Связь поляризационных мод в анизотропных одномодовых оптических волокнах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

- & ^^ПОТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ \ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

о*

ОХ и . • на правах рукописи

ЛУКЛШ Дмитрий Геннадиевич

СВЯЗЬ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ МОД Б АНИЗОТРОПНЫ ОДНОМОДОВЫХ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКНАХ

Специальность 01.04.03 - радиофизика

Автореферат диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1994

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном -техническом университете.

Научный руководитель: доктор фнх-мат. наук, профессор В.М.Николаев.

Официальные оппоненты: доктор физ.-маг. наук, профессор . СЛ.Галкин, кандидат физ.-мат.наук, с.н.с. А.С.Трифонов Ведущая организация: ИАП РАН (г. Санкт-Петербург) Зашита состоится " нюня 1994 г. в часов на заседании специализированного совета К 063.38.11 в Санкт-Петербургском Государственном техническом университете по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, Политехническая 29, II учебный корпус, ауд. 265.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке университета.

Автореферат разослан "/2" 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

СВ.Загрядский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Волоконная оптика в настоящее время является одной из наиболее быстро развивающихся областей науки н техники. Ее прогресс обусловлен успехом в создании оптических волокон (ОВ) с малыми потерями и дешевых источников оптического излучения.

В начале восьмидесятых годов были впервые изготовлены анизотропные одномодовые волокна, которые обладают двумя собственными состояниями поляризации (поляризационными модами). Распределение оптической мощности между этими модами остается постоянны» по всей длине волокна и зависит только от состояния поляризации вводимого в него излучения. Оптические свойства подобных волокон полностью описываются соответствующим тензором диэлектрической проницаемости.

Существует ряд эффектов, вызывающих изменение тензора диэлектрической проницаемости ОВ: фотоупругий, электро- и магнитооптический. При определенных условиях это изменение может привести к обмену энергией между поляризационными модами волокна или, ках чаще говорят, к возникновению эффекта модовой связи.

Разработан широкий круг устройств, использующих подобный аффект: датчики, когерентные волоконно-оптические линии связи, фильтры, модуляторы, устройства для сдвига частоты и др.

Подобные устройства обычно состоят из входного и выходного поляризаторов и помещенного между ними отрезка одномодового анизотропного волокна, подверженного внешнему воздействию, которое вызывает модовую связь благодаря одному из трех вышеперечисленных аффектов. При атом коаффнциент пропускания устройства по мощности является функцией какого-либо параметра внешнего воздействия: сжимающей волокно силы, напряженности магнитного или электрического поля, в котором находится волокно.

Поскольку технология производства волоконных поляризаторов хорошо разработана, устройства, использующие аффект модовой связи, могут быть изготовлены в цельноволоконном исполнении, что является их безусловным преимуществом.

Поэтому поиск новых способов использования аффекта модовой связи и разработка на его основе устройств волоконной оптики является ахгуальной темой исследований, направленных па дальнейшее развитие оптических систем.

Целью работы является исследование связи поляризационных мод в анизотропных одномодовых оптических волокнах при возмущении двулучепреломления (ДЛП) за счет механического давления и создание волоконных устройств различного назначения (фильтров, модуляторов) на ее основе.

Дня достижения поставленной цели ', рассмотрены следующие задачи:

1. Проведен анализ физического механизма модовой связи в анизотропных одномодовых ОВ.

2. Разработана методика расчета волоконно-оптических устройств на основе анизотропных одномодовых ОВ, использующих эффект модовой связи за счет механического давления на волокно.

3. Рассчитана и экспериментально исследована работа лабораторных макетов волокониых устройств (фильтра, модулятора, переключателя).

4. Решена задача синтеза волоконных фильтров с заданными характеристиками.

Научная новизна в практическая ценность В данной работе впервые было проведено теоретическое и экспериментальное исследование физических свойств аффекта связи поляризационных мод в анизотропных оптических волокнах и рассмотрен физический механизм обмена энергией для всех возможных на практике случаев возмущения двулучепреломления волокна.

Предложена общая методика расчета волоконно-оптических устройств, работа которых основана на использовании эффекта модовой связи. На основе подобной методики может быть рассчитано любое устройство, которое использует про своей работе йффект модовой связи.

Рассчитаны, изготовлены и експериментальио исследованы волоконный фильтр Шольца (ВФШ) и фильтр-пробка оригинальной конструкции. Подобные устройства могут быть использованы в волоконно-оптических линиях связи для демультиплексирования оптических сигналов.

Предложен волоконно-оптический переключатель, который позволяет перевести до 96% оптической мощности из одной поляризационной моды в другую. Подобный переключатель может быть использован при создании волоконного лазера, работающего в режиме генерации гигантского импульса.

Разработано простое и точное устройство для измерения длины поляризационных биений, которое обладает относительной точностью

2% и в связи с этим представляет несомненный практический интерес.

Автором выносится па защиту

1) Резонансный характер подовой связи, возникающей при механическом воздействии на анизотропное волокно с помощью периодической структуры, можно использовать при создании волоконных фильтров, модуляторов, переключателей.

2) Длнну поляризационных бпепий одломодового анизотропного волокна можно точно измерить при помощи механического возмущения двулучепреломяення, перемещаемою по волокну.

3) Численный синтез волоконных фильтров на одпомодошх анизотропных волокнах можно провести при помощи методов, аналогичных используемым при синтезе многослойных диэлектрических покрытий.

Апробация работы п публикации По материалам диссертации опубликовало 3 работы.

Структура а объем работы Диссертация состоит из введения, трех разделов и заключения. Объем диссертации 107 страниц, в том числе 32 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во »педеппн показала актуальность темы диссертации, формулируются основные цели и задачи. Приведены положения, выносимые на защиту.

В верном разделе рассмотрены осповные принципы связи поляризационных мод в анизотропных одномодовых волокнах. Подобная связь (обмен энергией) возникает при возмущении диэлектрического тензора волокна, которое может быть обусловлено фотоупр}тпм, апектрооптнческнм или магнитооптическим аффектом. Волокно, подверженное подобным воздействиям, будем далее называть "возмущенным".

Показало, что, варьируя параметры внешнего воздействия, можно управлять состоянием поляризации света, распространяющегося а возмущенном волокне.

Подобный метод широко используется при разработке разнообразных волоконно-оптических устройств. На основе проведенного литературного обзора рассмотрен ргд существующих в настоящее время подобных устройств: фильтров Шольда различных конструкций, модуляторов, устройств для сдвига частоты и для измерения длины поляризационных биений.

Первый раздел заканчивается постановкой задачи диссертационной работы.

Во »тором разделе проведено теоретическое рассмотрение аффекта кодовой связи в анизотропных одномодовых волокнах с помощью метода Джонса в метода связаипых мод.. Предложена методика расчета волоконно-оптических устройств, использующих этот эффект.

При использовании метода Джонса волокло условно разбивается на последовательность участков длиной. Âz, каждый нз которых рассмат-равается как отдельный оптический элемент и описывается комплексной матрицей Джонса M(z). Состояние поляризации описывается двумерным вектором V(z), компонентами которого являются амплитуды поляризационных мод. Векторы Джонса V(z) н V(z+Az) связаны соотношением:

V(z+Az)=M(z)V(z) (I)

Па-шах матрица Джонса, описывающая свойства всей системы, представляет собой произведение матриц отдельных алементов. При необходимости можно устремить Az к нулю н получить систему дифференциальных, уравнений для модовых амплитуд. Однако, как правило, подобные системы невозможно решить аналитически. Поэтому метод Джонса обычно используют для численных расчетов.

При использовании метода связанных мод вектор напряженности электрического поля внутри возмущенного волокна ищется в виде суперпозиции собственных мод невозмущенного волокна, с амплитудами, зависящими от продольной координаты волокна г. Относительные изменения компонент диэлектрического тензора возмущенного волокна, как правило, и&много меньше единицы. Это позволяет использовать теорию возмущений и получить с ее помощью систему уравнений для модовых амплитуд (уравнений связанных мод).

На основе решения подобных систем рассмотрены три случая кодовой связи, которые отличаются по фазовой сгорости распространения возмущения v. Это случав статического возмущения (v=0), "медленного" возмущения (v«c, где с - скорость света) и "быстрого" возмущения (v»c).

Показано, что во всех трех случаях для полного (100%) обмена анергией между модами необходимо выполнить условие фазового синхронизма. Это связано с тем, что для полного обмена энергией моды

должны, . вообще говоря, распространяться с одинаковой фазовой скорость». В анизотропном волокне фазовые скорости поляризационных мод не равны, что ведет к их расфазировке. Это ограничивает полное количество энергии, которой моды могут обмениваться.

Во избежание подобного знак возмущения следует менять на противоположный, когда межмодовая разность фаз равна я, что возможно лишь при пространственной периодичности возмущения для некоторой резонансной длины волны. Для случаев статического и "медленного" возмущения условие фазового синхронизма принимает следующий вид:

Ьб=Л, (2)

где Ьб - длина поляризационных биенпй, а Л - пространственный период возмущения.

Для случая "медленного" возмущения проведено решение уравнений связанных мод в случае произвольной зависимости коэффициента медовой связи от времени. Выяснена роль модуля в аргумента этого коэффициента в процессе обмена энергией между модами. Следует отметить, что до сих пор рассматривались лишь частные случаи подобной зависимости, коею «г времени зависел либо только модуль коэффициента связи, либо только его аргумент.

Случай "быстрого" возмущения на практике может быть реализован только при использовании электро- или магнитооптического эффектов. Но в силу малости постоянных Керра и Верде для обеспечения эффективной связи необходимо использовать достаточно большую ( порядка сотен метров) длину взаимодействия. Для этого оптическое волокно обычно размещают внутри СВЧ-волиовода, В подобной конструкции период возмущения равен длине волны в волповоде Лп, которая зависит от частоты СВЧ-поля. Поэтому в случае "быстрого" возмущения необходимо учитывать СВЧ-дисперсию.. В данном разделе было проведено решение уравнений связанных мод в случае "быстрого" возмущения с учетом СВЧ-днспсрснн. Получено условие фазового синхронизма, хоторос в данном случае имеет вид:

Ьб =Дв /[иу^у] (3)

где V и Ут фазовые скорости оптической и СВЧ-волпы соответственно,

он ах "+" соответствует встречному распространению этих волн, а знак - соналраилешюму.

В третьем разделе проведен расчет и експериментальное исследование различных волоконно-оптических устройств, работа которых основала ва использовании аффекта модовой связи: фильтра Шольца, фильтра-пробки, модулятора, переключателя, устройства для измерения длины биений. Предложены объяснения имеющихся расхождений расчетных и экспериментальных зависимостей.

Работа волоконно-оптического фильтра Шольца (ВФШ), изготовленного на основе одаомодового анизотропного волокна, основана на резонансной связи поляризационных мод, ю?с£,ум возникает при сжатии волокна гребенкой. Эта гребенка представляет собой пластину, а на поверхности которой выфрезероваяы прямоугольные пазы равной ширины. Промежутки между двумя соседними пазами (шипы) также имеют равиую ширину. Число периодов структуры "шип-паз" гребенки равно 20.

Угол между направлением осей анизотропии несжатого ОВ и направлением приложенной силы равен 43 градусам. При атом имеет место поворот осей анизотропии па сасатых участках па угол, пропорциональный величине приложенной силы. На резонансной длине волны (632,8 км) оптического излучения длина биений волокла равна пространственному периоду возмущения (ширина шипа + ширина паза), что, согласно (2), обеспечивает выполнение условия фазового синхронизма. С помощью регулировки приложенной силы можно добится передачи 100% оптической мощности из первой моды во вторую (рис.1). При отклонении от резонансной длины волны условие фазового синхронизма нарушается и во вторую моду передается лишь часть мощности. Этим н обусловлены спектрально-избирательные свойства рассматриваемого устройства.

Подобный фильтр легко изготовить и, поскольку воздействие внешней силы не приводит к изменениям структуры волокна и поэтому при необходимости его можно свободно устанавливать, снимать и перемешать вдаль волокна. На рис.2 приведены расчетный и экспериментальный спектры пропускания ВФШ.

Результаты империментальных исследований в целом хорошо соответствуют теоретическим предпосылкам. В ходе вксперимента удалось добиться большого значения козффициента связи мод (92 процента в вкспсрименте с галогенной лампой и 97,5 процента в экс-

в

перименте с 11е-\е лазером). Экспериментальная ширина полосы пропускания немного больше теоретической (45 нм (7%) и 30 нм (5%) соответственно). Подобные расхождения можно объяснить тремя причинами:

а) Размеры разных шипов гребенки немного, отличаются друг от друга за счет погрешностей при изготовлении. г ;

б) Оптимальный угол воздействия на ■ волокно (45 градусов) выдерживается с точностью 2-3 градуса. , -

в) Существует погрешность при настройке входной и выходной поляризационных призм. В результате этого не удается полностью реализовать требуемый режим возбуждения одной поляризационной моды и регистрации на выходе моды, ортогональной входной.. ■

Резонансная длина волны рассматриваемого ВФШ может, быть легко изменена с помощью попорота гребенки относительно направления продольной оси волокна. Период внешнего воздействия (и резонансная длина волны) увеличивается обратно пропорционально.косинусу ута между продольными осями гребенки и волокна. В • ходе проведенного эксперимента с помощью поворота гребенки на угол 10 градусов удалось перестроить ВФШ по длине волны от 640 до 660, им. Форма спектра пропускания практически не изменялась. Таким ^образом,- разработан простой и эффективный метод перестройки ВФШ по дтшяе волны.

Исследована температурная чувствительность, параметров ВФШ. Дня ее анализа условие фазового синхронизма удобно, записать в виде Ь= Х/Ап, где X - резонансная длина волны, а Дп - двулучепреломленис волокна. Так как при нагреве происходит уменьшение Дп, :то условие фазового синхронизма будет выполняться при меньшей;. длине- .волны и, следовательно, спектральная характеристика ВФШ сместится в область более коротких длин волн. Экспериментальные исследования показали, что при нагреве от 20 до 70 градусов происходит снижение коэффициента пропускания монохроматического излучения (Х=632,8 нм) от 96 до 43 процентов (рис.3) и смещение спектральной характеристики в область более коротких длин волн с коэффициентом, который примерно равен -1 им/град.

Для равномерного подавления монохрохроматического излучения в широком диапазоне температур использовался волоконный фильтр-пробка, обладаюпшй П-образным спектром пропускания. Пусть длина волны монохроматического излучения соответствует середине области

пропускания фильтра-пробки. При нагреве спектральная характеристика подобного фильтра смещается в область коротких длин воли, подобно тому, как смещается спектр ВФШ. Однако до тех пор, пока величина этого смещения не превышает половины ширины области пропускания, интенсивность монохроматического излучения на выходе фильтра-вробхл остается постоянной.

При разработке фильтра-пробки использовалась программа компьютерного синтеза. Используя метод Джонса, можно решить задачу связи поляризационных мод в одномодовом ОВ . при внешнем воздействии, которое наводит произвольное дополнительное ДЛП. Это задача анализа. Для практических применений, как правило, интерес представляет решение обратной задачи: каким образом: следует воздействовать на волокно, чтобы получить фильтр с заданным спектром пропускания. Это задача синтеза.

Насколько нам известно, для волоконных устройств. подобная задача нихде не рассматривалась. Наиболее близким ее аналогом валяется синтез многослойных интерференционных покрытий, рассмотренный в [23]. В общем случае эта задача состоит в выборе структуры иитерференциоипого покрытия, которая обеспечивает необходимую спектральную характеристику. Однако для синтеза фильтра с произвольной характеристикой необходимо, чтобы , показатель преломления менялся непрерывно по толщине покрытия. На практике же подобные покрытия получают поочередным напылением на подложку материалов с разными показателями преломления и поэтому опи имеют дискретную структуру. Поэтому для решения задачи синтеза применяют чнеленпые методы: берется известная структура, обладающая спектральной характеристикой, близкой к требуемой, и параметры ее варьируются. Для каждой получаемой при этом новой структуры вычисляется спектральная характеристика, которая сравнивается с требуемой, например по суммарному квадратичному отклонению в некоторых заданиых узловых точках. Параметры той структуры, для которой это отклонение будет минимальным, считают решением задачи синтеза.

Для решения прямой задачи расчета интерференционных покрытий. и дня расчета волоконных устройств используется метод Джонса. Учитывая "дискретный" характер воздействия на ОВ с помощью гребенки, подобиая методика использовалась в для синтеза волоконных фильтров.

Экспериментальные исследования фильтра-пробки показали, <гго он действительно обладает более П-образпой. спектральной характеристикой, чем ВФШ с тем же числом периодов возмущения. При нагреве от 20 до 60 градусов Цельсия коэффициент пропускания монохроматического излучения (1=632,8 нм) меняется слабо; от 96 до 90 процентов (рис.3). Таким образом, можно утверждать, что подобный фильтр обеспечивает пропускание монохроматического сигнала в диапазоне температур от 20 до 60 градусов Цельсия.

Предложена конструкция волоконно-оптического модулятора. Его работа основана на модуляции коэффициента подовой связи, которая осуществляется за счет сжатия волокна резонансной гребенкой с силой, меняющейся во времени по гармоническому закону:

. Р=Ро+Рт81п(шлО.

Ковффициент пропускания по мощности системы "волокно-поляризатор" определяется равенством:

Т(1)*81п2(коЬ+ коД^ю^))},

ще Ь - длина модулятора.

Измерены зависимости амплитуд первой н второй гармоник частоты модуляции от величины этого напряжения.

Ранее было показано, что за счет изменения приложенной к резонансной гребенке силы от 0 до 5 Н можно осуществить 100%-ную связь мод (рнс.1). На основе этого принципа был разработан волоконно-оптический переключатель, обладающий временем переключения 0,1 с и коэффициентом пропускания 96%.

Разработано устройство для измерения длины поляризационных биений, использующее эффект модовой связи. По волокну, приклеенному к полированной пластине, прокатывался латунный каток. Вследствие фотоупругого аффекта на сжатом катком участке возникала связь поляризационных мод. Измерение длины биений осуществлялось с помощью перемещения катка и анализа изменения поляризации выходного излучения. Экспериментальные характеристики для волокна с длиной биений 4,3 мм приведены на рис.4.

В заключении сформулированы основные положения н выводы диссертационной работы.

Они заключаются в следующем:

1. Рассмотрен физический механизм обмена энергией между модами для случаев статического возмущения ДЛИ, возмущения, которое распространяется со скоростью, намного меньшей скорости света, и возмущения, которое распространяется со скоростью, соизмеримой со скоростью света.

2. Изучены влияние СВЧ-дисперсии в случае "быстрого" возмущения.

3. Выяснена роль модуля и аргумента коэффициента модовой связи в процессе обмена энергией между поляризационными модами.

4. Предложена общая методика расчета волоконно-оптических устройств на основе анизотропных одномодовых ОВ, использующих эффект модовой связи, основанная на применения метода связанных мод я метода Джонса.

5. Рассчитан, изготовлен и экспериментально исследован ряд волоконно-оптических устройств, использующих резонансный характер модовой связи при механическом воздействии на волокно с помощью периодической структуры: перестраиваемый фильтр, модулятор и переключатель.

6. Изготовлено и экспериментально продемонстрировано простое и точное устройство для измерения длины поляризационных биений, использующее модовую связь.

7. Разработана компьютерная программа, позволяющая проводить численный сиптез волоконных фильтров с заданными характеристиками. Рассчитан, изготовлен и экспериментально исследован фильтр-пробка.

Работы, опубликованные по материал ал! двсссртации

1. Д.ГЛукаш, В.Н.Филипнов, С.ВДроздов. Измерение длины поляризационных биений одномодового анизотропного волокна// Оптика н спектроскопия. - 1993. - т.75, в.Ю. - с.928-931.

2 Д.ГЛукаш, В.Н. Филиппов, В.М.Ннколаев. Расчет полосы модуляции волоконного СВЧ-модулятора// ЖТФ. - 1993. - н.10. - с.111-115.

3. Д.ГЛукаш, В.Н.Фшшнцов, В.М.Николаев. Волоконный фильтр Шольпа// Оптика и спектроскопия. - 1994, - т.7б, в.4. - с, 1-4.

40

/

.......... 1 ■ Y к

/ .........

* 0 1 2 Э 4 3 Сила, Н Рис.1

Зависимости коэффициента пропускания волоконного фильтра Шсльца на резонансной длине волны от приложенной к {ребенке силы -теория

эксперимент

350 600 650 700 7»

Длина волны, им Рис.2

Сп «тральные характеристики волоконного фильтра Шольца теория • эксперимент

а

*

В 100

1 80

1 <0

В В 40

« 20

в 0

20 40 60 80 100 Тсмпераггура , градусы Цельсия РисЗ

Температурные зависимости коэффициента пропускания на длине волны 632,8 нм в фильтр-пробка ПВФШ

1.0-г—

О 5 10 15 20 25 Положение оси цилиндра, мм

РисЛ

Зависимость интенсивности излучения

от положения оси катка. Возбуждена одна поляризационная мода