Поляризационные эффекты при рэлеевском рассеянии света в оптических волокнах

Трещиков, Владимир Николаевич

Поляризационные эффекты при рэлеевском рассеянии света в оптических волокнах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Трещиков, Владимир Николаевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

1998 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.21 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Поляризационные эффекты при рэлеевском рассеянии света в оптических волокнах»

Автореферат диссертации на тему "Поляризационные эффекты при рэлеевском рассеянии света в оптических волокнах"

На правах рукописи

1 з

ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ

РЭЛ ЕЕВСКОМ РАССЕЯНИИ СВЕТА В ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКНАХ

Специальность 01.04.21 - лазерная фишка

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата фнзнко - матсма I ическнх наук

Трещнков Владимир Николаевич

Москва - 199««

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники РАН.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Потапов Владимир Тимофеевич

Научный консультант: кандидат физико-математических наук,

ст.н.с. Шаталин Сергей Владимирович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Шевченко Виктор Васильевич

кандидат физико- математических наук, Малыкин Григорий Борисович

Ведущая организация - Институт Общей Физики РАН.

Защита диссертации состоится 23 октября 1998 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д.002.74.04 в Институте радиотехники и электроники РАН по адресу: 103907, г. Москва, ул. Моховая, д. И.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН. Автореферат разослан _2~1 уО]} 1998 г. Учёный секретарь Диссертационного совета

кандидат физико-математических наук - Л.В. Левкин

- £ ,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Главные тенденции развития волоконно-оптической связи сегодня - увеличение быстродействия приемопередающей аппаратуры и увеличение расстояния между оптоэлек-тронными ретрансляторами.

При распространении импульса в световоде его длительность увеличивается из-за дисперсии, поэтому для повышения скорости передачи в современных высокоскоростных линиях связи используются одномодовые оптические волокна с компенсированной хроматической дисперсией. В таких волокнах главной причиной ушире-ния импульса при передаче является межмодовая дисперсия, обусловленная различием групповых скоростей двух поляризационных мод, называемая поляризационной модовой дисперсией (ПМД). В телекоммуникационных линиях используется одномодовое оптическое волокно без специально наведенной анизотропии и ПМД возникает при вытяжке, нанесении защитного покрытия, каблировании и монтаже линии связи.

Величина ПМД для телекоммуникационных волокон лежит в пределах 0.1-1 пс/км"2, что примерно на порядок меньше материальной и волноводной дисперсии. По мнению экспертов Международного телекоммуникационного союза ПМД на уровне 0.5 пс/км"2 позволяет передать сигнал в стандарте 8ТМ-64 со скоростью 10 Гб/с на расстояние около 400 км.

Новые крупные телекоммуникационные проекты предусматривают передачу сигнала со скоростью 40 Гб/с на расстояние свыше 1000 км и ПМД становится преобладающим фактором, ограничивающим скорость передачи информации.

Сегодня в мире проводится большое количество исследований поляризационных свойств одномодовых световодов, предложено несколько методов измерения Г1МД. Их можно разделить на три класса: измерения с помощью широкополосного источника излучения и монохроматора, интерферометрические измерения и нахождение ПМД по результатам измерения матрицы Джонса.

Все вышеперечисленные методы исследования поляризационной модовой дисперсии позволяют измерить только полное запаздывание при прохождении сигнала через весь световод.

Распределение ПМД по длине световода несет существенную информацию, так как волоконно-оптическая трасса обычно состоит из строительных длин по 2-6 км, каждая из которых может иметь свой коэффициент ПМД. Наличие участка с большим количеством изгибов волокон вызывает сильное наведенное двулучепреломлени-ем и может привести к недопустимо высокой величине ПМД всей линии.

Для исследования зависимости ПМД от длины световода е нами использовался подход, основанный на анализе обратно рассеянного световоде излучения. Этот подход является развитием реф-лектомет'рии, нашедшей практическое применение для измерения потерь в волоконно-оптических линиях связи. В отличие от амплитудной рефлектометрии, при которой измеряют интенсивность обратно рассеянного импульса, в диссертации анализируется поляризационная структура рассеянного излучения. В существующих работах по поляризационной рефлектометрии рассматривались в основном анизотропные волокна, используемые в нолоконно-оптически> датчиках и гироскопах. При этом с помощью рефлектометра измерялся только параметр Ь, то есть параметр сохранения состояния поляризации. В других работах измерялся спектр сигнала поляризаци-

о-

энных биений, но которому производилась оценка двулучепрелом-гсения в световоде.

Актуальным представляется исследование поляризационных свойств и распределения ПМД в телекоммуникационных волокнах. Исследования ПМД световода с помощью рефлектометра приводят к обратной задаче поляризационной рефлектометрии, то есть к определению дифференциальной матрицы Джонса световода по результатам рефлектометрических измерений. Сложность этой задачи состоит в том, что сигнал рефлектометра зависит только от эллиптичности световой волны в точке рассеяния и не зависит от ее азимута. Нами показано, что локальный азимут и двулучепреломление в каждой точке световода могут быть определены по результатам рефлектометрических измерений для двух входных линейных состояний поляризации. После нахождения локальных параметров поляризационной анизотропии встает задача об определении зависимости матрицы Джонса в каждой точке световода от частоты. Решение этих двух задач позволяет разработать метод измерения эволюции ПМД по длине световода, который представляется актуальным цля проектирования и контроля новых высокоскоростных линий связи.

Целью работы является теоретический расчет и экспериментальная разработка рефлектометрнческого метода измерении зависимости поляризационной модовой дисперсии от длины световода. •

ционном одномодовом волокне можно пренебречь оптической активностью и дихроизмом световода.

Научная новизна. В работе получены следующие новые научные результаты:

1. Решена обратная задача поляризационной рефлектометрии, определены локальные азимут и двулучепреломление в каждой точке сЬетовода по эволюции эллиптичностей рассеянного света.

2. Получены выражения, позволяющие рассчитать распределение ПМД световода по локальным параметрам его поляризационной анизотропии.

3. Произведены расчеты ПМД по компьютерным моделям световодов.

4. Создана экспериментальная установка для измерения распределения ПМД в одномодовом световоде, произведено измерение ПМД по дифференциальной матрице Джонса и по измерениям на двух близких частотах. Определено распределение ПМД в оптическом волокне фирмы Рцркига. 0

Практическая ценность работы определяется следующими положениями:

1. Разработан метод расчета распределения ПМД световода по результатам рефлектометрических измерений.

2. Оценено влияние конечной ширины импульса рефлектометра на точность измерения параметров поляризационной анизотропии и ПМД.

3. Установка для определения зависимости ПМД телекоммуникационного световода от его длины может быть использована для тестирования высокоскоростных линий связи.

:новные положения, выносимые на защиту. На основе исследова-й, выполненных в диссертационной работе, на защиту выносятся едующие положения:

Решение обратной задачи поляризационной рефлектометрии -ределение локальных параметров поляризационной анизотропии локна по результатам рефлектометрических измерений. Методы расчета поляризационной модовой дисперсии в одномо-вом волокне: по дифференциальной матрице Джонса световода и рефлектометрическим измерениям на двух близких частотах. Результаты рефлектометрических исследований зависимости ИД от длины световода I,, подтверждающие статистическую моль, предсказывающую накопление ПМД как

)стоверность результатов, полученных в диссертации, обеспечива-;я использованием основных посылок, допущений и уравнений, вверенных экспериментом и к настоящему времени не вызываю-IX сомнений. Теоретический анализ проверялся компьютерным »делированием, при котором проверялось соответствие восста-влсния интегральных параметров поляризационной анизотропии и кального двулучепреломления изначально заданным значениям, [спериментальные данные по определению ПМД, проверялись со-ветствием результатов, полученных различными методами (имений и соответствия измеренных значений ПМД значениям, приве-нным ь спецификации световода.

фобация работы. Материалы, включенные и диссертацию, докла-[вались на научных семинарах ИР') РАН, научных сессиях обще-

ства им. Попова в 96 и 98 г., Международной конференции ICON* 98, конференции в Нижнем Новгороде (98 г.) и Международш конференции SPIE Optical Science, Engineering and Instrumentation ' в San-Diego, США.

Публикации. По результатам диссертации опубликовано (включ принятые к печати) 10 печатных работ. Список трудов приведён конце автореферата.

Содержание работы.

Первая глава содержит обзор литературы, посвященный поляриз циониой модовой дисперсии в одномодовых световодах. В параграфе 1.1 обсуждается процесс накопления поляризационт модовой дисперсии в одномодовых световодах, не обладающих ди роизмом и оптической активностью: в §1.1.1 рассматривается пол ризационная модовая дисперсия в простейшем случае регулярно световода с линейным двулучепреломлением, величина и азимут к торого неизменны. К регулярным световодам в первом приближен] можно отнести световоды, длина которых меньше длины, на кот рой сохраняется состояние поляризации света. Распространение i лучения в таком световоде эквивалентно прохождению света чер случайным образом развернутую двулучелреломляющую пластиш Запаздывание за счет ПМД в таком световоде равно At=ÄL/Ii,c, г Ib=2n/Aß- длина биений поляризационных мод, Я- длина волны ^ лучения, с - скорость света в вакууме. В §1.1.2 рассматривается м дель нерегулярного волокна в виде последовательного набора peí лярных световодов, азимут осей двулучспреломления которых pi пределен случайным образом и интернале от 0 до 2 я. Показано, ч

этличие от регулярного световода, запаздывание за счет ПМД в ком световоде не прямо пропорционально длине, а растет как адратный корень из длины и равно Ат=10'7Я (ЬЬ)"2/1ь, где Л. и 1ь меряются в метрах, Ь - в 1/м, а размерность Ах равна пс/км. В .1.3 рассматривается ПМД в реальных линиях связи и приведены рактеристики ПМД различных производителей волокон.

В § 1.2 рассмотрены существующие методы измерения ПМД, в .2.1 рассмотрено измерение ПМД по функции автокорреляции из-гчения. При этом используется широкополосный источник, излу-ние которого пропускается через исследуемый световод, поме-енный между двумя поляризаторами. Далее излучение поступает I вход интерферометра Майкельсона (или Маха-Цандера) на выхо-: которого установлен фотоприемник. В §1.2.2 рассмотрено изме-:ние ПМД по разности групповых скоростей поляризационных эд. В этом методе, с помощью перестраиваемого по частоте источ-пса излучения, измеряется функция пропускания световода, уста-эвленного между поляризаторами. В §1.2.3 рассмотрено нахожде--ю ПМД по результатам измерения матрицы Джонса световода, [атрица Джонса световода, т.е. его передаточная матрица содержит элную информацию о поляризационных свойствах световода. Созванная на измерении матрицы Джонса методика расчета ПМД в астоящее время широко используется на практике.

В §1.3. производится обсуждение возможности измерения 1МД методом поляризационной рефлектометрии. В последние годы редпринимаются попытки разработать способ расчета ПМД с ио-ощью рефлектометрии. Такой интерес обусловлен широким при-енением рефлектометров на всех этапах от производства волокна о паспортизации оптической линии. Поляризационная модовая

дисперсия может существенно изменяться на всех стадиях пр01 водства оптического кабеля, а также прокладки и эксплуатации I локонно-оптических линий и ее сквозной контроль в перспекти представляется целесообразным. Достоинством рефлектометри» ской методики является также то, что она дает распределение ПК вдоль длины волокна и позволяет локализовать участок волокна высоким двулучепреломлением, кроме того для измерений требуе ся подключение только к одному концу линии.

В главе 2 производится теоретический расчет поляризацио ных свойств и ПМД световода по результатам рефлектометричесю измерений.

В параграфе 2.1 производится вывод интегральной матрш Джонса световода по результатам рефлектометрических измерений В § 2.1.1 рассчитывается сигнал поляризационного рефлектометр Показано, что сигнал поляризационного рефлектометра завиа только от эллиптичное™ состояния поляризации волны в точке ра сеянная и не зависит от ее азимута.

В § 2.1.2 производится вывод зависимости матрицы Джош нерегулярного световода от интегральных параметров поляризащ оннон анизотропии. I ¡оказано, что матрица Джонса может бьп представлена в виде произведения трех элементарных матриц: дву вращений и фазовой пластинки.

В § 2.1.3 производится вывод вида сигнала ноляризационног рефлектометра для случая произвольной поляризации входного и лучения с номош.ыо матриц Мюллера, /'/оказано, что в случае круге вой поляризации сигнал линеен относительно параметров поляриз; циопной анизотропии световода, в случае линейкой поляризации квадратичен.

-11В § 2.1.4 производится расчет интегральных параметров поляризационной анизотропии световода по сигналу рефлектометра. В случае линейной входной поляризации, которая наиболее просто реализуется при эксперименте, для восстановления знака интегрального двулучепреломления необходимо произвести дополнительное измерение, при котором сразу после поляризатора устанавливается фазовая пластинка с запаздыванием Х/8. Расчет сигнала для этого случая производится в § 2.1.5.

В разделе 2.2 производится решение обратной задачи эллип-сометрии световода с помощью формализма матриц Паули, то есть производится расчет локального двулучепреломления световода и азимута главной оси его дифференциальной матрицы Джонса по зависимости интегральной матрицы Джонса от длины световода.

В §2.3 производятся оценка ПМД нерегулярного световода по длине корреляции и средней величине локального двулучепреломления и расчеты ПМД двумя способами:

В §2.3.1 производится оценка ПМД по средней величине и длине корреляции двулучепреломления световода. В §2.3.2 ПМД рассчитывается по зависимости интегральной и дифференциальной матриц Джонса от длины световода, а в §2.3.3 по результатам измерений интегральных параметров поляризационной анизотропии на двух близких частотах.

сле этого по зависимости интегральных параметров от длины световода рассчитывалось распределение локальных параметров поляризационной анизотропии.

В §3.1. производится расчет поляризационных свойств и ПМ/1 волокна для случая регулярного световода, а в §3.2. производится расчет двулучепреломления в модели волокна из трех фазовых пластинок, развернутых относительно друг друга.

Глава 4 посвящена исследованию зависимости ПМД в одно-модовом световоде методом поляризационной рефлектометрии. В этой главе проведен анализ методики измерения ПМД, приведены схемы измерений и описано экспериментальное исследование ПМД.

В § 4.1 производится анализ методики экспериментального исследования ПМД. Рассматриваются требования к экспериментальной установке (Рис. 1). В разделе 4.1.1 производится описание экспериментальной установки, состоящей из оптического рефлектометра А()7210, волоконного поляризатора и исследуемого волокна. Для проведения дополнительного измерения сразу за поляризатором устанавливалась фазовая пластинка с задержкой >78, изготавливаемая из кольца волокна.

В §4.1.2 приведено устройство оптического рефлектометра и описан принцип его работы, а в §4.1.3 рассмотрена погрешность, возникающая вследствие конечной ширины импульса рефлектометра. Показано, что при увеличении ширины импульса глубина поляризационных биений уменьшается, при наиболее узком импульсе в 10 не глубина биений составила около 5 дБ.

В §4.1.4 рассмотрено изготовление фазовой пластинки с задержкой А/8. Показано, что на длине волны 1.55 мкм такой фазовой пластинке соответствует кольцо волокна с радиусом 7 см.

-13В разделе 4.2 представлены кривые, полученные с помощью поляризационного рефлектометра. Произведен выбор параметров эксперимента, оценена величина сигнал/шум, равная — 100.

В разделе 4.3 представлены результаты эксперимента и произведено их обсуждение. В §4.3.1 рассмотрены экспериментально полученные рефлектограммы, рассчитано среднее двулучепреломле-ние и его коэффициент корреляции и производится оценка ПМД в предположении, что задержка ПМД Ах растет пропорционально квадратному корню из длины световода.

В §4.3.2 производится расчет ПМД с помощью дифференциальной матрицы Джонса, а в §4.3.2 по рефлектометрическим измерениям на двух близких частотах. Показано, что зависимость ПМД от длины световода, измеренная различным» способами, ведет себя одинаково (Рис. 2). При этом при измерения с помощью двух рефлектометров возникают погрешности в начале трассы, связанные с искажением сигнала из-за большой зоны нечувствительное! и одного из приборов.

В разделе 4.4 рассмотрены схемы модернизации эксперимента, позволяющие подавать в исследуемое волокно свег с круговой поляризацией. Предложены две схемы, не реализованные экспериментально из за большой сложности и необходимости вносить изменения в оптическую схему рефлектометра.

В главе 5 рассмотрены интерференционные эффекты, возникающие при рэлеевском рассеянии света.

В разделе 5.1 производится расчет сигнала рефлектометра при наличии фазовой модуляции света, а и разделе 5.3 описан эксперимент с серийным рефлектометром, позволяющий продемонстрировать интерференционные эффекш при рэлсенском рассеянии в одномодовых световодах.

0° 45°

Рис 1. Схема экспериментальной установки для поляризационной рефлектометрии.

I А

, 1 A I-/T W

4 V ( >у ф* J / W1

- 1 Two freq

--2 Different.

" " ~ 3 Estimated

Рис 2. Накопление задержки ПМД Лт:

1. Двухчастотный метод.

2. Расчет ПМД по измерению дифференциальной матрицы Джонса.

3. Оценка ПМД по среднему значению и длине корреляции локального двулучепреломления.

I заключение сформулируем основные результаты, полученные в иссертации:

. Решена обратная задача поляризационной рефлектометрии: с помощью формализма матриц Паули определены локальные параметры поляризационной анизотропии в каждой точке световода по эволюции эллиптичностей рассеянного света. Показано, что локальные азимут и модуль двулучепреломления световода однозначно определяются по сигналу рэлеевского рассеяния света при измерениях с двумя линейными входными состояниями поляризации света, для определения знака двулучепреломления необходимо произвести дополнительное измерение, при котором на вход системы устанавливается фазовая пластинка с запаздыванием А/8. . Разработан метод расчета распределения поляризационной модо-вой дисперсии в одномодовом волокне по дифференциальной матрице Джонса световода: производится дифференцирование матрицы по частоте в предположении, что азимут главной оси не зависит от частоты, а двулучепреломление зависит линейно. После этого производится интегрирование по длине волокна, позволяющее определить матрицу Джонса световода, продифференцированную по частоте и распределение ПМД в оптическом волокне. . Разработан метод расчета распределения поляризационной модо-вой дисперсии в одномодовом волокне по результатам рефлекто-метрических измерений на двух близких частотах. В этом методе после решения обратной задачи определяются матрицы Джонса на двух частотах, после этого численно рассчитывается матрица Джонса световода, продифференцированная по частоте и распределение ПМД в оптическом волокне.

-164. Произведены расчеты ПМД по компьютерным моделям световс дов. Проведено компьютерное моделирование ПМД в регулярно) световоде. Рассчитаны локальные параметры поляризационно анизотропии и ПМД в модели нерегулярного световода, состояще го из трех развернутых фазовых пластинок с различным двулуче преломлением. Продемонстрировано соответствие развитой в дис сертации теории и численного эксперимента.

5. Оценено влияние конечной ширины импульса рефлектометра н точность измерения параметров поляризационной анизотропии ; ПМД. Произведена оценка влияния усреднения по ширине им пульса, экспериментально показано, что глубина поляризационны биений уменьшается при увеличении ширины импульса рефлектс метра.

6. Создана экспериментальная установка для измерения распреде ления ПМД в одномодовом световоде, проведено измерение Г1М; по дифференциальной матрице Джонса и по измерениям на дву близких частотах. Определено распределение ПМД в оптическо! волокне фирмы Ницкига. Измеренное-значение ПМД в одномодс вом оптическом волокне фирмы Рцркига составило 0.03 пс/км"2 Продемонстрировано совпадение результатов, полученных разны ми методами.

?сновные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

. Листвин В.Н., Потапов В.Т., Трещиков В.Н., Шаталин C.B. «Обратная задача в поляризационной рефлектометрии.», препринт ИРЭ РАН №1(622), Москва, 1998.

Потапов В.Т., Трещиков В.П., Шаталин C.B. «Поляризационная модовая дисперсия в нерегулярных оптических волокнах.» Тезисы докладов на LUI научной сессии, посвященной дню радио Российского научно-технического общества радиотехники электроники и связи им. A.C. Попова, Москва, Май, 1998.

1. V.T.Potapov, S. V. Shatalin, V. N. Treschikov «Polarization mode dispersion measurements along optical fiber» Тезисы докладов на международной конференции "КИН098", Москва, Июль, 1998. I. Потапов В.Т., Трещиков В.И., Шаталин C.B. "Поляризационные эффекты при рэлеевском рассеянии в одномодовых оптических волокнах" Тезисы докладов на Ш Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средстиа измерения физических величин», Нижний 1 ¡овгород, Июнь, 1998. i. Rogers Л., Treschikov V.N., Shatalin S.V. "änterferometric optical time-domain reflectomctry for distributed optical tibcr sensing". Applied Optics, vol. 37, №24, pp 5600-5604, June, 1998. ). Потапов В.Т., Трещиков В.П., Шаталин C.B. «Распределенные волоконно-оптические интерферомстричсские датчики» Тезисы докладов на LI научной сессии, посвященной дню радио Российского научно-технического общества радиотехники электроники и связи им. A.C. Попова, Москва, 1996.

Потапов В.Т., Трещиков В.П., Шаталин C.B. "Интерференционные эффекты при рэлееиеком рассеянии излуче-

ния в оптических волокнах» «Экология, мониторинг и рациональ ное природопользование» вып. 294 (2), изд. МГУЛ, Москва, 1997.

8. Потапов В.Т., Трещиков В.Н., Шаталин C.B. «Система волоконс оптических интерферометрических датчиков на основе временног рефлектометра» Тезисы докладов на LUI научной сессии, посвя щенной дню радио Российского научно-технического общества ра диотехники электроники и связи им. A.C. Попова, Москва, Maî 1998.

9. Потапов В.Т., Трещиков В.Н., Шаталин C.B. «Интерференцион ные распределенные волоконно-оптические датчики», Радиотехни ка, Москва, 1998.

10. Rogers A., Treschikov V.N., Shatalin S.V. "Interferometric optics time-domain reflectometry for distributed optical fiber sensing", SPIE' International Symposium of Optical Science, Engineering and Instru mentation", San-Diego, USA, 19-23 July, 1998.

Подписано в печать 08.09.1998 г. Формат 60x84/16. Объем 1.16 усл.1 Ротапринт ИРЭ РАН. Тираж 100 экз. Зак.24

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Трещиков, Владимир Николаевич, Москва

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

Трещиков Владимир Николаевич

ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ РЭЛЕЕВСКОМ РАССЕЯНИИ СВЕТА В ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКНАХ

Специальность 01.04.21 - лазерная физика

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико - математических наук

Научный руководитель : доктор технических наук, профессор Потапов Владимир Тимофеевич

Москва -1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 5

Глава 1. Обзор литературы. 17

1.1 Накопление поляризационной модовой дисперсии в одномо-

довом световоде. 17

1.1.1 ПМД в регулярном световоде. 18

1.1.2 ПМД в нерегулярном световоде. 20

1.1.3 ПМД в реальных линиях связи. 22

1.2. Сравнительный анализ существующих методов измерения

ПМД 23

1.2.1 Измерение ПМД по функции автокорреляции излучения. 23

1.2.2 Измерение ПМД по разности групповых скоростей поляризационных мод. 27

1.2.3 Нахождение ПМД по результатам измерения матрицы Джонса световода. 29

1.3. Обсуждение возможности измерения ПМД методом поляри-

зационной рефлектометрии. 35

Глава 2. Расчет поляризационных свойств и ПМД световода по

результатам рефлектометрических измерений. 42

2.1 Вывод интегральной матрицы Джонса нерегулярного световода. 43

2.1.1 Зависимость отклика поляризационного рефлектометра от состояния поляризации излучения 44

2.1.2 Запись матрицы Джонса нерегулярного световода через интегральные параметры поляризационной анизотропии. 46

2.1.3 Вывод вида сигнала поляризационного рефлектометра

для случая произвольной поляризации входного излучения 49

2.1.4 Расчет интегральных параметров поляризационной

анизотропии световода 51

2.1.5 Восстановление знака сдвига фаз. 54

2.2 Решение обратной задачи эллипсометрии световода с помощью формализма матриц Паули. 56

2.3 Расчет ПМД световода. 59

2.3.1 Оценка ПМД по средней величине и длине корреляции

двулучепреломления световода

2.3.2 Расчет ПМД с помощью дифференциальной матрицы

Джонса.

2.3.3 Расчет ПМД по рефлектометрическим измерениям на

двух близких частотах Глава 3. Компьютерное моделирование ПМД.

3.1 Расчет поляризационных свойств и ПМД волокна для случая

регулярного световода.

3.2 Расчет двулучепреломления в модели волокна из трех фазовых

пластинок, развернутых относительно друг друга. Глава 4. Исследование зависимости ПМД от длины световода методом поляризационной рефлектометрии.

4.1 Анализ методики экспериментального исследования ПМД.

4.1.1 Описание экспериментальной установки.

4.1.2 Устройство оптического рефлектометра.

4.1.3 Погрешность вследствие конечной ширины импульса рефлектометра.

4.1.4 Изготовление фазовой пластинки с задержкой А,/8.

4.2 Выбор параметров измерений.

4.3 Результаты эксперимента и их обсуждение. 4.3.1 Оценка ПМД по длине корреляции и средней величине

60 61

65 71

77 80

82 86 88 90

двулучепреломления световода. 90

4.3.2 Расчет ПМД с помощью дифференциальной матрицы Джонса. 94

4.3.3 Расчет ПМД по рефлектометрическим измерениям на

двух близких частотах 95

4.4 Схемы модернизации. 98 5. Интерферометрические эффекты в оптических волокнах при

временной рефлектометрии. 101 5.1 Расчет сигнала рефлектометра при наличии фазовой модуляции света. 101 5.2. Эксперимент с серийным рефлектометром. 106 5.3 Применения систем на основе интерференционных эффектов в

одномодовых световодах. 110

Заключение. 113

Список литературы. 115

Введение.

Актуальность темы. Главные тенденции развития волоконно-оптической связи сегодня это увеличение быстродействия оконечных устройств и увеличение расстояния между оптоэлектронными ретрансляторами. На обоих направлениях за последние годы достигнуты значительные успехи. Новейшее поколение полупроводниковых лазеров способно работать на частотах модуляции свыше 10 ГГц, а развитие технологии оптических усилителей позволяет наращивать длину волоконного тракта до 1000 км. В связи с этим увеличиваются требования к широкополосности оптического волокна и возрастает роль исследования его дисперсионных характеристик.

При распространении импульса в световоде его длительность увеличивается из-за дисперсии. Обычно учитывают три вида дисперсии - волноводную, обусловленную направляющими свойствами световода; материальную, определяемую зависимостью профиля показателя преломления от частоты, и межмодовую, вызываемую различием групповых скоростей распространяющихся мод. Межмодовая дисперсия присуща также и одномодовому световоду. Она обусловлена различием групповых скоростей двух поляризационных мод и называется поляризационной модовой дисперсией (ПМД). ПМД, в так называемом изотропном (телекоммуникационном) одномодовом световоде возникает при вытяжке, нанесении защитного покрытия, каблирова-нии и монтаже линии связи.

Для повышения скорости передачи в современных высокоскоростных линиях связи используются одномодовые оптические волокна с компенсированной хроматической дисперсией. В таких волокнах главной причиной уширения импульса при передаче является межмо-

довая дисперсия, обусловленная различием групповых скоростей двух поляризационных мод, называемая поляризационной модовой дисперсией (ПМД). В телекоммуникационных линиях используется одномодовое оптическое волокно без специально наведенной анизотропии и ПМД возникает при вытяжке, нанесении защитного покрытия, каблировании и монтаже линии связи.

Величина ПМД для телекоммуникационных волокон лежит в

1 Ю

пределах 0.1-1 пс/км , что примерно на порядок меньше материальной и волноводной дисперсии. По мнению экспертов Междуна-

родного телекоммуникационного союза ПМД на уровне 0.5 пс/км позволяет передать сигнал в стандарте 8ТМ-64 со скоростью 10 Гб/с на расстояние около 400 км.

Сегодня в мире проводится большое количество исследований поляризационных свойств одномодовых световодов, предложено несколько методов измерения ПМД. Их можно разделить на три класса: измерения с помощью широкополосного источника излучения и мо-нохроматора, интерферометрические измерения и нахождение ПМД по результатам измерения матрицы Джонса.

бов волокон вызывает сильное наведенное двулучепреломлением и может привести к недопустимо высокой величине ПМД всей линии.

Для исследования зависимости ПМД от длины световода в нами использовался подход, основанный на анализе обратно рассеянного световоде излучения. Этот подход является развитием рефлекто-метрии, нашедшей практическое применение для измерения потерь в волоконно-оптических линиях связи. В отличие от амплитудной реф-лектометрии, при которой измеряют интенсивность обратно рассеянного импульса, в диссертации анализируется поляризационная структура рассеянного излучения. В существующих работах по поляризационной рефлектометрии рассматривались в основном анизотропные волокна, используемые в волоконно-оптических датчиках и гироскопах. При этом с помощью рефлектометра измерялся только параметр Ь, то есть параметр сохранения состояния поляризации. В других работах измерялся спектр сигнала поляризационных биений, по которому производилась оценка двулучепреломления в световоде.

ждой точке световода от частоты. Решение этих двух задач позволяет разработать метод измерения эволюции ПМД по длине световода, который представляется актуальным для проектирования и контроля новых высокоскоростных линий связи.

Целью работы является теоретический расчет и экспериментальная разработка рефлектометрического метода измерения зависимости поляризационной модовой дисперсии от длины световода.

Методика исследования основана на представлении нерегулярного световода в виде набора случайным образом развернутых двулуче-преломляющих пластинок в предположении, что в телекоммуникационном одномодовом волокне можно пренебречь оптической активностью и дихроизмом световода.

Содержание работы.

Первая глава содержит обзор литературы, посвященный поляризационной модовой дисперсии в одномодовых световодах. В параграфе 1.1 обсуждается процесс накопления поляризационной модовой дисперсии в одномодовых световодах, не обладающих дихроизмом и оптической активностью: в §1.1.1 рассматривается поляризационная модовая дисперсия в простейшем случае регулярного световода с линейным двулучепреломлением, величина и азимут которого неизменны. К регулярным световодам в первом приближении можно отнести световоды, длина которых меньше длины, на которой сохраняется состояние поляризации света. Распространение излучения в таком световоде эквивалентно прохождению света через случайным образом развернутую двулучепреломляющую пластинку. Запаздывание за счет ПМД в таком световоде равно Ат=ЛЬ/1ьс, где 1ь=2л/А@-

длина биений поляризационных мод, Л - длина волны излучения, с -скорость света в вакууме. В §1.1.2 рассматривается модель нерегулярного волокна в виде последовательного набора регулярных световодов, азимут осей двулучепреломления которых распределен случайным образом в интервале от 0 до 2 к. Показано, что в отличие от регулярного световода, запаздывание за счет ПМД в таком световоде не прямо пропорционально длине, а растет как квадратный корень из

7 1/2

длины и равно Ат=10" X (ЬИ) /1ь, где X и 1ь измеряются в метрах, Ь - в 1/м, а размерность Ах равна пс/км. В §1.1.3 рассматривается ПМД в реальных линиях связи и приведены характеристики ПМД различных производителей волокон.

В §1.2 рассмотрены существующие методы измерения ПМД, в §1.2.1 рассмотрено измерение ПМД по функции автокорреляции излучения. При этом используется широкополосный источник, излучение которого пропускается через исследуемый световод, помещенный между двумя поляризаторами. Далее излучение поступает на вход интерферометра Майкельсона (или Маха-Цандера) на выходе которого установлен фотоприемник. В §1.2.2 рассмотрено измерение ПМД по разности групповых скоростей поляризационных мод. В этом методе, с помощью перестраиваемого по частоте источника излучения, измеряется функция пропускания световода, установленного между поляризаторами. В §1.2.3 рассмотрено нахождение ПМД по результатам измерения матрицы Джонса световода. Матрица Джонса световода, т.е. его передаточная матрица содержит полную информацию о поляризационных свойствах световода. Основанная на измерении матрицы Джонса методика расчета ПМД в настоящее время широко используется на практике.

В §1.3. производится обсуждение возможности измерения ПМД методом поляризационной рефлектометрии. В последние годы предпринимаются попытки разработать способ расчета ПМД с помощью рефлектометрии. Такой интерес обусловлен широким применением рефлектометров на всех этапах от производства волокна до паспортизации оптической линии. Поляризационная модовая дисперсия может существенно изменяться на всех стадиях производства оптического кабеля, а также прокладки и эксплуатации волоконно-оптических линий и ее сквозной контроль в перспективе представляется целесообразным. Достоинством рефлектометрической методики является также то, что она дает распределение ПМД вдоль длины волокна и позволяет локализовать участок волокна с высоким двулуче-преломлением, кроме того для измерений требуется подключение только к одному концу линии.

В главе 2 производится теоретический расчет поляризационных свойств и ПМД световода по результатам рефлектометрических измерений.

В параграфе 2.1 производится вывод интегральной матрицы Джонса световода по результатам рефлектометрических измерений. В § 2.1.1 рассчитывается сигнал поляризационного рефлектометра. Показано, что сигнал поляризационного рефлектометра зависит только от эллиптичности состояния поляризации волны в точке рассеянная и не зависит от ее азимута.

В § 2.1.2 производится вывод зависимости матрицы Джонса нерегулярного световода от интегральных параметров поляризационной анизотропии. Показано, что матрица Джонса может быть представле-

на в виде произведения трех элементарных матриц: двух вращений и фазовой пластинки.

В § 2.1.3 производится вывод вида сигнала поляризационного рефлектометра для случая произвольной поляризации входного излучения с помощью матриц Мюллера. Показано, что в случае круговой поляризации сигнал линеен относительно параметров поляризационной анизотропии световода, в случае линейной поляризации - квадратичен.

В § 2.1.4 производится расчет интегральных параметров поляризационной анизотропии световода по сигналу рефлектометра. В случае линейной входной поляризации, которая наиболее просто реализуется при эксперименте, для восстановления знака интегрального двулучепреломления необходимо произвести дополнительное измерение, при котором сразу после поляризатора устанавливается фазовая пластинка с запаздыванием А/8. Расчет сигнала для этого случая производится в § 2.1.5.

В разделе 2.2 производится решение обратной задачи эллипсо-метрии световода с помощью формализма матриц Паули, то есть производится расчет локального двулучепреломления световода и азимута главной оси его дифференциальной матрицы Джонса по зависимости интегральной матрицы Джонса от длины световода.

ний интегральных параметров поляризационной анизотропии на двух близких частотах.

В главе 3 описывается компьютерное моделирование ПМД. Вначале решалась прямая задача - для световода с известным распределением величины и азимута линейного двулучепреломления рассчитывался сигнал поляризационного рефлектометра. Далее по этим зависимостям находилось распределение интегральных параметров поляризационной анизотропии световода О^г) и ^(г). После этого по зависимости интегральных параметров от длины световода рассчитывалось распределение локальных параметров поляризационной анизотропии.

В §3.1. производится расчет поляризационных свойств и ПМД волокна для случая регулярного световода, а в §3.2. производится расчет двулучепреломления в модели волокна из трех фазовых пластинок, развернутых относительно друг друга.

Глава 4 посвящена исследованию зависимости ПМД в одномо-довом световоде методом поляризационной рефлектометрии. В этой главе проведен анализ методики измерения ПМД, приведены схемы измерений и описано экспериментальное исследование ПМД.

В § 4.1 производится анализ методики экспериментального исследования ПМД. Рассматриваются требования к экспериментальной установке (Рис. 1). В разделе 4.1.1 производится описание экспериментальной установки, состоящей из оптического рефлектометра АС)7210, волоконного поляризатора и исследуемого волокна. Для проведения дополнительного измерения сразу за поляризатором устанавливалась фазовая пластинка с задержкой А,/8, изготавливаемая из кольца волокна.