XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Введение

В оптическом приборостроении постоянно разрабатываются и модифицируются различные датчики, которые применяются во многих сферах нашей жизни. В самолетах, например, кораблях, военной технике и даже в сельском хозяйстве.

Одними из наиболее востребованных являются интерференционные датчики, важным элементом которых является анизотропное оптическое волокно, поскольку оно имеет свойство сохранять поляризацию света.

Развитие оптической технологии передачи информации в последнее десятилетие привело к тому, что поляризационные эффекты в волоконно-оптических линиях, которые недавно считались незначительными, стали играть роль основного фактора, сдерживающего дальнейшее увеличение скорости, дальности и точности передачи информации.

К оптическим волокнам предъявляются определенные требования, которые с каждым годом становятся более строгими. Поэтому возникает необходимость в добротных метрологических приборах, с помощью которых мы можем контролировать качество оптических волокон.

Основная цель работы - создание универсального инструмента для оценки поляризационных параметров изотропных и анизотропных оптических волокон.

Предметом волоконной оптики является передача информации посредством распространения света по тонким стеклянным волокнам.

Как известно, свет является электромагнитной волной. У нее есть электрическая и магнитная составляющие. Согласно теории Максвелла, световые волны поперечны. Это значит, что вектора Е и B колеблются перпендикулярно направлению распространения света.

Если вектор Е колеблется в разных плоскостях с одинаковой вероятностью, то такой свет называется естественным.

Если направления колебаний вектора Е упорядочены, то свет называется поляризованным.

Чтобы наблюдать явление поляризации света, необходимо пропустить естественный свет через анизотропную среду, которая называется поляризатором. Она «отсекает» ненужные направления колебаний, оставляя какое-то одно. Это видно на рисунке 1.

Рис. 1 – Модель явления поляризации света.

Классифицировать оптические волноводы можно по разным признакам. Нас будет интересовать разделение по признаку ориентации светового вектора. Другими словами: анизотропные и изотропные оптические волокна.

Рассмотрим представителя изотропного оптического волокна (см. рис. 2) – стандартное одномодовое оптическое волокно SMF-28. В данном волокне очень слабое двулучепреломление (значения фазовой и групповой скорости распространения), и как следствие, при любом небольшом воздействии состояние поляризации теряется.

Рис. 2 – Фотография скола оптического изотропного волокна SMF-28.

Перейдем к анизотропному оптическому волноводу типа Панда (см. рис. 3). Особенностью данного волновода являются два нагружающих стержня («глаза Панды»), за счет которых в сердцевине (той части оптического волокна, где происходит распространение основой моды излучения) и создается так называемая искусственная анизотропия. Другими словами, в сердцевине создается среда, имеющая высокую степень двулучепреломления. Это нужно для того, чтобы при возникновении каких-либо внешних механических напряжений, состояние поляризации излучения сохранялось.

Рис. 3 - Иллюстрация скола оптического анизотропного волокна типа Панда.

Оба типа оптического волокна получили свое применение в оптическом приборостроении.

Потери мощности вводимого излучения в оптических волокнах могут возникать из-за поглощения, рассеивания света, а также в месте соединения волокон, либо вследствие приложения каких-либо напряжений (например, изгиб волокна). Измерять потери помогают рефлектометры. Самым распространенным является импульсный оптический рефлектометр (сокращенно OTDR). Прибор обеспечивает лучший способ измерить полное затухание в оптическом волокне. Принцип работы OTDR, основанный на явлении Рэлеевского рассеивания, представлен на рисунке 4.

Рис. 4 – Принцип действия оптического рефлектометра (OTDR).

От источника подается короткий зондирующий импульс с одного конца волокна, а затем фотоприемник измеряет пришедшую обратно мощность и, время запаздывания.

Прибор регистрирует как отраженную мощность (на трещинах, изгибах), так и рассеянную мощность (на флуктуациях показателя преломления стекла, застывших при вытяжке оптических волокон – Рэлеевских центрах). Такое детектирование оптической линии позволяет с высокой точностью локализовать и идентифицировать практически любое событие (дефект), а также измерить полное затухание в волноводе.

К поляризационным характеристикам оптических волокон можно отнести двулучепреломление, поляризационно-модовую дисперсию и так, называемый h-параметр. Последний имеет смысл только для анизотропных оптических волокон, поскольку он показывает долю мощности, которая «перетекает» из медленной оси симметрии в быструю.

У качественных производственных образцов оптического волокна типа Панда с сохранением поляризации данная величина составляет порядка 10^-5 м^-1. Однако, в паспортах указывается среднее значение h-параметра, а метод поляризационной рефлектометрии позволяет получать распределенное значение данной величины (то есть в любой точке оптического волокна).

Схема измерения методом поляризационной рефлектометрии представлена на рисунке 5. С одной стороны образец оптического волокна типа Панда приваривался (5) к выходному концу оптического поляризатора-анализатора, так, чтобы плоскость поляризации выходного излучения была ориентирована под углами 0 или 45 градусов к медленной оси волновода (см рис. 6). К входному концу поляризатора подваривался коннектор для подключения к одному из каналов импульсного рефлектометра PK8000.

Рис. 5 – Схема измерения методом поляризационной рефлектометрии.

Рис. 6 – Визуальная иллюстрация осей волокна типа Панда при подварке под 0 и под 45 градусов.

На рисунке 7 представлены рефлектограммы, соответствующие вводу излучения под углом 45⁰ (показана синим цветом) и 0⁰ (показана красным цветом). При обработке полученных данных рефлектограммы совмещались в начальной точке по уровню мощности обратно-рассеянного излучения для более наглядного наблюдения разности наклонов полученных графиков. Разница потерь двух рефлектограмм характеризует величину связи ортогональных мод, т.е. значение h-параметра.

Рис. 7 – Полученные и совмещенные в начальной точке по уровню мощности рефлектограммы.

Метод поляризационной рефлектометрии позволяет оценить распределение h-параметра по длине анизотропного оптического волокна.

Для верификации метода, а также для достижения поставленной цели, к исходной схеме было предложено подварить изотропное одномодовое волокно (схема эксперимента представлена на рисунке 8).

Рис. 8 – Схема верификации метода и рефлектометра PK-8000.

Сильные поляризационные биения изотропного волокна (см. рис. 9) позволяет нам сделать вывод о том, что эталонный импульсный рефлектометр PK-8000 работает в предложенной схеме как поляризационный рефлектометр. Потому как, становится чувствителен к поляризации света.

Рис. 9 – Полученная рефлектограмма наблюдения поляризационных биений (поляризационная рефлектограмма)

Выводы

Подтверждено использование эталонного импульсного рефлектометра в качестве поляризационно-чувствительного. Другими словами, универсальность данного прибора позволить производить необходимые измерения поляризационных параметров (к тому же не среднее значение, а распределенное по всей длине) в условиях недостатка специализированного дорогостоящего оборудования.

Работа проводилась в Лаборатории Фотоники ПФИЦ УрО РАН и на кафедре Общей Физики ПНИПУ, а результаты обсуждались и анализировались совместно с их сотрудниками. Выражаю им благодарность.

Список литературы

Смирнов А.С., Бурдин В.В, Константинов Ю.А. Об оценке h-параметра в сохраняющем поляризацию оптическом волокне на основе данных поляризационной рефлектометрии. - Прикладная фотоника. - 2014. - №1. - C.51-57.

Бочкова С.Д., Бурдин В.В., Латкин К.П. Разработка методики исследования поляризационных характеристик различных типов оптических волокон // Международный студенческий научный вестник. – 2018. – № 6.

поляризационной рефлектометрии. - Прикладная фотоника. - 2014. - №1. - C.51-57.

Huttner B., Reecht J. and Gisin N., Passy R. and J.P.von der Weid. Polarization OFDR for measurements of birefringence and polarization mode coupling lengths in optical fibers.

Lefevre H.C. The Fiber-Optic Gyroscope. – Artech House Optoelectronics Library, 1993.

Код для цитирования: Скопировать