Оглавление. 1. Введение. 2 2. Свойства анизотропных одномодовых волоконных световодов и методики их измерения 2 2.1. Поляризационные свойства АОВС 2 2.2. Существующие типы АОВС 3 2.3. Методы измерения параметров B и h. 6 3. Описание установки 8 3.1. Схема установки. Измерение параметров B и h. 8 3.2. Пределы и погрешность измерения параметра h. 10 3.3. Пределы и погрешность измерения параметра B. 12 3.4. Проведенные измерения. 14 4. Заключение. 17 5. Список литературы. 18 1 1. Введение. Волоконные линии связи на базе волоконных световодов (ВС) изготавливаемых из кварцевого стекла с малыми потерями уже долгое время являются основным средством передачи информации. Изначальным и основным применением ВС является передача сигнала в оптических системах на большие расстояния. Кроме того, ВС могут передавать сравнительно высокие плотности мощности излучения, которое распространяется на большие длины. Это свойство позволило использовать волоконные световоды во многих приборах как основной нелинейный элемент (волоконные лазеры, усилители, рамановские конверторы и т. п.). Так же ВС находят свое применение в различного вида датчиках в качестве чувствительной части. Существует класс применений (датчики, когерентные линии связи, рамановские конверторы) [1,2] где от ВС требуется способность сохранять поляризацию на значительных длинах (100-10000 м.). Оказалось, что обычные одномодовые волоконные световоды (ОВС), используемые для телекоммуникаций, не способны поддерживать поляризацию на столь больших расстояниях. В силу технологического несовершенства (эллиптичности сердцевины и оболочки, внутренних напряжений и т.п.), а так же под влиянием внешних воздействий (сжатий, перегибов, температурных флуктуаций и т.п.) в сердцевине световода появляется двулучепреломление и возникает связь между двумя ортогонально поляризованными модами ОВС, приводящая к перекачке мощности из одной моды в другую. Как следствие, поляризация на выходе из световода имеет случайных характер, зависящий к тому же, вследствие температурных флуктуаций, от времени. Неспособность ОВС поддерживать поляризацию привела к необходимости создания нового типа световодов: анизотропных одномодовых волоконных световодов (АОВС) способных сохранять поляризацию. В АОВС с помощью технологических методов достигается большая величина внутреннего линейного двулучепреломления в сердцевине световода, тем самым уменьшается влияние неконтролируемых внешних и внутренних двулучепреломлений. В подобных световодах снимается вырождение между двумя ортогонально поляризованными модами, и появляются две собственные моды с различными скоростями распространения. При возбуждении одной из этих мод, перекачка мощности во вторую мала и поляризация сохраняется на достаточно больших длинах (в лучших АОВС 105 - 106 м). Цель работы. В рамках работ, проводимых в НЦВО по разработке технологии изготовления анизотропных световодов, способных сохранять поляризацию, была поставлена задача по созданию установки для измерения параметра B, характеризующего величину двулучепреломления, и параметра h, характеризующего способность сохранять поляризацию по длине световода. В данной работе представлено подробное описание созданной в ходе преддипломной практики установки, определены пределы измерений и рассчитаны погрешности, с которыми выполняются измерения на данной установке 2. Свойства анизотропных одномодовых волоконных световодов и методики их измерения. 2.1. Поляризационные свойства АОВС. Двулучепреломление. Двулучепреломление в световоде характеризует разность скоростей распространения двух ортогонально поляризованных мод. Постоянные 2 распространения этих мод зависят от относительного распределения мощности мод в сердцевине и в оболочке. В случае цилиндрически симметричного световода распределение мощности мод одинаково, и моды имеют одинаковые постоянные распространения. Нарушение азимутальной симметрии ОВС приводит к снятию вырождения, две ортогонально поляризованные моды распространяются с различными скоростями, и имеют различные эффективные показатели преломления. Под эффективными показателями преломления подразумеваются следующие величины: nx x ny y k k (1) (2) x, y - постоянные распространения двух ортогонально поляризованных собственных мод. k = 2 / - волновой вектор, - длина волны излучения в вакууме. Разность эффективных показателей преломления этих двулучепреломлением: B = nx - ny мод называется (3) Наряду с двулучепреломлением B, используют другой параметр - период биений LB: LB B (4) LB имеет смысл наименьшего расстояния вдоль оси световода между одинаковыми состояниями поляризации, при возбуждении обеих собственных мод световода. Способность сохранять поляризацию. В реальных АОВС, в силу технологического несовершенства изготовления, всегда присутствует асимметрия (вариации геометрических размеров, внутренние и внешние напряжения, вариации состава легирующих компонент и т.п.). Подобная асимметрия приводит к связи собственных мод световода, выражающейся в перекачке мощности из одной моды в другую. Увеличение параметра B улучшает сохранение поляризации, однако, сам по себе параметр В не дает представления о длине световода, на которой поляризация будет сохраняться. Для этих целей служит параметр h, характеризующий скорость перекачки мощности из одной моды в другую: Py ( z ) 1 (1 e 2hz ) Px ( z ) Py ( z ) 2 (5) здесь z - длина световода. 2.2. Существующие типы АОВС К настоящему моменту создано множество различных видов АОВС, способных сохранять поляризацию. Все они различаются по способам изготовления, получаемым параметрам B и h и имеют различные оптические потери. Условно двулучепреломляющие световоды можно разделить на два вида, по механизмам возникновения двулучепреломления: 3 Двулучепреломление за счет геометрической формы. У световодов этого типа двулучепреломление возникает за счет азимутальной асимметрии сердцевины световода. Наиболее распространенным видом таких световодов являются АОВС с эллиптической сердцевиной. Внешний вид АОВС с эллиптической сердцевиной представлен на рис.1а. Такие световоды получают методом шлифования заготовки [3] (см. рис.2а) или методом схлопывания заготовки при пониженном давлении [4]. Двулучепреломление за счет механических напряжений. В световодах данного типа двулучепреломление возникает за счет азимутально-асимметричных механических напряжений, которые вследствие фотоупругого эффекта приводят к разным показателям преломления для двух собственных линейно-поляризованных мод. Источником механических напряжений в световоде служат специальным образом сформированные области в оболочке световода с отличным от остального материала коэффициентом термического расширения (КТР). В случае АОВС с эллиптической напрягающей оболочкой такой областью служит эллиптическое кольцо, в центре которого находится сердцевина световода (см. рис.1б). Такие световоды получают, аналогично световодам с эллиптической сердцевиной, методом шлифования заготовки [3], методом схлопывания заготовки при пониженном давлении [4] (см. рис. 2б) или методом ковки (сплющивание заготовки) [5] (см. рис.2д). Рис.1. Типы АОВС: а) АОВС с эллиптической сердцевиной; б) АОВС с эллиптической напрягающей оболочкой; в) АОВС типа PANDA; г) АОВС типа "Галстукбабочка". В АОВС типа PANDA областью с отличным от материала оболочки КТР являются стержни, располагающиеся симметрично по обе стороны от сердцевины (см. рис.1в). Световоды типа PANDA изготавливают путем просверливания круглых отверстий и вставляя туда цилиндрические напрягающие стержни [6] (см. рис.2е). В АОВС типа "галстук-бабочка" механические напряжения в области сердцевины создают две области, по форме напоминающие галстук-бабочку (см. рис. 1.г). Для получения АОВС типа "галстук-бабочка" используют метод газового травления [7] (см. рис.2г) и метод литографии [8] (см рис.2в). В АОВС с двулучепреломлением, полученным за счет геометрической формы, величина двулучепреломления для световода с эллиптической сердцевиной ограничена значением [9] Bg 0.25( n)2 (6) 4 а) б) г) в) е) д) Рис.2. а) Метод шлифования заготовки; б) Метод схлопывания заготовки при пониженном давлении; в) Метод литографии; г) Метод газового травления; д) Метод ковки (сплющивания) заготовки; е) Метод изготовления АОВС типа PANDA. При разности показателей преломления сердцевины и оболочки n=10-2 величина двулучепреломления составляет Bg = 2.510-5. Зачастую в световодах с эллиптической сердцевиной получают двулучепреломление больше, чем должно получаться по формуле (6). Это связано с появлением механических напряжений за счет различия КТР самой сердцевины и оболочки. Различие начинает проявляться при высоких степенях легирования и при эллиптичности, превышающей 20-30%. В таких световодах можно достигать достаточно высоких величин двулучепреломления (до 410-4), но в этом случае, резко возрастают потери в световоде ( 85 dB/км на длине волны 0.85 мкм) [10]. Рост потерь связан с тем, что кварцевые стекла, из которых изготавливают сердцевину световода, обладающие высоким значением КТР по сравнению с чистым кварцем, имеют высокие оптические потери. Изготовить световод с высокой величиной двулучепреломления, при этом получив небольшие оптические потери, можно создавая между сердцевиной и напрягающими областями буферную оболочку. К таким световодам относятся световоды с эллиптической напрягающей оболочкой, АОВС типа PANDA и "галстук-бабочка". Световоды типа "галстук бабочка" формой напрягающих стержней, позволяющей получать максимальную величину механических напряжений в сердцевине при данном КТР напрягающих областей [11], однако методы изготовления таких световодов достаточно трудоемки. Несколько меньшими величинами двулучепреломления 5 обладают световоды типа PANDA. Наиболее простыми в изготовлении и обладающими наименьшими для трех приведенных типов световодов параметрами B и h, являются световоды с эллиптической напрягающей оболочкой. Они зачастую используются в приложениях, где не требуются рекордные значения параметров B и h. Наилучшие величины параметров B и h для перечисленных типов световодов представлены в таблице 1 [10]. Таблица 1. Лучшие значения АОВС. Тип АОВС Эллип. сердцевина Эллип. напр. оболочка PANDA "галстук-бабочка" параметров B и h полученные для различных видов B104 4.2 3 3 11 h106, м-1 30 1 0.5 - , dB/км 85 0.8 0.25 1.8 , мкм 0.85 1.55 1.55 1.06 2.3 Методы измерения параметров B и h. Параметр B. Большинство методов измерения двулучепреломления сводится к его измерению прямым путем: в ВС возбуждаются обе собственные моды, затем, тем или иным способом, определяется период “биений” – расстояние между точками световода с одинаковым состояниями поляризации. Наиболее простыми методами измерения являются метод рассеяния [12] и метод последовательного уменьшения длинны световода [13]. Первый метод использует зависимость интенсивности рассеянного света от состояния и направления поляризации. “Биения” можно наблюдать визуально, период биений соответствует периоду изменения интенсивности рассеянного в волокне света. Данный метод применим для любых длин волн, однако, в ИК-диапазоне измерение методом рассеяния усложняется резким уменьшением сигнала при увеличении длины волны (-4). Метод рассеяния позволяет измерять LB > 0.5 мм (B < 210-3) с точностью большей 1%. В методе последовательного уменьшения длины световода поляризатор и анализатор располагаются под углом 45 к главным осям ВС, и измеряется зависимость пропускания от длины исследуемого световода. Расстояние между состояниями с одинаковой поляризацией определяется по периоду биения интенсивности. Преимуществом этого метода является возможность его использования для любых длин волн, однако, затруднительно применение данного метода для определения периода биений меньше 10 см (B > 110-5). Кроме того, точность данного метода относительно невысока и составляет около 5-10%. Наиболее совершенными и избавленными от недостатков предыдущих методов являются метод, основанный на эффекте Фарадея [14], и метод локального давления [15]. В обоих методах свет вводится в световод параллельно одной из главных осей АОВС где, под воздействием магнитного поля либо локального давления, свет из одной поляризации частично перекачивается в другую. После прохождения исследуемого световода, свет попадает в анализатор, расположенный под углом 45 к осям АОВС. Зависимость интенсивности выходящего света от расстояния между выходным торцом световода и местом воздействия локального магнитного поля или локального давления носит периодический характер. По периоду этой зависимости определяется двулучепреломление. Данный метод предназначен для измерения LB >0.2 мм (B<610-3). Описанные методы позволяют определять величину двулучепреломления с точностью выше 2%. 6 В спектральном методе [16] измеряется спектр пропускания АОВС в скрещенных поляризаторах (расположенных под углом 45 к главным осям ВС). Вследствие интерференции между двумя поляризациями возникает модуляция интенсивности излучения в зависимости от длины волны, по которой определяется величина двулучепреломления. В работе [17] показано, что данный метод применим только для световодов с малой дисперсией параметра B (АОВС с двулучепреломлением возникающим за счет механических напряжений, при условии, что механические напряжения распределены равномерно в районе сердцевины) - АОВС типа PANDA, "Галстук-бабочка", АОВС с эллиптической напрягающей оболочкой, при небольшой эллиптичности сердцевины (<0.2). Для остальных световодов в измерение может вноситься систематическая ошибка, величина которой зависит от дисперсии параметра B. Точность измерения таким методом составляет 20-30%. Точность спектрального метода можно значительно улучшить, сделав применимым этот метод для всех типов двулучепреломляющих световодов. Для этого необходимо использовать один из более точных методов (метод, основанный на эффекте Фарадея, метод локального давления или метод рассеяния) для определения B на какой-нибудь фиксированной длине волны. В этом случае при помощи спектрального метода можно получить зависимость B() для всех длин волн, где снимался спектр и где световод еще работает в одномодовом режиме. Погрешность таких измерений может быть снижена до 5-10% [18]. Параметр h. Наиболее простым и общепринятым методом определения параметра h является поляризационно-метрический метод [19]. В АОВС вводится свет, поляризованный вдоль одной из главных осей световода. На выходе световода при помощи анализатора определяются интенсивности собственных мод световода P x и Pу и из формулы (5) определяется среднее по длине световода значение параметра h. Погрешность данного метода не превышает 5%. В отличие от поляризационно-метрического метода методы обратного рассеяния [20] и пространственного сканирования [21] позволяют изучать пространственное распределение неоднородностей приводящих к связи мод. В обоих методах поляризация света параллельна одной из главных осей световода. Метод обратного рассеяния использует эффект рэлеевского рассеяния в направлении, обратном направлению распространения света. По задержке сигнала рассеяния от распространяющегося короткого импульса определяется расстояние от места ввода света в ВС до места рассеяния, что позволяет изучать зависимость интенсивности основной (возбужденной) поляризации и поляризации, в которую перекачивается мощность, от расстояния до места ввода света. Метод пространственного сканирования использует разность скоростей распространения собственных мод АОВС. По задержке сигнала невозбужденной моды относительно моды, в которую вводился свет, при помощи оптического гетеродинирования, определяется расстояние, на котором произошла перекачка мощности из одной моды в другую. Метод обратного рассеяния позволяет определять зависимость P x/Py(z), однако не позволяет определять распределение неоднородностей, приводящих к перекачке мод. Метод пространственного сканирования, в свою очередь, позволяет изучать распределение неоднородностей вдоль ВС, однако не дает зависимости P x/Py(z). Таким образом, метод обратного рассеяния и метод пространственного сканирования дополняют друг друга и позволяют получать полную информацию о распространении поляризованного света в ВС. Погрешность определения h методом обратного рассеяния не превышает 5%. 7 Определить нижний предел измерения поляризационно-метрического метода и метода обратного рассеяния по литературе довольно затруднительно. Известно, что поляризационно-метрическим методом были измерены значения h-параметра вплоть до 0.510-6 [6], методом обратного рассеяния - вплоть до 510-6 [20]. 3. Описание установки. 3.1 Схема установки. Измерение параметров B и h. За время преддипломной практики была собрана установка для измерения параметров B и h. Схема установки представлена на рис.1 Измерение параметра h. Для измерения параметра h могли быть выбранными два метода: поляризационно-метрический метод и метод обратного рассеяния. В данной установке используется поляризационно-метрический метод, как более простой в осуществлении и, кроме того, позволяющий измерять более низкие значения параметра h, чем метод обратного рассеяния. На рис.1а представлена схема установки для измерения параметра h. Рис.3. Схема установки для измерения параметра h. Свет от источника белого света 1 при помощи линзы 2 преобразуется и направляется на поляризатор 3, где излучение поляризуется параллельно одной из главных осей АОВС 5 и вводится в световод линзой 4. Линза 6 преобразует выходящий из световода свет в параллельный пучок, после чего анализатором 8 изучается состояние поляризации выходящего света на выходе из световода. Фильтр 9 вырезает из всего спектра источника белого света полосу шириной ~ 150 нм в районе 1.3 мкм, после чего оптическое излучение попадает на фотоприемник 10. Помимо перечисленных элементов используется прерыватель 7 и усилитель типа lock-in, для синхронного детектирования сигнала. Измерения параметра h проходят следующим образом: в световод вводится свет, поляризованный параллельно одной из главных осей световода (ось x), а на выходе, при помощи анализатора измеряются интенсивности света поляризованного 8 параллельно осям x и y. Зная интенсивности Px и Py из формулы (5) определяем величину h: h Px ( L) Py ( L) 1 ln P ( L) P ( L) 2L y x (6) L - длина исследуемого световода. Широкополосный источник используется во избежание эффекта интерференции, усложняющего определение осей и, кроме того, для спектрального усреднения сигнала с целью уменьшения шумов (измерение волокна с B = 210-5, L 20 м широкополосным источником аналогично усреднению по 100 измерениям на одной длине волны [16, 20]). Отношение сигнал : шум в описываемой установке составило 500:1. Измерение параметра B. Проводить измерение параметра B можно несколькими способами: методом рассеяния, методом последовательного уменьшения длины световода, методом, основанном на эффекте Фарадея, методом локального давления и, наконец, спектральным методом. Метод рассеяния и метод скола можно сразу исключить - первый в силу его применимости только для видимого диапазона (большинство световодов используются в ИК-диапазоне и имеют отсечку свыше 1 мкм), второй в силу невозможности определять двулучепреломление B больше 110-5. Метод, основанный на эффекте Фарадея, и метод локального давления наиболее приемлемы для измерения параметра B, но имеют недостаток - величина B определяется только для одной фиксированной длины волны, в то время как может потребоваться измерение B для различных длин волн. Кроме того, создание установки основанной на методе Фарадея или локальном давлении более трудоемко, чем для остальных методов. Исходя из выше сказанного, для измерения параметра B, был выбран спектральный метод, с тем, чтобы, впоследствии дополнив его методом локального давления, иметь возможность определять величину B для любых длин волн. На рис.1б представлена схема установки для измерения параметра B. Свет из источника белого света 1 преобразуется линзой 2 в параллельный пучок, который проходит через поляризатор 3 оси которого расположены под углом 45 к собственным осям световода. Линза 4 фокусирует пучок света на входном торце волокна 5. Из волокна 5 свет сразу попадает в спектроанализатор (Anritsu) с поляризационночувствительным входом. Волокно 5 ориентируется таким образом, чтобы собственные оси световода находились под углом 45 к поляризационным осям в спектроанализаторе. Характерный спектр такой системы представлен на рисунке 5. На спектре можно видеть модуляцию интенсивности, возникающую за счет разности постоянных распространения двух собственных мод световода. По периоду модуляции определяется величина длины биений и параметра B: Lbeat L B Lbeat (7) (8) 9 Рис.4. Схема установки для измерения параметра B. Рис.5. Спектр пропускания световода, прописанный в скрещенных поляризаторах 3.2 Пределы и погрешность измерений параметра h. Возмущения, приводящие к связи мод, можно разделить на внешние и на внутренние. К внешним возмущениям относятся двулучепреломления обусловленные, прежде всего, несимметричными напряжениями в сердцевине световода, возникающими из-за различного рода перегибов, скруток и поперечных напряжений [22, 23]. Во-вторых, это двулучепреломления, наведенные электрическим или магнитным полем (эффект Керра и эффект Фарадея) [24, 25]. И, в третьих, это флуктуации двулучепреломления вследствие изменения внутренних механических напряжений, обусловленных температурными флуктуациями [9, 26]. При измерении параметра h важно, по возможности, избавиться от внешних возмущений, и измерять параметр h, возникающий под воздействием внутренних возмущений. Как показывают экспериментальные исследования, внешние возмущения достаточно легко контролируемы, и от большинства из них можно избавиться аккуратной намоткой световода на катушку и исключением из области измерений сильных электромагнитных полей и температурных градиентов. 10 Верхний предел измерения h. Максимальная величина параметра h, которую мы способны измерить, ограничена минимальной длиной исследуемого световода и чувствительностью световода к внешним возмущениям при вводе и выводе света. Основную погрешность вносит фиксирование световода без защитной оболочки в треугольной канавке (для ввода и вывода света). За счет давления стенок канавки и прижимающего элемента на световод, в световоде появляется добавочное двулучепреломление, завышающее в итоге измеряемую величину параметра h. Для того, что бы уменьшить вклад в измерение h такого рода погрешностей, необходимо, чтобы основная длина световода была аккуратно намотана на катушку. В этом случае основной вклад в измеряемый сигнал будет вносить перекачка мощности, происходящая в "стационарных" условиях. Как показано в параграфе 3.4, для световодов с h 0.510-2 эту проблему можно решить, используя длины световодов свыше 20 м. Взяв, минимальное отношение Px:Py, которое можно измерять, равным 3:1 (при меньшем отношении Px:Py погрешность определения параметра h превысит 20%), мы можем оценить максимальную величину параметра h, которую можно измерить: 1 Px Py 2 h ln 10 2 L Px Py (9) Надо отметить, что измерение столь больших величин h скорее представляет теоретический интерес, так как у большинства сильно двулучепреломляющих световодов h < 10-3. Нижний предел измерения параметра h. Более интересным является ограничение на минимальную величину h, которую можно измерить при помощи данной установки. Теоретически, взяв достаточно большую длину исследуемого световода, можно измерить сколь угодно малое h. Однако, начиная с некоторой длины световода, рост сигнала Py в невозбужденной моде за счет перекачки мощности Px из собственной моды, в которую вводился свет, будет компенсироваться затуханием в световоде. Длину световода, на которой сигнал невозбужденной моды Py достигнет максимального значения можно определить по формуле: Lопт 4.3 (dB / км) (10) Рассчитаем по этой формуле оптимальную для измерений длину световода с уровнем потерь, характерным для такого типа световодов (α = 2 dB/км): Lопт ≈ 2100 м. Минимальное значение Py, которое возможно измерить, ограничено уровнем шума. Отношение сигнал : шум в описываемой установке составляет 500:1. Для того чтобы измерить параметр h с точностью хотя бы 50% необходимо, что бы Py превышал уровень шума в три раза. После прохождения длины световода Lопт, сигнал Px уменьшится на 4.3 dB или в e (2.7) раз. Отсюда имеем отношение Px:Py = 60:1 Теперь можно оценить минимальный параметр h, который можно измерить на нашей установке: 11 hmin P Py 1 ln x Lопт Px Py (11) При α = 2 dB/км hmin = 1.6·10-5 м-1. Надо отметить, что минимальное значение h, получаемое в лучших двулучепреломляющих световодах, достигает величин порядка 10-6 м-1, что на порядок меньше предела измерения нашей установки, тем не менее, на стадии отработки технологии изготовления АОВС, существующей чувствительности установки вполне достаточно. При необходимости, расширить нижний предел измерения можно, повышая отношение сигнал : шум. В данный момент ведутся работы по усовершенствованию установки в этом направлении. Точность измерения параметра h. Отношение сигнал : шум составляет, на оптимальной длине 180:1, поэтому точность измерений может варьироваться в зависимости от уровня измеряемого сигнала в пределах 1-20% и вблизи нижнего предела измерения достигать 50%. Точность измерения Px, Py за счет неоднородности поляризатора составляет около 5-10%. Суммируя можно утверждать, что точность измерения составляет 20%, вблизи нижнего предела измерения точность может понизиться до 50%. 3.3 Пределы и погрешность измерения параметра B. Период модуляции, по которому определяется величину параметра B, зависит от соотношения двулучепреломления и длины измеряемого световода. Подбирая длину световода можно добиться того, чтобы с одной стороны период модуляции был больше разрешения системы, а с другой стороны позволял измерять B в относительно небольшом спектральном диапазоне. Верхний предел измерения параметра B. Максимальное значение параметра B, которое можно измерить, ограничено минимальной длиной измеряемого световода и минимальным спектральным периодом модуляции. Геометрические параметры установки не позволяют измерять световод длиной меньше 20 см. Минимальное разрешение, достигаемое на установке, составляет 1 нм, период биений должен быть больше 3 - 4 нм. Оценим максимальное двулучепреломление, измеряемое на установке: Lbeat B L Lbeat 0.2 мм. (12) 6 103 (13) Нижний предел измерения параметра B. Минимальное значение параметра B ограничено максимальной длиной измеряемого световода и максимальным периодом модуляции. 12 Максимальная длина измеряемого световода ограничена, по всей видимости, только связью мод, приводящей к уменьшению глубины биений, и зависит от величины параметра h измеряемого световода. С одной стороны, чем меньше B, тем большую длину световода необходимо взять для измерения. С другой стороны, чем меньше величина B, тем больше параметр h и на тем меньшей длине свет будет распространяться без существенной перекачки энергии из одной моды в другую. Отсутствие однозначной зависимости h(B) затрудняет оценку нижнего предела измерений, поэтому нижний предел измерений можно оценить лишь приблизительно. Среди исследованных световодов наименьшее значение параметра B было получено в световоде P 843, где величина параметра B составила 2·10-5 (Lbeat = 6 см.). Длина исследуемого световода равнялась 1.5 м., а h 0.006 м-1 (10% мощности перекачиваются из одной поляризации в другую на длине 20 м.). По построенной в параграфе 3.4 зависимости h(B) можно попытаться оценить нижний теоретический предел измерения параметра B. Зависимость близка к экспоненциальной и, полагая B0, получим h00.03. Кроме того, при малых величинах параметра B значительную роль будет играть связь мод, возникающая за счет внешних факторов (ввод-вывод света, различные изгибы и т.п.) и существенно завышающая величину h0. Суммируя, можно предположить, что при уменьшении B в несколько раз в световодах с длинами вплоть до 5-10 м не будет происходить существенной перекачки мощности. Предполагая период модуляции 50 нм, получим Lbeat 20 см., B 6·10-6. Точность измерения параметра B. Известно, что основной систематический вклад в погрешность измерения спектральным методом, дает дисперсия двулучепреломления. Действительно, разность набега фаз между двумя ортогонально поляризованными модами световода длиной l равна: l ( x y ) l k ( nx n y ) l k B l x, y - постоянные распространения по осям x и y, k - постоянная распространения в свободном пространстве. При изменении k на k разность набега фаз изменится на : d dB l k ( B k ) l k dk dk (14) Расстояние между минимумами на спектре определяется условием: = 2 (15) Таким образом, определяя по периоду модуляции величину B, мы, на самом деле, получаем B dB k dk Подробно этот вопрос рассмотрен в работе [14, 15], где показано, что в АОВС с двулучепреломлением, наведенным механическими напряжениями, однородными в сердцевине (при эллиптичности сердцевины меньше 0.2-0.3), вклад дисперсии не 13 превышает 10-20%. В световодах с высокой эллиптичностью сердцевиной и при наличии механических напряжений, возникающих за счет эллиптичности сердцевины, вклад дисперсии вследствие неоднородного распределения напряжений внутри и вне сердцевины может увеличиться и превысить 100%, делая подобные измерения недостоверными. Таким образом, данный метод применим для световодов типа "PANDA", "галстукбабочка" и АОВС с эллиптической напрягающей оболочкой, при условии, что эллиптичность сердцевины не превышает 0.3. Погрешность данного метода в этом случае не превышает 20%. 3.4 Проведенные измерения. В рамках тестирования установки и определения пределов и точности измерения были проведены измерения имеющихся в нашем распоряжении двулучепреломляющих световодов. Измерение параметра h. Измерения проводились для двух образцов двулучепреломляющих световодов: 1. Световод с эллиптической сердцевиной P843. 2. Световод с эллиптической напрягающей оболочкой СК-66П1/2. 1. Для определения верхнего предела измерения параметра h был изучен образец P843, обладающий самой низкой величиной двулучепреломления B и, соответственно, самым высоким значением h, среди исследуемых образцов. Измерения проводились для пяти различных длин данного световода: 1, 5, 20, 32 и 36 метров. В ходе измерений было установлено, что в измеряемое значение параметра h вносится систематическая ошибка, за счет избыточной перекачки мощности при вводе и выводе света из волокна. При неаккуратном фиксировании концов световода измеряемое значение параметра h могло увеличиваться на порядок. Систематическая ошибка была уменьшена путем более аккуратного фиксирования световода. Было установлено, однако, что для уменьшения вклада внешнего двулучепреломления при вводе и выводе света до уровня ошибок измерений, необходимо при измерениях использовать образцы световодов длинами, превышающими 20-30 м. График зависимости измеренной величины параметра h от длины измеряемого световода представлен на рис. 6. Значение коэффициента связи мод для световода P 843 составило h=(5.60.5)10-3. Рис.6. Зависимость измеренного значения параметра h от длины световода P843. 14 2. Для определения факторов ограничивающих минимальное значение h, которое можно измерить на собранной установке, был исследован образец СК-66П1/2 с эллиптической напрягающей оболочкой. Данный световод был получен методом ковки (сплющивания) заготовки, на рис.7 представлена фотография торца данного световода. Рис.7. Двулучепреломляющий световод СК-66П1/2 с эллиптической напрягающей оболочкой, изготовленный методом ковки. Показано: 1 - напрягающая оболочка, 2 отражающая оболочка, 3 - сердцевина. 3 2 1 Оптические потери на длине волны 1.3 мкм в данном световоде составили 32 dB/км. Оптимальная длина, рассчитанная по формуле (10), составила при таком уровне потерь 130 м, что ограничило диапазон измерения параметра h значением 310-4 м-1. Измерения параметра h проводились для двух образцов световода, длиной 20 и 310 метров. При длине световода 20 м измеряемый сигнал Py моды, поляризация которой перпендикулярна поляризации вводимого в световод излучения, в пять раз превышал уровень шума. Измеренное значение h составило величину 510-4. Погрешность измерения составила 20%. При измерении световода длиной 310 м было установлено, что сигнал Py не превышает уровня шумов. Отношение Py : Pшум составило 14:1. По этим данным была сделана оценка параметра h: h 2.510-4 м-1. Такое различие между измеренными на разных длинах величинами параметра h можно объяснить избыточной связью мод, возникающей при вводе и выводе света из световода. Это заключение подтверждается данными, приведенными в статье [10], где показано, что для измерения h в световодах с высоким двулучепреломлением необходимо использовать образцы этих световодов длиной свыше 200 м. Результаты проведенных измерений приведены в таблице 2. Таблица 2. Результаты измерения параметра h для световода СК-66П1/2. L, м. Py/Px Pшум/Px h, м-110-4 погрешность 20 0.9% 0.2% 5 20% 310 7% 7% 2.5 - Измерение параметра B. Измерения проводились для следующих двулучепреломляющих световодов: 1. Световоды с эллиптической напрягающей оболочкой, СК-66П1/2 и СК-66П2/2. 2. Световод с эллиптической сердцевиной, P 843. 15 3. Световод с эллиптической напрягающей оболочкой, HB 860. 1. Измерения световодов СК-66П1/2 и СК-66П2/2 проводились для определения факторов, ограничивающих минимально измеряемую величину двулучепреломления B. На рис.8 а, б представлены спектры этих световодов, прописанные в скрещенных поляризаторах. Рис.8. Спектры световодов СК-66П1/2 прописанные в скрещенных поляризаторах. (слева) и СК-66П2/2 (справа), Рассчитанные по формулам (7) и (8) длина биений Lbeat и двулучепреломление B составили соответственно 10 мм и 1.310-4 для образца СК-66П1/2, и 6.5 мм и 210-4 для образца СК-66П2/2. Длины обоих образцов были 130 см. Малая "глубина" биений на представленных спектрах связана с тем, что период биений сравним с разрешением, с которым прописывается спектр. 2. В рамках исследования пределов измерения параметра B собранной установки, был исследован световод P 843 с наименьшим, среди имеющихся в распоряжении образцов, двулучепреломлением. Рассчитанные по формулам (7) и (8) длина биений Lbeat и двулучепреломление B составили соответственно 56 мм и 2.310-5 . 3. Для проверки точности измерения параметра B был исследован световод HB 860 с эллиптической напрягающей оболочкой, с известной величиной двулучепреломления и способности сохранять поляризацию. Фотография торца световода представлена на рис.9. Рис.9. Двулучепреломляющий световод HB 860 с эллиптической напрягающей оболочкой. 16 Величина двулучепреломления, вычисленная по периоду биений, составила 2.710-4, в то время как величина B, полученная общепринятым методом составила 2.8510-4, откуда можно видеть, что ошибка измерений не превысила 6%. Зависимость параметра h от параметра B. Для оценки нижнего предела измерения величины двулучепреломления B, по имеющимся данным была построена зависимость способности сохранять поляризацию от величины двулучепреломления в логарифмическом масштабе (см. рис.8). Видно, что зависимость близка к линейной, устремляя B 0, получим h 0.020.01. Рис.8. Зависимость способности сохранять поляризацию h от величины двулучепреломления B. Linear approximation 0.01 1E-4 h, m -1 1E-3 1E-5 1E-6 1E-7 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 B 4. Заключение. 1. Создана установка для измерения коэффициента связи мод h и двулучепреломления B анизотропных световодов. 2. Изучены пределы измерения установки и погрешность, с которой проводятся измерения. Показано, что измерения параметра h на созданной установке можно производить в пределах от 110-5 м-1 до 10-2 м-1. Погрешностью измерения в диапазоне 310-5 м-1 до 10-2 м-1., не превышает 20%, в пределах от 10-5 м-1 до 310-5 м-1 - не превышающей 50%. Измерения параметра B можно проводить в диапазоне от 610-6 до 610-3 с точностью, не ниже 20% для двулучепреломляющих световодов типа "PANDA", "Галстук-бабочка" и АОВС с эллиптической напрягающей оболочкой при эллиптичности сердцевины, не превышающей 0.3. 3. В рамках определения пределов и погрешности измерений были исследованы четыре образца двулучепреломляющих световодов. Для этих образцов получены следующие значения параметров B и h: СК-66П1/2 B = 1.310-4, h 2.510-4 м-1 СК-66П2/2 B = 210-4 HB 860 B = 2.710-4 P 843 B = 2.310-5, h = 5.610-3 м-1 Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю Семенову С.Л. и заведующему лабораторией Бубнову М.М. за предложенную тему и помощь в 17 подготовке работы, а также Беловолову М.И. и Чаморовскому предоставленные образцы АОВС, способных поддерживать поляризацию. Ю.К. за 5. Список литературы. 1. R.Bergh, H.Lefevre, and N.Shibato. "An overview of fiber-optic gyroscopes". J. Lightwave Tech., V. LT-2, No 2, pp. 91-107 (1984). 2. T.Kimura. "Coherent optical fiber transmission". J. Lightwave Tech. V. LT-5, No 4, pp. 414-428 (1987). 3. R.H.Stolen, V.Ramaswamy, P.Kaiser, and W.Pleibel. "Linear polarisation in birefringent single-mode fibres". Appl. Phys. Lett. V. 33, pp. 699-701 (1978). 4. T.Katsuma, H.Matsumura, and T.Suganuma. "Reduced Pressure Collapsing MCVD Method for Single Polarisation Optical Fibers". J. Lightwave Tech., V. LT-2, No 5, pp. 634639 (1984). 5. R.H.Stolen, W. Pleibel, and J.R.Simpson. "High-birefringence optical fiber by preform deformation". J. Lightwave Tech., V. LT-5, No 5, pp. 639-641 (1984). 6 Y.Sasaki, T.Hosaka, K.Takada, J.Noda. "8-km long polarisation-maintaining fiber with highly stable polarisation state". Elect. Lett., V. 19, No19, pp.792-794 (1983). 7. R.D.Birch, D.N.Payne, M.P.Varnham. "Fabrication of polarisation-maintaining fibers using gas-phase etching". Electron. Lett., V. 18, No 24, pp. 1036-1038 (1982). 8 R.H.Stolen, R.E.Howard, W.Pleibel. "Substrate-tube lithography for optical fibers". Electron. Lett., V. 18, No 18, pp. 764-765 (1982). 9. S.Rashleleigh. "Origins and control of polarization effect in single-mode fibers". J. Lightwave Tech., V. LT-1, No 2, pp.312-331 (1983). 10. J.Noda, K. Okamoto, and Y.Sasaki. "Polarization-maintaining fibers and their applications". J. of Lightwave Tech. V. LT-4, N.8, pp. 1071-1089 (1986). 11. M.Varnam, D.Payne, A.Barlow, and R.Birch. "Analytic solution for the birefringence produced by thermal stress in polarisation-maintainig optical fibers". J. of Lightwave Tach. V. LT-1, N.2, pp.332-339 (1983). 12. W.Eickhoff and O.Krumpholz. "Determination of the ellipticity of monomode glass fiber from measurement of scattered light intensity". Electron. Lett., V. 12, No 16, pp. 405-407 (1976). 13. F.P.Kapron, N.F.Borelli, and D.B.Keck. "Birefringence in dielectric optical waveguides". IEEE J. Quantum Electron., V. QE-8, No 2, pp. 222-225 (1972). 18 14. A.Simpson and R.Ulrich. "Evolution of polarisation a single mode fiber". Appl. Phys. Lett., V. 31, No 8, pp. 517-520 (1977). 15. K.Takada, J.Noda, and r.Ulrich. "Precision measurement of modal birefringence of highly birefringence fibers by periodic lateral force". Appl. Opt., V. 24, No 24, pp. 4387-4391 (1985). 16. K.Kikuchi and T.Okoshi. "Wavelength-sweeping technique for measuring the beatlength of linearly birefringent optical fibers". Opt. Lett. V.8, p. 122 (1983). 17. S.C.Rashleigh. "Measurement of fiber birefringence by wavelength scanning: effect of dispersion". Opt. Lett., V. 8, No 6, pp. 336-338 (1983). 18. S.C.Rashleigh. "Wavelength dependence of birefringence in highly birefringent fiber". Opt. Lett., V. 7, No 6, pp. 294-296 (1982). 19. S.C.Rashleigh, W.K.Burns, R.P.Moeller, and R.Ulrich. "Polarisation holding in birefringent single-mode fiber". Opt. Lett., V. 7, No 1, pp. 40-42 (1982). 20. M. Nakazawa, N.Shibata, M.Tokuda, and Y.Negishi. "Measurements of polarisation mode coupling along polarisation-maintaining single-mode optical fibers". J. Opt. Soc. Amer. A, V. 1, No 3, pp. 285-292 (1984). 21. K.Takada, J.Noda, and K.Okamoto. "Measurement of spatial distribution of mode coupling in birefringence polarisation-maintaining fiber with new detection scheme". Opt. Lett., V. 11, No 10, pp.680-682 (1986). 22. J.Sakai and T.Kimura. "Birefringence and polarisation characteristics of single-mode optical fibers under elastic deformations". IEEE J. of Quant. Elect., V. QE-17, No 6, pp. 1041-1051 (1981). 23. R.Ulrich, S.C.RAshleigh, and Eickhoff. "Bending-induced birefringence in single-mode fiber". Opt. Lett., V. 5, No 6, pp. 273-275 (1980). 24. J.M.Pziedric, R.H.Stolen, A.Ashkin. "Optical Kerr effect in long fibers". Appl. Opt., V. 20, No 18, pp. 1403-1406 (1981). 25 K.Takada, J.Noda, R.Ulrich. "Precision measurement of modal birefringence of highly birefringence fiber by periodic lateral force". Appl. Opt., 1985, V. 24, No24, pp 4387-4391 (1985). 26 K.Okamoto, Y.Sasaki, and N.Shibato. "Mode coupling effect in stress-applied single polarisation fibers". IEEE J. Quant. Electron. V. QE-18, N.11, pp1890-1894 (1982). 19
