Оптимизация процесса вытяжки волоконных световодов с использованием цифровых методов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

российская академия наук научный центр волоконной оптики

институт общей физики

РГ6

он

^^ На правах рукописи

уда 661.189.21:666.22

Сысолятин Алексей Александрович

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ВЫТЯЖКИ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦИФРОВЫХ МЕТОДОВ

01.04.01 - "Техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1995

Работа выполнена в Научном центре волоконной оптики при Институте общей физики РАН.

Научный руководители: академик

Е.М. Дианов

кандидат физико-математических паук

М.М. Бубнов

Официальные оппоненты: д.ф.-м.н. В.Н. Серкш (ИОФ РАН)

к.ф.-М.Н. K.M. Голант (НЦВО ИОФ PAII)

Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники РАН

Защита состоится ^ " 1995 ъ/^* часов на заседании

специализированного совета К 003.49.02 Института общей физики РАН по адресу: 117942 Москва, В-333, ул. Вавилова, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики РАН.

Автореферат разослан ^_" '^-^у/ч 1995г.

Ученый секретарь Совета кандидат физ.-мат. наук (У^ ' Т.Б. Воляк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность.

Использование цифровых методов для анализа и контроля процесса вытяжки волоконных световодов позволяет оптимизировать их параметры, уменьшить геометрические нерегулярности диаметра световода, и кроме того, решить ряд. новых задач. Это способствует улучшению оптических и геометрических характеристик стандартных световодов с неизмеппым по длине диаметром. Известно, что вариации диаметра сердцевины волоконных световодов приводят к увеличению оптических потерь на рассеяние, а в случае одномодовых световодов приводят также к изменению длины волны отсечки и дисперсионных характеристик. При соединении световодов, особенно одномодовых, различия поперечных сечений их сердцевин так же вызывают дополнительные потери. Случайные изменения поперечного сечения световода приводит к ухудшению его прочностных характеристик. Таким образом, флуктуации диаметра световода должны быть минимальными.

Последнее время уделяется большое внимание нерегулярным полноводным средам оптического диапозона. В продолыю-пеоднородпых волоконных световодах предсказаны и наблюдаются ранее неизвестные физические эффекты. В частности, в световодах с изменяющейся по длине хроматической дисперсией оптический солитон может распространяться без уширешш. Исследования показывают целесообразность использования продольно-неоднородных световодов для оптимизации ввода-вывода излучения, в целях формирования волнового фронта излучения в градиентных световодах, в различных конструкциях датчиков физических полей, в оптических усилителях. Световоды с продольной модуляцией параметров позволяют создать

эффективные компрессоры фемтосекундных импульсов. Именно благодаря использованию цифровых методов в процессе вытяжки впервые удалось изготовить световоды, параметры которых заданным образом меняются по длине.

В связи с этим целью диссертационной работы было:

1. Исследование различных источников внешних возмущений, оказывающих непосредственное влияние на процесс вытяжки световодов из кварцевого стекла.

2. Изучение воздействия систематических возмущений в процессе вытяжки методами гармонического анализа.

3. Разработка алгоритмов и соответствующих программно-аппаратных средств в целях всестороннего анализа и контроля процесса вытяжки.

4. Разработка методики получения из стандартных заготовок продольно- неоднородных световодов с параметрами, изменяющимися по длипе заданным образом.

Научная новизна и защищаемые положения

1. Идентификация источников внешних возмущений, оказывающих влияние на процесс вытяжки световодов в различных технологических условиях.

2. Разработка алгоритмов спектрального анализа возмущений различной природы. Реализация возможности исследования высокочастотных (до 500Гц) воздействий на процесс формирования световодов в процессе вытяжки.

3. Проведение детальных экспериментальных исследований динамики зоны, перетяжки в различных условиях вытяжки. Определение цифровыми методами в реальном времени параметров собственных

колебаний зоны перетяжки и ее нелинейных свойств.

4. Создание продольно- неоднородных световодов с изменяющимися

то длине заданным образом параметрами из стандартных заготовок.

Практическая ценность 1. Результаты работы использовались при создании в НЦВО ИОФРАП технологии получения одномодовых световодов с изменяющейся по длине хроматической дисперсией.

2.. Впервые получены световоды с изменяющейся по длине хроматической дисперсией. Они успешно используются в целях адиабатического сжатия и генерации оптических солитонов в различных исследовательских центрах (ИОФ РАН; Imperial College, London, Ж; Univ. oí Southampton, Hampshire, UK; AT&T, USA; Technical Univ. Berlin, Germany).

3. Созданы программные средства, обеспечивающие функционирование комплекса вытяжной установки в реальном времени. Изготовлены СЕетоводы с изменяющейся по длине хроматической дисперсией длиной от нескольких метров до нескольких километров. Отклонение диаметра световода на всей многокилометровой длине от заданного расчетами не превышало 0.2%-0.5%. Разработанная технология представляет собой комплекс программных средств и она легко может быть перенесена на промышленные вытяжные установки.

Апробация работы и публикации

Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на Международной конференции по нелинейным волноводным эффектам (HOUSTON,ТХ,USА,1989), Международной конференции по волоконной оптике (ОГС'90 San-Francisco, USA), II Международной конференции по волоконной оптике (ISFOC'92 С.Петербург, 1992), Международной

конференции по электрооптическим явлениям (CLEO, Anaheim, USA,1992), IV Международной конференции "Физические проблемы оптических измерений, связи и обработки информации" (Севастополь, 1993); Международной конференции "Оптические телекоммуникации" (European COST Workshop 94, Nice, 1994); и на семинарах отдела волоконной оптики ИОФ РАН. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ.

Структура и обьем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 131 странице машинописного текста, содержит 23 рисунка. Список литературы содержит 108 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе содержится обзор литературных данных, выявляющих взаимосвязь стабильности геометрических параметров и оптических характеристик световодов из кварцевого стекла. Известно, что стабильность геометрических параметров позволяет минимизировать оптические потери собственно в световоде и на стыках. Например, при соединении световодов различия поперечных сечений их сердцевин вызывают дополнительные потери. В большинстве методов стыковки наружная поверхность используется как опорная для . согласования сердцевин стыкуемых световодов, поэтому необхбдимо обеспечивать не только постоянство диаметра

сердцевины, но и внесшего диаметра световода. Вариации диаметра сердцевины приводят к увеличению оптических потерь на рассеяние. Дополнительные потери вызываются также межмодовой связью на неоднородностях между распространяющимися и вытекающими модами. Вариации диаметра сердцевины одномодовых световодов приводят к изменению длины волны отсечки и дисперсионных характеристик, поскольку изменение хроматической дисперсии вдоль световода приблизительно пропорционально изменениям его продольных параметров.

В процессе выполнения данной диссертационной работы появились теоретические расчеты, показавшие целесообразность использования световодов, параметры которых заданным образом изменяются по длине. В таких световодах предсказаны и наблюдаются неизвестные рапее эффекты. Например, в световоде с изменяющейся по длине хроматической дисперсией возможно эффективное управление параметрами оптического солитопа. Известно, что для скоростной передачи информации на дальние расстояния больше перспективы имеют оптические линии связи, использующие фундаментальный солитон в качестве носителя информации. В совершенном, без потерь оптическом световоде, солитон низшего порядка (фундаментальный солитон) не меняет своей формы и амплитуды при распространении вдоль световода. Эта инвариантность суть результат баланса между нелинейностью и дисперсией. Данное свойство солитона позволяет использовать его для оптической передачи цифровых сигналов на большие расстояния, поскольку солитон не испытывает уширения, свойственного линейным импульсам. Однако в реальных световодах имеют место оптические потери, что приводит к возмущению (уширению) солитонных импульсов при их распространении. В настоящее время известеи способ обеспечения

постоянства ширины фундаментального солитона в световоде с потерями, для чего световод должен быть неоднородным по своей длине. Нужно изменять размер сердцевины световода так, чтобы дисперсия групповых скоростей уменьшалась с .расстоянием прямо пропорционально экспоненциальному коэффициенту потерь и обратно пропорциональна эффективной площади сечения сердцевины.

Кроме того, теоретический анализ взаимодействия пикосекундных импульсов, распространяющихся в различных модах периодически неоднородного волоконного световода, показал, что возможно создание компактных интегрально- оптических компрессоров для фемтосекундных лазерных систем в видимом диапозоне. Перспективно применение периодически неоднородных волоконных световодов для линейного сжатия частотно- модулированных импульсов и нелинейного самосжатия.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальной установки вытяжки. Приведены описания средств контроля параметров технологического процесса, используемых приборных интерфейсов и вычислительных средств. Управление установкой осуществлялось через вычислительный комплекс на базе 16-ти разрядной ЭВМ. Операционная система НТ-11 уег5 обеспечивала гибкий интерфейс с необходимыми аппаратными средствами - дисками, устройствами ввода-вывода, терминалом, различными внешними устройствами, в том числе с приборным интерфейсом КАМАК. Связь с конкретными устройствами (датчиками, измерителями диаметра световода и покрытия, регуляторы расхода газов .и др.) осуществлялась посредством использования модулей КАМАК.

Специально разработанное программное обеспечение позволяло вести протокол процесса вытяжки, т.е. запись технологических параметров на машинный носитель, и также контролировать

технологический процесс с помощью обратной связи. Введение новых или изменение прежних функций могло быть достигнуто лишь за счет соответствующих изменений в программном обеспечении. Из инструментальных программных средств в операционной среде RT-11 использовались главным образом Паскаль, и где необходимо -Ассемблер. В частности, на Ассемблере выполнен модуль, реализующий взаимодействие и переключение между задачами в реальном времени в соо.тветствии с заданным расписанием.

Для исследования технологических процессов применительно к системе вытяжки были использованы различные методы цифровой обработки сигналов, включая низкочастотный фильтр Баттерворта, Бесселя и биноминальный фильтр (невносящий фазовых искажений). В целях анализа быстропротекающих процессов использовались различные методы спектрального анализа, в том числе алгоритмы быстрого преобразования Фурье (алгоритмы Кьюли- Тыоки -и Випограда). В частности, с использованием китайской теоремы об остатках (для целых чисел и полиномов) были разработаны эффективные программные средства дискретного преобразования Фурье. Например, ДПФ по Винограду или с использованием алгоритма Нуссбаумера- Квендалла для выборки длиной N требует лишь порядка N умножений (прямой метод требует N*N умножений). Программа, реализующая данный алгоритм Винограда, в настоящей работе была выполнена с использованием алгоритмических языков Паскаль и Ада. Эта программа на компьютере PC386&20MHZ позволила выполнить преобразование Фурье по Винограду (с использованием китайской теоремы об остатках для целых чисел и полиномов) для выборки длиной 504 точки в течение 110мсек. Для сравнения укажем, что выполнение ДПФ по Кьюли- Тьюки на этом же компьютере для выборки длиной 512 требует 940мсек.

Разработанное программное обеспечение использовалось в экспериментах для изучении нестационарных процессов при формировании волокна, которые приводят к появлению вариаций диаметра по длине световода.

Третья глава посвящена анализу процессов, вызывающих флуктуации диаметра волоконных световодов. Сильное влияние на стабильность диаметра вытягиваемого световода оказывает режим работы графитовой печи сопротивлений. Экспериментально изучалось влияние динамики газовых потоков на условия переходных процессов. Были проведены сравнительные исследования на двух графитовых печах - "Astra" (модифицированная в НЦВО ИОФРАН) и "Centor". В числе прочих характеристик исследовались реакции отклика диаметра световода на импульсные возмущения газовых потоков аргона в печи. Отклик на одиночное ступенчатое возмущение носил выраженный апериодический характер. Амплитуда отклика и его длительность определялись как амплитудой возмущения, так и общим соотношением расходов аргона в печи (рис. 1). В ряде случаев требуется анализ высокочастотных источников возмущений. Использование быстродействующего измерителя диаметра Anritsu М551А и разработанных алгоритмов допускает изучение источников возмущений вплоть до частот 500Гц.

Исследовалось влияние воздействия гармонических возмущений расходов аргона в портах печи. С помощью регулятора расхода газов модулировался расход с некоторой частотой и амплитудой. Необходимые значения параметров модуляции можно было задавать программным способом. Информация о параметрах процесса (диаметр световода, задаваемое и текущее значение расхода газа) записывалась в файл. Впоследствии полученные данные подвергались спектральному анализу с использованием алгоритмов быстрого Фурье.

Важно, что управление газовыми потоками есть потенциальная возможность создания в световоде структуры с пространственным периодом 1см и менее. Отклик диаметра существенно менее инерционен в этом случае, чем, например отклик на изменение скорости вытяжки.

В этой же главе рассматривается система автоматического управления процессом вытяжки. Необходимо учитывать, что система обратной связи на базе управляющей ЭВМ имеет свои особенности. Законы управления с прямыми и обратными связями реализуются в форме алгоритмов, обработке подвергаются квантованные

(дискретные во времени) сигналы. При создании цифровой системы управления математическая модель процесса была изучена и проанализирована .экспериментально с помощью процедуры идентификации.

Поиск параметров, описывающих процесс вытяжки световода, осуществлялся путем изучения отклика системы на заданные входные воздействия. Процедура идентификации производилась посредством рекуррентного метода наименьших квадратов. Для нахождения вектора параметров

ет= [ ^ ^ ъп] использовался рекуррентный алгоритм:

9(к+1) = 9(к) + 7(к)[ с!(к+1) - Фт(к+1 ) 9(к) ] где 9(к+1) - новая оценка

л

в(к) - старая оценка

7(к) - вектор коррекции

<1(к+1) - новое измерение

Фт(к+1) 9(к) - предсказанное значение нового измерения.

Результаты идентификации мы использовали для построения

параметрического регулятора, параметры которого уточнялись в течение всего процесса вытяжки. В диапозоне скоростей вытяжки 20-100 м/мин частота квантования обычно равнялась 5 Гц, при этом среднеквадратичное отклонение диаметра световода от заданного не превышало 0,15-0,25 мкм, а максимальное отклонение на всей многокилометровой длине составляло 2 мкм.

В четвертой главе рассматривается созданная в 1ЩВ0 ИОФРАН технология вытяжки световодов с переменной по длине хроматической дисперсией. Их отличительная особенность состоит в том, что изменение дисперсии по длине позволяет управлять параметрами оптического солитона, распространяющегося в таком световоде. В частности, выбором определенной зависимости дисперсии по длине можно компенсировать оптические потери и тем самым обеспечить режим распространения солитона без изменения его длительности.

В настоящее время в ИОФ РАН создан комплекс технологического оборудования позволяющего получать световоды с изменяющимся по заданному закону диаметром (дисперсией) по длине. Изменение дисперсии по длине световода достигается за счет изменения его геометрических размеров. Эта технология была осуществлена благодаря использованию цифровых методов для анализа и контроля процесса вытяжки. При синтезе цифровой системы необходимо было учитывать не только математические аспекты , но и каким образом взаимодействует с реальным объектом управляющая ЭВМ. Также учитывались источники различного рода внесших возмущений. В каждом такте анализировались состояния выходных координат (сигналов), и в соответствии с тем или иным алгоритмом рассчитывались текущие значения управляющих воздействий.

Синтез системы управления ставил задачу достижения некоторого состояния х(И) при начальном состоянии х(0) за N тактов.

Формально, цель управления заключалась в минимизации функции потерь:

N-1

I = х'ШШОхШ) + ^ [ х'(Ю<21х(к) + и' (к)02и(к) ] (15

к=0

где х -вектор состояния системы в момент к

и -вектор входного сигнала системы в момент к Другими словами , задача состояла в отыскании последовательности и(0), и(1), ... и(И-1) , минимизирующей функцию потерь I. Программная реализация алгоритма управления позволяла обеспечить гибкость в случае изменения внешних условий - при необходимости могли быть изменены*параметры, определяющие регулятор или, если нужно, можно было использовать другой алгоритм.

■Разработанный комплекс програмпо- аппаратных средств позволил впервые изготовить световоды с изменяющейся по заданному закону дисперсией длиной от нескольких десятков метров до нескольких километров. Отклонение диаметра световода на всей многокилометровой длине от заданного расчетами пе превышает 0.2%-0.5%. (рис. 2).

В настоящее время световоды с переменной дисперсией успешно используются в целях адиабатического сжатия солитонов и компенсации уширепия солитона в световодах с потерями. В НЦВО ИОФРАН была предложена и осуществлена идея использования световодов с переменной дисперсией в целях генерации высокочастотной (40-200ГГЦ) последовательности фундаментальных солитонов.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:

1. Создана цифровая система управления технологическим процессом вытяжки волоконных световодов. Разработаны, соответствующие программные и аппаратные средства реального времени. Цифровая система управления позволяет при изменении скорости вытяжки на порядок в течение 5 минут обеспечить отклонение диаметра световода от заданного в допустимых пределах (менее 2.0мкм).

2. Созданы эффективные программные средства гармонического анализа вариаций диаметра вытягиваемого световода в реальном времени (для выборки длиной 504 точки преобразование Фурье занимает 110мсек для РС38б&20МГц). Выполнены экспериментальные работы по изучению влияния динамики газовых потоков внутри графитовой печи сопротивлений на процесс вытяжки. Исследованы корреляции изменений газовых потоков и параметров вытягиваемых световодов. Полученные результаты позволили создать световоды с периодической продольной неоднородностью с периодом менее 1см.

3. Экспериментально исследованы переходные явления процесса вытяжки. Изучены источники возмущений, оказывающих влияние на процесс вытяжки световодов в различных технологических условиях и разработаны меры для их компенсации в целях оптимизации оптико-механических характеристик волоконных световодов. Принятые меры позволили осуществить вытяжку световодов при среднеквадратичном отклонении по диаметру световода не хуже, чем 0.2мкм на длине 1-6км.

4. Впервые разработаны методы получения профилированных световодов - нерегулярных световодов, диаметр которых изменяется по длине в соответствии с некоторой заданной функцией. Среднеквадратичное значение ошибки (разницы между реальным

диаметром и заданным) не превышает 0.2мкм.

5. Впервые получены световоды нового типа - одномодовые световоды с переменной по длине хроматической дисперсией. Разработанная технология позволила изготовить световоды длиной от десятков метров до нескольких километров с дисперсией, изменяющейся в соответствии с заданной функцией и без увеличения оптических потерь. Возможный диапозон изменения хроматической дисперсии по длине световода -12..+12пс/нм/км при использовании стандартных заготовок со смещенной дисперсией; Точность, обеспечиваемая цифровой системой управления, позволяет получать в ходе вытяжки световоды с переменной дисперсией с повторяемостью дисперсионных характеристик 0.1пс/нм/км.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

1. Е.М. Дианов, В.В. Кашин, В.И. Перминова, С.Я. Русанов, В.К.Сысоев, A.A. Сысолятин Динамическая модель вытяжки кварцевых волоконных световодов // ЖТФ. 1987. Т.57, N.7. С.1336-1343.

2. V.A.Bogatyrjov, M.M.Bubnov, E.M.Dianov, A.S.Kurkov, P.V.Mamyshev, S.I.Miroshnichehko, 5.D.Rumyantsev, V.A.Semenov, S.L.Semenov, A.A.Sysoliatln, S.V.Chernikov. Experimental generation of 0.2 THz fundamental soliton train in a fiber with varying dispersion. Topycal Meeting on Honlinear Guiûed-Vïave Phenomena: Physics and Applications, February 2-4, 1989, Houston, TX, USA. Technical Digest Series, vol.2 (OSA, Washington D.C.), Postdeadline papers, paper PD-9.

3. В.А.Богатырев, М.М.Бубнов, А.К.Михайлов, К.В.Пимкин, А.А.Сысолятин Центрирование оптического волокна в покрытии, препринт ИОФАН, 19Э0.

Д. E.M.Dianov, A.S.Kurkov, P.V.Mamyshev, A.M.Prokhorov, A.A.Sysoiiatin, A.N.Guryanov, G.G.Devyatykh, S.I.Mlroshnichenko. Single-mode fiber with chromatic dispersion varying along the length. Proc. 0FC-90, San Francisco, Calif.USA 1990 P.104.

5. V.A.Bogatyrjov, M.M.Bubnov, E.M.Dianov, A.S.Kurkov, P.V.Mamyshev, A.M.Prokhorov, S.D. Rumyantsev, V.A. Semenov, S.L. Semenov, A.A.Sysoiiatin, S.V. Chernikov, A.N.Guryanov, G.G.Devyatykh, S.I.Mlroshnichenko. A Single-Mode Fiber with Chromatic Dispersion Varying along the Length. J. of Lightwave Technology 1991 V.9 N5 P.561-566.

6. В.А.Богатырев, M.M.Бубнов, В.М.Ильин, С.Д.Румянцев, С.Л.Семенов, А.А.Сысолятин Построение цифровой системы управления процессом "вытяжки волоконных световодов. Труды ИОФАН, Волоконная оптика, Т.39, 1992 С.181-185.

7. V.A.BogatyrJov, M.M.Bubnov, E.M.Dianov, A.A.Sysoiiatin. Soliton fiber design and fabrication. Second Int. Russian Fibre Optics and Telecommunications Conference St.Petersburg Russia Oct.5-9,1992 P.265-271

8. M.I.Belovolov, A.V.Belov, V.A.BogatyrJov, M.M.Bubnov, E.M.Dianov, A.S.Kurkov, P.V.Mamyshev, A.A.Sysoiiatin, S.V. Chernikov, D.G. Fursa Continuous-wave generation of 100 GHz soliton train with a dual-frequency laser source and a fiber with decreasing dispersion. Conference on Laser and Electro-optic CLE0-92. Anaheim, USA 1992. Postdeadline p. p.66-67

9. В.Л.Богатырев, М.М.Бубнов, Е.М.Дианов и А.А.Сысолятин. Нерегулярные световоды для систем оптической связи и сенсоров. IV Междун. конфер. "Физические проблемы оптических измерений; связи и обработки информации" Севастополь 1993 С.70-71 .

0. V.A.BogatyrJov, M.M.Bubnov, S.I. Semenov, A.A. Sysoliatln Length-varying computer-controlled fibre drawing Meas. Scl. .'eciinol. 1994 V.5 P. 1370-1374.

1. V.A.BogatyrJov, M.M.Bubnov, E.M. Dianov, A.A. Sysoliatln .dvanced fibers for sollton systems. European COST Workshop 94, Optical Telecommunications", Nice, April 17-21, 1994.

diasatcr mrun 150.0 -i-

130.с --

110.0

90.0 --

7а о

)

1.0

го

3.0

4.0

5.0

tiste вес

Рис. 1 Отклик диаметра световода на перекрытие потока аргона чере нижний порт печи в течение — 0.2сек, ...... 0.5сек, — 1.Осек.

diameter error

length и

i 2 Зависимость внешнего диаметра световода с переменной Персией (сплошная линия). Ошибка - разница между рассчитанным и льнкм диаметром (пунктирная линия).