автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Спектрополяриметрия волоконно-оптических элементов систем передачи и обработки информации



МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

ДМИТРИЕВ Данила Александрович

УДК 681.7.068+535-6

СПЕКТРОПОЛЯРИМЕТРИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

Специальность 05.11.07. - Оптические и оптико-электронные приборы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор ПРОКОПЕНКО В.Т.

Санкт-Петербург 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Содержание 2

Введение 4

Глава 1. Поляризованное оптическое излучение в многомодовых

волоконных световодах 8

1.1. Волноводные характеристики оптических волокон 8

1.1.1. Основные характеристики многомодовых световодов 8

1.1.2. Дисперсия импульсов в оптических волноводах 13

1.1.3. Поляризация излучения в оптических волноводах 16

1.1.4. Энергия излучения в волоконном световоде 20

1.1.5. Потери излучения в изогнутом световоде 22

1.1.6. Взаимодействие мод в оптическом волокне 24

1.2. Возбуждение излучения в оптическом волокне 30

1.2.1. Воз буждение волновода ламбертовским источником излучения 30

1.2.2. Возбуждение оптического волокна когерентным источником излучения 31

1.3. Ь-Р моды в слабонаправляющих волокнах со ступенчатым профилем показателя преломления 36

1.4. Поляризационные свойства градиентных многомодовых волоконных световодов 38

Глава 2. Специализированные модели в описании

поляризационных свойств волоконных световодов 41

2.1. Распределение поляризационных характеристик в

спеклах поля излучения многомодовых световодов 41

2.2. Модовое описание поляризационных характеристик волоконных световодов 43

2.3. Вектор Стокса при описании преобразования оптического излучения в волоконных световодах 46

2.4. Деполяризация излучения многомодовыми волоконными световодами. 51

2.4.1. Деполяризация, обусловленная полным внутренним отражением света 51

2.4.2. Деполяризация,обусловленная

двулучепреломлением в жиле световода 56

Глава 3. Частично-поляризованное излучение в волоконных

световодах 59

3.1. Степень поляризации излучения и матричные методы ее описания 59

3.2. Деполяризация излучения в одномодовых волоконных световодах 69

3.3. Спектральные и тепловые зависимости степени поляризации излучения в многомодовых волоконных световодах (теоретическая модель) 80

3.3.1. Спектральные зависимости степени поляризации 80

3.3.2. Температурные зависимости степени поляризации. 84 3.4. Статистическая модель деполяризации излучения в

многомодовом волокне 90

Глава 4. Экспериментальные исследования поляризационных характеристик многомодовых световодов в ИК-диапазоне спектра 97

4.1. Стенд для спектральных исследований поляризационных характеристик волоконных световодов 97

4.2. Спектральные характеристики деполяризации излучения в многомодовых световодах при некогерентном возбуждении 105

4.2.1. Общие положения 105

4.2.2. Зависимость степени поляризации от длины волны вводимого излучения 105

4.2.3. Зависимость степени поляризации от длины

волокна 111

4.3. Деполяризация излучения в многомодовых световодах, возбужденных лазерным излучением 115

4.4. Влияние температуры на спектральные характеристики деполяризации излучения в многомодовых световодах 120

Глава 5. Спектрополяриметрия волоконных световодов и

оптическое приборостроение 126

5.1. Передача информации по оптическим волокнам с использованием поляризационных характеристик оптического излучения 126

5.2. Прикладное значение спектрополяриметрических исследований многомодовых волоконных световодов. 130 Заключение 134 Литература 136 Приложение 1. 146 Приложение 2. 147 Приложение 3. 151 Приложение 4. 156 Приложение 5. 157 Приложение 6. 158 Приложение 7. 159 Приложение 8. 160 Приложение 9. 161

ВВЕДЕНИЕ

Волоконно-оптические элементы, оптические кабели, оптоволоконные функциональные устройства и приборы уверенно вошли в арсенал технических средств передачи и обработки информации еще с середины 70-х годов, и до сих пор интерес разработчиков к этому важному направлению современной оптики и оптотехники не ослабевает [34, 88, 93]. Причинами продолжающегося прогрессивного развития волоконно-оптической техники являются обеспечиваемые ею высокие объемы и скорости передачи и обработки информации, многообразие приложений волоконной оптики в самых различных областях современного приборостроения [80] и высокая технико-экономическая эффективность волоконно-оптических систем и устройств [4, 43, 65]. Обзор научной литературы по тематике волоконной оптики за последние два десятилетия позволяет установить следующие характерные тенденции ее развития. В первые годы становления и интенсивного развития волоконно-оптической техники (1970-1980 г.) наибольшее внимание исследователей и разработчиков уделялось оптическим системам передачи информации [16, 28, 60, 69, 70]. Это стимулировалось освоением новых диапазонов оптической связи, созданием высококачественных оптических излучателей и фотоприемников и разработкой оптических кабелей со сверхнизкими потерями. В следующее десятилетие (конец 80-х - 90-е годы) заметно повысился интерес к созданию разнообразных волоконно-оптических элементов [38, 83, 95, 99, 110] и устройств обработки информации [11, 94, 97, 111], что можно объяснить все возрастающей тенденцией построения многофункциональных и высокоинформативных практических систем сбора и обработки сигналов [44, 55].

Необходимым условием создания высокоэффективной компонентной базы волоконно-оптических систем обработки и передачи информации является всестороннее знание и учет физико-технических характеристик волоконных световодов различных типов и структур [31, 76, 87, 106]. Среди них одной из важнейших является поляризационная характеристика волоконного световода [2, 94, 90], т.е. его свойство преобразовывать либо искажать поляризацию распространяющегося по световоду излучения. Вопросы разработки поляризационно-

устойчивых волоконных световодов активно дискутировались с начала 80-х годов, что привело, в частности, к созданию высококачественных одномодовых световодов с сохранением поляризации (ССП), находящих сегодня широкое применение в волоконно-оптических датчиках физических полей и перемещений [5, 12, 23, 54]. Вероятно, по этой причине (активное применение ССП в оптических датчиках [112, 113]) анализу поляризационных свойств многомодовых световодов, особенно в инфракрасной области спектра, уделялось незаслуженно мало внимания. До недавнего времени было известно менее трех десятков отечественных и зарубежных публикаций по данной теме [17 - 21, 25 - 27, 47 - 52, 72, 75, 76, 80 - 85, 87, 95, 96, 101 - 103, 107 - 110]. Среди них преобладали разрозненные, частного содержания теоретические работы, а экспериментальные исследования также носили узконаправленный, фрагментарный характер и выполнялись исключительно в видимой области спектра длин волн. Между тем именно в последние годы возрастает интерес разработчиков к практическому использованию многомодовых волоконных световодов в мало- и среднепротяженных высокоскоростных линиях передачи информации бортового и объектового типов, в приборах контроля качества оптических материалов и природных сред для решения задач экологии, в технологии оптических нейронных сетей для высокопроизводительных систем обработки информации и др. [4, 28, 43, 80]. Многомодовые оптические волокна, благодаря их низкой стоимости, эффективному сопряжению с оптическими излучателями и фотоприемниками, высокой пропускной способности при ограниченных (до десятков-сотен метров) длинах линий передачи, часто обладают преимуществами перед одномодовыми волокнами при решении целого ряда технических и технологических задач. С другой стороны, значительная масса современных оптоэлектронных приборов построена на использовании компактных и надежных полупроводниковых излучателей ИК-диапазона волн 0.80-1.55 мкм, при этом сведения по поляризационным характеристикам многомодовых волоконных световодов в данной области спектра в научной литературе практически отсутствовали.

В связи с отмеченным целью настоящей диссертационной работы явилось исследование поляризационных характеристик многомодовых волоконных

световодов различных типов и размеров в широкой области ближнего ИК-диапазона волн, в интересах увеличения эффективности практического использования многомодовых световодов в высокопроизводительных оптических системах и приборах для передачи и обработки информации.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе решались следующие основные задачи:

создание оптико-электронного экспериментального стенда для спектрополяриметрических исследований многомодовых волоконных световодов в ИК-диапазоне волн 0.80 ч- 1.55 мкм;

разработка методик измерения деполяризующих свойств многомодовых волоконных световодов в ближней области ИК-спектра;

проведение экспериментальных спектрополяриметрических исследований многомодовых волоконных световодов различных типов и размеров с использованием как когерентных так и тепловых источников света; исследование температурных воздействий на деполяризацию излучения в многомодовых световодах;

разработка теоретических моделей, описывающих поляризационные характеристики многомодовых волоконных световодов, и сравнение их с экспериментом.

Диссертация содержит пять глав. Первая глава посвящена описанию распространения поляризованного оптического излучения в многомодовых волоконных световодах. Во второй главе рассматриваются различные специальные модели и подходы в описании поляризационных свойств оптических волокон. В третьей главе рассмотрены характеристики частично-поляризованного излучения в волоконных световодах и описаны предложенные в работе теоретические модели спектральных и тепловых зависимостей степени поляризации излучения в многомодовых волоконных световодах. Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям поляризационных характеристик многомодовых световодов в ИК-диапазоне спектра и их сравнению с теорией. В пятой главе кратко рассмотрены проблемы спектрополяриметрии волоконных световодов и ее прикладное значение. В Заключении изложены основные выводы по работе.

Результаты диссертационной работы докладывались на двух Международных конференциях "Информационная оптика. Научные основы и технология. 018Т'97" г.Москва, 27-30 августа 1997 и "Оптика в экологии", г. Санкт-Петербург, 27-29 мая 1997 г. , а также на "XXIX научно-технической конференции ППС СПГ ИТМО" 30.01.97.

По материалам диссертации опубликованы 5 научных трудов. Результаты диссертационной работы использовались при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в СПб ГИТМО, АО "Супертел", ЦНИИ Судовой электротехники и технологии, НИИ Конверсионных технологий, а также в учебном процессе СПб ГИТМО.

Объем диссертации: общее число страниц - 162, в том числе рисунков и таблиц на отдельных листах - 24, приложений - 16, библиографии - 10.

ГЛАВА I. ПОЛЯРИЗОВАННОЕ ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В МНОГОМОДОВЫХ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДАХ

1.1. ВОЛНОВОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

1.1.1. Основные характеристики многомодовых световодов

Исследования волноводных свойств оптических волокон предпринимались еще в 50-х годах. Возможность практического использования кварцевых волоконных световодов в системах телекоммуникации впервые была обоснована в работе Као и Хокмана в 1966 году [91]. На ранних этапах развития волоконно-оптической техники одними из главных проблем для разработчиков были сравнительно большие оптические потери в световодах и недостаточно высокие технические характеристики используемых в системах передачи информации полупроводниковых излучателей. Качественно новый шаг в создании оптических волокон был сделан в 1970 году, когда Капрон, Кек и Мауер [92] сообщили о создании кварцевых волокон с потерями ниже 20 дБ/км. Уже к концу 70-х годов были созданы оптические волноводы с потерями менее 1 дБ/км в области прозрачности кварцевого волокна, что способствовало дальнейшему активному развитию волоконно-оптических систем передачи и обработки информации.

Простейшая конфигурация оптического волокна показана на Рис. 1.1.1.1, 1.1.1.2(а). Здесь представлено наиболее распространенное цилиндрическое волокно с однородным показателем преломления в сердцевине и в оболочке. При соответствующем выборе показателей преломления и радиуса сердцевины волокна для заданной длины волны обеспечивается одномодовый либо многомодовый режимы распространения излучения в световоде.

Рис. 1. 1. 1. 1.

Распределение показателя

преломления в одножильном волноводе.

Рис. 1.1.1.2 (а) - оптическое волокно с оболочкой конечных размеров;

(b) - оптическое волокно с бесконечной оболочкой (модель);

(c) - к анализу оболочечных мод.

Характеристическое уравнение для мод волновода с бесконечным радиусом оболочки (Рис.1.1.1.2.(Ь)), которое непосредственно следует из волнового уравнения Гельмгольца и граничных условий, имеет вид [81]

и1

ж2

м0р„(и)+м0мпт

и1

ж1

п2р2

со

1 1

и2 Ж2

(1.1.1.1)

2

где

&п<Ю '

и2 = К2г2 , Ж2 = -К\г2 ,

(1.1.1.2)

^2 =® 4,2^0 = ^ {81,2 ~Р2)

В формулах 1.1.1.1 и 1.1.1.2 г, - радиус сердцевины, а12 - диэлектрическая

проницаемость среды, £\,2 - нормированная диэлектрическая проницаемость, Р -постоянная распространения моды, ¡5 - продольный лучевой инвариант, к - волновое число, п - азимутальный индекс моды. Из (1.1.1.1.) и (1.1.1.2) следует

и2+Ж2 =к\\1,-£2) = к2г?(п21-п1) = ¥2 = (уЦ)2(ЛМ.)2, (1.1.1.3)

где М.А. - числовая апертура волокна, А = (г/, ~пг)!пх (относительное изменение показателя преломления), пх - коэффициент преломления сердцевины, п2 -коэффициент преломления оболочки, вс - критический угол полного внутреннего

отражения, V - нормированная частота волновода. В слабонаправляющих волноводах выполняется п} « п2, при этом

V « кг\щ

Г 1 \1/2

V «1 )

ххУ 1 1 с (1.1.1.4)

В прямом однородном оптическом волокне для направляемых волноводных вод выполняется условие ¿-2 < у9 < . Продольный лучевой инвариант /? имеет действительное значение, что обеспечивается действительной величиной пх и п2 и пх >п2. Величины нормированной частоты волновода V для условий отсечки мод приведены в Таблице 1.1.1.1.

Таблица 1.1.1.1.

Мода и с - Кш-О?

НЕП 0 2.405

НЕ21 ТМо! ТЕО! 2.405 3.832

ЕНц НЕзь НЕ12 3.832 5.136, 5.520

ЕН21 НЕ41 5.136 6.380

не22 тм02те02 5.520 7.016

и

енз! не51 6.380 7.588

ен12 не32, не13 7.016 8.477, 8.654

ен41 неб1 7.588 8.722

ен22 не42 8.447 9.761

НЕ23 ТМоз ТЕоз 8.654 10.173

ен51 не71 8.722 9.936

енз2 не52 9.761 11.065

При п = 0, граничные условия (V = т\) выполняются либо для Ег = О (ТЕот моды) либо для Я.. = 0 (ТМ0ю моды), иначе говоря, существуют обе продольные компоненты электрического и магнитного полей и волноводные направляемые моды классифицируются как НЕпт или ЕНпт. Однако при пг « п2 продольные компоненты

поля в А1/2 слабее, чем поперечные компоненты. В этих условиях НЕпт и ЕНп_2т моды почти полностью устраняются (деградируют) и поперечные электромагнитные поля направляемых мод становятся практически линейно поляризованными. Вводя условие я, в уравнения (1.1.1.1) и (1.1.1.3) получим

п и2 (1.1.1.5)

пх Ж

С использованием рекуррентных соотношений для функции Бесселя запишем приближенное решение характеристического уравнения

шли) ШЛЮ (1.1.1.6)

Кп-Ж)'

где Jn - функция Бесселя.

Уравнение, включающее .1 пА, относится к НЕпт модам, а уравнение, включающее зп+х, относится к ЕНпт модам. Возможна и альтернативная запись уравнения (1.1.1.6)

ШпП(Ц) (1.1.1.7)

Уравнения (1.1.1.6), (1.1.1.7) показывают, что в предельном случае я, ~^>п2 моды НЕп+1т и ЕНп_1т деградируют. Из уравнений (1.1.1.1) и (1.1.1.3), согласно [81], получаем выражение для продольного лучевого инварианта

В V2 (1.1.1.8)

^п2 (ЬА +1) = и2 (1 + А - , ^

где

^ = (1.1.1.9)

и,-л, V2 '

Ъ - нормированная постоянная распространения. Зависимость Ъ от V показана на Рис. 1.1.1.3. Очевидно по мере возрастания /? от п2 к пх значение V увеличивается от величины отсечки V = С/ до бесконечности.

Рис.1.1.1.3. Нормированная постоянная распространения Ъ, как функция нормированной частоты V, согласно формуле (1.1.1.9).

1.1.2. Дисперсия импульсов в оптических волноводах

Рассмотрим групповую задержку и дисперсию распространяющегося по волноводу оптического сигнала. Обозначим Ь - длина волокна, г - время распространения оптического импульса, равное

(1.1.2.1)

с йк V.

где с - скорость света в вакууме, - групповая скорость моды. Из уравнения (1.1.1.8), находим

Ь

га(п2к) ё(уЪ)Л (1.1.2.2)

х - — с

сПс аIV

Первый член выражения (1.1.2.2) связан с дисперсией материала волновода и не зависит от состава мод волновода. Второй член (относительная групповая задержка) связан с дисперсией материала и зависит от состава мод волновода. Используя известные соотношения для ёи / с1У, получим

¿т_и и2

(IV V2

1-1

V

, когда V »1;

<ХУЬ) о ТТ гг (1.1.2.4)

- —^ = Ъс , когда и = V в отсечке, 4

сIV

л (ИЛ (ЗУ где к = 1--.

С7/К

График зависимости производной сНуЬ)! (IV от нормированной частоты волновода V представлен на Рис. (1.1.2.1).

/

v

2-Ог-

Э) --НЕы.п ЕНг.1)т1^ © =НЕ2т ТМ0п1ТЕ0г

с! (у Ы

Рис. 1.1.2.