by bends and twists in single-mode optical fiber," Appl. Opt. (1980), v.19. 2606-2611.

50. Rashleigh S. C., "Origins and control of polarization effects in single-mode fibres", J. Lightwave Technol. (1983), LT-1. №2, 312-331.

51. Laming R.I., Payne D.N., "Electric current sensors employing spun highly birefringent optical fibers",

52. J. Lightwave Technol. (1989), v.7, №12, 2084.

53. S.M.Pietralunga, M.Ferrario, P.Martelli, M.Martinelli, "Direct observation oflocalbirefringence and axis rotation in spun fiber with centimetric resolution", IEEE Photon.Tech.Lett.,(2004), 16, №1,212-214

54. J.N.Ross,"The rotation of the polarization in low birefringence monomode optical fibres due to geometric effects"

55. Optical Quantum Electron., (1984), 16, 455-461

56. J. C. Knight, T. A. Birks, P. S. J. Russell, and D. M. Atkin, "All-silica single-mode optical fiber with photonic crystal cladding,"

57. Opt. Lett., (1996), 21,1547-1549

58. Birks T.A., Knight J.C., RusselP.St. J., "Endlessly single-mode photonic crystal fiber," Opt. Lett., (1997), 22, 961.

59. УнгерХ.-Г. , Планарные и волоконные оптические волноводы», М.: Мир. (1980), 656 с.

60. Э. Ферми, (2000), «Лекции по квантовой механике», «Регулярная и хаотическая динамика», Ижевск, 2000,246 с.42}F.K. Tien, "Integrated optics and new wave phenomena in optical waveguides" Rev.Mod.Phys., (1977), v.49,361.

61. С.Г.Кривогилыков, «Исследование распространения света в продольно-неоднородных средах с квадратичным поперечным распределением показателя преломления методом когерентных состояний»

62. Диссертация канд. физ.-мат. наук, ФИАН, Москва, (1980)

63. Э.Флюгге, «Задачи по квантовой механике», М. Мир, (1974), т. 1, с.62, 81.

64. Келих С. «Молекулярная нелинейная оптика», М.: Наука, (1981), 671с.

65. Справочник химика, (1962), т. I, М.: ГХИ.

66. Абрамов В.В., Арион И.С., ЖаботинскийМ.Е., Катаев А.Е., Соколов А.В.,

67. Соснин В.П., Францессон А.В., «Кольцевая волоконно-оптическая система цифровых каналов»,

68. Радиотехника (1982), 37, №2, 48.

69. Masuda S. "Variable attenuator for use in single-mode fiber transmission systems," Appl. Opt. (1980), v. 19, № 14. p. 2435.

70. BarbandyA., GalaapJ., Pat. France, № 2422971, G02B7/00.

71. Когелъник Г., «Теория диэлектрических волноводов», в сб. «Интегральная оптика» под ред. Т.Тамира,

72. М., Мир, (1978), с.28-154.

73. М.А. Леонтович, В.А. Фок, «Решение задачи о распространении электромагнитных волн вдоль поверхности Земли по методу параболического уравнения»1. ЖЭТФ, (1946), 16, 567.

74. SakaiJ., Kimura Т., "Analitical bending loss formula of optical fibers with field deformation",

75. Radio Science (1982), v. 17, № 1. p.21.53. Danielsen P., YevickD.,

76. J. Opt. Commun. 1983. v.4. № 3. p.94

77. Baets R., Lagasse I.E., "Loss calculation and design of arbitrarily curved integrated-optic waveguides,"

78. J. Opt. Soc. Am., (1983), v.73, № 2, 177.

79. Tangonal G.L., Hsu H.P., Jones V., Pokulski J., "Bend loss measurements for small mode field diameter fibres",

80. Electron. Lett. (1989), v.25. № 2, p.142.

81. Kamikawa N., Chang C.-T., "Losses in small-radius bends in single-mode fibres", Electron. Lett. (1989), v.25. № 15, 947.

82. Vendeltorp-Pommer H„ HedelgaardP.J., "Bending loss and field distribution in a bent fiber calenlated with a beam propagating method",

83. Opt. Commun. (1990), v.75. № 1, 25

84. Yamauchi J., Ikegaya M., Nakano II. "Analysis of bent asymmetric slab waveguides by the beam propagation method",

85. Opt. Commun. (1990), v.79, № 5,291.

86. ГауэрДж., «Оптические системы связи», М.: Радио и связь, (1989), 501с.

87. Ахманов С.А., Никитин С.Ю., Физическая оптика. М.: Изд-во Моск. ун-та., (1998), с.493.

88. Hammond C.R., Normann S.R., "Silica based binary glass systems refractive index behaviour and composition in optical fibres",

89. Opt. Quant. Electron., (1977), v.9, №5,399.

90. Сажин О.Д., Волоконно-химические технологии, материалы и устройства (2001), №4,М., с.66-72.

91. Быков В.П., Шепелев Г.В., «Излучение атомов вблизи материальных тел», М., Наука, (1986), 161 с.

92. Birks, Т.А.; Roberts, P.J.; Russell, P.S.J.; Atkin, D.M.; Shepherd; T.J., "Full 2-D photonic bandgaps in silica/air structures",

93. Electron. Lett., (1995), v.31, №22, 1941

94. Knight J. C., BroengJ., Birks T.A., Russel P.St. J., "Photonic band gap guidance in optical fibers",

95. Science, (1998), v.282, №5393, 1476.

96. Birks T.A., Knight J.C., Russel P.St. J., "Endlessly single-mode photonic crystal fiber," Opt. Lett., (1997), v.22, №13, 961.

97. Saitoh К., KoshibaM., Hasegawa Т., Sasooka E., "Chromatic dispersion control in photonic crystal fibers: application to ultra-flattened dispersion,"

98. Optics Express, (2003), v.l 1. № 8, 843.

99. T. P. White, R. C. McPhedran, С. M. de Sterke, L. C. Botten, and M. J. Steel, "Confinement losses in microstructured optical fibers,"

100. Opt. Lett., (2001), v.26, №21,1660

101. P. White, В. T. Kuhlmey, R. C. McPhedran, D. Maystre, G. Renversez, С. M. de Sterke, and L. C. Botten, "Multipole method for microstructured optical fibers. I. Formulation," J.OptSoc.Am.B. (2002), v. 19, № 10, 2322.

102. В. T. Kuhlmey, T. P. White, G. Renversez, D. Maystre, L. C. Botten, С. M. de Sterke, and R. C. McPhedran, "Multipole method for microstructured optical fibers. II. Implementation and results,"

103. J. Opt. Soc. Am. B, (2002), v.19, № 10, 2331. 71 .Johnson S.G., Joannopoulos J.D., "Block-iterative frequency-domain methods for Maxwell's equations in a plane wave basis," Optics Expres (2001), v.8, №3,173.

104. Соколов B.O., Плотниченко В.Г., Дианов E.M., Препринт ИОФ РАН (2003), №14.

105. Никитов С.А., Коршунова Е.Н., Чаморовский Ю.К, Шатров А.Д., «Моделирование свойств микроструктурных оптических волокон», Ш Межд. науч.-тех. конф.

106. Физика и технические приложения волновых процессов». Тезисы докладов. Волгоград. (2004), 6-12 сентября,

107. Аксенов В.А., Воробьев И.Л., Волошин В.В. и др., «Моделирование свойств микроструктурных оптических волокон»,

108. Радиотехника и электроника», (2006), т.51, №11,1294

109. Tajima К., Nakajima К., Kurokawa К., el al., OFC-2002, ThS3

110. Richardson D.J., Furusawa K., Ebendorf-Heidepriem H., et al., OFC-2004, ThAl.

111. Мандельштам JI.K, «Лекции по теории колебаний»,

112. М., «Наука», (1972), с.214-220.

113. Чаморовский Ю.К, частное сообщение.

114. Azzam R.M.A., Bashara N.M., «Ellipsometry and Polarised Light», Amsterdam New York - Oxford: North Holland Publ. Сотр., (1977); «Эллипсометрия и поляризованный свет»,1. М: «Мир», (1981), 583с.

115. Гинзбург В.Л., «Об исследовании напряжений оптическим методом» , ЖТФ. 1944. Т. 14, N3. С. 181-192.

116. Гинзбург В.Л., «Распространение электромагнитных волн в плазме»,1. М.: ГИФМЛ, 1960, 552 с.

117. Суворов Е.В., «О распространении электромагнитных волн в плазме с широм магнитного поля»,

118. Изв. вузов. Радиофизика. 1972. Т.14, N9. С.1320-1324.

119. Железняков В.В., Кочаровский В.В., Кочаровский Вл.В., «О линейном взаимодействии электромагнитных волн в плазме с неоднородным магнитным полем»,

120. ЖЭТФ (1979), т.77, №1,101.

121. Кочаровский В.В., Кочаровский Вл.В., «О линейной трансформации волн в неоднородной плазме при наличии шира силовых линий магнитного поля», Физика плазмы, (1980), т.6, вып.3,565-576.

122. Железняков В.В., Кочаровский В.В., Кочаровский Вл.В., «Линейное взаимодействие электромагнитных волн в неоднородных слабоанизотропных средах»,

123. УФН. (1983) т.141, вып.2, с.257-310.

124. Ярив А., Юх П., «Оптические волны в кристаллах»., М.: Мир, 1987. 616с.

125. Yariv A., Yeh P. Optical waves in crystals. N.Y.- Chichester Brisbane - Toronto -Singapore: John Wiley \& Sons, 1983)

126. Оптика и спектроскопия. 1997. t.83,N5, с.843-852.

127. Малыкин Г.Б., Неймарк Ю.И., «Неголономность связи состояния электромагнитного поля в одномодовом волоконном световоде с линейным двулучепреломлением и угла его кручения»,

128. Изв. Вузов Радиофизика. 1998, т.41, N9, с.1125-1136.

129. Малыкин Г.Б., Позднякова В.И., Шерешевский И.А., «Связь эллиптических винтовых поляризационных мод в одномодовых волоконных световодах с линейным двулучепреломлением и регулярным кручением осей анизотропиии при наличии случайного кручения осей»,

130. Оптика и спектроскопия. (2000), т.88, N3, с.477-491.

131. Оптика и спектроскопия, (2000), т.89, N2, с.299-308.

132. Кочаровский Вл.В., «Модовое сверхизлучение в открытых резонаторах и экстремальные режимы генерации электромагнитных полей ансамблями квантовых и классических осцилляторов»,

133. Диссертация док. физ.-мат. наук, (1986), ИПФ РАН, Нижний Новгород.

134. Малыкин Г.Б., «Линейное взаимодействие волн и невзаимные эффекты в волоконных кольцевых интерферометрах»,

135. Диссертация док. физ.-мат. наук, (2006), ИПФ РАИ, Нижний Новгород.

136. Малыкин Г.Б., Позднякова В.И., «Поляризационные эффекты в кольцевых интерферометрах»,

137. Рос. акад. наук, Институт прикладной физики Нижний Новгород, ИПФ РАН, (2008), 208с.

138. A.Michie, ¿Canning, J.Bassett, J.Haywood, K.Digweed, M.Aslung, B.Ashton,

139. M.Stevenson, J.Digweed, "Spun elliptically birefringent photonic crystal fibre", Opt.Express, (2007), 15, №4,1811-1816.

140. Дейкцн Дж., Калгио Б. «Оптоволоконные сенсоры: принципы и компоненты», М., «Мир», (1992), стр.347).

141. A.J. Barlow, D. N. Payne, M.R.Hadley, R.J.Mansfield, "Production of single-mode fibers with negligible intrinsic birefringence and polarization mode dispertion",

142. Electron Lett. 17,20,725-726, (1981)

143. S.M.Pietralunga, M.Ferrario, P.Martelli, M.Martinelli, "Direct observation of localbirefringence and axis rotation in spun fiber with centimetric resolution", IEEE Photon. Tech.Lett.,(2004), 16, №1, 212-214

144. A.Michie, J.Canning, KLyytikaincn, M.Aslung, J.Digweed "Temperature independent highly birefringent photonic crystal fibre",

145. OptExpress, (2004), 21,5160-5165.

146. Blake J. Tantaswadi P. and de Carvalho, "In-line Sagnac interferometer current sensor", IEEE Trans. On Power Delivery, (1996), П, №1,116-121

147. S. X. Short, A. A. Tselikov, J. U. de Arruda and J, N. Blaket

148. Imperfect Quarter-Waveplate Compensation in Sagnac Interferometyer-Type Current Sensors", J. Lightwave Technol., (1998), 16, №7, 1212-1219

149. Я К. Bohnert, P. Gabus, J. Nehring, andH. Brandie, "Temperature and Vibration Insensitive Fiber-Optic Current Sensor,"

150. J. Lightwave Technol. (2002), 20, №2,267

151. A.Ortigosa-Blanch, J. C. Knight, W. J. Wadsworth, J. Arriaga, B. J. Mangan, T. A. Birks, and P. S. J. Russell, "Highly birefringent photonic crystal fibers,"

152. Opt. Lett. (2000), 25,1325-1327.

153. Рябко M.B., "Исследование поляризационных характеристик микроструктурных оптических волокон", Диссертация к.ф.-м.н,, М., МФТИ, (2007).