Оптимизация и прогнозирование дисперсионных свойств многомодовых градиентных волоконных световодов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РГ6 од

Р-Р Д.Я.И АЯ АКАДЕМИЯ НАУК ' ' ' тЙститут ОБЩЕЙ тзики

На правах рукописи УДК 621.391.029.7

ТОМАШУК АЛЕКСАНДР ЛЕОВДДОВИЧ

оптшзация и прогнозирование дисперсионных свойств иногонодовых градиентшх волоконных световодов

(01.04.21. - лазерная физика)

автореферат диссертации на соискание ученой степош кандидата физико-математических наук

Москва - 1993 год.

Работа выполнена в отделе волоконной оптики Института общей физики Российской Академии наук.

Научный руководитель^ доктор физико-математических наук

В.Б.Неуструев

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

A.С.Беланов

доктор физико-математических наук

B.А.Сычугов

Ведущая организация:

Институт радиотехники и електроникн РАН

¿¿■¿¿¡РА&Я- 1993 г. в

Защита состоится на заседании Специализированного совета К 003.49.02 Института общей физики РАН по адресу: 117942 Москва, В-ЭЗЭ, ул. Вавилова, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики РАН.

<?7

Автореферат разослан ^ 1993 г.

Ученый секретарь Совета

кандидат фаз.-мат. наук ./V^ ^ Т.Б.Воляк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Многомодовые градиентные волоконные световода (ГВС) являются одним из двух основных типов световодов для систем оптической связи,- при этом важнейшим параметром ГВС, характеризущим их информационную емкость, является ' ашрина полосы пропускания (параметр вирокополосности). Данная работа являлась частью исследований, проведенных в Институте общей физики РАН и Институте химии высокочистых веществ РАН, по созданию отечественной технологии широкополосных ГВС с малыми потерями (параметр широкополосности В > 800 МГц* км) при использовании MCVD-процесса для получения заготовок. Создание технологии опиралось на исследование фгешш распространения излучения в ГВС, в том числе, и на результаты данной работы, что и определяет ее актуальность.

Пути достижения минимальных оптических потерь к началу работы (1985 г.) были в основном прояснены. Значительно xys» обстояло дело с информационной емкостью ГВС. Параметр В отечественных световодов составлял 150-500 МГц»км. Превышение 500 МГц»км в единичных образцах носило случайный характер и не воспроизводилось. Были неясны технологические факторы, ограничивающие величину В на втом уровне и пути повышения широкополосности. Для создания технологии широкополосных ГВС было необходимо выявить систематические возмущения профит показателя преломления (ППП) и определить их влияния на дисперсионные характеристики.

Применение известных методов последовательной коррекции ППП в лучших западных лабораториях позволило повысить среднее значение В только до ~ 1,4 ГГц-км, что почти на порядок ниже теоретического предела. При етом не было установлено,

соответствует ли это значение технологическому пределу для среднего В. Поэтому актуальной задачей являлся поиск более аффективного метода коррекции ППП, а также установление технологического предела для среднего значения В в технологии МСТО. •

Весьма актуальной задачей являлась разработка метода прогнозирования дисперсионных характеристик ГВС по ППП в заготовке. В качестве стандартного для этой цели ранее использовался метод а-аппроксимации. Однако получаемая в результате оценка величины В будущего световода оказывалась недостаточно точной. Разработка более точного метода прогнозирования открывала качественно новые возможности для технологии ГВС.

Несомненный интерес представляло исследование влияния ионизирующего излучения на величину В, поскольку втот эффект может существенно изменять информационную емкость реальных линий связи.

В связи с втим целью работы было:

1. Выявить систематические возмущения ППП в технологии МСТО и определить их влияние на дисперсионные характеристики.

2. Разработать метод прецизионной коррекции ППП и метоД прогнозирования импульсного отклика и параметра аирокополосности.

3. Исследовать и интерпретировать влияние ионизирующего излучения да параметр широкополосноста.

Научная новизна

Впервые в прямом вксперименте установлено влияние центр"пьного провала ППП на величину параметра В. Выявлено систематическое возмущение ППП в виде депрессии показателя преломления вблизи центрального провала и определено его влияние на дисперсионные характеристики.

Экспериментально показано, что при оптимальных

технологических режимах достижиаго среднее значение В ~ 2,5-3 ГГц.км, что почти вдвое превышает существующий уровень для технологии MCVD.

Разработан оригинальный метод прогнозирования дисперсионных характеристик (включая импульсный отклик) по ППП, измеренному в заготовке, с точность» прогнозирования В, многократно превышащей точность стандартного метода а-аппроксимации.

Разработан метод последовательной коррекции ППП с цель» достижения максимальных значений В, более эффективный, чем известные ранее методы.

Впервые определен механизм влияния ионизирующего излучения на величину В. Показана возможность цорогнозирования знака и величины этого аффекта по ППП в заготовке.

Практическая ценность

Результаты диссертационной работы использовались при создании технологии широкополосных ГВС в Институте хзвшн высокочистых веществ (Нижний Новгород).

Разработанный метод прогнозирования дисперсионных характеристик и метод последовательной коррекции ШШ значительно более эффективны, чем стандартный метод 0-аттроксиыащш, использующийся при серийном производстве заготовок для ГВС. В частности, применение метода Последовательной коррекции ППП позволило превзойти мировой уровень для среднего значения параметра ишрокополосности.

Апробация работы и публикации

Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на конференциях: Волоконно-оптические систем« передач (Москва, 1988 г.). Международный симпозиум по волоконной оптике, оптоелектронике и применениям лазеров общества SPIE (Бостон, США, 1988 г.), VIII Межотраслевая научно-техническая

конференция (Уфа, 1989 г.),- и неоднократно на семинарах отдела волоконной оптики ИОФ РАН. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков и 8 таблиц. Спиоок литературы содержит 128 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы основные цели исследования, кратко изложено содержание материала по главам.

В первой главе дается обзор предыдущих исследований дисперсионных свойств ГВС. методов последовательной коррекции ГОШ и приводятся результаты по величине параметра иирокоголосности, достигнутые к началу данной работы.

Параметр широкополосности ГВС ограничивается главным образом меяюдовой дисперсией, которая определяется формой iщи. Для качественного анализа меаюдовой дисперсии удобно представление т.н. а-профиля: IÏÏÏÏI сердцевины изменяетя по степенному закону с показателем а. При оптимальном значении а, которое известно, мешодовая дисперсия шшимальна, а соответствующее значение параметра широкополосности В ** 10 ГГц • кн. ППП реальных световодов, полученных методом MCVD, заметно отличается от оптимального а-про|яля, a величина В на порядок и более ниже теоретической.

Наиболее технологичным является следующий химический состав стекла, который и использовался в данной работе: сердцевина Ge, Р - S102, защитная оболочка Р, F - SlOg. ГВС

такого состава предназначены для работы на длинах волн « 1,30 и « 1,55 мкм, где достикиыы потери в несколько десяти! дБ/км, и « 0,85 мкм, где потери незначительно превышают 2 дБ/rai. На длине волны Х= 1,30 ихы материальная дисперсия равна нулю. Основные структурные параметры исследованных в работе световодов соответствуют стандартным: диаметр сердцевины 2а = 50 ыкм, числовая апертура NA £ 0,2. Длины исследованных световодов L=1-3 км.

Известны два эквивалентных метода измерения В: импульсный и свипирования частоты. Величина В определяется по уровня -3 дБ ашшггудно-частотпой характеристики (АЧХ). Основной проблемой при измерении В является обеспечение высокой воспроизводимости условий возбуадевия. Неточность в определении В повышается в случае, когда АЧХ заметно отличается от гауссовой формы. Воспроизводимость результата при измерении В на стандартных установках (например, F0À-2OOO) не хуке 10$, а расхождение результатов, полученных на идентичных установках, достигает 2055.

Связь ППП и импульсного отклика реальных световодов была неясна. Имелось большое количество теоретических работ, в которых рассматривались дисперсионные характеристики ГВС с модельными ППП, имитирующими возможные .технологические возмущения. Для расчета модоеых задержек использовались различные теоретические подходы: решение скалярного волнового уравнения, теория ВКБ, лучевая оптика, теория возмущений, модель квазирегулярного ГВС (уравнение Петерманна), а-апщхжсимация. Однако ни один теоретический подход не прошел основательной экспериментальной проверки. Сравнение расчетных и экспериментальных импульсных откликов затруднялось следующими факторами: неточность измерения ППП в световоде, вариации ППП по длине световода, мекмодовая конверсия, неопределенность распределения световой мощности

по ма дай. Различные теоретические подходы давали различный результат относительно влияния на дисперсионные характеристики таких принципиально важны1 возмущений ППП, как центральный провал и периодические синусоидальные возмущения. Модель квазирегулярного световода получила експериментальное подтверждение при рассмотрении эволюции модового состава в процессе распространения при длине световода L « 1 км, однако ета модель не использовалось для расчета импульсных откликов реальных световодов.

Дня оценки параметра широкополосности по ППП, измеренному в заготовке, широко использовался метод а-аппроксимации. Этот метод недостаточно точен и не позволяет прогнозировать форму импульсного отклика.

Были известны два метода коррекции ППП с целью повышения величины В в последующей световоде: ето метод, основанный на измерении дифференциальных модовых задержек (ДО) в световоде, и метод, при котором определяется отклонение ППП, измеренного в заготовке, от оптимального а-щкфиш. С помощью в тих методов в лучших западных лабораториях удалось повысить среднее значение В до ~ 1,4 ГГц•км.

Величина В, достигнутая в отечественных лабораториях в основном не превышала ~ 500 КГц-км, хотя и имелись отдельные сообщения о получении световодов с В ~ 1 ГГц - км. Не сообщалось о воспроизводимости етих результатов.

В нескольких предыдущих работах было отмечено изменение величины В под воздействием ионизирующего излучения, однако механизм аффекта установлен не был.

В-->рая глава посвящена исследованию влияния систематических возмущений ППП на дисперсионные характеристики.

Исследование основывалось на сопоставлении трех экспериментов: дифференциальные модовые задержки, импульсный

отклик и ППП в заготовке. Рыла создана установка ддя измерения ДО фазовым методом с точностью измерения " 5 пс. Исследованы и оптимизированы условия возбуждения при измерении импульсного отклика. Наилучная воспроизводимость величины В (3 - 7 % в зависимости от длительности входного импульса) достигнута при использовании для возбуждения исследуемого ЛВС сварной конструкции ступончатый-градиентный-ступенчатый световод. Диаметр сердцевины и апертура ступенчатого световода превышают 50 мкм и 0,2 соответственно.

Было експериментально установлено, что в присутствии центрального провала задержки меридиональных мод меньше, чем азимутальных. Определено влияние провала на форму импульсного отклика. Провал сникает величину В яа ~ 143 при В ~ 0,4 • ГГц-км. Найдены оптимальные режимы травления центрального провала, цри которых влияние остаточного провала не удается выявить експериментально.

Было выявлено систематическое искажения ШШ в виде депрессии показателя преломления вблизи центрального провала. Указаны технологические факторы, приводящие к такому искажению ППП, установлено его влияние на ДМЗ. В присутствии данного искажения величина В не превышает ~ 500 МГц-км.

Исследовано влияние возмущений ППП, вызванных нестабильностью температурного режима МСТО-процесса. Проведено сравнения разброса ДМЗ в сериях световодов, полученных по одной технологической программе при оптимальном температурном режиме МСТО-процесса и при вариациях температуры +10 и * 50°. При вариациях + 50° величина В составляет 400-500 МГц.км и Ее может быть повышена, так как разброс ДМЗ носит случайный характер. Как следует из ДМЗ, вариации ППП от световода к световоду составляют 2,5-Ю"^. При вариациях температуры ? 10° метод ДМЗ может быть использован для повышения величины

- 10 -

___с

В, в вариации ППП составляют 5* Ю . Получена серия

световодов с оптимизацией ППП одновременно на две длины волны

(В* ~ 1 1Гц-км на длинах волн 0,86 и 1,30 мкы). При данном

режиме ИСТ1>-процесса достижимо В ™ 2,5-3 ГГц • км при

оптимизации ППП на одну длину волны.

Методом ДМЗ исследовано спиралевидное возмущение ППП, обусловленное вращательно-поступателышм движением трубки относительно горелки в МСТО-процессе. В результате внутри сердцевины ' световода возникает спиральная световедущая подструктура, что может приводить к снижению величины В. Однако влияние отого возмущения в експерименте не проявилось, что, по-видимому, обусловлено мемюдовой конверсией в группах мод с одной константой распространения.

Третья глава посвящена разработке метода прогнозирования дисперсионных характеристик ГВС по ППП, измеренному в заготовке.' Обосновывается применение модели квазирегулярного ШЗ, которая была модифицирована в ходе исследования с тем, чтобы учесть радиальные размеры осцилляций полей мод.

Модовые задерхки рассчитываются по уравнению Петерманна:

Я2

I п(г)Н(г) аг2

( Н2 - ) п(Н)

где 11(11)- задержка мод с константой распространения Р=(2х'\)п(В), 11(11) И N(11)- волновой и групповой показатели преломления, с- скорость света в вакууме, - радиальная координата в области центрального провала ППП, в которой п(рд)=п(й)в' либо Нд=0. Путем сравнения расчетных и экспериментальных импульсных откликов разработана процедура

Ь

= —

фильтрации высокочастотных радиальных искажений Щ), воспроизводящих соответствующе искажения ППП, которые в реальности не приводят к снижению В. Подобным образом, путей сравнения расчетных и экспериментальных импульсных откликов, найдено аналитическое представление для модового веса, соответствующее реальным условиям возбувдения и дифференциальным модовым потерям. Выходной импульс рассчитывается исходя из Щ), модового веса и модельного входного импульса. Найден способ учета азимутальной асишетрии и вариаций ППП по длине путем усреднения измерений в нескольких еквидистантных позициях на оси заготовки при двух ортогональных проекциях в каждой позиции.

Метод прогнозирования позволил установить связь импульсного отклика в ППП. Средняя ошибка прогнозирования величины В для световодов с В " 500 МГц- км составила 10$. Экспериментально установлено, что точность данного метода прогнозирования многократно превышает точность стандартного метода а-аппроксимации. Выявлены а проанализированы ограничения метода а-аппроксимации.

В четвертой главе описывается результаты применения метода коррекции ППП при создании технологии широкополосных ГВС, прогнозирование импульсного отклика и величины В широкополосных ГВС и исследование по влиянию ионизирующего излучений на величину В.

Коррекция ППП с целью повышения В проводится с помощью расчета отклонения ППП от оптимального бпф), исходя из расчетных модовых задержек Щ). Обосновываются преимущества данного метода коррекции над стандартным методом экспериментальных ДНЗ. Расчетные модовые задержки позволяют определить отклонение ППП от оптимального уне на стадяи заготовки н с большей точностью, так как соответствую* экспериментальным кодовым задержкам, измеренным с "абсолют-

вой" селективностью возбуждения. С помощью данного метода коррекции удалось достигнуть воспроизводимого получения широкополосных ГВС (В 1 ГГц-кы), что являлось основной задачей работы. Рис. 1 и 2 иллюстрируют получение световода с ®експ = ^30 МГц'км на К = 1,30 мкм в результате второГ коррекции ППП по расчетным модовыы задержкам ( у соответствующей серии световодов, полученных после первой коррекции, Ввксп в диапазоне 955 - 1516 МГц'кы). В целом у световодов, полученных посла двух коррекций, В составило 1,86 ГГц-км, что превышает В у световодов фирмы AT&T (ША) и свидетельствует об эффективности разработанного метода коррекции.

На основе анализа воспроизводимости t(R) и On(R) в серии световодов, полученных i»o одной технологической программе, сделана оценка технологического предела для В, составившая 2,5-3 ГГц • км. Этот уровень В монет быть достигнут при серийном производстве ГВС с помощью описанного метода коррекции ППП.

Средняя ошибка прогнозирования величины В широкополосных ГВС (В = 1,27 ГГц-км) составила 19$ (рис. 3). Выявлены и проанализированы два основные фактора, ограничивающие точность прогнозирования: ето вариации ППП по длине заготовки й вариации модового веса от световода к световоду. Последнее в первую очередь связано с вариациями дифференциальных ыодовых потерь. Поэтому использование более строгого теоретического подк..,а не приведет к заметному повышению точности прогнозирования В.

Продемонстрировано использование метода прогнозирования для выявления существенных возмущений ППП, количественного анализа в единицах t(R), Sn(R) и В воспроизводимости ППП и его равномерности по длине, что наряду с возможностью коррекции ППП и прогнозирования импульсного отклика и величины В открывает качественно новые возможности для

технологии ГВС.

Описывается исследование по влиянии 7-излучения ва импульсный отклик и величину В, позволива«е впервые определить механизм эффекта. Установлено, что изменение импульсного отклика в результате облучения о дозой 1-2,5 Гр сопровождается преимущественным наведением потерь внсянх иод. Расчет импульсного отклика по ППП в заготовке с учетом изменения модового веса позволил установить связь этих аффектов. Показано, что знак и величина изменения В в результате облучения определяются формой ППП каждого отдельного световода и могут прогнозироваться по ППП в заготовке.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы: '

1. Определено влияние на дисперсионные характеристики градиентных световодов систематических возмущений профиля показателя преломления (центрального провала, депрессии показателя преломления вблизи провала, спиралевидного возмущения) и возмущений, вызванных нестабильностью температурного режима МСТО-процеоса.

2. На осноеэ модели квазирегулярного световода разработан метод прогнозирования дисперсионных характеристик по профилю показателя преломления в заготовке, позволяющий определять существейные возмущения профиля, вырабатывать коррекцию программы послойных расходов реагентов в МСТО-процессв, анализировать воспроизводимость и равномерность профиля по длине, прогнозировать импульсный отклик и параметр широкополосности. Точность прогнозирования параметра пшрокополосности многократно превышает точность стандартного метода а-аппроксимации.

3. Применение метода прогнозирования в лабораторной технологии градиентных световодов позволило повысить параметр

широкополосноотк до 2,5 ГГц'км. Выявлены технологические ограничения ы показано, что среднее значение параметра пшрокополосностя в данной технологии MCVD жжет быть увеличено до 2,5 - 3 ГГц'кы.

4. Установлено, что влияние ионизирующего излучеш" т на параметр широкополосности градиентных световодов с сердцевиной Geftj-^Og-SiC^ вызвано преимущественным наведением потерь высших мод и изменением модового состава. Эта закономерность дает возможность прогнозировать величину изменения параметра широкополосности по профилю показателя преломления в заготовке.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

1. Белов А.В., Вечканов Н.Н., Гурьянов А.Н., Девятых Г.Г., Дианов Е.Н., Ильин В.Н., Ыалывев К.Н., Неуструев В.Б., Пименов С.И., Прохоров A.M. Томашук А.Л., Хопин В.Ф. Широкополосные многомодовые градиентные волоконные световоды. - Квантовая електроника, 1987, т. 14, N 6, с. 1152-1154.

2. Belov А.V., Toraashuk A.L., Chicolini A.V. Hultimode fiber bands idth prediction based on preform profile.- Proo. SPIE, 1988, v. 992, pp. 261-266.

3. Абрамов A.A., Бубнов M.M., Томашук А.Л. Температурная зависимость гру.-ювой задержки в волоконных световодах.-Радиотехника, 1988, N 10, о. 72-76.

4. Belov А.Y., Tomashuk A.L., Chioolini A.V. Ifultimode fiber bandwidth prediction based on prefonn proiile.-Piber and Integrated Optics, 1989, v. 8, N 3, pp. 227-234.

5. Гурьянов A.H., Гусовский Д.Д., Малышев K.H., Неуструев В.Б., Томашук А.Л., Хопин В.Ф. Получение широкополосных многомодовых световодов.- VIII научно-техническая

ме »отраслевая конференция. Секция 4 "Вопросы строительства волоконно-оптичэ ских линий связи в технологии елеиентов ВОСП", тезисы докл., Уфа, 1989, о. 3.

6. Белов A.B., Гурьянов А.Н., Девятых Г.Г., - Дианов В.М., Ильин В.М., Малышев К.Н., Неуструев В.Б., Пименов С.Ы., Прохоров A.M., Томашук А.Л., Хопин В.Ф. Оптимизация дисперсионных характеристик градиентных волоконных световодов.- Высокочистые вещества, 1390, Н 3, с. 207-218.

7. Томааук А.Л. Расчет дисперсионных зарактеристик градиентных волоконных световодов.- Высокочнстае вещества, 1991, Н 3, с. 249-253.

8. Haehineky V.U., Keußtruev V.B., Tooaehuk A.b. The aeohanißm of the 7-irradiation effeot on the bandiridth of miltimode graded-index fibres.- Soviet Lightwave Commmioations, 1992, v. 2, N 4, pp. 311-319.

9. Томашук А.Л. Сравнение двух методов прогнозирования параметра широкополо сно с та многоходовых градиентных волоконных световодов.- Квантовая электроника, 1993» т. 20, N 1, с. 76-78.

1

о -1

?/а)-г(0,7)} НС/км

0,2

10'

а

нс/км

0,6

1,0 к/а

0,2

0.6

1,0 е/а

- ю"3 V - 1 г

0,2 0,6 V К/а -103 0,2 ^ 1,0 С/а

рис. I. Разброс расчетных подовых задержек (а) в отклонений ППП от оптимального (б) в серии заготовок, полученных после первой коррекции, и вариации расчетных модовых задержек (в) и отклонения ППП от оптимального (г) по дяине за-т^фгютв. тгплтовююА после втогюй котоекции.

да

I 1 I 1 1 1 ■»" ) 1 1 1 !■

рис. 2. ПШ в заготовке световода с В,

эксп.

рис- 3. Типичное совпадение расчетного (а) и експерименталь-ного (б) импульсного отклика (ВеКСП>= 1520 НГц'км, Врасч>= 1417 МГц'кы, Ь = 2,51 км). Пунктиром показан входной импульс.