Волноводные характеристики трехслойных эллиптических световодов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ИНСТИТУТ ОШЙ ФИЗИКИ

На превах рукописи УДК 621.391.029.7

КРИВ8НК0В Вячеслав Иванович

ВОЛНОВОДШВ ХАРАКТБРИСПЖИ ШХСЛОИШХ ЭЛЛИПТИЧЕСКИХ световодов

(Специальность 01.04.04 - Физическая электроника)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидате физико-математических наук

Москва - 1990

Рабога выполнена в отделе ВолохонноЯ оптики Института общей фяашсв АН СССР.

Научные руководители: доктор физико-иатеыатичесшк наук,

профессор БШНОВ A.C.

члан-корраспондент АН СССР, доктор фазкко-ыагвматвческшс наук, профессор ДИАНОБ E.'J.

Офпцвальвыо оппоненты: доктор физкко-натематичосклх паук

ШАТРОВ А.Д.

кандидат фпзшз-матвмагических наук ТЩЕНКО A.B.

Ведущая организация: Центральный научно-исслздоватальский

институт связи

Защита состоится и «/5" " ^ О 1990 г. в ^ часов на заседания Специализированного совета Ii 2 (К 003.49.01) Института общэй физики АН СССР по вдрасу: II7942, г.Москва, ГСП-I, ул.Вавилова, д.38

С диссортацлей полно ознакомиться з библиотека ИОФАН СССР Авторсфарат разослан " 09_1930 г.

Учаяый секретарь Споцяализи- ^уц У/'/^¿Ci

роБзнного совета й 2 доктор ^л

фйз*ко-ь«томат.ичвскЕх наук H.A. Ирисова

- Э -

ОБЩ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЮТЫ

Диссертация посвящается теоретичес1сому доследованию вошо-водных характеристик трехслойных эллиптических световодов (ТЗС), а такле анализу явлений, возникавдах яря передача по

то о

этш световодам коротких (порядка 10 - 10 секунда) световых импульоов.

Актуальность тезд. Волокопно-оптическая связь характеризуется пошяанной плотностью перелагаемой пнфор.?зщш во времена я пространстве. При передаче информации по одаомодовому световоду достигнут параметр широкополосносга ~ 240 ГГц.юз. Хотя это значение очень велико, оно лишь в малой степени отражает потенциальную пшрокополосность существующих световодов, так как спектральная полоса пропускания изготавливаемых в настоящее время световодов лежит в пределах от 0,8 до 1,8 мхм, что соответствует й: 2Ч05 ГГц, т.е. почти на три порядка превышает полосу пропускания, определяемую параметром шароноподоспостп.

Дня увеличения пропускной способности систем волоконно-оптической связи было предаогено использовать когерентную кодуля-цзв (разовую и частотную) и когерентное детектирование, погорев также лаяит в основе работы большого числа ннгерферометричвшшх датчиков на волоконных световодах. Дяя реализации когерентной кодулящга л когерентного детектирования необходимы высококогв-реитные источники излучения и световоды, сохраняющие соотошшо поляризация передаваемого излучения,

В качестве световодов, сохраняющих поляризацию, бшго пред-лояэпо попользовать эллиптические световода. В связп с этим актуальность теоретических исследований полноводных характеристик эллиптических световодов не вызывает сомнения, поскольку эти

исследования в значительной мере способствует успешному реше-шш проблеш создания широкополосных световодов, сохраняющих поляризацию, применение которых в системах когерентной оптической связи позволяет осуществлять передачу максимально широкополосных оигаалов на расстояния в сотни километров без использования промежуточных усилителей.

Цель работы - показать, что на базе эллиптических световодов , в частности на базе ТЭС, возможно создание Максимально широкополосных световодов, оохраняэдвх состояние поляризации передаваемого излучения.

Яатчная новизна и практическая ценность работы заключаются в следующем:

1. Разработан метод, возводящий о высокой точностью рассчитывать воишоводныэ характеристики двухслойных я трехслойных эллиптических оветоводов в широком диапазоне изменения оптических в геометрических параметров.

2. Проведено исследование дисперсионных характеристик ТЭС о различными типами профиля показателя прелошкшяя. Установлены оптимальные режимы работы этнх оветоводов. Показано, что на базе ТЭС можно создавать широкополосные световода, сохраняющие состояние поляризации передаваемого излучения.

3. Проведен анализ явлений, возникающих при передаче по одномодовнм световодам коротких световых импульоон. Показано, что ори передаче по одкомодовым световодам а компенсированной диспероией первого и второго порядков оптимальных по длительности гауссовых импульсов длительность выходных импульсов проиор-циопальна L (i* - дгшш световода), что позволяет реализовать максимально возмолцув окорость передачи информации в сот-

гш гига бит в секунду на. раоотоянне в 100 п более километров баз использования щгаеауточных усилителей.

4. ПроБЭдено исследование степени деполяризации иода HEjj круглых двухслойных и трехслойных световодов. Для одаомодовых круглых двухслойных оЕвтоводов установлен фундаментальный пре~ дел линейноотн поляризации рабочей мода.

На запгоу .внцосцтоя:

1. Ыетод расчета волноводных характеристик ТЭС.

2. Результаты исследования даспарсиошшх характеристик ТЭО с различными типами профиля показателя преломления.

3. Результаты анализа искажений гауссова шцульса, возникавших при ого передаче по одномодоеым световодам о компенсированной дисперсией первого п второго порядков.

4. Результаты исследования степени деполяризация мода HEjj круглых дцухслойных п трехслойных световодов.

Достоверность результатов работы следует из строгих но-ходннх посылок рассматршззеыых задач, использования физически оправданных моделей и приближений, а такае из сравнения о результатами уде апробированию: строгих раочетов и о результатами независимо проведенных теоретических и экспериментальных исследований в СССР и за рубежом.

Реализация результатов работы. Диссертационная работа является чаотьо комплексной программ Минвуза СССР "СВЧ-2" по исследовании аяоктромэгшпних явлений в диэлектрических волноводах оптического диапазона. Результаты, получанные в диссертации, вошли в отчеты по хоздоговорной IMP ОТ-232 "Исследование световодов о устойчивой поляризацией" (помер госрегистра-* цпп 81002999, U.: ВЗМИ, 1985) и госбюджетной НИР 0Г-202 "Раз-

работка физических основ опецаалького приборостроения" (номер гоорогиотрацш 01824065190, ¡л.: 1ШИ, 1985).

Аппобапия рчбо.тд. Основшхе рззультати работы докладывались в обсуздалвсь на Республиканской конференция "Болокснио-охгезчо-скве длине связи" (Кезв, 1983), Н Всесоюзной конференции "Све-товоднш сис-геш связи и передача шфоркацця" СМосква,1£34), У Всесоюзной коифоренщщ "Волокошю-оптнчаокяз системы передачи" (Москва, 1288), Всесоюзной научно-технической конференции "Дроектированло радаоолоктронншс устройств на диэлектрически волноводах и зона юрах" (Тбилиси, 1588)'. Но материалам диссертации опубликовано 3 печатных рабоз.

Структура л объем работа» Диссертация состой! ез предасло-еея, сведения, трех глав и заключеная, излскшиз ка 73 етр, ьа-еынопесного текста, включая 25 стр. иллюстраций (24 рас., I табл.) и 8 стр. списка цитируемой литературы (73 наименования).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована1 актуальность теш, освещено состояние вопроса н да]Ш краткая характеристика работа.

Глава X - "Частные решения' двумерного уравнения Гелылюль-

па".

Б этой главе определены частные решения двумерного урашю-шш Голылгольца

*

г"» 2

где VI - ддумэрный оператор Лапласа, которые а овоей совокупласте при любом значении параметра А , включая А~ О , образуют фундаментальна систем решений дпукарпого уравнения Гельмгольца н при лвбом действительном значении параметр Л являют а я дейот-

вигольшлгл функцаяшт. Полутени выражения дая их чаотнше про-азводгшх по полярпнм, декартовым п зллиптячесгам координатам.

Определенные в отой главе частные решения двугорпого урээ-яення Гельмгодьца в следующей глава пснользувтся для представления продольных составляющих направляемой «оды ТЭО. Беля бы ддя этой цели использовались известные частные роиошм двумерного уравнения Гвлшгольцо, пришлось бы дая представления продольных составляющих направляемой моды ТЭС п сердцевине п промежуточной оболочке световода использовать комплексные функция, либо шд указанного представления поставить в зависимость от типа профиля показателя преломления световода и решений задачи о распространении ¡электромагнитных волн вдоль T2G проводить отдельно для световодов с оптически болео плотной сердцевиной н кольдегаге сеотоеодов.

В этой глэеэ получено также, интегральное соотнопешм,прн-иеноиие которого позволило осуществить преобразование двойных интегралов, входшдих в состав выражения для коэффициента деполяризация направляемой мода ТЭС, в контурные.

Рлпва #. - "Дисперсионные характеристики трехслойных эллиптических световодов".

В этой главе определена расчетная модель ТЭО, получено дисперсиопное уравнение для направляемых мод этого световода и приведены результаты численного исследования основных дисперсионных характеристик (таких как фазовая скорость, групповая скорость, волноводная дисперсия четной gHEjj и печатной qHEjj основных мод, критическая частота дая бллгайшей высшей мода) ТЭС с различными типами профиля показателя преломления. Показано, что на базе ТЭО возмогно оозданло одпомодаых свето-

мхов, сохраняющих состояние полярязацжж передаваемого жалученжя I обеопэчхвающих малые искажения передаваемых ожгналов в широком двапа80нв длин волн, ко для »того необходимо изготавливать •лдипяческие оветоводи с малыми поперечными размерами сердцевины (порядка 2.. ,б мхм) в сравнительно болышмж агаоонтелышын разностями показателей преломления слоев (порядка 2,..3£).

Более полное использование иирокополосности световодов возможно при спектральном уплотнении каналов, когда по одномо-довому световоду сигаалы передастся на различных длинах волн, во для этого необходимо, чтобы световод обеспечивал малые искажения передаваемых сигналов в широком диапазона длин волн. В втой главе показано, что лучшими дисперсионными характеристиками обладает одноыодовые ТЭС V/ - типа, которые при атом имеют сравнительно большие поперечные размеры сервдевины и малые разности показателей преломления слоев, что облегчает их изготовление по существующим в настоящее время технологиям (например, по методу химического осаждения из газовой фазы) и стыковку о источником ■ преемником излучения. В одномодовых ТЭС М - типа монет иметь место частичная как полная компенсация материальное диоперсии га счет противоположной по знаку волноводвой дисперсии в том случае, когда диспероия материала, из которого изготовлен световод, положительна.

£ настоящее время один из основных подходов к решению проблемы минимизации дисперсионного уширения импульоов в системах оптической саязж состоит в том, чтобы использовать широкополоо-кве волоконные оветоводи с компенсированной дисперсией первого ■ второго порядков. Минимизация коэффициентов дисперсии первого и второго порясаков может быть достигнута соответствующим выбо-

рои основных параметров световода» причем эти парамbtjh MOiyr (ta» подобраны гаки* образ см, что ыаяс шальную широкопояосность световод будет иметь на дайне волны, на которой наблвдается ыя-нвдуы оптических потерь. В этой главе проведен анализ искажений гауссова импульса, возникающих при его передаче по однсыодовш световодам с не компенсированной и компенсированной материальной дисперсией, и показано, что в случае использования узкополосиц* источников излучения, обеспечивающих оптимальную длительность входных шщульсов, длительность выходных импульсов пропорциональна:

V2T , если S4 ¿ О,

, если j« ■ 0« а \ л, Ж , если Si ■ 5* a S, ¿0,

где L - длина световода, a S* , Su 5% - коэффициенты дисперсии соответственно первого, второго и третьего порядков. В последней случае ыосет быть реализовала максилально возможная скорость передачи информации в сотни гигабит в секунду на расстояние в 100 и более километров без использования промежуточных усилителей.

forana 3 - "Поляризационные характеристики трехслойных эллиптических световодов".

Широко распространено мнение, что в одномодовых световодах с круговым поперечным сечением при однополяризациопном режиме работы распространяется линейно поляризованная мода LPqj. В действительности, в этих световодах распространяется мода HEjj, имещая также и некелателыие поперечные составлявшие. Например, при возбуждении круглого световода линейно поляризованным излученном, вектор электрического поля Е которого направлен вдоль поперечной координаты световода X(координата Z совпадает о

ооыэ световода), в ней возникает иода HEjj с гюперечными составляющими Вх>:> Еу и Ну» Нх , О ), которая будет лизь близка к линейно поляризованной иоде.

Степою деполяризации направляемой моды П -олойпого световода принято характеризовать козффицяентом деполяривация

К„=£м ft|/£R ,

где Л Р{ - раэвооть мекду реальной мощность» R. иодн в L -и олое световода и мощностью, которую в этой слое световода могла бы создать только линейно поляризованные составляющие поля йоды.

Б этой главе проведено преобразование двойных интегралов, входящих в ооотав выражения для коэффициента деполяризации направляемой моды ТЭС, в контурные, в результате чего это выражение представлено з более удобном для практического использования виде. Приведены результаты расчета коэффициента деполяризации иолы fffijj круглых трехслойных световодов с различными типам профиля показателя преломления и показано, что на границе одноиодо-еого режима работы наименьыий коэффициент деполяризации имеет иода iffijj световодов IV - типа. Результаты расчета коэффициент деполяризации коды HEjj круглого двухслойного световода прадста; лены двумя приблиаеннымк аналитическими завиоииостяки, а ииенно:

к,«dt072-w3(«:/*:-i)f,sä2

>

где П,, f?2 - показатели преломления соответственно сердцевины а оеолочки световода^ первая из которых справедлива при V =1,87

- характеристический параметр свеч сода, & _ радиус сердцевины, А - длина волны), при которс «ода HEjj круглого дзухслойвого световода максимально деполя-■риЭ6Ка«5, а вторая - при V =2,4, соответствующем отсечке бли-

iaiiiiiaii выашаИ арди. Показано, что на границе одноиодового pasu-ia работа козф^ицие.-и- деполяризации иодк HEjj круглого двухслой-шго световода с относительной разностью показателей првхоилэния ¡ердцевази 1! оболочки 0,2 ... Ü,B % достигает - (69 ... 5?) дБ.

В заключении офориударавиш основные результаты работ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертации получены следующие основные результат:

1. Разработан и применен на практика иетод расчета волно-

а од них характеристик трехслойного эллиптического светово?;а(ТЗС). Злрэделзпы частные ранения двумерного уравнения Гельыгольца, применение которых для представления продольных сосгавлясида направляемой но.ды ТОО позволило решить в общем случае задачу о распространении электромагнитных волн вдоль TSC. для упрощзная числовых расчетов получено интегральное соотношение, позволявшее преобразовать двойные интегралы, входящпэ в состав выражения цля коэффициента деполяризации направляемой нодц ТЭС, в контурные.

2. Показано, что на базе TBC вознонно создание одноыодоеых световодов, сохраняющих поляризацию, у которых коэффициент дисперсии первого порядка в диапазоне длин зола 1,3 ... 1,6 кки на превышает ± 10 пе/кычш. Для этого необходимо изготавливать ел-липтичвскиэ светоьоды о поперечинки размерами сердцевины 2 ... 5 шш1 » относцтелышш разностями показателей итззлоклэши слоев 2 ... 3 /5 . Определи!!! параметры 'ГЭС W - тепа, коаффициент дисперсии первого порядка которого б указанной диапазоне длин воля не превышает ± 2 пс/км«ш1. Теоретически показано, что варьируя величину характеристического параметра V<*llsrß/l

ТЭС ( б ~ размер налой полуоси сердцевины, а - пока-

- 12 -

ватели проломления сердцевины и промежуточной оболочки, X - длина волны) ноано осуществить режимы работы при которых: а) ревность фазовых скоростей основных мод 0HEjj и eHEjj иакси-ыадьпа и, следовательно, минимальна их связь ва иикроизгибах и нагибах световода; б) групповые скорости этих иод равны, т.е. аегшодовая дисперсия равна нули.

3¿Теоретически установлено и подтверждено числовши расче-aaiffli что. при передаче по одномодовому оветоводу гауссова и «пульса о шириной спектральной линии излучения источника 41 ни длительность выходного импульса пропорциональна и ,

где L - длина световода, а А/ - порядковый номер первого не равного пуле коэффициента диопероии.

4. Показано, чго в одкоиодовше круглых двухслойных световодах с относительной разность» показателей преломления сердцевины и оболочки 0,2 ... 0,8 % коэффициент деполяризации йоды HEjj •доотигаев - (69 ... 57) дБ.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах;

I, Белалов A.C., Дианов Е.М., Криввнков В.И. Волоконные слетов* ды о уотойчивой поляризацией излучения // Квантовал электроника. -19». - Т.II, Ш б. - C.I273-I275. Z, Беланов A.C., Дианов S.U., Кривенков В.И. Об уменьшении дисперсии в одноиодовых волоконных световодах// 11 Всесоюз. конф. "Свеюводные системы свяги и передачи информации": Тав докл. - И.,1984. - СЛ5-4б^ 3. Белаяов A.G., Дианов E.H., Кривенков В.И. Трехолойиые аллигь таческие световоды // 1У Всосооз.ковф. "Световодиыо олехемы

- 13 -

свйзи и передачи информации": Теэ.докл. -М.,198^. -СЛ9-50.

. Бэлапов A.C., Дианов E.U., Криввнков З.И., Курилов A.C. Передача информации по однокодовеш световодам о конденсированной дисперсией первого и второго порядков // Электросвязь.-1985. - ft 12. - С.2^-28.

>. Беланов A.C., Дианов S.U., Кривейков В.И., Солопов В.М. Линейность поляризации моды HBjj- в круглых волоконных световодах И Радиотехника. - 1986. - й 12. -С.75-76» Беланов A.C., Дианов S.U., Кравенков В.И. Дисперсионные характеристики трехслойных эллиптических световодов // Волоконная оптика / Тр. ИОФАН. -Ы.: Наука, 1987. - T.5.-C.3-I8.

7. Беланов A.C., Дйанов S.U., Яривенков В.И., Лындян Н.М. Дисперсионные характеристики одноиодовых трехслойных эллиптических световодов //У Всесоюз.конф. "Волоконно-оптические системы передачи": Тез.докл. -П.,1988. -С.55-Й.

8. Беланов A.C., Дианов S.U., Крнвзнков В.И., Л годин H.H. Одио-нодовые трехслойные эллиптические световоды // Всвсоюа. научно -техн. конф. "Проектирование радиоэлектронных устройотв на диэлектрических волноводах и резонаторах": Тез. докл. - Тбилиси,1988. - C.320-32I.

9. Ba'lanov Ä.S., Dianov Yo.H., Krivenlcov V.l. The Dispersion Characteristics o£ Three-bayer Elliptical Optical Fibers V/ Fiber optics. - USA s Coraraack. - 198B. - P.l-20.