[ РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
Институт радиотехники и электроники
На правах рукописи
УДК 535.542
РЯБКО МАКСИМ ВЛАДИМИРОВИЧ
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК МИКРОСТРУКТУРНЫХ ОПТИЧЕСКИХ
ВОЛОКОН
01.04.21 – лазерная физика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Научный руководитель д.ф.-м.н., проф. Никитов С.А.
Москва – 2007
Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники РАН Научный руководитель: доктор физико-математических наук, Никитов Сергей Аполлонович;
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, Курков Андрей Семенович доктор физико-математических наук, Листвин Владимир Николаевич
Ведущая организация: ЗАО ЦНИТИ «Техномаш-ВОС»
Защита диссертации состоится «12» декабря 2007 года в 15.30 часов на заседании диссертационного совета Д212.156.01 при Московском физикотехническом институте (Государственном университете), по адресу 141700, Московская область, г. Долгопрудный, Институтский переулок, 9.
Отзывы направлять по адресу: 141700, Московская область, г. Долгопрудный, Институтский пер., д.9, МФТИ.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского физикотехнического института (Государственного университета).
Автореферат разослан « » ноября 2007 года.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук Батурин А.С.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Тематика микроструктурных оптических волокон (МОВ), или как их еще называют, дырчатых оптических волокон, является самой актуальной задачей в области волоконной оптики последнего времени. Такой огромный интерес возникает как следствие уникальных свойств и возможностей таких оптических волокон - широкий одномодовый диапазон, уникальные дисперсионные характеристики и их сильная зависимость от геометрических параметров оптического волокна, большое значение нелинейного коэффициента обусловленного сильной локализацией поля моды, увеличенное (усиленное) двулучепреломление (ДЛП) по сравнению с обычным PM (поддерживающим поляризацию) оптическим волокном. Эти уникальные свойства находят широкое применение в телекоммуникациях, нелинейной оптике, метрологии, атомной и медицинской оптике.
Несмотря на имеющиеся к настоящему времени результаты, постоянно появляется большое количество публикаций, что говорит о новых эффектах и результатах, которые содержит в себе данная тематика. Улучшаются параметры микроструктурных оптических волокон – пассивные потери, потери на сварке со стандартным волокном, увеличение двулучепреломления.
Создаются новые структуры оболочки таких волокон, позволяющие улучшать характеристики. Появляются сообщения о создании дырчатых оптических волокон поддерживающих распространение высших мод, что актуально для создания активных оптических волокон. Еще одно интересное свойство микроструктурного волокна – независимость потерь от радиуса изгиба вплоть до нескольких миллиметров.
микроструктурных оптических волокон строилось по принципу наиболее быстрого получения результата. По этой причине, в частности, изучению поляризационных характеристик МОВ уделялось очень незначительное количество исследований. Как следствие, встречаются ошибочные заявления о том, что фазовое и групповое двулучепреломление в МОВ практически совпадают, либо выводятся фазовые спектральные характеристики с использованием известных из литературы аппроксимаций для фазового двулучепреломления, что, как показано в данной диссертационной работе, не всегда корректно. Наличие подобных, порой ошибочных заявлений, четко дает понять, что тематика поляризационных характеристик изучена недостаточно и требует тщательного исследования.
Цель работы. Целью настоящей диссертационной работы является детальное исследование поляризационных характеристик новых типов оптических волокон – МОВ и поиск путей оптимизации параметров такого оптического волокна, для его перспективного использования в различных устройствах и волоконных элементах.
Для достижения заявленной цели было необходимо:
характеристик от различных параметров МОВ. Моделирование структуры с высокими значениями поляризационных характеристик на основе полученных результатов, а именно ДЛП в широком спектральном диапазоне выше 0,01 с дихроизмом более 40 дБ.
температурной и механической стабильности и разработать прямой способ измерения фазового ДЛП.
3. Исследовать стабильность поляризационных характеристик МОВ при температурных и механических воздействиях и сравнить полученные результаты с известными зависимостями обычного оптического волокна.
4. Проанализировать полученные результаты и дать предложения по использованию МОВ с целью улучшения характеристик имеющихся волоконно-оптических устройств.
Научная новизна:
В работе экспериментально обнаружено существенное различие фазового и группового двулучепреломления в микроструктурном оптическом характеристик обычных оптических волокон. Показана некорректность нахождения спектральных фазовых характеристик в микроструктурном аппроксимаций фазового ДЛП. Экспериментально подтверждена ожидаемая высокая температурная стабильность поляризационных характеристик промоделирована структура МОВ со значением двулучепреломления n > 0.01 и значением поляризационно-зависимых потерь Loss > 45дБ на длине волокна 2 см.
Научные результаты, выносимые на защиту:
1. Установлено, что поляризационные характеристики МОВ и обычного оптического волокна существенно отличаются как по величинам группового ДЛП и поляризационно-зависимых потерь, так и по характеру их спектральной зависимости.
2. Теоретически и экспериментально показано существенное различие фазового и группового ДЛП в МОВ, а так же сильное отличие фазовых характеристик обычных и микроструктурных волокон. В частности обнаружено, что фазовое ДЛП в МОВ может не только отличаться по модулю от группового ДЛП, в отличие от обычных оптических волокон, но также, отличаться и знаком.
3. При проведении исследований стабильности поляризационных характеристик МОВ и обычных PM оптических волокон при температурном и механическом воздействии. установлено, что температурная зависимость ДЛП в МОВ на порядок слабее, чем для обычного оптического волокна. Также продемонстрировано, что стабильность поляризационных характеристик МОВ при изгибе оказалась в несколько раз выше, чем у обычного волокна, и может быть существенно улучшена.
4. При помощи теоретического моделирования показана возможность характеристиками при использовании не симметричной структуры с четырьмя слоями воздушных каналов. В частности, предложена структура с четырьмя слоями только воздушных каналов, со значением ДЛП - 0,011 и величиной поляризационно-зависимых потерь на длине оптического волокна 2 см. - 49дБ на длине волны Практическая ценность.
Обнаруженный факт существенного отличия спектральных фазовых и групповых характеристик двулучепреломления в МОВ обязательно должен учитываться при создании приборов на основе таких оптических волокон, т.к. в спектральных устройствах и в линиях связи играет роль групповое двулучепреломление и связанная с ним поляризационная модовая дисперсия, а в таких волоконных элементах как, например, фазовые пластинки и ответвители, основное значение имеет фазовое двулучепреломление.
Обнаруженная температурная независимость поляризационных характеристик МОВ очень важна при их использовании в прецизионных измерительных приборах, эксплуатирующихся в суровых климатических условиях. Одним из вариантов такого применения может быть волоконнооптический датчик тока. Результаты теоретического исследования найдут применение, например, для изготовления волоконно-оптических поляризаторов, эффективных линий задержки, приборов на основе акустооптического взаимодействия, компенсаторов поляризационной модовой дисперсии и т.д.
Апробация работы.
Международных и Всероссийских конференциях:
1. 6 международная научно-техническая конференция «Перспективные Технологиив Средствах передачи Информации» Владимир 2005. Ю.В.
Гуляев, И.В. Лисенков, С. А. Никитов, М.В. Рябко, Ю.К. Чаморовский.
«Микроструктурные волокна в волоконно-оптических линиях связи»
2. International Conference “Micro- and nanoelectronics 2005” Zvenigorod Russia. Microstructured Optical Fibers – New Tool For Telecommunications M.Ryabko*, Yu.Chamorovskii, I. Lissenkov, S.Nikitov 3. Всероссийская научная конференция "Методы и средства обработки информации", МГУ 2005. Ю. В. Гуляев, И.В. Лисенков,С.А. Никитов, М.В.
Рябко, Ю.К Чаморовский. Микроструктурные волокна в волокнооптических линиях связи.
4. Всеросийская конференция иновационных проектов аспирантов и студентов по приорететному напрвлению «Индустрия наносистем и материалы», Зеленоград 2005.
5. 5-ая Международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика-2005", Зеленоград 2005. Гуляев Ю.В., Лисенков И.В., Никитов С.А., Рябко М.В., Чаморовский Ю.К. «Поляризационные свойства микроструктурных волокон».
6. X Всероссийская школа-семинар «Волновые явления в неоднородных средах» Звенигород, 2006 Рябко М.В., Некрашевич Е.С., Никитов С.А.
«Поляризационная дисперсия микроструктурных волокон»
7. «Лазеры. Измерения. Информация -2006», Санкт-Петербург 2006, С.К.Моршнев, М.А. Рябко, Ю.К.Чаморовский «Измерение встроенного линейного двулучепреломления в волоконных световодах типа “spun”»
8. 15-ая Международная Конференция «Высокие Технологии В Медицине, Биологии И Геоэкологии», Новороссийск 2007 Рябко М.В., Чаморовский Ю.К., Старостин Н.И., Никитов С.А. «Экологически безопасный волоконнооптический датчик тока»
9. Всероссийская конференция по волоконной оптике, Пермь 2007, М.В.
Рябко, Ю.К. Чаморовский, С.А. Никитов «Поляризационные характеристики микроструктурных оптических волокон»
а так же на научных конференциях Московского физико-технического института (Москва-Долгопрудный, 2005 и 2006) и на конкурсах молодых ученных ИРЭ РАН (Москва 2005 и 2006). По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 7 статей и 5 тезисов докладов на конференциях и 1 патент на полезную модель.
Структура диссертации.
Диссертация изложена на 127 страницах машинописного текста и содержит 60 рисунков. Работа состоит из 5 глав, включая введение, заключения и списка цитированной литературы, включающего библиографических ссылок.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение сформулированы основные цели исследования. Кратко изложено основное содержание материала по главам.
Глава 1. Обзор литературы В данной главе представлен обзор литературы, в котором показано современное состояние исследований поляризационных характеристик микроструктурных оптических волокон. В частности, указано, что в микроструктурном оптическом волокне спектральные зависимости фазового и группового ДЛП ведут себя не так как в обычном оптическом волокне. Из этого сделан вывод, что использование поляризационного микроструктурного волокна требует четкого понимания этого различия при его использовании в различных устройствах. Но прямое измерение фазового двулучепреломления, в отличие от группового ДЛП, связано с большими трудностями, поэтому было бы полезно установить какую-либо связь группового и фазового двулучепреломления в таких структурах или предложить эффективный способ измерения фазового ДЛП.
Дан анализ методов измерения двулучепреломления в оптических волокнах. Показаны достоинства и недостатки каждого метода, а так же указано, что на настоящий момент нет эффективного метода измерения фазового двулучепреломления.
Проведен анализ способов формирования ДЛП в микроструктурных оптических волокнах. Приведены достигнутые на настоящий момент поляризационные характеристики микроструктурных оптических волокон.
Сделан вывод, что МОВ имеют большой потенциал для их использования в различных датчиках и волоконных элементах, так как обладают высокой температурной и механической устойчивостью поляризационных характеристик.
Проведен анализ методов моделирования микроструктурных оптических волокон. Дано обоснование выбора адаптированного мультипольного метода для моделирования поляризационных характеристик МОВ в настоящей диссертационной работе.
Глава 2. Теоретическое исследование МОВ Эта глава посвящена моделированию поляризационных характеристик.
поляризационных характеристик МОВ является мультипольный метод. Дается краткое описание мультипольного метода моделирования, адаптированного в данной диссертационной работе для оптических волокон с несимметричной использованием этого метода, путем сравнения различных характеристик выбранным в данной работе.
МОВ с эллиптической Далее ведется расчет поляризационных характеристик различных структур для установления зависимостей поляризационных характеристик от различных параметров МОВ. За базовую структуру берется простейшая структура с эллиптической эффективной жилой, приведенная на рисунке 1а.
Параметры структуры следующие: радиус цилиндрических каналов моделирование спектральной зависимости поляризационно-зависимых потерь х- и у- составляющих фундаментальной моды, спектральных зависимостей двулучепреломления.
Практический интерес в большинстве случаев представляет только моделировании проводится анализ, моды, так и ее волновой вектор, включая действительную и мнимую части.
различных параметров, а именно – пропорциональное уменьшение геометрических размеров, изменение радиуса боковых воздушных каналов, увеличение эллиптичности структуры, в том числе и за счет добавления дополнительных каналов (рисунок 3а).
Показано, что возможно получение высокого значения ДЛП в широком диапазоне, для простой структуры МОВ, состоящей всего из 10 воздушных каналов (рисунок 1б).
Таким образом, устанавливаются механизмы формирования и способы влияния на двулучепреломление и поляризационно-зависимые потери при изменении геометрии структуры МОВ. Но потери в таких структурах при большом значении ДЛП остаются достаточно высокими, поэтому добавляются дополнительные слои воздушных каналов с целью уменьшения потерь МОВ.
Важно выяснить механизм дихроизма, т.е. разницы потерь, для основных ортогонально поляризационных мод. Для этой цели проводилось моделирование структуры волокна, в зависимости от ее геометрических параметров.
Производится моделирование поляризационных характеристик, в зависимости от радиусов групп цилиндрических каналов, коэффициента преломления материала каналов и эллиптичности структуры. Получено, что при увеличении эллиптичности структуры на 25% от первоначального значения 4, двулучепреломление увеличивается на 20%.
Однако, увеличение радиуса цилиндрических каналов может приводить как к уменьшению потерь, за счет сильного ограничения поля моды, так и к увеличению потерь, за счет уменьшения эффективной жилы и вытеснения поля моды в оболочку. Увеличение коэффициента преломления материала нескольких каналов приводит к увеличению потерь, но может служить эффективным способом для формирования высокого значения дихроизма.
Основным результатом данной главы является теоретический анализ формирования поляризационных характеристик МОВ. Кроме того в результате обобщения влияния различных параметров на поляризационные характеристики МОВ, предлагается структура (рисунок 3а) со следующими параметрами: = 1.47 мкм, n1 = n2 = n3 = n4 =1, r1 = r4 = 0,67 мкм., r2 = 0, мкм., r4 = 0,44 мкм. МОВ с такой структурой длиной 1м. обладает уникальными поляризационными характеристиками (рисунок 3б). На рисунке представлены спектральные потери х- и y- составляющих основной моды для 1 метра оптического волокна, а также, спектральная зависимость ДЛП.
Таким образом, предложена и промоделирована структура МОВ с четырьмя слоями только воздушных каналов и дихроизмом 49дБ при потерях основной моды 1дБ на длине волокна 2см. Рассчитанное значение фазового двулучепреломления составляет 0.0111. Полученные результаты дают возможность практического изготовления такого волокна и его использования, например, в качестве поляризатора.
а - Структура МОВ с четырьмя слоями воздушных каналов;
б - Поляризационные характеристики структуры МОВ с Глава 3. Экспериментальное исследование поляризационных характеристик Эксперименты проводились с различными типами оптическим волокон, произведенных в ИРЭ РАН (таблица 1) а также оптическим волокном фирмы Corning, на экспериментальной установке, представленной на рисунке 5.
Общий вид МОВ, с которым проводились эксперименты, представлен на рисунке 4.
определение длины волны отсечки высших мод, в частности второй моды, и, соответственно, диапазона, где волокно поддерживает только одну пространственную моду (одномодовый режим работы). Эксперименты с МОВ показали, что не всегда можно определить отсечку высших мод как это делается в обычном оптическом волокне при помощи изгиба. Поэтому использовался другой метод с использованием разъюстировки оптических волокон. В этом методе наблюдается спектр пропускания системы МОВ – обычное связное волокно при их продольной разъюстировке.
Т.к. основная и высшие моды имеют различные профили, то на длине волны отсечки на спектральной мощности (ось y спектроанализатора) от длины волны происходит скачок, обусловленный более резкими потерями при разъюстировке т.к. эта мода имеет максимум Общий вид МОВ, с которым оптического волокна.
независимыми способами измерялось групповое и фазовое ДЛП. Для определения группового двулучепреломления использовался интерференционный метод. Поляризатор (П) и анализатор (А) (рисунок 5) ориентируются под углом 45 к главным осям тестируемого световода (ТС) для получения максимальной видности картинки. При этом на входе световода имеем две поляризационных моды с одинаковой амплитудой.
После прохождения волокна выбранной длины между двумя поляризациями накапливается разность фаз. На выходном анализаторе обе поляризации проецируются на одну ось – ось анализатора и интерферируют между собой.
Критерий выбора длины волокна заключается в том, чтобы не превысить длину когерентности источника, но при этом получить качественную (достаточное число периодов) картинку на спектроанализаторе (СА) для точного определения периода. Зная период интерференционной картинки, определяется групповое двулучепреломление для определенной длины волны:
- период интерференционной картинки, L – длина волокна, – длина волны.
Схема экспериментальной установки для измерения поляризационных Проводя измерения для нескольких длин волн, можно построить спектральную зависимость группового двулучепреломления. Измерения проводились для разных длин волокна. Характерная спектральная зависимость группового ДЛП для МОВ1 длиной 64 см. представлена на рисунке 6б. Из рисунка видно, что групповое двулучепреломление зависит от длины волны, поэтому фазовое и групповое ДЛП для такого волокна будут отличаться, что следует из выражения (2). Кроме того, зависимость группового ДЛП является немонотонной.
Для нахождения фазового ДЛП был использован прямой способ измерения. Известна связь группового и фазового двулучепреломления:
двулучепреломление. Зная спектральную зависимость группового ДЛП, можно с точностью до постоянной интегрирования найти спектральную зависимость фазового ДЛП (3) где А, В1 и В2 – константы при аппроксимации спектральной зависимости группового ДЛП в виде А+В1*+В2* 2.
Задача состояла в нахождении этой константы –значения фазового двулучепреломления для какой-либо длины волны. Для этого был выбран способ, основанный на связи поляризационных мод. Если входной поляризатор сориентировать по одной из осей волокна, а выходной по другой, то мощность выходного сигнала будет равна нулю. Однако при создании неоднородностей в оптическом волокне или механических воздействий на него сигнал на выходе появляется (рис. 6а). Это обусловлено перекачкой энергии на неоднородностях из одной поляризационной моды в другую. В качестве неоднородности была выбрана периодическая структура, обусловленная давлением на оптическое волокно периодической структурой из кварцевых волокон диаметром 500 мкм. Давление производилось через вакуумную резину грузами. Такая структура обуславливала резонансную связь мод на определенной длине волны (период структуры 1см). Используя найденное значение двулучепреломления в качестве начального условия при интегрировании (2), была найдена спектральная зависимость фазового двулучепреломления. Результат представлен на рисунке 6б.
Следует обратить внимание, что из эксперимента мы определяем лишь абсолютное значение фазового двулучепреломления. Это обуславливает некую двойственность при нахождении спектральной зависимости, т.к.
неопределенность разрешалась путем измерения значений фазового ДЛП для нескольких длин волн, соответственно при этом изменялся период воздействующей на волокно решетки. Для наилучшего совпадения выражения (2) экспериментальным значениям фазового двулучепреломления нужно принять предположение о том, что фазовое и групповое ДЛП различаются знаками, что подтверждается теоретическими расчетами.
Для сравнения были измерены поляризационные характеристики обычных оптических волокон на той же экспериментальной установке.
Сравнение полученных результатов для обоих типов волокон (МОВ и обычное HiBi волокно), показывает, что в отличие от обычного волокна, где обе поляризационные характеристики практически совпадают (с точностью 10%), дисперсия группового двулучепреломления приводит к существенному отличию фазовых и групповых поляризационных характеристик в МОВ. Это отличие состоит не только в разнице значений фазового и группового ДЛП в несколько раз, но и в том, что главные оси волокна для фазового и группового двулучепреломления могут меняться местами.
соответствуют результатам, полученным в данной работе с оптическим волокном фирмы «Corning», имеющим структуру, представленную на рисунке Был проведен анализ возможности использования известных из литературы аппроксимаций для нахождения фазового ДЛП. На основе экспериментальных данных группового ДЛП показано, что аппроксимация в виде хорошо известная из литературы [2], не может дать надежных результатов. Предложен прямой способ измерения фазового ДЛП Продемонстрировано существенное отличие поляризационных характеристик микроструктурного оптического волокна от обычного оптического волокна с тем же, по порядку величины, значением ДЛП.
Двулучепреломление а - Характерная картинка резонансной связи поляризационных мод на периодической неоднородности; б -спектральные зависимости группового и фазового двулучепреломления в МОВ Глава 4. Стабильность поляризационных характеристик оптического волокна поляризационных характеристик разных типов оптических волокон при механическом и температурном воздействии.
Температурная зависимость ДЛП оптического волокна может быть определена как сумма эффектов изменения в геометрии волокна и изменения механических напряжений:
напряжения отсутствуют.
Когда говорится о геометрическом эффекте, имеется в виду как изменение геометрических параметров сердцевины оптического волокна при изменении температуры, так и изменение коэффициентов преломления материалов оболочки и сердцевины и связанное с этим изменение волноводного режима. Температурный коэффициент расширения сердцевины во всех волокнах имеет порядок изменение размеров сердцевины оптического волокна при изменении температуры от температуры размягчения кварца Т = 910оС до комнатной температуры составит величину порядка 10-3, а относительное изменение ДЛП при таком изменении геометрических размеров составит пренебрежимо малую величину порядка 10. Этот эффект пренебрежимо мал по сравнению с другими эффектами.
преломления кварца при различных концентрациях ионов Ge отличается от того же коэффициента для чистого кварца на величину порядка 10 1/К.
Относительное изменение ДЛП при изменении температуры в диапазоне 100оС для оптического волокна с эллиптической сердцевины составляет около 2%. Причем этот механизм дает отрицательный вклад.
Моделирование МОВ со структурой, представленной на рисунке 1 с изменением показателя преломления матрицы на 10-4, дает изменение значения ДЛП на 3.6945*10-6. Таким образом, при изменении температуры в диапазоне 100оС изменение ДЛП составит 0,49%. Такое отличие от обычного волокна объясняется тем, что величина изменения разницы коэффициентов преломления материала коэффициентов преломления материалов сердцевины и оболочки в волокне.
ДЛП за счет изменений напряжений в оптическом температурным расширением и требует расчета распределения давления по сечению оптического волокна. Такой расчет в случае волокна с эллиптической жилой показывает, что температурный вклад нестабильности ДЛП за счет механических напряжений тоже уменьшает ДЛП оптического волокна [3].
Для измерения температурной стабильности исследуемое оптическое волокно помещалось в термокамеру и производился его нагрев от 30оС до 75оС. По сдвигу интерференционной картины на спектроанализаторе определялось изменение фазового двулучепреломления на один период сдвига на измерение, В результате получено различие в свойствах у всех четырех типов исследованных оптических волокон (рисунок 7). Самым нестабильным геометрический фактор, так и фактор давления – основной механизм ДЛП в оптическом волокне этого типа. Коэффициент относительной нестабильности такого волокна согласии с теоретическими расчетами в работе [3].
Следующим по нестабильности идет МОВ с сердцевиной, легированной ионами Ge. В этом случае в нестабильность ДЛП дают вклад оба механизма (геометрический и фактор давления), но скорее всего, ни один из них не является преобладающим, т.к. общая нестабильность 4%, а расчет температурной нестабильности, приведенный в начале этой главы, дает вклад за счет геометрического фактора величину 1,3%. Фактор давления ослабляется наличием воздушных каналов, и дает вклад в общую нестабильность такую же величину как и геометрический фактор.
Далее идет температурно-скомпенсированное волокно. Это волокно со специальным профилем легирования, в котором полностью подавлена Нестабильность такого волокна в 100 С градусном диапазоне составляет 1% и является показателем нестабильности, результатом которого является только изменение коэффициентов преломления материала оптического волокна. Эта величина существенно отличается от значения нестабильности, полученного в работе [5], но близка к величине нестабильности МОВ. Это становится понятным, если вспомнить, что разность коэффициентов преломления оболочки и сердцевины намного превосходит ту же величину слабо направляющих оптических волокон, поэтому он близко к МОВ.
И самым стабильным оказалось МОВ с жилой из чистого кварца.
Коэффициент нестабильности такого волокна измерить не удалось, из-за недостаточной точности измерений приборов, но она была заведомо лучше 0,5% в диапазоне температур 100 С.
возникает дополнительное наведенное двулучепреломление. Это двулучепреромление в общем случае векторно складывается с имеющимся ДЛП и в результате получается волокно с другими поляризационными характеристиками.
намотке оптического волокна на стержни различных радиусов. Такой вид механических воздействий наиболее часто встречается при укладке оптических схем, а поэтому наиболее интересен с практической точки зрения.
Ожидалась большая стабильность ДЛП при механических воздействиях в микроструктурном оптическом волокне. Это объясняется наличием воздушных включений, которые компенсируют механические воздействия, за счет слабого изменения формы воздушных каналов. Более строгое обоснование можно получить, решая уравнение Лапласа в оптическом волокне для нахождения распределения механических напряжений и дальнейшего учета их влияния на стабильность двулучепреломления.
двулучепреломления микроструктурного оптического волокна такой же, как и в обычном оптическом волокне. Но если в обычном оптическом волокне изменение двулучепреломления при изменении радиуса изгиба от бесконечности до 2 см. составляет около 7% (НВ1), то в МОВ та же величина составляет 3% (МОВ2).
Глава 5. Практическая ценность результатов использования поляризационных МОВ, проведены оценки ряда практических параметров, и даны рекомендации по улучшению характеристик различных приборов и волоконных элементов.
Показано, что четвертьволновая пластинка, выполненная на МОВ, будет в 20 раз стабильнее при изменении температуры внешней окружающей поддерживающего состояние поляризации.
Проведено сравнение характеристик поляризаторов выполненных с использованием МОВ и обычного оптического волокна, при изгибах в петли различного радиуса. При использовании поляризатора из обычного волокна типа НВ1, скрученного в петлю диаметром 8 см дихроизм существенно уменьшается, и его использование становится бесполезным. Поляризатор, выполненный на МОВ, незначительно ухудшает свои характеристики, начиная с диаметров петли 2,5 см. Таким образом, использование МОВ позволит существенно уменьшить размеры приборов, что важно в космических приложениях, авиации и др.
Показано, что при использовании МОВ в датчике тока в качестве линии задержки, чувствительного элемента и четвертьволновой пластинки, можно существенно повысить стабильность выходных характеристик при его использовании в реальных агрессивных условиях окружающей среды.
Отмечается, что тематика МОВ остается открытой для исследования, и обозначены возможные направления таких исследований. Например, исследование изменения поляризационных характеристик МОВ со временем (старение волокна), оптимизация структур МОВ для уменьшения потерь при сварке с обычным оптическим волокном, поддерживающим состояние поляризации, наблюдение акустооптического взаимодействия в МОВ, и создание на его основе эффективного и простого способа измерения фазового ДЛП.
Основные результаты и выводы 1. В работе исследованы эффективные механизмы формирования ДЛП и дихроизма в МОВ. На основе таких исследований предложено и теоретически исследовано однополяризационное волокно с уникальными поляризационными характеристиками. Структура МОВ с четырьмя слоями воздушных каналов и дихроизмом 49дБ при потерях основной моды 1дБ на длине волокна 2см. Рассчитанное значение фазового двулучепреломления составляет 0.0111. Полученные результаты дают возможность практического изготовления такого волокна и его использования в качестве поляризатора.
2. Впервые проведен численный расчет поляризационных характеристик микроструктурного оптического волокна с использованием мультипольного метода. Расчетные данные спектральной зависимости группового ДЛП совпадают экспериментальными данными с точностью 8% в широком спектральном диапазоне 1100-1700 нм.
3. Создана экспериментальная установка для измерения поляризационных характеристик оптических волокон. На созданной установке проведено прямое измерение фазового и группового двулучепреломления. Метод измерения основан на резонансной связи поляризационных мод. Было продемонстрировано существенное отличие поляризационных характеристик МОВ от обычного оптического волокна с тем же по порядку величины значением двулучепреломления.
4. Проведен анализ возможности использования известных из литературы спектральной зависимости группового двулучепреломления. На основе экспериментальных данных группового двулучепреломления показано, что такая аппроксимация фазового ДЛП,, не всегда может дать надежные результаты. Проведено измерение ДЛП методом скрутки, и показано, что такой метод адекватно работает не для всех типов МОВ.
5. Исследованы температурные зависимости двулучепреломления различных типов волокон. Обнаружено что температурная стабильность двулучепреломления микроструктурных волокон намного выше стабильности обычного оптического волокна. Это связано с отсутствием нестабильности, связанной с механическими термоупругими напряжениями, а так же с тем, что изменение контраста коэффициентов преломления сердцевины и оболочки при изменении температуры мало по сравнению с начальным контрастом коэффициентов преломления.
6. Исследованы зависимости двулучпереломления различных типов оптических волокон при внешнем механическом воздействии. Показано что механизм нестабильности в МОВ такой же как и в обычном оптическом волокне, но благодаря наличию в нем воздушных каналов механические воздействия в МОВ частично компенсируется.
7. Показано, что использование волоконных элементов на основе МОВ позволяет существенно улучшить характеристики ряда практических устройств и приборов. Например, показано, как можно улучшить точностные характеристики датчика тока. Путем моделирования подобраны параметры чувствительного элемента датчика тока, выполненного на микроструктурном волокне, обеспечивающие рекордное значение погрешности измерений – лучше 0,1% в диапазоне температур 1000С. Обозначены возможные направления дальнейших исследований для возможности всестороннего использования МОВ в различных приборах.
Список работ опубликованных по теме диссертации 1. Рябко М. В., Чаморовский Ю.К., Никитов С. А., «Микроструктурные волокна» \\журнал «Микро- и наноструктурная техника» №5 2005 г.
2. М. В. Рябко, В. А. Исаев, Ю. К. Чаморовский, С. А. Никитов, “Поляризационная дисперсия в микроструктурных волокнах с боковыми каналами” Оптика и Спектроскопия 102, 122 (2007).
3. Y.K. Chamorovskii, Yu.V. Gulyaev, M.V. Ryabko, S.A. Nikitov «Microstructured Fibers in Fiber Optic Communication Lines» \\ «Optical Memory and Neural Networks» №1 2006 г.
4. Иванов Г.А., Исаев В.А., Никитов С.А., Рябко М.В., Старостин Н.И.,Чаморовский Ю.К. Патент РФ №64383 «Чувствительный элемент волоконно-оптического датчика электрического тока».
5. Sergei K. Morshnev, Maksim V. Ryabko, and Yuri K. Chamorovskii «Measuring of an embedded linear birefringence in spun optical fibers» Proc.
SPIE 6594, 65940R (2007) 6. М.В. Рябко, С.А.Никитов, Ю.К. Чаморовский «Моделирование свойств однополяризационного микроструктурного оптического волокна»
Радиотехника и Электроника, Т.52, №10, стр. 1-7.
7. Е. С. Некрашевич, М. В. Рябко «Исследование температурной зависимости поляризационных характеристик различных типов волокон»
Нелинейный Мир, №5, Т.5,2007, стр.292.
8. М. В. Рябко «Поляризационная дисперсия микроструктурных волокон»
Нелинейный Мир, №6, Т.4,2006, стр.286.
9. 6 международная научно-техническая конференция «Перспективные Технологии в Средствах передачи Информации» Владимир 2005. Ю.В.
Гуляев, И.В. Лисенков, С. А. Никитов, М.В. Рябко, Ю.К. Чаморовский.
«Микроструктурные волокна в волоконно-оптических линиях связи» стр.
10. International Conference “Micro- and nanoelectronics 2005” Zvenigorod Russia. Microstructured Optical Fibers – New Tool For Telecommunications M.Ryabko, Yu.Chamorovskii, I. Lissenkov, S.Nikitov, O1- 11. 5-ая Международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика-2005", Зеленоград 2005. Гуляев Ю.В., Лисенков И.В., Никитов С.А., Рябко М.В., Чаморовский Ю.К. «Поляризационные свойства микроструктурных волокон» стр. 247-248.
12. «Лазеры. Измерения. Информация -2006», Санкт-Петербург 2006, С.К.Моршнев, М.В. Рябко, Ю.К.Чаморовский «Измерение встроенного линейного двулучепреломления в волоконных световодах типа “spun”»
стр. 54-55.
13. 15-ая Международная Конференция «Высокие Технологии В Медицине, Биологии И Геоэкологии», Новороссийск 2007 Рябко М.В., Чаморовский Ю.К., Старостин Н.И., Никитов С.А. «Экологически безопасный волоконно-оптический датчик тока», стр. 26-29.
Список литературы 1. White T. P., Kuhlmey B. T., McPhedran R. C. et al. Multipole method for microstructured optical fibers. I. Formulation //Journal of Optical Society of America B. 2002. Vol. 19. Number. 10. P. 157-161.
2. Ortigosa-Blanche, J.C. Knight, W.J. Wadsworth, J.Arriaga, B.J.Mangan,T.A.
Birks, and P.St.J. Russell “Highly birefringent photonic crystal fibers” Optical Letters 2000, Vol. 25, 1325-1327.
3. Pak L. Chu And Rowland A. Sammut “Analytical Method For Calculation Of Stresses And Material Birefringence in Polarization- Maintaining Optical Fiber” //Journal Of Lightwave Technology, Vol. Lt-2, No. 5, 1984.
4. Иванов Г.А., Исаев В.А., Никитов С.А., Рябко М.В., Старостин Н.И.,Чаморовский Ю.К. Патент РФ №64383 «Чувствительный элемент волоконно-оптического датчика электрического тока».
5. Waclaw Urbanczyk, Tadeusz Martynkien, and Wojtek J. Bock “Dispersion effects in elliptical-core highly birefringent fibers”// APPLIED OPTICS,Vol. 40, No. 12, 2001.
Исследование поляризационных характеристик микроструктурных Московский физико-технический институт
«