Одномодовый однополяризационный световод

Одномодовый однополяризационный световод

Реферат

 

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано в волоконных линиях связи, а также при создании волоконно-оптических гироскопов и других волоконных датчиков физических величин. Обеспечено увеличение ширины спектрального окна волоконного поляризационного модового фильтра и уменьшение потерь проводимой поляризационной моды. Световод содержит световодную жилу, отражающую оболочку, два нагружающих стержня, защитную оболочку и полимерные покрытия. Отношение разности показателей преломления материала защитной оболочки и материала отражающей оболочки n_К-n_об соответственно к разности показателей преломления материала световедущей жилы и защитной оболочки n_ж-n_К соответственно принимает значение в диапазоне 0,52, при этом 3,510³n_ж-n_об7,510^-3, а отношение радиуса отражающей оболочки к радиусу световедущей жилы выбирают в диапазоне 1,5/2,5. Нагружающие стержни изготавливают из материала с показателем преломления, равным показателю преломления n_К защитной оболочки световода, и располагают их на расстоянии от световедущей жилы, которое удовлетворяет условию 2. Обеспечивают угол раскрыва нагружающих стержней при наблюдении из центра световедущей жилы 90^o100^o. 6 ил., 4 табл.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано в волоконных линиях связи, а также при создании волоконно-оптических гироскопов и других волоконных датчиков физических величин.

Известна конструкция одномодового волоконного световода, в котором наблюдается однополяризационный режим работы с эллиптической нагружающей оболочкой [1]. Световедущая жила световода окружена нагружающей оболочкой, а вокруг нагружающей оболочки сформирована дополнительная оболочка с пониженным показателем преломления по отношению к чистому кварцевому стеклу, из которого состоит внешняя защитная оболочка световода. За счет создаваемых в световедущей жиле нагружающей оболочкой эллиптической формы механических напряжений в ней возникает, благодаря фотоупругому эффекту, линейное двулучепреломление. Особенностью конструкции световода является то, что в направлении оси у дополнительная оболочка, состоящая из материала с пониженным показателем преломления, касается световедущей жилы и поэтому в этом направлении две поляризационные моды световода за счет наведенного двулучепреломления в световедущей жиле имеют различную длину волны отсечки. Благодаря этому, а также из-за W-профиля световода в направлении оси у, который приводит к увеличению крутизны характеристик спектральных потерь двух поляризационных мод, образуется спектральное окно, в котором наблюдается однополяризационный режим работы световода. Недостатком известной конструкции световода является то, что спектральное окно однополяризационного режима получается недостаточно широким.

Известна также конструкция однополяризационного световода [2], которая содержит световедущую жилу, отражающую оболочку с пониженным показателем преломления, в свою очередь, окруженную эллиптической нагружающей оболочкой, создающей механические напряжения в световедущей жиле и отражающей оболочке. В результате в направлении оси у для двух поляризационных мод получаются два различных W-профиля. W-профиль рассчитан таким образом, что одна поляризационная мода распространяется, практически, без потерь, а вторая мода вообще не канализируется. Это сделано с целью расширения спектрального окна однополяризационного режима работы световода. Недостатком известной конструкции световода является то, что предельная величина двулучепреломления, наводимого в световедущей жиле и отражающей оболочке эллиптической нагружающей оболочкой, ниже величины двулучепреломления, которая может быть получена с помощью нагружающих стержней круговой формы (световоды типа "PANDA"). Oт величины двулучепреломления, наводимого в световедущей жиле и отражающей оболочке, также зависит ширина спектрального окна однополяризационного режима работы световода.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой настоящим изобретением конструкции однополяризационного световода является конструкция одномодового волоконного световода с большим линейным двулучепреломлением типа "PANDA", рассмотренная в работе [3]. Одномодовый световод содержит световедущую жилу, отражающую оболочку, два нагружающих стержня круговой формы, внешнюю защитную кварцевую оболочку и защитно-упрочняющее полимерное покрытие. Световедущая жила состоит из кварцевого стекла, легированного германием. Отражающая оболочка изготавливается из кварцевого стекла, легированного фтором, и поэтому имеет пониженный показатель преломления по сравнению с показателем преломления чистого кварцевого стекла, из которого состоит внешняя защитная оболочка световода. Нагружающие стержни изготавливаются из кварцевого стекла, легированного окисью бора. Добавка в кварцевое стекло окиси бора понижает показатель преломления кварцевого стекла и увеличивает его коэффициент теплового линейного расширения. За счет разности коэффициентов теплового линейного расширения материалов нагружающих стержней и остального материала световода, в световедущей жиле возникают механические, растягивающие область световода, располагающиеся между нагружающими стержнями напряжения. За счет фотоупругого эффекта в световедущей жиле возникает линейное двулучепреломление. За счет двулучепреломления материал световедущей жилы имеет различный показатель преломления для поляризационных мод, распространяющихся в световоде. В результате этого, длины волн отсечки двух поляризационных мод имеют различное значение и поэтому в световоде существует спектральное окно, в котором одна поляризационная мода испытывает сильное затухание, а вторая распространяется с достаточно малыми потерями оптической мощности. Таким образом, в данном спектральном окне световод работает как модовый поляризационный фильтр.

Основным недостатком известной конструкции световода является недостаточная ширина спектрального окна, в котором световод работает как поляризационный модовый фильтр и относительно большие потери проводимой поляризационной моды. Ширина спектрального окна определяется не величиной провала по показателю преломления материала отражающей оболочки по отношению к показателю преломления материала защитной оболочки, а, в основном, зависит от величины параметра , который выражается следующим образом: при n_К-n_об<<1, n_ж-n_К<<1,К - показатель преломления материала защитной оболочки; n_об - показатель преломления материала отражающей оболочки; n_ж - показатель преломления материала световедущей жилы.

Целью настоящего изобретения является увеличение ширины спектрального окна волоконного модового поляризационного фильтра и уменьшение потерь проводимой поляризационной моды.

Указанная цель достигается тем, что отношение разности показателей преломления материалов защитной и отражающей оболочек n_К-n_об к разности показателей преломления материалов световедущей жилы и защитной оболочки n_ж-n_К выбирают в диапазоне 0,52, при этом 3,510^-3n_ж-n_об7,510^-3, а отношение радиуса отражающей оболочки к радиусу световедущей жилы выбирают в диапазоне 1,5/2,5, причем нагружающие стержни изготавливают из материала с показателем преломления, равным показателю преломления n_К защитной оболочки световода, и располагают их на расстоянии от световедущей жилы, которое удовлетворяет условию 2, при этом обеспечивают угол раскрыва нагружающих стержней при наблюдении из центра световедущей жилы 90^o100^o.

Максимально возможное расширение спектрального окна работы однополяризационного световода (волоконного поляризационного модового фильтра) достигается за счет более оптимального выбора значений параметров ,,/, n_ж-n_об при условии более эффективного сопряжения однополяризационного световода с другими волоконными компонентами как волоконных линий связи, так и волоконных датчиков физических величин. Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 показана конструкция исходной заготовки для световода "PANDA", имеющая W-профиль распределения показателя преломления. На фиг.2 показаны кривые спектральных потерь двух поляризационных мод и принцип определения ширины спектрального окна однополяризационного режима работы световода. На фиг. 3 показаны W-профили для двух поляризационных мод в случае создания механических напряжений только в световедущей жиле, а также в световедущей жиле и отражающей оболочке одновременно. На фиг.4 показана конструкция однополяризационного световода "PANDA". На фиг.5 показана центральная часть конструкции однополяризационного световода "PANDA" с обозначением основных геометрических параметров конструкции. На фиг.6 показаны профили распределения напряжений в световедущей жиле и отражающей оболочке световода и соответствующие им W-профили для двух поляризационных мод при различных расстояниях нагружающих стержней до световедущей жилы.

Конструкция поперечного сечения однополяризационного световода показана на фиг. 1. Световод содержит световедущую жилу 1, отражающую оболочку 2, нагружающие стержни 3, внешнюю защитную кварцевую оболочку 4 и полимерное защитно-упрочняющее покрытие 5.

Световод изготавливается следующим образом [2]. Вначале изготавливается исходная заготовка для однополяризационного световода. Заготовка изготавливается методом внутреннего парафазного осаждения (MCVD - метод). Исходная заготовка содержит световедущую жилу 1 (фиг.1), отражающую оболочку 2 с пониженным показателем преломления и защитную кварцевую оболочку 3. Особенностью световода с пониженным показателем преломления отражающей оболочки 4 является то, что при определенной длине волны излучения даже основная низшая мода начинает претерпевать отсечку, т.е. по мере распространения вдоль оси световода она начинает вытекать из области сердцевины в защитную оболочку. Световоды с пониженным показателем преломления материала отражающей оболочки условно называются световодами с W-профилем распределения показателя преломления. Условие, определяющее длину волны отсечки основной низшей моды в W-световоде, выражается следующим образом: , где U - параметр моды, характеризующий поперечный раскрыв ее поля и имеющий смысл поперечного волнового числа моды, , а . Поскольку параметр U во многих случаях можно выразить через параметры световода и длину волны излучения, из приведенного выше условия отсечки можно определить длину волны, при которой происходит переход основной моды в режим отсечки.

Рассмотрим для примера профиль, изображенный на фиг.3. В этом случае параметр U для достаточно большой величины / приближенно может быть выражен в виде: Поэтому условие отсечки основной моды в этом случае имеет вид: Определяя из этого условия V_1отс, соответствующее данному , можно вычислить искомую длину волны отсечки основной моды: Предположим теперь, что световедущая жила W-световода является анизотропной, то есть она обладает линейным двулучепреломлением В. Данная величина показывает разность показателей преломления световедущей жилы для двух поляризационных мод. На фиг.2 показаны спектральные кривые затухания 7, 8 низших y-поляризационной и x-поляризационной мод, соответственно. Из-за вырождения длин волн отсечки мод возникает некое спектральное окно, в котором по мере распространения излучения вдоль оси световода y-поляризационная мода практически полностью вытекает из области сердцевины, а х-поляризационная мода не испытывает потерь оптической мощности. Ширина такого спектрального окна, в котором W-световод является однополяризационным, определяется по уровню допустимого затухания х-поляризационной моды, например, 1 дБ/км, и по уровню желательной величины затухания y-поляризационной моды, например, 40 дБ/км. Из фиг. 2 видно, что ширина спектрального рабочего окна световода определяется разностью длин волн отсечки двух поляризационных мод и крутизной их спектральных характеристик затухания. При >0,5 ширина спектрального окна определяется разностью длин волн отсечки, а при <0,5 - уже, в основном, крутизной спектральных характеристик затухания поляризационных мод.

Разность длин волн отсечки двух поляризационных мод W-световода с анизотропной световедущей жилой определяется следующим соотношением: где n_К - показатель преломления чистого кварцевого стекла, n_ж - показатель преломления материала световедущей жилы для х-поляризационной моды, n_об ^х - показатель преломления материала отражающей оболочки для х-поляризационной моды, В - величина двулучепреломления в световоде.

Нормализованные частоты отсечки для х- и y-поляризационных мод V_отс ^х и V_отс ^y соответственно определяются условиями: Для профилей, изображенных на фиг.3 в случае большой величины отношения /, эти условия запишутся в следующем виде: В таблице 1 приведены расчетные данные по разности длин волн отсечки поляризационных мод в W-световоде с анизотропной световедущей жилой с различными параметрами световода при В=510^-4, =2,5 мкм, /2,5. На фиг.3 показан график распределения показателя преломления 5 W-световода с анизотропной световедущей жилой. Пунктирной линией показан уровень показателя преломления для х-поляризационной моды, а пунктирной линией с точками - уровень показателя преломления для y-поляризационной моды. Разность этих уровней показателя преломления определяется величиной модового двулучепреломления В, наведенного в световедущей жиле.

Так как при =2,510^-6 м при различных параметрах W-световода спектральное окно работы однополяризационного световода находится в разных местах спектра, путем изменения , длины волн отсечки могут быть приведены в определенную область спектра. При этом от также будет жестко зависеть и разность длин волн отсечки двух поляризационных мод. В таблице 1 приведены данные расчета длин волн отсечки ^0.825 для длины волны отсечки х-поляризационной моды, равной 0,825 мкм при различных параметрах W-световода.

Следует отметить, что при /2,5 рассчитанные значения длин волн отсечки подвергаются поправкам, так как в этом случае на значении параметра U моды начинает сказываться влияние скачка показателя преломления при r=, которым мы пренебрегали выше. Впрочем, в выбранном нами диапазоне длин волн этими поправками можно пренебречь.

Разность длин волн отсечки поляризационных мод может быть увеличена, если анизотропия создается не только в световедущей жиле, но и в отражающей оболочке. В этом случае соотношения, определяющие разность длин волн отсечки поляризационных мод, приобретает следующий вид: В таблице 2 приведены расчетные данные для и ^0.825 при тех же параметрах W-световода, что и раньше с той лишь разницей, что анизотропия теперь, помимо световедущей жилы, наводится и в отражающей оболочке. Пунктирной линией 8 (фиг.3) показан уровень показателя преломления в световедущей жиле и отражающей оболочке световода для х-поляризационной моды, а пунктирной линией с точками 9 - уровень показателя преломления для у-поляризационной моды.

Однополяризационные световоды необходимы для построения высокоточных волоконно-оптических гироскопов, в которых они могут использоваться как для намотки многослойных многовитковых чувствительных катушек с длиной световода ~1000 м, так и для использования в качестве поляризатора, устанавливаемого в оптической схеме ввода-вывода излучения кольцевого интерферометра гироскопа. При этом требования к однополяризационному световоду для чувствительной катушки гироскопа и к световоду, использующемуся в качестве поляризатора, существенно различаются. Однополяризационный световод для чувствительной катушки должен иметь малые потери канализируемой поляризационной моды и сравнительно небольшой коэффициент поляризационной экстинкции на один метр световода, так как необходимый по величине коэффициент экстинкции в таком световоде может быть достигнут за счет его большой длины. Напротив, в однополяризационном световоде для поляризатора допускаются сравнительно большие потери проводимой поляризационной моды, так как для его изготовления требуются отрезки световода меньшей длины (1-2 м), но коэффициент поляризационной экстинкции на один метр должен быть значительно больше, чем в случае световода для чувствительной катушки гироскопа. В таблице 3 приведены оптимальные значения параметров W-световода для чувствительной катушки гироскопа и для волоконного поляризатора.

Анизотропия в световедущей жиле и в отражающей оболочке создается с помощью нагружающих стержней, располагающихся по обе стороны световедущей жилы и отражающей оболочки W-световода. Технология изготовления анизотропного световода типа "PANDA" описана в [2]. Вначале в исходной заготовке с двух диаметрально противоположных сторон прорезаются два полукруглых паза шириной и глубиной ~1 мм (диаметр исходной заготовки примерно равен 12 мм). Затем исходную заготовку помещают внутрь опорной кварцевой трубы и спавляют с ней на тепломеханическом станке изготовления заготовок (операция "жакетирования") таким образом, чтобы по всей длине заготовки образовались два сквозных отверстия, образованных двумя пазами, прорезанными в исходной заготовке. Затем эти два сквозных отверстия растравливают фтористоводородной кислотой до необходимого диаметра. В растравленные отверстия вставляются два нагружающих стержня и из полученной таким образом заготовки вытягивают световод "PANDA". При изготовлении заготовки для световода "PANDA" используются следующие соотношения: где d_з ^исх - диаметр исходной заготовки W-световода, d_ст - диаметр нагружающих стержней, d_заг ^Р - диаметр заготовки "PANDA", - угол раскрыва отверстий для нагружающих стержней при наблюдении из центра световедущей жилы исходной заготовки, R_ж - радиус световедущей жилы в исходной заготовке W-световода, - расстояние отверстий для нагружающих стержней до световедущей жилы, h_п - глубина и ширина пазов, прорезанных в исходной заготовке.

На фиг. 4 показана конструкция поперечного световода типа "PANDA". Световод содержит световедущую жилу 10, отражающую оболочку с пониженным показателем преломления по отношению к кварцевому стеклу 11, нагружающие стержни круговой формы 12, внешнюю защитную кварцевую оболочку из чистого кварцевого стекла 13 и полимерное защитно-упрочняющее покрытие 14. Нагружающие стержни изготовляются из материала с большим коэффициентом температурного расширения, чем остальной материал световода. Материал нагружающих стержней должен иметь такой же показатель преломления, как и кварцевое стекло защитной оболочки световода, так как в противном случае по оси х W-профиль световода будет отличаться от W-профиля световода по оси y.

Считается, что основная мода световода [4] с W-профилем показателя преломления испытывает отсечку в случае, если (n²-n²_K)dS<0.

К - показатель преломления чистого кварцевого стекла. Однако экспериментальные данные показывают, что отсечка основной моды W-световода происходит даже в случае положительного значения приведенного выше интеграла. Вопрос отсечки основной моды W-световода необходимо, прежде всего, связывать с величиной отношения радиуса отражающей оболочки с пониженным показателем преломления к радиусу световедущей жилы. Это условие, по-видимому, справедливо при достаточно больших значениях отношения радиусов отражающей оболочки и световедущей жилы. При достаточно малых значениях этого отношения (/~ 1,5) основная мода W-световода испытывает затухание, а при больших значениях отношения / (~2,5) основная мода испытывает отсечку.

Использование в однополяризационных световодах "PANDA" нагружающих стержней с пониженным показателем преломления приводит к тому, что в направлении поперечного сечения световода в направлении оси х интеграл принимает отрицательное значение, а значит канализируемая х-поляризационная мода испытывает, скорее всего, затухание, так как отношение радиусов оболочки с пониженным показателем преломления и световедущей жилы в направлении оси х в известной конструкции световода "PANDA" больше 10. Потери канализируемой х-поляризационной моды при этом имеют очень большую зависимость от изгиба световода. Это подтверждается экспериментальными данными, которые показывают, что кривые спектральных потерь х-поляризационной моды смещаются в более коротковолновую область спектра, но при этом положение спектральной кривой потерь y-поляризационной моды остается практически неизменным, то есть изгиб однополяризационного световода "PANDA" с нагружающими стержнями с пониженным показателем преломления по отношению к показателю преломления чистого кварцевого стекла приводит к сужению спектрального окна, в котором световод проводит только одно состояние поляризации.

Нагружающие стержни также изготовляются MCVD-методом изготовления заготовок из кварцевого стекла с добавлением окиси бора и окиси германия. Правильное соотношение окислов бора и германия позволяет получить показатель преломления, равный показателю преломления кварцевого стекла защитной оболочки. При вытяжке световода из заготовки при затвердевании материала нагружающих стержней в области, находящейся между ними, возникают мощные регулярные растягивающие механические напряжения и за счет фотоупругого эффекта в ней возникает линейное двулучепреломление.

На фиг. 5 в увеличенном виде показана область между нагружающими стержнями. В этой области располагается световедущая жила световода и отражающая оболочка. Здесь - радиус световедущей жилы, - радиус отражающей оболочки, - расстояние нагружающих стержней до световедущей жилы, d_ст - диаметр нагружающих стержней. Величина двулучепреломления В в области между нагружающими стержнями пропорциональна величине: где - разность коэффициентов температурного расширения материала нагружающих стержней и защитной оболочки, T - разность между температурой в печи установки вытяжки световодов и комнатной, - угол раскрыва нагружающих стержней при наблюдении из центра световедущей жилы.

Для понимания механизма работы однополяризационного режима работы световода необходимо рассмотреть профили распределения показателя преломления с учетом механических напряжений, создаваемых нагружающими стержнями для двух поляризационных мод по оси у поперечного сечения световода. При выборе параметров световода "PANDA" и =90^o механические напряжения имеют профиль 15 (фиг.6) и сосредоточены, в основном, в световедущей жиле световода. Поэтому профиль распределения показателя преломления W-световода для х-поляризационной моды имеет вид 16, а для y-поляризационной моды - вид 17. Профили для двух поляризационных мод совпадают в защитной и отражающей оболочках, а в световедущей жиле уровень показателя преломления для y-поляризационной моды ниже уровня показателя преломления для х-поляризационной моды на величину модового двулучепреломления В.

При расположении нагружающих стержней на расстоянии = 2 от световедущей жилы механические напряжения по оси у концентрируются в световедущей жиле и отражающей оболочке и профили распределения показателя преломления для х- и y-поляризационных мод описываются кривыми 19 и 20 соответственно. При 0.5 в световедущей жиле возникают избыточные потери канализируемой поляризационной моды микроизгибного характера. Микроизгибы световедущей жилы могут образовываться при приближении к ней поверхности сплавления круглых отверстий в заготовке с нагружающими стержнями, на которой возможно образование воздушных микропузырьков. Поэтому для одонополяризационных световодов чувствительных катушек целесообразно располагать нагружающие стержни на расстоянии = 2 для обеспечения малых потерь оптической мощности канализируемой поляризационной моды в световоде. Но при увеличении параметра уменьшается также величина двулучепреломления в световедущей жиле и отражающей оболочке, что приводит к сужению спектрального окна однополяризационного режима работы короткого отрезка световода, но за счет большой длины световода оно может быть значительно расширено при минимальных потерях канализируемой поляризационной моды.

Для волоконного поляризатора на основе относительно коротких отрезков однополяризационного световода необходимо добиваться максимальной ширины спектрального рабочего окна однополяризационного световода. Увеличения ширины спектрального окна однополяризационного световода можно добиться за счет формирования в W-световоде профиля распределения показателя преломления с параметром /=2,5 приближением нагружающих стержней к световедущей жиле на расстояние = 0.5 и обеспечением угла раскрыва нагружающих стержней = 100^o. Выбор параметра 2,5 обеспечивает достаточно большую разность нормализованных частот V_отс ^х и V_отс ^у из-за большей крутизны зависимости V_отс от параметра . Приближение нагружающих стержней на расстояние = 0.75 значительно увеличивает модовое двулучепреломление В в световедущей жиле как за счет уменьшения параметра , так и за счет увеличения диаметра нагружающих стержней. Увеличение угла раскрыва до = 100^o обеспечит наличие механических напряжений не только в световедущей жиле, но и в отражающей оболочке, что обеспечит увеличение разности нормализованных частот V_отс ^х-V_отс ^у, от которой зависит разность длин волн отсечки двух поляризационных мод W-световода.

В таблице 4 указаны оптимальные геометрические параметры поперечного сечения W-световода "PANDA" для однополяризационных световодов чувствительных катушек гироскопов и волоконных поляризаторов.

Источники информации 1. J. R. Simpson et all. "A single polarization fiber" J. Lightwave Technology vol. LT-1, 1983, pp. 370-373.

2. M. J. Messerly, J.R. Onstott, R.C. Mikkelson. "A Broad-Band Single Polarization optical Fiber" J. of Lightwave Technology, vol. 9, 7, 1991, pp. 817-820.

3. А.M. Курбатов. "Одномодовый однополяризационный световод для поляризационного модового фильтра" Патент РФ 2040493, заявка 4529325 от 9.04.1990 г. Дата регистрации в Государственном реестре изобретений 25.07.1995 г.

4. I.M. Skinner (ссылка в статье [2]).

Формула изобретения

Одномодовый однополяризационный световод, содержащий световедущую жилу, отражающую оболочку с пониженным по отношению к чистому кварцевому стеклу показателем преломления, два нагружающих стержня круговой формы, внешнюю защитную оболочку, состоящую из чистого кварцевого стекла, и полимерное защитно-упрочняющее покрытие, отличающийся тем, что отношение разности показателей преломления материала защитной оболочки и материала отражающей оболочки n_К-n_об к разности показателей преломления материала световедущей жилы и защитной оболочки n_ж-n_К выбирают в диапазоне 0,52, при этом 3,510³ n_ж-n_об 7,510^-3, а отношение радиуса отражающей оболочки к радиусу световедущей жилы выбирают в диапазоне 1,5/2,5, причем нагружающие стержни изготавливают из материала с показателем преломления, равным показателю преломления n_К защитной оболочки световода, и располагают их на расстоянии от световедущей жилы, которое удовлетворяет условию 0,5 , при этом обеспечивают угол раскрыва нагружающих стержней при наблюдении из центра световедущей жилы 90°100°.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10