автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:ИК-поляриметрия волноводных оптических элементов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

На правах рукописи

Ерофеева Мария Сергеевна

ИК-ПОЛЯРИМЕТРИЯ ВОЛНОВОДНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Специальность 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2006

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Дмитриев Александр Леонидович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Новиков Игорь Алексеевич

кандидат технических наук Нурмухамедов Леон Хасенович

Ведущая организация:

ООО Научно-производственная фирма «ПРОЭЛ»

Защита состоится« 19 » декабря 200 6 года в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д.212.227.01 «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы» при Санкт-Петербургском Государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан« 03 » ноября 200 6 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.М. Красавцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Волоконные и интегрально-оптические волноводы являются важнейшими компонентами современных оптических систем передачи и обработки информации. Развитие и расширение областей практического применения таких систем непосредственно связаны с улучшением физико-технических характеристик используемых в них волноводных оптических элементов. Достижение максимальных скоростей передачи сигналов, высокой помехозащищенности оптических систем передачи, предельных чувствительности и точности волоконно- и интегрально-оптических измерителей и датчиков физических полей возможны лишь при строгом контроле и коррекции поляризационных характеристик составляющих их оптических элементов. Так, если несколько лет назад в качестве основных физических параметров волоконных световодов, применяемых в оптической связи, указывались оптические потери, хроматическая и волноводная дисперсии, то сегодня стало обязательным указание величины поляризационной дисперсии таких световодов. Не менее важное значение поляризационные характеристики волоконно- и интегрально-оптических элементов приобретают в разработках высокочувствительных оптических измерителей угловой скорости вращения (волоконных и интегрально-оптических гироскопах) и датчиках физических (электрических, магнитных, температурных и др.) полей. Современные требования к уровню развязки ортогонально-поляризованных мод световых волн в таких устройствах нередко превышают значение 35 дБ. При разработках высокоточных измерительных устройств и приборов волоконной и интегральной оптики необходим учет тонких поляризационных искажений, возникающих уже на стадии ввода оптического излучения в волновод.

Обзор публикаций по теме диссертации позволяет выявить основные тенденции в развитии техники ИК-поляриметрии: существенно возросли показатели и технический уровень электронных, специализированных оптоволоконных и оптических (например, поляризационных фильтров) компонентов и устройств, улучшены характеристики используемых в них источников и приемников оптического излучения, что в целом способствует увеличению точности ИК-поляриметров. Применение современных способов компьютерной обработки сигналов, разработка соответствующих аналитических программ обеспечивают удобство восприятия поступающей информации и быстродействие поляриметров. При этом стоимость такого оборудования сравнительно высока, что ограничивает его доступность.

При всей важности и актуальности проблем поляриметрии волноводных оптических элементов ИК-диапазона длин волн, развитие этого научного направления оптической техники до последнего времени носило частный, разрозненный характер. Систематических исследований, посвященных оптической волноводной ИК-поляриметрии не производилось. Хотя сегодня известны зарубежные промышленные образцы ИК-поляриметров,

предназначенных для измерений поляризационных параметров оптоволокна, эти измерители обладают сравнительно низкой точностью и не могут в достаточной мере обеспечить требуемый учет и контроль ряда тонких поляризационных эффектов, например, искажений поляризации излучения при его вводе в оптический волновод. Ряд важных научно-технических проблем, имеющих принципиальное значение для практики ИК-поляриметрии волноводных оптических элементов, изучен недостаточно.

Целью диссертационной работы является улучшение технических показателей оптических систем передачи и обработки информации ИК-диапазона длин волн посредством анализа и коррекции поляризационных характеристик используемых в них волоконно- и интегрально-оптических элементов.

Для достижения указанной цели в диссертации решались следующие основные задачи:

анализ современного состояния устройств и методов измерений поляризационных характеристик излучения в ближней ИК-области спектра (0.8 - 1.6 мкм);

теоретическое исследование особенностей распространения поляризованного излучения в волоконно- и интегрально-оптических волноводах;

определение физических и технических факторов, влияющих на точность поляриметрических измерений характеристик оптических волноводов;

разработка и изготовление экспериментального стенда для высокоточных поляриметрических исследований волоконно- и интегрально-оптических элементов в ИК-диапазоне длин волн (0.85 и 1.3 мкм);

измерение поляризационных характеристик образцов волоконных и интегрально-оптических элементов в ИК-диапазоне длин волн.

Научная новизна работы состоит в том, что

установлена зависимость величины поляризационной помехи, создаваемой фокусирующим объективом при вводе излучения в волновод, от величины относительного отверстия объектива; впервые выполнено экспериментальное исследование эффекта Фарадея в маломодовом волоконном световоде большой (800 м) длины; установлена нелинейная зависимость измеряемой величины фарадеевского угла вращения от напряженности магнитного поля; разработан и изготовлен стенд для поляриметрических исследований волоконных и интегрально-оптических волноводов с широким диапазоном измерений степени поляризации в ИК-области спектра; получены новые экспериментальные результаты по поляризационным характеристикам волноводных и интегрально-оптических элементов:

неоднородность степени поляризации в поперечном сечении одномодового ВС, особенности влияния упругих деформаций в одно- и многомодовых ВС на поляризацию распространяющегося в нем излучения, периодическая зависимость величины степени поляризации на выходе волоконно-катушечного поляризатора от азимута преимущественной плоскости поляризации вводимого излучения; экспериментально показано, что деполяризация ТМ-моды канальных прямого и изогнутого интегрально-оптических волноводов меньше, чем деполяризация ТЕ-моды этих волноводов.

Научные положения и результаты, выдвигаемые на защиту:

1. Поляризационная помеха в волоконно- и интегрально-оптических волноводах возникает уже на стадии ввода поляризованного излучения в волноводы, при этом относительная мощность ортогонально поляризованного излучения в волноводе возрастает пропорционально четвертой степени относительного отверстия фокусирующего объектива.

2. Магнитооптический эффект Фарадея в волоконных световодах, находящихся в контакте с электрическим проводником, создающим магнитное поле, сопровождается возникновением двулучепреломления, обусловленного фотоупругим эффектом при механической деформации оптоволокна.

3. В одномодовом волоконном световоде, возбуждаемом линейно поляризованным светом, степень поляризации излучения в поперечном сечении выходного пучка уменьшается от центра к периферии.

4. Степень поляризации оптического излучения на выходе катушечного поляризатора периодически зависит от азимута преимущественной плоскости поляризации вводимого излучения, при этом ее величина изменяется на 5-6%;

5. В прямом и изогнутом канальных интегрально-оптических волноводах степень деполяризации излучения ТЕ-моды волновода выше, чем степень деполяризации ТМ-моды волновода.

6. Одномодовые волоконные световоды поляризационно более устойчивы к влиянию локальных механических деформаций, чем многомодовые световоды.

Практическая ценность диссертации и использование полученных результатов

Научные результаты исследования необходимы для формулировок практических рекомендаций при разработках высокоточных ИК-поляриметров волноводных оптических элементов, волоконно- и интегрально-оптических гироскопов, датчиков физических полей, могут быть использованы при разработках высокоскоростных оптических систем передачи и обработки информации, а также эффективных методик и способов уменьшения поляризационных помех и повышения точности

измерений. Результаты диссертационной работы полезны в учебном процессе технических ВУЗов, при создании современных курсов лекций по специальностям 072300 «Лазерная техника и лазерные технологии», 071700 «Физика и техника оптической связи» и др.

Личный вклад автора

Разработка и изготовление экспериментального стенда для поляриметрических измерений характеристик волноводных оптических элементов в ИК-диапазоне длин волн, полученные экспериментальные результаты и основные теоретические расчеты выполнены лично автором.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы обсуждались на XXXIII научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2004), Первой конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2004), Шестой Международной конференции «Прикладная оптика 2004» (Санкт-Петербург, 2004), XXXIV научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2005), XXXV научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2006).

Публикации

Материалы диссертационной работы опубликованы в 4 научных, в том числе рецензируемых, журналах и в тезисах докладов.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы 150 страниц основного текста. 39 рисунка. 3 таблиц и списка литературы, содержащего 108 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации; рассмотрена степень научной разработанности проблемы; сформулированы цель и задачи диссертационной работы, ее научная новизна и практическая значимость; представлены основные результаты работы, выносимые на защиту.

В первой главе работы уточнено определение терминов «поляризованное излучение», «поляриметрия», «поляриметрические измерения». Приведены методы описания полностью и частично-поляризованного света и принципиальные схемы поляриметров с оценкой точности измерений поляризационных характеристик оптического излучения.

Рассмотрены оптические схемы поляриметров с вращающимся анализатором, вращающейся фазовой пластинкой и неподвижным анализатором, а также четырехканальные схемы для измерения параметров Стокса.

Во второй главе рассматриваются особенности распространения поляризованного излучения в оптических (волоконных и интегральных) волноводах. Кратко обсуждены физические процессы, возникающие в реальных волноводах (потери, рассеяние, модовый шум, дисперсия).

Распространение световых волн в волноводах строго описывается на основе уравнений Максвелла. Решение этих уравнений с использованием известных граничных условий позволяет получить явные выражения для всех составляющих поля. Решение характеристического уравнения для направляемых мод волноводов дает два бесконечных множества дискретных допустимых значений постоянной распространения /?. Решения характеристического уравнения, для которых величина Р вещественна, определяют дискретный набор волноводных мод, которые распространяются без ослабления вдоль волокна и экспоненциально затухают на больших расстояниях от оси волокна г. В случае, когда показатели преломления сердцевины и оболочки (слоев волновода) близки, т.е. при относительном показателе преломления Д « 1, модовая структура и характеристическое уравнение существенно упрощаются. Этот случай всегда реализуется на практике в волоконно-оптической связи, при этом электромагнитное поле можно представить в виде суперпозиции линейно-поляризованных мод (ЬР)„5, продольные компоненты которых пренебрежимо малы по сравнению с поперечными (порядка Д1/2).

Для многомодовых световодов, в которых показатель преломления слабо изменяется на расстояниях порядка длины волны света, распространение световых волн можно описать, используя приближение геометрической оптики. В рамках геометрического приближения волноводными эффектами можно пренебречь, но его применение требует предварительного обоснования, так как незначительные по величине волноводные эффекты, которые практически не проявляются в традиционной оптике, накапливаясь по его длине, могут оказать существенное влияние на процесс распространения излучения в световоде. Распространение света в

одномодовых волоконных световодов можно рассматривать только с учетом волноводных эффектов.

При распространении излучения по оптическим волноводам неизбежны энергетические потери, обусловленные эффектами поглощения и рассеяния излучения на неоднородностях и примесях. Кроме того, возможны радиационные потери вследствие нарушения условий полного внутреннего отражения (например, связанных с изгибами волноводов). При анализе распространения поляризованного излучения по оптическим волноводам следует учитывать межмодовые взаимодействия, которые изменяют поляризационные свойства прошедшего через волновод излучения, а также потери на микроизгибах и неоднородностях, приводящих к частичной деполяризации излучения.

В таких устройствах, как линии оптической связи гетеродинного типа и волоконные датчики, выходной сигнал должен иметь заданную и постоянную поляризацию. В главе рассмотрены основные свойства волоконных световодов с сохранением поляризации.

Третья глава посвящена проблемам ИК-поляриметрии волноводных оптических элементов. Учитывая особенности распространения оптического излучения по оптоволокну, рассмотренные во второй главе, отмечены преимущества использования источников излучения ИК-диапазона длин волн применительно к разработкам и изготовлению волоконных датчиков физических полей, оптических гироскопов.

При распространении линейно-поляризованного оптического излучения по волноводу, строго говоря, всегда происходит изменение поляризационных характеристик излучения. Рассматриваются две причины возникновения таких изменений. Во-первых, частичная деполяризация излучения возникает на микронеоднородностях в объеме материала волновода и на границе раздела сердцевина-оболочка (канал-подложка ИО-волновода). Во-вторых, изменение поляризационных характеристик (азимута и эллиптичности выходного оптического излучения) происходит вследствие изменения разности фаз ортогональных составляющих поляризованного излучения при его распространении по волноводу. Такое изменение разности фаз может происходить при изменении температуры, при деформациях волокна (изгибе, скручивании, внешних механических деформациях). Выбор типа оптической схемы ИК-поляриметра волноводных оптических элементов определяется объемом информации, необходимым для решаемой задачи. На практике часто учитывается лишь величина перекрестной поляризационной помехи. Для ее оценки достаточно вычислить эффективную степень поляризации, равную отношению разности к сумме экстремальных значений фототока фотоприемника, регистрируемых в двух взаимно-ортогональных положениях анализатора. При этом информация о величине полностью поляризованной составляющей в выходном излучении отсутствует. При измерениях величины перекрестной помехи целесообразно использовать схему ИК-поляриметра с вращающимся анализатором. При определении качества прямых волоконно-оптических световодов измерение эффективной степени

поляризации недостаточно, необходимо знание всех поляризационных параметров выходного излучения (параметров Стокса). В этом случае необходимо использовать поляриметр, содержащий, по крайней мере, вращающуюся фазовую пластинку. Для быстрых измерений целесообразно использование четырехканальных оптических схем. Задачи, связанные с точным определением положений осей быстрой и медленной скоростей в двулучепреломляющих волокнах, могут быть решены с применением интерференционных поляриметров.

В данной главе рассмотрена одна из специальных схем современных волноводных ИК-поляриметра, дана критическая оценка. Рассмотрены факторы, обеспечивающие высокую точность поляриметрических измерений (высокая поляризующая способность поляризаторов), и известные способы ее увеличения (дифференциальные схемы), приведен анализ шумов, возникающих при детектировании оптических сигналов посредством ФПУ.

Одной из особенностей ИК-поляриметрии волноводных оптических элементов является обязательное использование в оптической схеме устройств ввода излучения в волновод (микрообъективов, шариковых линз, граданов). Приведен обзор публикаций, посвященных исследованию искажений поляризационной структуры излучения при его фокусировке. Поляризационная структура светового поля в окрестности фокуса собирающей линзы теоретически исследовалась разными авторами, в частности, в связи с проблемами флуоресцентной микроскопии. Результаты таких исследований обычно представляются графически и их трудно использовать в практических оценках. В имеющихся публикациях обычно отсутствует информация о величине перекрестной поляризационной помехи, возникающей на стадии ввода поляризованного излучения в волновод. Выполнен теоретический расчет искажений поляризации излучения, прошедшего через тонкую положительную линзу. Используя формулы Френеля, получены простые соотношения, характеризующие такие искажения. При углах падения, меньших угла Брюстера, фаза световой волны, проходящей идеальную границу раздела стекло-воздух, не изменяется, то есть тип линейной поляризации прошедшего света сохраняется. Для каждой точки плоскости, располагаемой непосредственно за линзой, с полярными координатами (И, а) азимут линейно поляризованного выходного излучения изменяется на величину

1 А2

Г«—(1) 4 Г

где / — фокусное расстояние линзы (начало координат в центре линзы). Качественная картина искажений поляризационной структуры при прохождении линейно-поляризованного излучения через тонкую собирающую линзу показана на рис. 1. Фокусирующие объективы, применяемые при вводе излучения в оптические волноводы, нередко выполнены в виде блоков склеенных линз и имеют просветляющие покрытия, что принципиально может влиять на фазовые соотношения между

падающей и прошедшей волнами в разных точках сечения фокусируемого пучка. В этих случаях поляризация лучей света, прошедших разные участки объектива, вообще говоря, становится эллиптической и общая картина поляризационных аберраций, создаваемых таким объективом, существенно

Уровень перекрестной помехи, создаваемый фокусирующим элементом, может быть прямо оценен из известной величины относительного отверстия фокусирующего элемента. В работе приведены расчетные значения уровня поляризационных искажений, в дБ, для различных относительных отверстий линзы.

В литературе рассматриваются способы коррекции таких искажений. Например, предлагается предварительно преобразовать форму поляризации входного оптического излучения в циркулярную. В волоконных и интегрально-оптических устройствах применение линейно-поляризованного света часто является принципиальным, поэтому указанный метод не может быть применен. В настоящее время проблема коррекции поляризационных искажений, вносимых фокусирующими элементами, в ИК-поляриметрии волноводных оптических элементов в полной мере не решена. В данной главе также кратко описано действие микродиафрагм и щелей на поляризационную структуру прошедшего излучения.

Четвертая глава диссертации посвящена теоретическому и экспериментальному изучению магнитооптического эффекта Фарадея в волоконных световодах (ВС), который представляет большой практический интерес при разработках оптических датчиков магнитных полей, а также волоконно-оптических гироскопов, при определении условий достижения их предельной чувствительности.

усложняется.

Подстановкой (1) в (2), находим:

Рис. 1. Ориентация электрических векторов линейной поляризации излучения в сечении пучка света, прошедшего плосковыпуклую линзу; поляризация падающего на линзу излучения - вертикальная

(3)

Приведен обзор литературы по эффекту Фарадея в волоконных световодах. В известных экспериментах по изучению эффекта Фарадея в волоконных световодах использовались короткие отрезки волокон (длиной от 5 до 50 м), длина волны источника излучения выбиралась, как правило, в видимой области спектра (например, 0.63 мкм).

В экспериментальной части работы исследован эффект Фарадея в протяженном (длиной 800 м) маломодовом волоконном световоде на длине волны 0.85 мкм. Линейно-поляризованное излучение инжекционного лазера (полупроводниковый модуль типа МПД-1-1А, длина волны 0.85 мкм, мощность излучения 1 мВт, частота модуляции - 20 кГц) с заданной ориентацией плоскости поляризации света относительно осей большой и малой скоростей двулучепреломляющего волокна вводилось в световод. Катушка оптического волокна помещалась внутри тороидальной электрической катушки с большим (2000) числом витков. Посредством поляризационного балансного фотодетектора выполнялся контроль состояния поляризации излучения на выходе волоконного световода в зависимости от величины и направления магнитного поля в катушке. Исследования эффекта Фарадея в волоконном световоде производились в постоянном, а также переменном токе (для анализа состояния поляризации в переменном токе использовался метод фигур Лиссажу). Схема экспериментальной установки показана на рис. 2.

Рис. 2. Экспериментальная схема установки: 1 - генератор импульсов Г5-54, 2 - блок питания лазера, 3 - полупроводниковый лазер, 4 - волоконный кабель, 5, 7, 9 - микрообъективы, 6 - линейный поляризатор (призма Томпсона), 8 - катушка оптического волокна с тороидальной электрической обмоткой, 10- балансный фотосмеситель (содержит расщепитель поляризации 11 и полупроводниковые фотоприемники 12, 13 марки ФД9-К), 14 -сумматор, 15 - селективный усилитель У2-8, 16 - осциллограф С1-49

В момент включения электрического тока наблюдался небольшой выброс показаний измерительного прибора, после чего происходил медленный дрейф выходного сигнала, пропорционального углу вращения плоскости поляризации света. Вследствие омических потерь при длительном (несколько сек) прохождении тока электрическая обмотка нагревалась, при этом тепловые потоки действовали на внешние участки катушки волоконного световода. Разогрев волокна влиял на характеристики

О-

.3 4

5 6 7

тт

16 15

14 13 11 о

^-Г-'

10

выходного оптического излучения, вызывая медленное непрерывное изменение величины выходного напряжения. Измерительная установка обеспечивала регистрацию мгновенного значения выходного напряжения. По результатам измерений построена зависимость величины угла поворота у/ плоскости поляризации от величины напряженности Н магнитного поля, создаваемого тороидальной катушкой (рис. 3).

Как видно из рис. 3, в области положительных значений

магнитного поля Н

выполняется почти линейная зависимость ^ ос ' Н, при отрицательных значениях Н величина фарадеевского угла вращения существенно

уменьшается. Установлено, что наблюдаемая нелинейность не является следствием

аппаратных ошибок измерений.

Угол вращения у/ плоскости поляризации излучения в световоде, находящегося в аксиальном магнитном поле, определяется соотношением

^ = (4)

где V — постоянная Верде, Н - напряженность магнитного поля, Ь -длина световода, (11 — элемент длины световода. Экспериментальное значение угла вращения при напряженности магнитного поля 300 А/м на длине волны 0.85 мкм равно 11.5°.

В исследуемой катушке световода электрический провод находился в непосредственном механическом контакте с внешними витками катушки оптоволокна. При прохождении тока витки электрической обмотки деформируются и воздействуют на световод. Вследствие эффекта фотоупругости в оптоволокне возникает дополнительная разность фаз А между ортогонально-поляризованными компонентами излучения. При этом ориентация вектора механической деформации для различных участков оптоволокна различна. В работе показано, что при изменении поляризационных параметров (азимута и эллиптичности) выходного оптического излучения вследствие эффекта фотоупругости изменяется и величина измеряемого угла фарадеевского вращения плоскости поляризации, что является причиной наблюдаемой нелинейности. Типичная временная запись выходного сигнала при последовательном включении электрического тока в прямом и обратном направлениях приведена на рис. 4.

14 -

-6 --8 -

Рис. 3. Экспериментальная зависимость угла поворота цг плоскости поляризации от величины напряженности Я магнитного поля

0 5У 2« 0.9^ 2»

....! !

—7

Рис. 4. Примеры различия измеряемых величин углов фарадеевского вращения в оптоволокне при изменении знака вектора магнитного поля

Изменение выходного сигнала при одновременном изменении температуры и механической деформации может быть проиллюстрировано измерениями выходного сигнала в переменном магнитном поле. Регистрация сигнала осуществлялась методом фигур Лиссажу. При этом на У-вход осциллографа подавался выходной электрический сигнал, на Х-вход -управляющий сигнал переменного тока с частотой 100 Гц и амплитудой ± 1А. Характер получаемых зависимостей свидетельствует о наличии случайной составляющей сигналов, приводящей к дрейфу оптических параметров выходного излучения (разности фаз ортогональных составляющих).

Пятая глава работы посвящена экспериментальному изучению поляризационных характеристик различных волоконных и интегрально-оптических элементов в ИК-диапазоне длин волн (1.3 мкм). Схема разработанного ИК-поляриметра приведена на рис. 5.

Рис. 5. Оптоэлектронная схема ИК-поляриметра: 1 - лазерный диод (1^0-401); 2, 5, 7 -микрообъективы (20х); 3 — ирисовая диафрагма; 4, 8 - линейные поляризаторы (призмы Томпсона); 6 — исследуемый волновод; 9 - фотодиод (Р0-1180); 10-модулятор амплитуды тока лазерного диода; 11 — генератор синусоидального напряжения; 12 -преобразователь ток-напряжение; 13 — селективный усилитель; 14 - синхронный детектор; 15 — фильтр низких частот; 16 - цифровой вольтметр.

Излучение полупроводникового лазерного диода мощностью 10 мВт с длиной волны 1.32 мкм коллимируется, проходит линейный поляризационный фильтр и фокусируется на входной поверхности исследуемого волновода 6. Степень линейной поляризации прошедшего поляризатор 4 излучения не менее 0.99995; качество линейных поляризаторов Томпсона оценивалось по пропусканию двух скрещенных призм 4, 8. Числовая апертура сфокусированного микрообъективом 5 пучка света меньше или близка к 1. Механические узлы поляриметра установлены на амортизированной массивной плите-основании, элементы 1, 6 и 9 закреплены на трехкоординатных микропозиционерах. Точность отсчета азимутальных углов вращений поляризатора 4 и анализатора 8 не менее 20 угловых минут.

Излучение одномодового лазерного диода амплитудно модулировалось изменением тока накачки. Для измерения интенсивности оптического сигнала использовалась схема синхронного детектирования, в которой амплитуда электрического шума выходного напряжения не превышала значения младшего разряда цифрового вольтметра. В качестве приемника оптического сигнала использовался фотодиод Р0-1180. Фототок преобразовывался в напряжение с помощью прецизионного операционного усилителя и поступал на усилительный каскад, выполняющий функцию полосового фильтра. Отфильтрованный в полосе частот 1 кГц - 25 кГц аналоговый сигнал поступал на вход синхронного выпрямителя на базе аналогового перемножителя. При этом опорным сигналом являлся сигнал от генератора синусоидального напряжения с частотой 12 кГц. Этот же сигнал являлся опорным и для модулятора амплитуды тока лазерного диода. Напряжение с выхода аналогового перемножителя поступало через фильтр нижних частот на цифровой вольтметр с максимальной чувствительностью 0,1 мВ. Амплитуда электрического шума на выходе схемы не превышала значения младшего разряда цифрового вольтметра. Дополнительно форма и амплитуда электрических сигналов контролировались цифровым запоминающим осциллографом РСБ500.

Электронная аппаратура регистрации выходного сигнала обеспечивала линейный динамический диапазон измерений мощности оптического сигнала величиной более 45 дБ. Принципиально устройство при времени интегрирования сигналов более 1 сек позволяет расширить линейный диапазон измерений мощности сигнала до уровня 50-65 дБ.

Степень Р поляризации ИК-излучения, прошедшего исследуемый образец оптического волновода, рассчитывалась согласно известному выражению

где /тах и /тт соответственно максимальный и минимальный выходные сигналы, регистрируемые фотоприемником 9 при вращении анализатора 8.

Для большинства практических приложений измерение, на основе (5), величины относительной мощности (1-/*) излучения, переходящего в ортогональную поляризационную моду, достаточно полно характеризует качество исследуемого волновода. В связи с этим в описываемых измерениях анализ степени взаимной когерентности основной и деполяризованной составляющих прошедшего волновод пучка света (то есть определение, является ли выходной сигнал эллиптически или частично линейно-поляризованным) не производился.

Образцами исследуемых оптических волноводных устройств являлись одно- и многомодовые волоконные световоды, волоконный катушечный поляризатор, прямой и изогнутый интегрально-оптические волноводы — элементы, наиболее часто применяемые в разработках высокоточных оптических гироскопов и измерителей физических полей.

При закреплении оптических волокон в корпусе измерительного устройства неизбежны локальные деформации световода, вызывающие механические напряжения в его объеме. В результате эффекта фотоупругости в сердцевине световода возникает искусственное двулучепреломление, обусловливающее изменение постоянных распространения ортогонально-поляризованных мод ВС на величину А/?,

где С — коэффициент, характеризующий фотоупругие свойства волокна (при Я = 0.63 мкм равен 2.7x106 рад/м), Г - погонная сдавливающая сила (в Н/м), Е — модуль Юнга материала волокна, г — радиус световода. Влияние таких деформаций на искажения поляризации излучения исследовалось при установке калиброванных грузов (гирь) различной массы на горизонтально расположенный участок оптоволокна длиной 10 мм на расстоянии 80 мм от входного торца световода (см. рис. 6); при этом защитная полимерная оболочка световода диаметром 350 мкм на участке деформации волокна не удалялась. Измерения искажений поляризации производились при разных азимутах вектора линейной поляризации света, вводимого в световод.

Измерена степень поляризации излучения на выходе прямолинейного отрезка многомодового волокна с диаметром сердцевины 55 мкм, диаметром оболочки 125 мкм и длиной 170 мм от массы грузов, вызывающих локальные механические напряжения в оптоволокне. Степень поляризации Р излучения, прошедшего даже короткий участок многомодового волокна, сравнительно невелика и существенно зависит от азимута поляризации вводимого излучения. Механические напряжения, создаваемые грузами массой в

80 мм

Рис. 6. Механическая деформация волоконного световода

несколько единиц-десятков грамм, изменяют величину Р на 5-6 %. Аналогичные измерения проведены для одномодового волоконного световода с однородной сердцевиной диаметром 9 мкм, внешней оболочкой диаметром 125 мкм и длиной 5000 мм. Основная часть световода уложена на цилиндре (катушке) диаметром 190 мм. Измеренная степень поляризации ИК-излучения на выходе такого световода превышает 0.975 и влияние локальных искусственных деформаций оптоволокна сравнительно невелико при ортогональной ориентации вектора деформации и азимута плоскости поляризации вводимого света. Максимальное относительное изменение степени поляризации Р при действии грузов массой 100-150 грамм составляет 0.2-2 %. Результаты измерений приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Влияние механических деформаций на степень поляризации Р излучения

тип ВОЛОКНА МАССА ГРУЗА, Г. АЗИМУТ ВХОДНОГО ЛИНЕЙНО-ПОЛЯРИЗОВАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (ОТНОСИТЕЛЬНО ВЕКТОРА ДЕФОРМАЦИИ)

45° 90° 135°

многомодовый СВЕТОВОД 0 0.290 ±0.001 0.803 ±0.001 0.427 ±0.004

5 0.291 ±0.002 0.795 ± 0.006 0.431 ±0.003

10 0.295 ±0.003 0.774 ± 0.002 0.422 ± 0.002

20 0.296 ±0.002 0.750 ± 0.002 0.458 ±0.002

одномодовый СВЕТОВОД 0 0.99882 ± 0.00007 0.99890 ±0.00010 0.99884 ± 0.00007

100 0.99120 ±0.00010 0.99820 ± 0.00020 0.99014 ± 0.00008

150 0.97700 ±0.00020 0.99710 ±0.00010 0.97590 ± 0.00020

Результаты (см. табл. 1) соответствуют усредненному в плоскости поперечного сечения оптоволокна (интегральному) значению степени поляризации света на выходе световода. Распределение степени поляризации Р излучения в разных точках сечения оптоволокна может носить сложный характер, что особенно характерно для многомодовых световодов.

На рис. 7 приведено экспериментально полученное распределение степени поляризации Р в поперечном сечении пучка света, выходящего из одномодового (длина волны 1.32 мкм) оптоволокна длиной 5000 мм.

При измерениях пространственного распределения степени поляризации излучение на выходе световода коллимировалось, перед фотоприемником устанавливалась микродиафрагма диаметром 0.10 мм и сканирование поперечного сечения пучка света на выходе анализатора 8 (рис. 5) производилось посредством двухкоординатного микропозиционера. На рис. 7 характерно уменьшение степени поляризации света в направлении от центра к периферии пучка.

Описанный ИК-поляриметр использовался при измерениях параметров и качества волоконно-оптического катушечного поляризатора, выполненного в виде нескольких витков одномодового оптоволокна с эллиптической сердцевиной, намотанного на цилиндр диаметром 40 мм. Экспериментальная зависимость степени поляризации света на выходе такого поляризатора от азимутального угла вектора линейной поляризации вводимого ИК-излучения (в полярных координатах) представлена на рис. 8.

Рис. 7. Пространственное распределение степени поляризации излучения в поперечном сечении пучка света на выходе одномодового волоконного световода

Рис. 8. Степень поляризации излучения на выходе катушечного поляризатора при различных азимутах поляризации входящего линейно-поляризованного света

ОРИЕНТАЦИЯ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ входного ИЗЛУЧЕНИЯ ПРЯМОЙ ио-волновод ОТВЕТВИТЕЛЬ-ИЗОГНУТЫЙ ВОЛНОВОД

ВЕРТИКАЛЬНАЯ (ТМ) 0.942 ± 0.002 0.89 ±0.01

ГОРИЗОНТАЛЬНАЯ (ТЕ) 0.926 ± 0.005 0.81 ±0.02

Направление вектора преимущественной поляризации входного пучка по отношению к осям двулучепреломления оптоволокна определяет величину степени поляризации. Максимальная степень поляризации (Р = 0.9994) выходного излучения волоконно-оптического катушечного поляризатора периодически, с периодом к рад, изменяется.

С использованием описанного поляриметра производилось измерение степени поляризации ИК-излучения на выходе канальных интегрально-оптических (ИО) волноводов, изготовленных по методу ионного обмена в расплаве азотнокислого калия в кварцевом стекле. Исследовались прямой канальный оптический волновод длиной 70 мм и изогнутый волновод с радиусом кривизны 20 мм, соединенный с ИО-ответвителем. Последний выполнен на основе связанных волноводов с длиной взаимодействия 1.5 мм. Ширина канальных волноводов 5 мкм, эффективная толщина — 3 мкм. Результаты измерений степени поляризации излучения на выходе ИО-волноводов при их возбуждении линейно-поляризованным излучением с длиной волны 1.33 мкм и направлениями векторов поляризации, параллельном (ТЕ) и перпендикулярном (ТМ) базовой плоскости ИО-волновода приведены в Таблице 2.

Таблица 2.

Степень поляризации ИК-излучения на выходе канальных волноводов

Деполяризация излучения в канальных ИО-волноводах существенно зависит от дефектов (шероховатости) границ волноводов и наличия неоднородностей в его объеме, прямо влияющих на величину оптических потерь волновода. Характерно, что вертикально-поляризованные (ТМ) моды рассмотренных как прямого, так и изогнутого волноводов менее деполяризованы, чем ТЕ-моды. Значительная деполяризация излучения в изогнутом волноводе, по-видимому, связана с несовершенствами соединенного с ним волноводного ИО-ответвителя.

Минимальный регистрируемый сигнал на выходе электронного усилителя измерительной схемы составлял несколько единиц-десятков мкВ, максимальная амплитуда выходного электрического сигнала 3.9 В. При сравнительно высокой (свыше 0.98) степени поляризации исследуемого ИК-излучения абсолютная погрешность измерения степени поляризации достигала величины 10"5. При уменьшении степени поляризации исследуемого излучения до уровня 0.6 — 0.8 точность измерения степени поляризации также уменьшалась до значений в пределах 10"4—10"3. Погрешность выполняемых измерений уменьшается благодаря синхронному детектированию регистрируемых сигналов с большим (от долей до единиц секунд) временем накопления сигнала, а также при использовании известных методов их статистической обработки (среднее значение и дисперсия степени поляризации обычно оценивались на основе 12-15 отдельных измерений величины Р). Дальнейшее увеличение точности измерений возможно при улучшении внешних условий эксперимента (снижения уровня механических вибраций измерительного стенда, флуктуаций температуры, давления и влажности окружающей среды), стабилизации мощности используемого лазерного излучателя, а также при использовании поляризационных фильтров более высокого качества.

В Заключении изложены основные результаты работы. Выполненное в настоящей диссертационной работе теоретическое и экспериментальное исследование особенностей применения ИК-поляриметров для измерения поляризационных характеристик волноводных оптических элементов подтверждает актуальность и перспективность дальнейшего проведения работ в данном научном направлении. На основании проведенных экспериментов могут быть сформулированы практические рекомендации, полезные для разработчиков различных волоконно- и интегрально-оптических устройств.

В Приложении приведены полная электрическая схема ИК-поляриметра, характеристики использовавшихся в работе излучателя и приемника, внешний вид исследованных образцов волоконных оптических элементов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Рассмотрены особенности использования ИК-поляриметров для измерений поляризационных характеристик волоконно- и интегрально-оптических волноводов;

2. Получена аналитическая зависимость относительной величины поляризационной помехи, создаваемой фокусирующим объективом, используемым при вводе излучения в волновод, от относительного отверстия объектива;

3. Впервые выполнено экспериментальное исследование эффекта Фарадея в маломодовом протяженном (более 800 м) волоконном световоде на длине волны 0.85 мкм; установлена и объяснена нелинейная зависимость измеряемой величины фарадеевского угла вращения от напряженности магнитного поля в оптоволокне;

4. Разработан и изготовлен стенд для поляриметрических исследований волоконных и интегрально-оптических волноводов с линейным динамическим диапазоном измерений мощности выходного оптического сигнала до 55 дБ в ИК-области спектра (1.3 мкм);

5. Получены новые экспериментальные данные по измерениям поляризационных характеристик волноводных и интегрально-оптических элементов в диапазоне длин волн 1.3 мкм, в том числе

а. показана неоднородность степени поляризации излучения в поперечном сечении одномодового ВС,

б. исследованы особенности влияния локальных деформаций в одно- и многомодовых ВС на поляризацию распространяющегося в нем излучения,

в. установлена периодическая зависимость степени поляризации света на выходе волоконно-катушечного поляризатора от азимута преимущественной плоскости поляризации вводимого ИК-излучения,

г. показано систематическое различие величин степени поляризации излучения ортогональных ТЕ- и ТМ-мод, распространяющихся в прямом и изогнутом канальных интегрально-оптических волноводах.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. М.С. Ерофеева, А.Л. Дмитриев. Эффект Фарадея в волоконном световоде в ближней ИК-области спектра. Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 15. Теория и практика современных технологий / Под ред. В.Н. Васильева. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2004. С. 84-87.

2. М.С. Ерофеева. Эффект Фарадея в волоконных световодах. Вестник конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО. Сборник научных трудов / Под ред. В.Л. Ткалич. Т.1. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2004. С. 36-41.

3. М.С. Ерофеева, А.Л. Дмитриев. Поляризационные искажения, вносимые микрообъективом при возбуждении волоконного световода. Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО / Под ред. В.Н. Васильева. — СПб: СПбГУ ИТМО, 2006.

Введение.

ГЛАВА 1. Поляризованное оптическое излучение.

1.1. Полностью и частично-поляризованное излучение.

1.2. Матричные методы описания поляризованного света.

1.2.1. Параметры Стокса и метод Мюллера.

1.2.2. Метод сферы Пуанкаре.

1.2.3. Вектор и метод Джонса.

1.2.4. Метод матрицы когерентности.

1.3. Устройства и методы поляризационных измерений.

1.3.1. Одноканальные поляриметры (с вращающимся анализатором, фазовой пластинкой).

1.3.2. Многоканальные поляриметры.

ГЛАВА 2. Распространение излучения в оптических волноводах.

2.1. Распространение излучения в идеальных оптических волноводах.

2.2. Распространение излучения в реальных оптических волокнах.

2.3. Влияние изгибов и деформаций оптоволокна на распространение оптического излучения.

2.4. Волоконные световоды с сохранением поляризации оптического излучения.

ГЛАВА 3. ИК-поляриметрия волноводных оптических элементов.

3.1. Особенности ИК-поляриметрии волноводных оптических элементов.

3.2. Деполяризация излучения при его прохождении через фокусирующие элементы, щели и отверстия.

3.3. Интерференционная волноводная иоляриметрия.

3.4. Точность поляризационных измерений и способы ее увеличения.

3.4.1. Шумы при фотодетектировании оптических сигналов.

3.4.2. Дифференциальные (балансные) фотодетекторы.

3.4.3. Поляризующая способность линейных поляризаторов.

ГЛАВА 4. Поляриметрия эффекта Фарадея в волоконных световодах.

4.1. Магнитное вращение плоскости поляризации света в оптоволокне.

4.2. Экспериментальное исследование эффекта Фарадея в протяженном волоконном световоде.

4.2.1. Описание экспериментального стенда.

4.2.2. Методика и результаты измерений.

4.2.3. Обсуждение результатов.

ГЛАВА 5. Экспериментальная ИК-поляриметрия волоконных и интегрально-онтических элементов.

5.1. Стенд для поляриметрических исследований оптических волноводов.

5.2. Измерения степени поляризации излучения на выходе оптических волноводов.

5.2.1. Одно- и многомодовые волоконные световоды.

5.2.2. Волоконно-оптический катушечный поляризатор (ВКП).

5.2.3. Канальные интегрально-онтические волноводы.

5.3. Точность поляризационных измерений.

Волоконные и интегрально-оптические волноводы являются важнейшими компонентами современных оптических систем передачи и обработки информации. Развитие и расширение областей практического применения таких систем непосредственно связаны с улучшением физико-технических характеристик используемых в них волноводных оптических элементов. Достижение максимальных скоростей передачи сигналов, высокой помехозащищенности оптических систем передачи, предельных чувствительности и точности воло-конно- и интегрально-оптических измерителей и датчиков физических полей возможны лишь при строгом контроле и коррекции поляризационных характеристик составляющих их оптических элементов. Так, если несколько лет назад в качестве основных физических параметров волоконных световодов, применяемых в оптической связи, указывались оптические потери, хроматическая и волноводная дисперсии, то сегодня стало обязательным указание величины поляризационной дисперсии таких световодов. Не менее важное значение поляризационные характеристики волоконно- и интегрально-оптических элементов приобретают в разработках высокочувствительных оптических измерителей угловой скорости вращения (волоконных и интегрально-оптических гироскопах) и датчиках физических (электрических, магнитных, температурных и др.) полей. Современные требования к уровню развязки ортогонально-поляризованных мод световых волн в таких устройствах нередко превышают значение 35 дБ. При разработках высокоточных измерительных устройств и приборов волоконной и интегральной оптики необходим учет тонких поляризационных искажений, возникающих уже на стадии ввода оптического излучения в волновод.

Обзор публикаций по теме диссертации позволяет выявить две основные тенденции в развитии техники ИК-поляриметрии: во-первых, существенно возрастают показатели и технический уровень электронных, специализированных оптоволоконных и оптических (например, поляризационных фильтров) компонентов и устройств; во-вторых, улучшаются параметры используемых источников и приемников оптического излучения. В целом это способствует увеличению технических характеристик ИК-поляриметров. Применение современных способов компьютерной обработки сигналов, разработка соответствующих аналитических программ обеспечивают удобство восприятия информации и быстродействие поляриметров. При этом стоимость такого оборудования сравнительно высока, что ограничивает его доступность.

При всей важности и актуальности проблем поляриметрии волноводных оптических элементов ИК-диапазона длин волн, развитие этого научного направления оптической техники до последнего времени носило частный, разрозненный характер. Систематических исследований, посвященных оптической волноводной ИК-поляриметрии в диапазоне длин волн 0.85-1.55 мкм не производилось. Сегодня известны зарубежные промышленные образцы ИК-поляриметров, предназначенные для измерений поляризационных параметров оптоволокна, однако эти измерители обладают сравнительно низкой точностью и не могут в достаточной мере обеспечить требуемый учет и контроль тонких поляризационных эффектов в волноводах (например, искажений поляризации излучения при его вводе в оптический волновод). Ряд важных научно-технических проблем, имеющих принципиальное значение для практики ИК-поляриметрии волноводных оптических элементов, изучен недостаточно.

Целью диссертационной работы является улучшение технических показателей оптических систем передачи и обработки информации ИК-диапазона длин волн посредством анализа и коррекции поляризационных характеристик используемых в них волоконно- и интегрально-оптических элементов.

Для достижения указанной цели в диссертации решались следующие основные задачи: анализ современного состояния устройств и методов измерений поляризационных характеристик излучения в ближней ИК-области спектра (0.8 -1.6 мкм); теоретическое исследование особенностей распространения поляризованного излучения в волоконно- и интегрально-оптических волноводах; определение физических и технических факторов, влияющих на точность поляриметрических измерений характеристик оптических волноводов; разработка и изготовление экспериментального стенда для высокоточных поляриметрических исследований волоконно- и интегрально-оптических элементов в ИК-диапазоне длин волн (0.85 и 1.3 мкм); измерение поляризационных характеристик образцов волоконных и интегрально-оптических элементов в ИК-диапазоне длин волн.

Научная новизна работы: установлена зависимость величины поляризационной помехи, создаваемой фокусирующим объективом при вводе излучения в волновод, от величины относительного отверстия объектива; впервые выполнено экспериментальное исследование эффекта Фарадея в маломодовом волоконном световоде большой (800 м) длины; установлена нелинейная зависимость измеряемой величины фарадеевского угла вращения от напряженности магнитного поля; разработан и изготовлен специализированный стенд для поляриметрических исследований волоконных и интегрально-оптических волноводов с широким динамическим диапазоном измерений величины степени поляризации в ИК-области спектра; получены новые экспериментальные результаты по поляризационным характеристикам волноводных и интегрально-оптических элементов: неоднородность степени поляризации в поперечном сечении одномодового ВС, особенности влияния упругих деформаций в одно- и многомодовых ВС на поляризацию распространяющегося в нем излучения, периодическая зависимость величины степени поляризации на выходе волоконно-катушечного поляризатора от азимута преимущественной поляризации вводимого излучения; экспериментально показано, что деполяризация ТМ-моды канальных прямого и изогнутого интегрально-оптических волноводов меньше, чем деполяризация ТЕ-моды этих волноводов.

Научные положения и результаты, выдвигаемые на защиту:

1. Поляризационная помеха в волоконно- и интегрально-оптических волноводах возникает уже на стадии ввода линейно-поляризованного излучения в волноводы, при этом относительная мощность ортогонально поляризованного излучения в волноводе возрастает пропорционально четвертой степени относительного отверстия фокусирующего объектива.

2. Магнитооптический эффект Фарадея в волоконных световодах, находящихся в прямом контакте с электрическим проводником, создающим магнитное поле, сопровождается возникновением двулучепреломления в световодах, обусловленным фотоупругим эффектом при механической деформации оптоволокна.

3. В одномодовом волоконном световоде, возбуждаемым линейно поляризованным светом, степень поляризации излучения в поперечном сечении выходного пучка уменьшается от центра к периферии.

4. Степень поляризации оптического излучения на выходе катушечного поляризатора периодически зависит от азимута преимущественной плоскости поляризации вводимого излучения, при этом ее величина изменяется в среднем на 5-6%.

5. В прямом и изогнутом канальных интегрально-оптических волноводах степень деполяризации излучения ТЕ-моды волновода выше, чем степень деполяризации ТМ-моды волновода.

6. Одномодовые волоконные световоды поляризационно более устойчивы к влиянию локальных механических деформаций, чем многомодовые световоды.

Практическая ценность диссертации и использование полученных результатов. Научные результаты исследования могут быть использованы для формулировок практических рекомендаций при разработках высокоточных ИК-поляриметров волноводных оптических элементов, волоконно- и интегрально-оптических гироскопов, датчиков физических полей, функциональных устройств при разработках высокоскоростных оптических систем передачи и обработки информации, а также при разработках эффективных методик и способов уменьшения поляризационных помех и повышения точности измерений. Результаты диссертационной работы полезны в учебном процессе технических ВУЗов, при создании современных курсов лекций по специальностям 072300 «Лазерная техника и лазерные технологии», 071700 «Физика и техника оптической связи» и др.

Личный вклад автора. Разработка и изготовление экспериментального стенда для поляриметрических измерений характеристик волноводных оптических элементов в ИК-диапазоне длин волн, полученные экспериментальные результаты и основные теоретические расчеты выполнены лично автором.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждались на XXXIII научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2004), Первой конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2004), Шестой Международной конференции «Прикладная оптика 2004» (Санкт-Петербург, 2004), XXXIV научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2005), XXXV научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2006).

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 4 научных, в том числе рецензируемых, журналах и в тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы 150 страницы основного текста, 39 рисунков, 3 таблиц и списка литературы, содержащего 108 наименований.

Основные результаты диссертационной работы:

1. Рассмотрены характерные особенности использования ИК-поляриметров для измерений поляризационных характеристик волоконно- и интегрально-оптических волноводов;

2. Получена аналитическая зависимость относительной величины поляризационной помехи, создаваемой фокусирующим объективом, используемым при вводе излучения в волновод, от относительного отверстия объектива;

3. Впервые выполнено экспериментальное исследование эффекта Фарадея в маломодовом протяженном (длиной 800 м) волоконном световоде на длине волны 0.85 мкм; установлена и объяснена нелинейная зависимость измеряемой величины фарадеевского угла вращения от напряженности магнитного поля в оптоволокне;

4. Разработан и изготовлен стенд для поляриметрических исследований волоконных и интегрально-оптических волноводов с линейным динамическим диапазоном измерений мощности выходного оптического сигнала величиной до 55 дБ в ИК-области спектра (1.3 мкм);

5. Получены новые экспериментальные данные по измерениям поляризационных характеристик волноводных и интегрально-оптических элементов в диапазоне длин волн 1.3 мкм, в том числе а. показана неоднородность степени линейной поляризации излучения в поперечном сечении одномодового ВС, б. исследованы особенности влияния локальных механических деформаций в одно- и многомодовых ВС на поляризацию распространяющегося в нем излучения, в. установлена периодическая зависимость степени поляризации света на выходе волоконно-оптического катушечного линейного поляризатора от азимута преимущественной плоскости поляризации вводимого ИК-излучения, г. показано систематическое различие величин степени поляризации излучения ортогональных ТЕ- и ТМ-мод, распространяющихся в прямом и изогнутом канальных интегрально-оптических волноводах.

В целом, результаты выполненной работы должны способствовать эффективному решению важных прикладных задач улучшения технических показателей широкого класса оптических измерительных систем и систем передачи и обработки информации, что имеет существенное значение для развития и совершенствования оптических и оптико-электронных приборов и комплексов.

Заключение

Поляриметрия долгое время развивалась как метод исследования физических характеристик материалов и сред, основанный на измерениях величины степени поляризации и угла вращения плоскости поляризации света. Классическая поляриметрия использовалась для определения величин двулучепреломле-ния и дихроизма прозрачных материалов, концентрации веществ в растворах, физических характеристик поверхностных и объемных рассеивателей оптического излучения. С появлением и активным развитием волноводной оптики ИК-диапазона длин волн область применения поляриметрии, в том числе и область поляризационных измерений значительно расширилась. Поляризованное излучение и поляриметрические методы измерений и контроля качества оптических элементов широко используются в волоконно-оптических системах и устройствах уплотнения информации в каналах связи, в когерентной оптической связи и играют принципиально важную роль в разработках высокочувствительных волноводных гироскопов и датчиков физических полей.

В настоящее время разрабатываются методы получения линейно поляризованного света с рекордно высокой, до 10"9, степенью поляризации, что открывает новые возможности прецизионного оптического контроля качества оптических элементов, в том числе и волноводных. Поляриметрия, использующая излучение с высокой степенью линейной поляризации, может быть весьма тонким инструментом измерений малых оптических неоднородностей кристаллов, качества волоконно- и интегрально-оптических элементов и в целом успешно дополнять известные интерферометрические методы контроля характеристик и качества оптических элементов.

1. Снопко В.Н. Поляризационные характеристики оптического излучения и ме-тоды их измерения. Мн.: Навука i тэхшка, 1992. - 366 с.

2. Жевандров Н.Д. Анизотропия и оптика. М., 1974.

3. Жевандров Н.Д. Применение поляризованного света. М., 1978.

4. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973. - 720 с.

5. Marathey A.S. Operator Formalism in the Theory of Partial Polarization I I J. Opt.

6. Soc. Amer. 1965. V. 55. N 8. P. 969.

7. Аззам P., Башара H. Эллипсометрия и поляризованный свет. М., 1981.583 с.

8. Розенберг Г.В. Вектор-параметр Стокса // УФ11. 1955. Т. 56. № 1. С. 77.

9. McMaster W.H. Matrix Representation of Polarization // Rev. Mod. Phys. 1961.1. V. 33. N l.-P. 8.

10. Fano U. Remarks on the Classical and Quantum-Mechanical Treatment of Partial

11. Polarization //J. Opt. Soc. Amer. 1949. V. 39. N 10. P. 859.

12. Jerrard H.G. Modern description of polarized light: matrix methods // Opt. & Laser Techn. 1982. V. 14. N 6. P. 309.

13. Волкова E.A. Поляризационные измерения. M., 1974.

14. ГОСТ 23778-79. Измерения оптические поляризационные. Термины и определения. М., 1979.

15. Зейдель А.Н. Погрешности измерений физических величин. Л., 1985.

16. Azzam R.M.A. Photopolarimetric measurement of the Mueller matrix by Fourier analysis of a single detected signal // Opt. Lett. 1978. V. 2. N 6. P. 148.

17. Budde W. Photoelectric analysis of polarized light // Appl. Opt. 1962. V. 1. N 3. -P. 201.

18. Aspnes D.E. Fourier transform detection system for rotating-analyzer ellipsome-ters// Opt. Commun. 1973. V. 8. N 3. P. 222.

19. Курчаков A.B., Рапаев Ф.К. II Фотометрические и поляриметрические исследования небесных тел. Киев. 1985.-С. 178.

20. Aspnes D.E. Effects of component optical activity in data reduction and calibration of rotating-analyzer ellipsometers // J. Opt. Soc. Am. 1974. V. 64. -P. 812.

21. Clarke D., lbbett R. A three-channel astronomical photoelectric spectropolarime-ter // J. Sci. Instr. 1968. V. 1.N4.-P. 409.

22. Pellicori S.F., Gray P.R. An automatic polarimeter for space applications // Appl. Opt. 1967. V. 6.N6.-P. 1121.

23. Спопко B.H., Царюк O.B. Поляриметр для С02-лазера // ЖПС. 1983. Т. 39. № З.-С. 499.

24. Жданоеский В.А., Золотовская Е.Ф., Спопко В.Н. Поляриметр-ваттметр излучения С02-лазера // ЖПС. 1985. Т. 43. № 1.-С. 158.

25. Azzam R.M.A. Two-detector ellipsometer// Rev. Sci. Instrum. 1985. V. 56. N 9. -P. 1746.

26. Дитчберн P. Физическая оптика. M.: Наука, 1965. - 632 с.

27. Спопко В.Н. Анализ поляризованного излучения: Препринт 307. Ин-т физики АН БССР. Мн. 1983.

28. Collett Е. Determination of the ellipsometric characteristics of optical surfaces using nanosecond laser pulses // Surface Sci. 1980. V. 96. P. 156.

29. Маргопин Л.Я., Полыповская Н.Я., Пятницкий JI.H. и dp. Исследование поляризации линий излучения призмы дуги атмосферного давления // Тепло-физ. выс. темп. 1984. Т. 22. № 2. С. 193.

30. Устройство для автоматического определения поляризационного состава светового импульса: А. с. 989335 СССР: МКИ3 G 01 j 4/04.

31. Azzam R.M.A. Arrangement of four photodetectors for measuring the state of polarization of light // Opt. Lett. 1985. V. 10. N 7. P. 309.

32. Azzam R.M.A., Elminyawi I.M., El-Saba A.M. General analysis and optimization of the four-detector photopolarimeter//J. Opt. Soc. Am. 1988. V. 5.-P. 681.31. http://www.gaertnerscientific.com/optical/stokesmeter.htm

33. Спайдер А., Лав Дж. Теория оптических волноводов. М.: Радио и связь, 1987.-656 с.

34. Унгер Х.Г. Планарные и волоконные оптические волноводы. М.: Мир, 1980.-656 с.

35. Адаме М. Введение в теорию оптических волноводов. М.: Мир, 1984. -512 с.

36. Солгшено С., Крозиньяни Б., Ди Порто П. Дифракция и волноводное распространение оптического излучения. Пер. с англ. М., Мир, 1989. - 664 с.

37. Marcuse D. Theory of dielectric optical waveguides. Academic Press. NY. 1974.

38. Gloge D. Weakly guiding fibres// Appl. Opt. 1971. V. 10. P. 2252.

39. Gloge D. Propagation effects in optical fibres// IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1975. MTT-23.-P. 106.

40. Kawakami S., Ikeda M. Transmission characteristics of a two-mode optical waveguide // IEEE J. Quantum Electron. 1978. QE-14. P. 608.

41. Crosignani В., Diano В., Di Porto P. Statistical Coupled Equations in Lossless Optical Fibers // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1975. MTT-23. P. 416.

42. Crosignani В., Wabnitz S., Di Porto P. Mode-power fluctuations in optical fibers //Opt. Lett. 1984. V.9.-P. 371.

43. Kaminow LP. Polarization in optical fibers // IEEE J. Quantum Electron. 1981. QE-17.-P. 15.

44. Rashleigh S.C., Burns W.K., Moeller R.P. Polarization holding in birefringent single mode fibers // Opt. Lett. 1982. V. 7. P. 40.

45. Rashleigh S.C., Marrone M.J. Polarization holding in elliptical-core birefringent fibers // IEEE J. Quantum Electron. 1982. QE-18. P. 1515.

46. Okoshi T. Single-polarization single-mode optical fibers // IEEE J. Quantum Electron. 1981. QE-14.-P. 879.

47. Abe /., Nogueira R., Diesel B. Analysis of Bragg grating written in high-birefringence fiber optics// Proc. SPIE. V. 5036. P. 224.

48. Снайдер А. Теория одномодовых волоконных световодов // ТИИЭР. 1981. Т. 69. № 1. С. 7.

49. Eimerl D. Thermal aspects of high-average-power electrooptic switches // IEEE J. Quantum Electron. 1987. QE-23. P. 2238.

50. Tateda M., Tawara Т., Omatsu Т., Hasegawa A. Output polarization direction control with a constant power independent of input polarization direction. Technical Digest of Optoelectronics and Communications Conference OECC'97. Seoul. 1997.-Paper 9EP-33.

51. Tateda M., Omatsu T. Polarization state fixer composed of passive optical devices // J. Opt. Soc. Am. A. 2003. V. 20. N 2. P. 342.

52. Zhang S. Flexible controller maintains fiber optic polarization // Photonics Spectra. 1998.-P. 167.

53. Котов О.И., Лиокумович Л.Б., Марков С.И. Использование интерференции для измерения поляризационных характеристик двулучепреломляющих световодов в когерентных оптических системах // ПЖТФ. 2004. Т. 30. № 12. -С. 62.

54. Jones J.D.C. Interferometry and polarimetry for optical sensing // Handbook of Opt. Fibre Sensing Tech. 2002. P. 227.

55. Bahmann K, Hell S.W. Depolarization by high aperture focusing // Appl. Phys. Lett. 2000. V. 77. N5.-P. 612.

56. Hell S.W., Lindek S., Stelzer E.H.K. Enhancing the axial resolution in far-field light microscopy: two-photon 4Pi confocal fluorescence microscopy // J. of Mod. Opt. 1994. V. 41. N 4. P. 675.

57. Sheppard C.J.R., Torok P. An electromagnetic theory of imaging in fluorescence microscopy, and imaging in polarization fluorescence microscopy // Bioimaging. 1997. V.5.-P. 205.

58. Ерофеева M.C., Дмитриев А.Л. Поляризационные искажения, вносимые микрообъективом при возбуждении волоконного световода. Н.-техн. вест. СПбГУ ИТМО / Под ред. В.Н. Васильева. СПб: СПбГУ ИТМО, 2006.

59. Соколов A.JI. Поляризационные аберрации лазерного излучения //Опт. и спектр. 2000. Т. 89. № 3. С. 512.

60. Соколов A.J1. Трансформация поляризационной структуры лазерного излучения в оптических системах // Опт. и спектр. 2003. Т. 95. № 5. С. 869.

61. Jones R. V., Richards J.C.S. The Polarization of Light by Narrow Slits // Proc. Roy. Soc. 1954. Ser.A. V. 225. N 1160.-P. 122.

62. Topcu S., Chassagne L., Alayli Y.t Juncar P. Improving the accuracy of homo-dyne Michelson interferometers using polarization state measurement techniques // Opt. Comm. 2005. V. 247. P. 133.

63. Greco V., Molesini G., Quercioli. Accurate polarization interferometer // Rev. Sci. Instrum. 1995. V. 66. N 7. P. 3729.

64. Takada K., Chida K., Noda J. Precise method for angular alignment of birefrin-gent fibers based on an interferometric technique with a broadband source // Appl. Opt. 1987. V. 26. N 15.-P. 2979.

65. Ярив А., Юх П. Оптические волны в кристаллах. М.: Мир, 1987, - 616 с.

66. Sezerman О., Best G. Accurate alignment preserves polarization. Laser Focus World, 1997; http://www.ozoptics.com

67. Keyes R.J. Optical and infrared detectors // Topics in Phisycs. V. 19. Springer Verlag. Berlin. 1980.

68. Mclntyre R.J. Multiplication noise in uniform avalanche diodes // IEEE trans. Electron Dev. 1966. ED-19.-P. 164.

69. Rieke G.H. Detection of light: from the ultraviolet to the submillimeter. Cambridge University Press, Cambridge. 1994.

70. Olshansky R., Lanzisera V.A., Hill P.M. Subcarrier multiplexed lightwave systems for broadband distribution // J. of Lightwave Tech. 1989. V.7. N 9. -P. 1329.

71. Шевцов Э.А., Белкин M.E. Фотоприемные устройства волоконно-оптических систем передачи. М.: Радио и связь. 1992. - 224 с.

72. Александров Е. Б., Запасский В. С. Миллисекундная чувствительность поляриметрических измерений // Опт. и спектр. 1976. Т. 41. №. 5. С. 855.

73. Соколов ИМ., Фофанов Я.А. Подавление избыточных шумов модулированного по поляризации пробного излучения в измерениях малого оптического двулучепреломления // Опт. и спектр. 1999. Т. 66. №. 5. С. 833.

74. Александров Е.Б., Запасский B.C. Лазерная магнитная спектроскопия. М.: Наука. 1986.280 с.

75. Запасский B.C. Методы высокочувствительных поляриметрических измерений//ЖПС. 1982. Т. 37. №2.-С. 181.

76. Fofanov Ya.A. Threshold sensitivity in optical measurements with phase modula-tion//Proc. SPIE. 1991. V. 1811.-P.413.

77. Соколов И.В., Фофанов Я.А. О возможности поляриметрических измерений без фотонного (дробового) шума во времени и пространстве с использованием сжатых состояний света // Опт. и спектр. 1993. Т. 74. №. 4. С. 764.

78. Бужинский А.Н., Лейкин М.В. Поляриметрические приборы для исследования молекулярного строения вещества // Опт.-мех. Пром. 1971. № 11. -С. 55.

79. Rutt H.N. A low-cost, ultra-wide-range infrared polarizer // Meas. Sci. Technol. 1995. V. 6.-P. 1124.

80. Варшавский М.Я. Фазовые и поляризационные измерения лазерного излучения и их метрологическое обеспечение. М.: 1978.

81. Снопко В.Н., Ходар Е.Ф. Применение плоко-параллельной пластины для измерения степени поляризации излучения // ЖПС. 1974. Т. 20. № 6. -С.1102.

82. Калашников В.П., Снопко В.Н., Царюк О.В. Поляризация излучения С02-лазера с анизотропным резонатором // ЖПС. 1978. Т. 29. № 3. С. 436.

83. Ждановский В.А., Золотовская Е.Ф., Снопко В.Н. и др. Экспериментальное исследование поляризации излучения СОг-лазера: Препринт 369. Ин-т физики АН БССР. Мн., 1985.

84. Dubra A., Ferrari J. A. Precise polarization measurements using polarizing sheets // Appl. Opt. 1999. V. 37. N 34. P. 8156.

85. ПаращукД.Ю., Чиркин А.С. Прецизионные поляризаторы и анализаторы лазерного излучения на нелинейно-оптических кристаллах // Изм. техн. 1995. №5.-С. 26.

86. Желудев Н., Салтиел С., Янков П. Генераторы второй гармоники новый класс поляризаторов и анализаторов света // Квант, электрон. 1987. Т. 14. -С.1495.

87. Paraschuk D.Yu., Zaitseva N.P., Zheludev N.I. Nonlinear frequency converters as sources and detectors of polarized light with linear polarization degree of 10'9 // Proc. SPIE. 1991. V. 1841.-P. 148.

88. Гуляев Ю.В., Меш М.Я., Проклов B.B. Модуляционные эффекты в волоконных световодах и их применение. М.: Радио и связь, 1991. 152 с.

89. Yariv A., Winson Н. Proposal for detection of magnetic fields through magne-tostrictive perturbation of optical fibers // Opt. Lett. 1980. V. 5. P. 87.

90. PappA., Harms H. Magnetooptical current transformer// Appl. Opt. 1980. V. 19. N22.-P. 3729.

91. Волоконная оптика и приборостроение / Под ред. М.М. Бутусова. Л.: Машиностроение. 1987.-328 с.

92. Smith A.M. Optical fibres for current measurement applications // Opt. Laser Techn. 1980. V. 12.-P. 25.

93. Smith A.M. Polarization and magnetooptic properties of single-mode optical fiber (ET) // Appl. Opt. 1978. V. 17. P. 52.

94. Kim B.Y., Park D., Choi S.S. Use of polarization-optical time domain reflectome-try for observation of the Faraday effect in single-mode fibers // IEEE J. Quantum Electron. 1982. V. 18. N 4. P. 455.

95. Kim B.Y., Show H.J. Phase-reading, all-fiber-optic gyroscope // Opt. Lett. 1984. V. 9. N8.-P. 378.

96. A. Leibaborgy P., Wayte A.P., Berwick M. A pseudo-reciprocal fibre-optic Faraday rotation sensor: Current measurement and data communication applications // Opt. comm. 1986. V. 59. N3.-P. 173.

97. Ардашева JI. И. Кундикова Н.Д. и др. Поворот спекл-картииы в маломодо-вом оптическом световоде в продольном магнитном поле // Опт. и спектр. 2003. Т. 95. №4.-С. 690.

98. S. Tsuji-lio, Т. Akiyama, Е. Sato. Fiberoptic heterodyne magnetic field sensor for long-pulsed fusion devices// Rev. Sci. Instr. 2001. V. 72. N 1. P. 413.

99. Lin H, Lin W., Huang S. Fiberoptic heterodyne magnetic field sensor for long-pulsed fusion devices I I Fib. & Integr. Opt. 1999. V. 18. P. 79.

100. Ерофеева M.C., Дмитриев А.Л. Эффект Фарадея в волоконном световоде в ближней ИК-области спектра. Н.-техн. вест. СПбГУ ИТМО. Вып. 15 / Под ред. В.Н. Васильева. СПб: СПбГУ ИТМО, 2004. - С. 84.

101. Ерофеева М.С. Эффект Фарадея в волоконных световодах. Вест. конф. молодых ученых СПбГУ ИТМО. Сб. научн. тр. / Под ред. B.JI. Ткалич. Т.1. -СПб: СПбГУ ИТМО, 2004. С. 36.

102. Карпачева Т.А., Дмитриев А.Л. Влияние температуры на поляризационные свойства однородных и двулучепреломляющих волоконных световодов // Опт. журн. 2003. Т. 70. № 11. С. 73.

103. Hocker G.B. Fiber optics sensing of pressure and temperature // Appl. Opt. 1979. V. 18.-P. 1445.

104. Мураилкипа Т.Н., Мурашкипа E.A. Способ повышения точности волоконно-оптических датчиков // Опт. журн. 1999. Т. 66. № 1. С. 59.

105. Котов О.И., Хлыбов А.В., Марков С.И. Эффективный волоконно-оптический поляризационный модулятор // ПЖТФ. 2004. Т. 30. № 7. С. 7.

106. Котов О.И., Лиокумович Л.Б., Марков С.К Модуляция разностифаз поляризационных мод в одномодовых волоконных световодах // ЖТФ. 2004. Т. 74. № 1.-С. 72.

107. Дмитриев Д.А., Прокопенко В.Т. Спектрополяриметрия многомодовых кварцевых волокон в ИК-диапазоне длин волн // ПЖТФ. 1998. Т. 24. № 23. -С. 75.

108. TaiH., RogowskiR. Optical anisotropy induced by torsion and bending in an optical fiber // Opt. Fiber Tech. 2002. V. 8. P. 162.

109. Ветров A.A., Волконский В.Б., Свистунов ДВ. Расчет, изготовление и исследование волноводов для интегрально-оптического гироскопа // Опт. журн. 1999. Т. 66. №5.-С. 57.1.O) 111.1. СЭ11. MOOOu 10V1. JT1. Т^-сз;тЯсл?ii/1№ Laser Diode Driver

110. А4 UCC rJLT.ber LOO 0? Fag© Kan© Schematic -<ev Я11. О Xнm о13Xа