Фізичні закономірності перетворення оптичного випромінювання у волоконних світловодах і пристроях на їх основі

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Однією з найсуттєвіших особливостей науково-технічного прогресу останніх десятиліть є велика і всезростаюча потреба в обробці, збереженні та передачі інформації. Цим пояснюється високий рівень досліджень волоконно-оптичних систем передачі (ВОСП) взагалі і волоконно-оптичних ліній зв'язку (ВОЛЗ) зокрема. Їхні характерні відмінності від традиційних комунікаційних систем полягають у величезній густині інформації в каналі і значній швидкості її передачі. Управління ВОСП забезпечується методами електрооптики та нелінійної оптики, котрі реалізують дію хвилеводних модуляторів, перемикачів, фільтрів, інтерферометрів тощо. Перспективний напрямок подальшого розвитку оптичних систем зв'язку базується на часовому та частотному ущільненні каналів. Проблеми створення і вдосконалення ВОЛЗ за своєю загальнодержавною значущістю знаходяться на одній сходинці з проблемами атомної енергетики і космічної індустрії.

Сенсоризація виробничої діяльності забезпечує розвиток гнучких автоматизованих систем контролю та управління технологічними процесами. Окрім високих метрологічних характеристик, датчик повинен мати достатні надійність, довговічність, стабільність, малогабаритність та малу енергоємність, сумісність з мікроелектронними приладами обробки інформації при низькій трудомісткості виготовлення та незначній вартості. Саме цим вимогам максимально відповідають волоконно-оптичні датчики.

Випромінювання з багатомодових волокон має складну, так звану спекл-структуру, яка проявляється на екрані у вигляді стохастично розташованих світлових плям. Розподіл інтенсивності в спекл-картині надзвичайно чутливий до дії зовнішніх збурень на світловід: температури, тиску, деформацій і т.і., що дозволяє побудувати датчики вимірів параметрів різноманітних фізичних полів. Ключові характеристики таких датчиків кращі від існуючих.

Можливість швидкого і паралельного перетворення відеосигналів обумовлює переваги оптичних комп'ютерів (ОК) порівняно з електронними обчислювальними машинами (ЕОМ). Створення ОК потребує, як і у випадку ЕОМ, наявності логічних елементів. У якості останніх можуть використовуватись бістабільні оптичні елементи на основі тунельно-зв'язаних хвилеводів з нелінійними характеристиками. Проблема полягає не тільки в створенні матеріалів, у яких електромагнітна хвиля керує характеристиками іншої хвилі при нановатних або менших потужностях. Значно важливіше - забезпечення високої швидкодії ОК, що обмежується релаксаційними процесами.

З науково-технічної точки зору волоконні світловоди є винятковим об'єктом для вивчення нелінійних оптичних явищ. Це обумовлено двома обставинами. По-перше, мала площа поперечного перерізу серцевини дозволяє при відносно малих потужностях збуджувального джерела сконцентрувати високу густину потужності - до 10 МВт/см2, при якій відбувається механічне руйнування торця хвилеводу. По-друге, на відміну від нелінійних кристалів, довжина волокна практично необмежена, що зручно для досліджень ефектів, величина яких накопичується зі збільшенням шляху поширення хвиль.

Волоконні світловоди дозволяють проводити трансформацію імпульсів, наприклад, виконувати часову компресію, реалізовувати так звані солітонні режими поширення, при яких практично не відбувається втрати інформації, отримувати імпульси з гранично малими тривалостями - порядку фемтосекунд, що важливо для спектроскопії з унікально високою роздільною здатністю.

Отже, вивчення фізичних закономірностей перетворення оптичного випромінювання у волоконних світловодах і пристроях на їх основі актуальне як у фундаментальних, так і прикладних аспектах. Воно дозволяє вирішити такі проблеми:

- створення удосконалених елементів для ВОЛЗ і датчиків фізичних полів, що сприятиме підвищенню швидкості передачі інформації і точності вимірювання фізичних величин, поліпшенню характеристик датчиків;

- встановлення закономірностей перетворення хвильового фронту випромінювання у волоконних світловодах при вимушеному розсіюванні Мандельштама-Бриллюена дозволить компенсувати фазові шуми і підійти до розвязку задачі передачі двомірного зображення по окремому волокну без попереднього його (зображення) сканування;

- володіння реалізацією лінійного і нелінійного поширення імпульсів наносекундного діапазону у волокнах дозволить створити генератори зі змінною тривалістю вихідного імпульсного випромінювання;

- побудова волоконно-оптичних інтерферометричних датчиків на основі корекції поля і (або) з застосуванням керованих світловодних елементів приведе до зменшення власних шумів таких пристроїв.

Проте велика кількість опублікованих наукових робіт присвячених цій тематиці далеко не повністю вичерпує дану проблему.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Представлені в роботі результати отримані при виконанні держбюджетних і госпдоговірних науково-дослідних тем на кафедрах нелінійної оптики та напівпровідникової електроніки радіофізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка:

1. Исследовать когерентные нелинейные электромагнитные процессы в оптическом, рентгеновском и гамма диапазоне. № г/р 81005103. Тема выполнена по КП АН СССР по проблеме 1.6.2 (спектроскопия атомов и молекул); Постановление Президиума АН УССР № 251 от 20.05.81; КП Минвуза СССР (Лазеры) - Приказ Минвуза УССР № 376 от 24.07.81 г.

2. Комплексная целевая программа “Лазеры-2”: “Создать лазерные спектрометры, приборы и технологические процессы для народного хозяйства и медицины”. Основание для проведения НИР “Разработать и создать световодные датчики электрических, магнитных и механических полей, а также голографических корректоров волнового фронта” - Приказ Минвуза СССР №446 от 20.06.86 г.

3. Изготовление макета высокочувствительного приёмника оптических импульсов с широкополосным усилителем - Заключительный отчёт по х/д №155-89 с ИОФ АН СССР, КГУ, 1989.

4. Когерентные и нелинейные физические процессы при взаимодействии лазерного излучения с веществом. № г/р 01860076442. Решение ГКНТ и АН СССР от 10.11.1986 г. № 573/137, Программа Минвуза СССР от 20.06.1986 г. № 466/КП “Лазеры-2”, КП АН УССР “Неметаллические кристаллы”, Постановление Президиума АН УССР № 474 от 27.12.1985 г.

5. Заключительный отчёт по спецтеме “Волокно-Д-2” Киев, КГУ, 1985, уч.№Ф-511с.

6. Заключительный отчёт по спецтеме “Страда-КГУ”, Киев, КГУ, уч.№Ф-930с, 1988.

7. Теоретическое и экспериментальное исследование поляризационных эффектов и рассеяния в оптических волокнах и их влияние на характеристики волоконно-оптических датчиков - Заключительный отчёт по х/д № госрегистрации 01840082616, КГУ, 1985.

8. Розробка фізико-інженерних основ передачі інформації оптичними хвилеводами методами нелінійної оптики та створення на цій основі систем передачі інформації і керуючих елементів нового типу (1992-1995 рр.) № д/р 013U042222.

9. Дослідження природи втрат та пошук ефективних матеріалів для керуючих елементів волоконних ліній передачі інформації і розробки волоконних датчиків (1994-1996 рр.). № д/р 0194U020369.

10. Науково-дослідна робота “Розробка фізичних і технологічних основ створення елементів та пристроїв обробки та передачі інформації в системах зв'язку на базі методів голографії і обернення хвильового фронту”, проект №06.06/03674, № держреєстрації 0197U014760. (07.1997-12.2000).

Пошукувач виконував наукове керівництво темами №9 і №10; був відповідальним виконавцем тем №3; 5; 6 і виконавцем тем №1; 2; 4; 7; 8. Як науковий керівник, брав участь у постановці задач, теоретичних розробках, експериментальних дослідженнях, узагальненні результатів, формулюванні висновків і організації виконання всієї роботи. В якості відповідального виконавця проводив теоретичні розрахунки і експериментальні вимірювання, координував хід виконання всієї роботи, узагальнював висновки отриманих результатів. У обов'язки виконавця входило дослідження конкретних проблем: теоретичне моделювання, експериментальне вимірювання, обговорення отриманих результатів, визначення висновків і рекомендацій.

Мета і задачі дослідження.

1. Створити пасивні і керовані волоконно-оптичні відгалужувачі, деполяризатори світла для кільцевого волоконного інтерферометра та голографічний елемент для введення випромінювання в світловоди. Вказані елементи необхідні в складних ВОЛЗ, датчиках фізичних полів тощо для поліпшення їх основних характеристик. Для цього потрібно було дослідити:

а) гасіння світла в коротких волоконних світловодах ( 1 м) і біконічних переходах;

б) втрати енергії на згинах волоконних світловодів;

в) ефективність різних способів сполучення і збудження світловодів.

На основі персонального комп'ютера за допомогою відповідних програм і фоточутливих елементів експериментально реалізувати відеодіагностику (вимірювання просторового розподілу вихідного випромінювання, обрахунок числової апертури тощо) волоконних світловодів і виготовлених з них елементів.

Дослідити закономірності перетворення хвильового фронту у волоконних світловодах (дозволить заглушити шуми і поліпшити якість передачі інформації):

а) при вимушеному розсіюванні Мандельштама-Бриллюена;

б) при генерації другої оптичної гармоніки;

в) при впливі нелінійних процесів на поширення оптичного випромінювання у волокнах з оберненням хвильового фронту.

Одержати якісні і кількісні дані впливу різних фізичних механізмів на формування коротких оптичних імпульсів у волоконних світловодах, зокрема для управління компресією імпульсів наносекундного діапазону.

Поліпшити характеристики волоконно-оптичних інтерферометрів завдяки голографічній корекції поля і (або) застосуванню керованих елементів, а також, зокрема оберненню хвильового фронту.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше одержано суцільний волоконно-оптичний елемент із керованим коефіцієнтом відгалуження, принцип дії якого базується на інтерференції світла в тунельно-зв'язаних хвилеводах. Зміна фази хвилі в одному з плечей інтерферометра виконується за рахунок зміни геометричних параметрів волоконного світловоду за допомогою п'єзоефекту.

2. Первинними є результати високоточного вимірювання (0,1 дБ) гасіння світла в коротких відрізках волоконних світловодів ( 1 м) і біконічних переходах, що було здійснено завдяки розробці поєднання оригінальних методик: примусового заданого змішування мод, яке забезпечувало сталість модового розподілу, і фільтрації мод оболонки волокна.

3. Вперше запропоновано і експериментально реалізовано два типи керованих джерел деполяризованого випромінювання. Ступінь деполяризації може бути доведено до 99 %; у схемі з лазерними діодами обмеження обумовлюється величиною різниці центральних частот спектрів випромінювання лазерів.

4. Удосконалено методику виготовлення направлених волоконних відгалужувачів Y-типу, яка дозволила досягнути зменшення до 1,2 дБ додаткових втрат, що вносяться власне відгалужувачем.

5. Вперше встановлено закономірності, які дозволяють керувати корекцією хвильового фронту випромінювання, використовуючи його обернення при вимушеному розсіюванні Мандельштама-Бриллюена в багатомодових світловодах. Показано, що зі збільшенням довжини основного волокна, яке вносить фазові шуми, ступінь обернення хвильового фронту спадає завдяки набігу фази між окремими модами, що обумовлено частотним зсувом 0,7 см-1 при ВРМБ.

6. Виконано першопрохідницькі експериментальні і теоретичні дослідження фазової корекції фронту хвилі, яка пройшла багатомодовий волоконний світловід на основі процесу генерації 2-ої оптичної гармоніки в нелінійних кристалах Ba2NaNb5O15, LiNbO3, KTiOPO4. Встановлено, що зі зростанням довжини кристала нелінійно-оптичне перетворення когерентного випромінювання, яке виходить із волокна, супроводжується підвищенням якості корекції хвильового фронту. В результаті відбувається його вирівнювання і зникнення спекл-структури.

7. Вперше досліджено компресію оптичних імпульсів наносекундного діапазону, які поширюються в багатомодових волоконних світловодах. Встановлено, що тривалість центрального піку вихідного імпульсу при зростанні енергії вхідного зменшується майже на порядок.

8. Удосконалено схему інтерферометра на багатомодових волоконних світловодах за рахунок голографічної корекції хвильового фронту випромінювання, що дозволило підвищити контрастність інтерференційної картини до 0,70,8.

9. Поліпшено волоконний кільцевий інтерферометр внаслідок використання в ньому керованих елементів, що дозволяє усунути дрейф нуля. Показано, що керований відгалужувач з роздільним керуванням поляризаціями дозволяє на глибині шумової модуляції рівної одиниці зменшити похибку, яка вноситься неідеальним поляризатором, до нуля.

1. Вивчення особливостей впливу волоконних елементів на характеристики оптичного випромінювання, що проходить крізь них

Наведені результати дослідження гасіння світла в коротких волоконних світловодах і біконічних переходах. Відомі до цього часу методи визначення втрат випромінювання при поширенні у волокнах потребували значних (сотні метрів і більше) довжин останніх. Такі вимірювання мали інтегральний характер і, як правило, не дозволяли з достатньою точністю (до 1 м) виявити ділянки світловодів із підвищеною дефективністю, а отже, більш високими втратами. Подібні відрізки волокна є непридатними для виготовлення з них елементів для ліній звязку чи датчиків.

Сталий модовий розподіл у коротких відрізках волокон досягався за рахунок змішувача мод і фільтра мод оболонки і, природно, не залежав від умов збудження ВС і довжини останнього. Вимірювання затухання світла у ВС виконано методом обриву.

Отримані експериментальні результати свідчать, що втрати на біконічних переходах у градієнтних ВС на 45 % менші, ніж у ВС зі східчастим профілем показника заломлення, що обумовлено різницею в траєкторіях розповсюдження мод. Встановлено, що зміна початкового радіуса серцевини на 30 % ще не вносить значного затухання (0,05 дБ), а зміна радіуса на 70 % призводить до розриву волокна.

Досліджено суцільноволоконний компактний керований відгалужувач світла типу 2х2 (Х-типу), реалізований на основі інтерферометра Маха-Цендера, в обох плечах якого розміщені пєзокерамічні циліндри з намотаними (5-10 витків) на них світловодами. Довжина останніх змінюється (достатньо до 0,5 мкм) в залежності від величини і знака керуючої напруги, яка подається на пєзокераміку. Перерозподіл енергії по вихідних каналах відбувається внаслідок зміни фази хвиль, які приходять на вхід оптично тунельно-звязаних волокон.

Габарити керованого відгалужувача визначались розмірами пєзокерамічних циліндрів, діаметр яких складав 3 см, висота 0,8 см, і двома волоконними пасивними відгалужувачами Х-типу довжиною 1,5 см кожний. Діаметр серцевини кварцового волокна становив 20 мкм. У вигляді джерела використано He-Ne лазер із максимальною потужністю 9 мВт. За цих умов отримано коефіцієнт розподілення 0,007 В-1. Досягти повного перемикання можна при використанні одномодових волокон. У багатомодових -- кожна j мода характеризується своєю постійною поширення моди і коефіцієнтом звязку. Тому одночасно виконати необхідну умову 100 % розподілу 1j - 2j = const неможливо.

Досліджено дві схеми джерел деполяризованого випромінювання, які містять один (два) лазерні діоди ІЛПН-110 з максимумом випромінювання на довжині хвилі 0,835 мкм, шириною спектра 46 нм і потужністю 26 мкВт, два (один) направлених відгалужувача і фазообертальний елемент. Для того, щоб залишковий ступінь поляризації не перевищував 0,1 %, необхідно забезпечити відносну похибку рівня інтенсивності перпендикулярних компонент електричного поля меншою 10-3, а перпендикулярність вісей еліпсів із точністю до 310-2 рад. Фазообертальний елемент циліндр радіуса 1 см, на який намотано 10-20 витків волокна дозволяє змінювати різницю фаз між ортогональними компонентами поля від 0 до . Це відбувається тому, що внаслідок деформації згину, світловід стає анізотропним для компонент поляризації, орієнтованих уздовж вісі циліндра і в перпендикулярній площині.

Ступінь деполяризації вихідного випромінювання в згаданих джерелах становив 99 %. Подальше його збільшення потребує рівності центральних частот спектрів випромінювання лазерів.

Традиційне звивання двох (чи більше) світловодів із наступним сплавленням замінено на сплавлення паралельних волокон із наступним розтягуванням для формування переходів. Це дає більш симетричне розташування серцевин у біконічному переході, внаслідок чого відбувається рівномірний перерозподіл (перекачування) світла між каналами.

Процес виготовлення відгалужувачів візуально контролювався. Параметри відгалужувачів, виготовлені зі стандартних ВС (діаметри: серцевини 50 мкм, оболонки 125 мкм; затухання 3,2 дБ/км), становили для Y- i X-типів: коефіцієнт поділу потужності світла 4456 % і 4258 %; додаткові втрати 1,2дБ і 1,3дБ; коефіцієнт направленості 45дБ і 48дБ.

Підвищити ефективність введення випромінювання у волоконний інтерферометр на 20 % порівняно зі звичайним можливо при використанні голографічного елемента. Останній є статичною голограмою, записаною за допомогою сигнальних хвиль, що пройшли відповідні ВС плечі волоконного інтерферометра. Елемент зроблено на основі високороздільної товстошарової світлочутливої пластинки ПЕ-2, яка має необхідну кутову і спектральну селективність. В якості опорного використано випромінювання He-Ne лазера ЛГ-38 з потужністю 37 мВт на довжині хвилі 0,63 мкм. Голографічний елемент виконував одночасно три функції: світлоподільну, фокусування і юстування у випадку волоконного інтерферометра з кварц-полімерним ВС (числова апертура 0,17, східчастий профіль показника заломлення, діаметр серцевини 120 мкм). Він не тільки підвищив ефективність введення на 20 %, але й практично повністю заглушив фазові шуми, обумовлені багатомодовістю ВС.

Викладено результати досліджень втрат енергії на згинах ВС. Підтверджена справедливість теоретичної експоненціальної залежності коефіцієнта ослаблення R випромінювання від радіуса згину в повному діапазоні його зміни: від Rmax> до Rmin~1 мм, при якому відбувається обламування волокна.

Вимірювання виконані для одномодового ВС з а = 4,35 мкм, довжиною l = 10 м і числовою апертурою 0,11.

Вимірювання вхідних і вихідних потужностей випромінювання дає змогу визначити для одномодового ВС дві з трьох його характеристик (n1, n2, q де n1, n2, показники заломлення серцевини і оболонки; q коефіцієнт, що визначає гасіння хвилі в оболонці).

Реалізована методика відеодіагностики параметрів волоконно-оптичних елементів складається з трьох етапів: фіксації та реєстрації потрібного зображення, його подальшої обробки і обчислення необхідних параметрів. До комплексу апаратури входить ч/б ПЗЗ-камера SANYO VCB-3512 Р з ефективною роздільною здатністю ПЗЗ-матриці 252 (Н)х582(V) пікселів, плата “захоплювача кадру” Aver Media TV Capture, яка дозволяє виводити зображення на монітор у реальному часі, і, власне, ПЕОМ. Програмне забезпечення виконує потрібну обробку отриманого сигналу. Методика відеодіагностики спрощує і автоматизує процес вимірів та обчислень параметрів волоконних елементів, а також дозволяє їх (параметри) контролювати в процесі виготовлення.

2. Дослідження фізичних закономірностей обернення хвильового фронту (ОХФ) у ВС на основі нелінійно-оптичних явищ

Фізичні процеси, які забезпечують відновлення поляризаційної і просторової інформації, базуються на модовому розподілі (розсіюванні) вхідної інформації і модовому усередненні при ОХФ на виході.

Поле E(4) утворювалось після проходження ВС у прямому і зворотному напрямках збуджувальної хвилі E(1) і мало вигляд:

З(4) = rМґCМ*( E(1)),

де r - коефіцієнт відбиття по амплітуді ОХФ-дзеркала, М і М - матриці розсіювання для прямого і зворотного поширення поля по волокну; С - матриця, яка представляє процес заглушення y-поляризації за допомогою даного поляризатора, задається наступним чином:

,

де І - одинична матриця NN, а N - повне число мод поширення ВС із одним напрямком поляризації. Проведений аналіз показав, що точність відтворення поляризаційної і просторової інформації є функцією умов введення світлового пучка на вході. За умови, що числова апертура вхідного пучка набагато менша, ніж числова апертура ВС, можливе майже повне відновлення поляризації. Це є наслідком того, що енергія шумового поля перерозподіляється по всіх модах поширення волокна так, що для малих апертур вхідного пучка шумова енергія, зосереджена в межах такої ж малої частини всіх волоконних мод поширення, може бути малою порівняно з енергією, зосередженою в пучку після ОХФ-перетворення.

Ступінь відновлення поляризації вхідного лінійно-поляризованого світла знаходиться в межах 96 % при зміні напрямку поляризації збуджувального випромінювання від 0 до 180. При використанні довільного еліптично-поляризованого світла як вхідного пучка, ступінь поляризації також була близькою до одиниці.

Основна властивість обернення часу і корекції спотворень за допомогою ОХФ порушується, якщо шлях поширення проходить через невзаємні середовища, наприклад магнітні. Математично це випливає з того факту, що присутність членів, які описуються уявними величинами в тензорі магнітної сприйнятливості, руйнує інваріантність рівнянь Максвелла при комплексному спряженні відбитої хвилі. Разом з тим, навіть у цьому випадку поляризаційний і просторовий розподіл початкового поля може бути відновлений, якщо числова апертура (ЧА) вхідного пучка мала і фарадеєвський кут обертання такий, що cos22 дає мізерно малі величини порівняно з ЧА. В експерименті напруженість магнітного поля змінювалась у межах від 0 до 2 кЕ і прикладалась до відрізка БВС довжиною 3 м при загальній довжині волокна 20 м. Ступінь відновлення поляризації виявилась близькою до одиниці, а коефіцієнт відбиття зменшувався монотонно при зростанні магнітного поля.

Описано заглушення фазових шумів при поширенні гігантських лазерних імпульсів у оптичному волокні на основі ОХФ при вимушеному розсіюванні Мандельштама-Бриллюена. Джерело збуджувального випромінювання рубіновий лазер, який генерував поодинокі гігантські імпульси тривалістю ~30 нс і енергією 10-3ч510-2 Дж в основній поперечній моді, спектральна ширина лінії ~510-2 см-1. Обєкт дослідження основний ВС з діаметром серцевини 200 мкм і довжиною l. ВРМБ з ОХФ відбувалось у допоміжному ВС з діаметром серцевини 20 мкм. При довжинах l в декілька сантиметрів фазові шуми у вигляді спекл-структури, характерні для когерентного випромінювання на виході БВС, виявились практично повністю заглушеними.

Зі збільшенням l ступінь ОХФ спадала і відповідно зростало ошумлення картини. Головна причина цього полягає в тому, що частотний зсув 0,7 см-1 при ВРМБ веде до суттєвої різниці фази між окремими модами на відстанях ~10 см.

Перетворення хвильового фронту при генерації другої оптичної гармоніки на виході БВС. Неодимовий лазер з довжиною хвилі 1=1,064 мкм працював у імпульсному режимі з частотою слідування імпульсів 25 кГц і піковою потужністю в імпульсі ~1МВт. Довжина кварц-кварцового БВС - 100 м, ЧА=0,2; загальні втрати - 6 дБ/км, діаметр серцевини - 50 мкм. Як нелінійні використані кристали Ba2NaNb5O15, LiNbO3 i КТіОРО4. Поперечна структура пучка другої гармоніки після нелінійних кристалів є досить гладкою, тобто має регулярну поперечну структуру, що свідчить про фазову корекцію поля.

Вплив нелінійних процесів на поширення оптичного випромінювання в одномодових ВС з ОХФ розглянуто у випадку лінійної поляризації на вході. За умови нехтування взаємодією прямої і зворотної хвиль, а також втратами, у ВС (з керрівською нелінійністю поляризації) лінійна на вході поляризація після проходження волокна в прямому і зворотному напрямках змінюється слабо, якщо коефіцієнт відбиття однаковий для обох поляризацій.

Встановлено умови відновлення поляризації випромінювання при ОХФ у випадках як одномодового, так і багатомодового світловодів. При експериментальних дослідженнях ОХФ виконувалось за допомогою записаних на кристалах LiNbO3: Fe2+ та Fe3+ голограмах. Довжини досліджуваних відрізків БВС змінювались у межах від 0,2 до 50 м. Голограма записувалась для кожного з них. Практично повне відновлення хвильового фронту оберненої хвилі мало місце для всіх БВС. Величина ступеня поляризації Р=0,940,03 для всіх довжин БВС.

3. Дослідження природи змін параметрів оптичних імпульсів у волоконних світловодах

Розглянуто фізичні механізми формування коротких оптичних імпульсів у ВС. Експериментальне дослідження деградації обвідної гігантського імпульсу рубінового лазера при його поширенні в градієнтних багатомодових ВС з варіаціями довжини від 30 до 500 м. При енергіях в імпульсі до 10-2 Дж спостерігалось його дисперсійне спотворення після проходження ВС, а обвідна залишилась гладкою. При нелінійному режимі поширення з'являлась структура у вигляді модуляції обвідної імпульсу, який пройшов ВС. У ній був яскраво виражений головний пік на фоні структури з суттєво меншими (майже на порядок) піковими інтенсивностями. Тривалість головного піка в ~5 разів менша тривалості вхідного імпульсу і досягала 15-20 % від загальної вихідної енергії. Залежність інтенсивності головного піка від енергії вхідного імпульсу близька до лінійної.

Деформація імпульсів у одномодових волоконних світловодах при врахуванні нелінійності тензора сприйнятливості 3-го і 5-го порядків. Отримано і проаналізовано співвідношення, яке описує еволюцію напівширини гаусового імпульсу при його поширенні в одномодовому ВС:

,

де S1=4-8гС12/3, S2=aC1, a i A - напівширина і амплітуда гаусового імпульсу відповідно, С1=аА2=сonst, =Кz/202, К0=2К0/2, =20К12(5)0204/0К0с2, 0 - ізотропна діелектрична проникність матеріалу серцевини світловоду, 0 - постійна поширення моди НЕ11 в лінійному ізотропному світловоді, 0 - тривалість імпульсу на вході ОВС. В залежності від знаків нелінійностей можливе як дисперсійне розпливання імпульсів, так і їх стискання.

Анізотропія нелінійної сприйнятливості матеріалу серцевини світловоду призводить до ефекту самообертання еліпса поляризації світлового імпульсу. Виконано чисельний розрахунок поляризації хвилі в одномодовому ВС при врахуванні тензора нелінійної сприйнятливості 4-ого рангу. Зміна поляризації світла проявлялась у обертанні еліпса поляризації без деформації його форми. Цей ефект лінійно залежить від довжини волокна. Виявлені варіації поляризації хвилі при поширенні в світловодах з нормальною і аномальною дисперсіями.

Експериментальне дослідження і чисельний розрахунок деформації гігантських лазерних імпульсів наносекундного діапазону при їх поширенні в багатомодових світловодах. Розв'язок хвильового рівняння з нелінійними членами виконано методом повільно-змінюваних амплітуд при інтенсивностях, далеких від порога самофокусування. Вибір обвідної амплітуди збуджувального імпульсу у вигляді функції Гауса і промодульованість його слабким шумовим сигналом дає якісне узгодження результатів чисельного розрахунку з експериментальними даними. Врахування другого порядку теорії дисперсії та кубічної нелінійності приводить до характерної деформації обвідної вихідного імпульсу.

4. Результати досліджень специфіки можливостей волоконно-оптичних інтерферометрів і датчиків фізичних полів

Складені оптоволоконні резонатори дозволяють отримати функції відгуку, зручніші для процесів фільтрації, ніж функція Ейрі, яка характерна для простого резонатора. При відповідному виборі параметрів оптоволоконні резонатори забезпечують високу вихідну інтенсивність.

Голографічна корекція поля в інтерферометрах на багатомодових ВС дозволяє сформувати просторово-кутову структуру поля після світловодів. Запропонована схема волоконного інтерферометра з голографічним коректором може бути використана і в якості волоконного чутливого датчика при зовнішніх діях на одне з плечей (інформаційний канал) інтерферометра.

Принцип роботи і схема волоконного кільцевого інтерферометра з керованими елементами. Переваги схеми полягають в усуненні дрейфу нуля в інтерферометрі (який виникає в результаті деполяризації випромінювання в контурі) внаслідок управління ступенем деполяризації випромінювання джерела в поєднанні з шумовою амплітудно-фазовою модуляцією у відгалужувачі зі змінюваним коефіцієнтом відгалуження.

До п'єзокерамічних циліндрів 4, окрім постійних напруг U01, U02, підводиться також змінна шумова напруга:

U1,2= U1,2mf(t),

де f(t) - випадкова функція часу, наприклад з гаусовою статистикою. При цьому світлові хвилі на виході кожного з каналів будуть модульовані як по амплітуді, так і по фазі. Для модуляції хвиль з х-поляризацією тільки по фазі потрібно, щоб шумова різниця фаз для х-поляризації була рівна нулю: 1х(t)-ц2х(t)=0. Це виконується за умови aU1m-bU2m=0, (a, b - характеристики п'єзокерамічного циліндра) що, в свою чергу, приводить до ефективного зменшення при усередненні добутків компонент полів , які в даному випадку є паразитними. Залишається тільки інформативний сигнал , який при усередненні внаслідок сталості амплітуд і однакової зміни фаз хвиль Е0х, Е1*x не перетворюється в нуль.

Компенсація похибки внаслідок ефекту Керра відбувається в результаті вирівнювання інтенсивностей зустрічних хвиль при управлінні коефіцієнтом розділення у відгалужувачі окремо для поздовжньої і поперечної поляризацій. При цьому в порівнянні з відомими схемами суттєвого ускладнення в оптичній частині даного гіроскопа немає.

У запропонованій схемі волоконного гіроскопа з оберненням хвильового фронту в фоторефрактивних кристалах, що дозволяє заглушити паразитні ефекти у волоконних гіроскопах, на відміну від відомих схем, можливе безпосереднє вимірювання саньяківського набігу фази. Рознесення обернених і необернених хвиль виконується шляхом зсуву по частоті. Схема дозволяє застосовувати багатомодове і не зберігаюче поляризацію волокно. Оскільки керрівська нелінійність компенсується, можна використовувати імпульсний лазер, що важливо для збільшення ефективності обернення хвильового фронту. Додаткова перевага - лінійність вихідної характеристики.

Експериментальні дослідження волоконних кільцевих інтерферометрів виявили вплив джерела випромінювання на середньоквадратичний рівень шумів вихідного сигналу і на довгострокову стабільність.

Фізичні властивості волокна як чутливого елемента датчика тиску.

Запропоновані схеми волоконно-оптичного датчика тиску дозволяють визначити місце дії на ВС з наперед заданою точністю, наприклад до 1 м. Вимірювання виявили залежність чутливості волоконно-оптичного елемента як від типу ВС, так і від ступеня когерентності джерела випромінювання.

Висновки

Досліджені фізичні закономірності перетворення оптичного випромінювання у волоконних світловодах і пристроях дозволяють зробити наступні висновки:

Створено суцільно-волоконний елемент Х-типу з керованим (в межах 10 %) коефіцієнтом відгалуження. Фізичний механізм його дії базується на перерозподілі випромінювання по вихідних каналах у тунельно-звязаних хвилеводах залежно від різниці фаз хвиль, які поширюються в плечах інтерферометра Маха-Цендера. Виготовлені з багатомодових волокон відгалужувачі дозволили перерозподіляти енергію по вихідних портах 1 %/В. У суцільно-волоконному виконанні даний елемент реалізовано вперше. Його застосування волоконно-оптичні лінії звязку, датчики фізичних полів, волоконні пристрої для медичних цілей.

Вперше досліджено два типи керованих джерел деполяризованого випромінювання, які складаються з лазерних діодів і волоконних відгалужувачів. Встановлено, що за умов рівності інтенсивності перпендикулярних компонент поля випромінювання з точністю 10-3 і ортогональності вісей еліпсів з точністю 310-2 рад, залишковий ступінь поляризації не перевищує 0,1 %. Подальше підвищення ступеня деполяризації вихідного випромінювання досягається при зменшенні різниці центральних частот спектрів лазерних джерел.

Застосування джерел випромінювання з такими характеристиками доцільне, наприклад у волоконних датчиках кутової швидкості.

Піонерський набір методичних прийомів примусове змішування мод і фільтрація мод оболонки дозволив вимірювати втрати в коротких (до 1 м) відрізках волоконних світловодів з точністю 0,1 дБ. Це практично важливо з точки зору відбору якісних заготовок для виготовлення волоконно-оптичних елементів, зокрема направлених пасивних відгалужувачів. Для останніх удосконалено методики виготовлення. Це дозволило отримати відгалужувачі з малими втратами (1,2 дБ) і великим коефіцієнтом спрямованості ( 45 дБ).

Практично повне гасіння фазових шумів, обумовлених багатомодовим складом випромінювання, можливе при використанні виготовленого голографічного елемента для введення випромінювання у волоконний інтерферометр. Згаданий елемент одночасно виконує три функції: світлоподільну, фокусування і юстування. В конкретному випадку інтерферометра з кварц-полімерним світловодом з числовою амплітудою 0,17 і діаметром серцевини 120 мкм ефективність введення зросла на 20 % порівняно з традиційною лінзовою.

Експериментально встановлено, що втрати на випромінювання на згинах волоконних світловодів зменшуються згідно експоненціальному закону при зростанні радіуса згину від Rmin~1 мм, при якому відбувається механічне обламування волокна, до Rmax*8. Показано, що прості вимірювання вхідних і вихідних потужностей випромінювання дають можливість визначити дві з трьох ключових характеристик волокна: n1, n2, q (де n1 і n2 показники заломлення серцевини і оболонки відповідно, q коефіцієнт, що визначає гасіння хвилі в оптичній оболонці).

Реалізовано методику відеодіагностики параметрів волоконно-оптичних елементів (фіксація, реєстрація потрібного зображення, його подальша обробка і обчислення необхідних параметрів). Це дозволяє автоматично і в реальному масштабі часу вимірювати, зокрема числову апертуру, просторовий розподіл випромінювання, модовий склад світловодів. За пристрій фіксації зображення використано ч/б ПЗЗ-камеру SANYO VCB 3512Р з ефективною роздільною здатністю ПЗЗ-матриці 252(Н)х582(V) пікселів, а для вводу відеозображення до ПЕОМ застосовано плату “захоплювача кадру” A Ver Media TV Capture. Обробка результатів, побудова відповідних графіків тощо, здійснюється за допомогою новоствореного програмного забезпечення.

Встановлено, що перерозподіл оптичного випромінювання по двох тунельно-звязаних хвилеводах з кубічною нелінійністю залежить від інтенсивності оптичної хвилі на вході. При цьому рівність енергій по каналах досягається при різних значеннях величин вхідної інтенсивності у випадках симетричного і асиметричного хвилеводів. Збільшення довжини ділянки тунельного звязку веде до зменшення їх (інтенсивностей) величин за лінійним законом. Час перемикання логічного елемента для оптичних компютерів на тунельно-звязаних хвилеводах обмежується швидкістю наростання фронту імпульсу і часом проходження випромінювання через нього.

Вперше в багатомодових світловодах вивчені можливість і закономірності перетворення хвильового фронту випромінювання, яке пройшло головне волокно, на основі його обернення при вимушеному розсіюванні Мандельштама-Бриллюена в допоміжному світловоді. Встановлено, що висока ступінь обернення хвильового фронту (до 0,6) зі збільшенням довжини основного світловоду, який вносить фазові шуми, спадає. Головна причина цього полягає в тому, що частотний зсув 0,7 см-1 при ВРМБ приводить до суттєвого паразитного набігу фази між окремими модами при зворотному поширенні. Частина випромінювання із заглушеними просторовими шумами лінійно зростає зі збільшенням потужності збуджувального випромінювання.

Проведено піонерські дослідження фазової корекції фронту хвилі, яка пройшла багатомодовий волоконний світловід, на основі процесу генерації 2-ої оптичної гармоніки в нелінійних кристалах Ba2NaNb5O15, LiNbO3 i KTіОPО4. Встановлено, що зі зростанням довжини кристала нелінійно-оптичне перетворення когерентного випромінювання, яке виходить із волокна, супроводжується підвищенням якості хвильового фронту. Поперечна структура пучка другої гармоніки після кристалів виявляється без спекл-структури і має кутові розміри, які узгоджуються зі значеннями відповідних кутових ширин синхронізму (~10) нелінійного кристала.

Визначено вплив нелінійності керрівського типу матеріалу одномодового волокна на обернення хвильового фронту при нехтуванні взаємодією прямої і зворотної хвиль. Встановлено залежність коефіцієнта еліптичності хвилі, яка пройшла одномодове волокно в зворотному напрямку від коефіцієнта відбиття з оберненням хвильового фронту для обох поляризацій. При збудженні лінійно поляризованим випромінюванням коефіцієнт еліптичності досягав 0,1.

Вперше встановлено характер зміни часових і енергетичних параметрів оптичних імпульсів рубінового лазера, які поширюються в багатомодових волоконних світловодах у лінійному і нелінійному режимах. У першому випадку мало місце уширення вихідного імпульсу, обумовлене спільною дією матеріальної і міжмодової дисперсій. У випадку нелінійного режиму вихідний імпульс структурований з яскраво вираженим головним піком, тривалість якого в 3-5 разів менша тривалості вхідного імпульсу, а напівширина лінійно залежить від енергії вхідного імпульсу.

Показано, що при врахуванні другого порядку теорії дисперсії та кубічної нелінійності, еволюція (числовий розрахунок) наносекундних імпульсів при проходженні через волоконний світловід узгоджується з експериментальними даними. Обвідна вихідного імпульсу у випадку малих енергій залишається гладкою і стає промодульованою при великих енергіях збуджувальних імпульсів.

Встановлено зміну напівширини гаусового імпульсу, який проходить через одномодовий волоконний світловід, при врахуванні нелінійностей 3-го і 5-го порядків. Співвідношення останніх визначає компресію чи уширення вихідного імпульсу.

У запропонованій схемі волоконного гіроскопа з розробленими керованими елементами відгалужувачем і джерелом деполяризованого випромінювання усувається дрейф нуля за умови шумової амплітудно-фазової модуляції відгалужувача. Усунення дрейфу нуля у волоконному кільцевому інтерферометрі має місце і в новій схемі кільцевого гіроскопа, яка містить два фазових модулятори з роздільним управлінням поляризаціями.

Обгрунтовано принципово нову схему волоконних кільцевих інтерферометрів з оберненням хвильового фронту на основі голограм чи фоторефрактивних середовищ. Самокомпенсація паразитного зсуву фаз зустрічних хвиль, яка відбувається в даній схемі, дозволяє усунути дрейф нуля навіть у випадку багатомодового волокна.

Встановлено, що чутливість дослідженого волоконно-оптичного датчика тиску зростає згідно лінійному закону зі збільшенням діаметра зовнішньої оболонки і при підвищенні ступеня когерентності джерела випромінювання, досягаючи 2 мкВт/кг.

інтерферометр деполяризатор голографічний оптичний

Література

1. Белоус А.И., Григорук В.И., Запорожец В.М., Марчевский Ф.Н., Тимонин П.В., Стрижевский В.Л. Компрессия импульсов наносекундной длительности в многомодовых волоконных световодах // Вестник Киевского университета. Серия: физико-математические науки. 1987. № 28. С. 95-96.

2. Григорук В.І. Керований волоконно-оптичний відгалужувач // Укр. фіз. журн. - 2001. - № 2. - С.256-258.

3. Григорук В.І., Масловський С.О., Онисько Ю.Т. Дослідження затухання світла в коротких волоконних світловодах і біконічних переходах // Вісник Київського університету. Серія: фізико-математичні науки. - 1993. - № 3. - С. 213-216.

4. Григорук В.И., Лемешко В.В., Пасечный В.А., Стоянов А.В. Источник излучения с управляемой степенью деполяризации // Квантовая электроника. - 1992. - № 43. - С. 33-35.

5. Григорук В.І., Онисько Ю.Т., Слінченко Ю.А. Деполяризатори світла для кільцевого волоконного інтерферометра // Вісник Київського університету. Серія: фізико-математичні науки. 1996. № 1. С. 284-286.

Размещено на Allbest.ru