поляризующий одномодовый световод

Формула изобретения

Поляризующий одномодовый световод, содержащий защитно-упрочняющее покрытие; внешнюю кварцевую защитную оболочку; отражающую оболочку, состоящую из кварцевого стекла, имеющего отрицательную разность показателей преломления n _- с кварцевым стеклом внешней защитной кварцевой оболочки; световедушую жилу, состоящую из кварцевого стекла, имеющего положительную или равную нулю разность показателей преломления n ₊ с кварцевым стеклом внешней защитной кварцевой оболочки; нагружающие зоны, наводящие в световедущей жиле и отражающей оболочке линейное двулучепреломление, отличающийся тем, что параметр характеризующий профиль распределения показателя преломления для канализируемой поляризационной моды в сечении световода по линии, проходящей через центр световедущей жилы и составляющей перпендикуляр к линии, соединяющей геометрические центры нагружающих зон и световедущей жилы, выбирают из условия

где В_- - величина двулучепреломления в отражающей оболочке, В₊ - величина двулучепреломления в световедущей жиле, _P - рабочая длина волны поляризующего световода, _C - длина волны отсечки канализируемой поляризационной моды поляризующего световода, при этом минимальные значения величины лежат в диапазоне где 2 - диаметр отражающей оболочки, а 2 - диаметр световедущей жилы поляризующего световода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано в волоконно-оптических гироскопах и других датчиках физических величин, в волоконных линиях связи, а также в мощных линейно-поляризованных волоконных лазерах.

Известна конструкция одномодового волоконного световода с эллиптической нагружающей оболочкой, в котором наблюдается однополяризационный режим работы в некотором спектральном диапазоне [1]. Световод содержит жилу, нагружающую оболочку эллиптической формы, располагающуюся вокруг световедущей жилы, дополнительную оболочку с пониженным показателем преломления относительно чистого кварцевого стекла, защитную кварцевую оболочку и полимерное защитно-упрочняющее покрытие. Нагружающая оболочка состоит из материала, значительно отличающегося от остального материала световода по коэффициенту температурного расширения. Поэтому при вытяжке из заготовки кварцевой нити световода в печи установки вытяжки световодов при ее последующем остывании в поперечном сечении световода создаются регулярные механические напряжения. За счет фотоупругого эффекта механические напряжения в световедущей жиле наводят линейное двулучепреломление. Особенностью конструкции световода является то, что в одном из направлений поперечного сечения световода дополнительная оболочка с пониженным показателем преломления касается световедущей жилы и поэтому в этом направлении образуется так называемый W-профиль. За счет наводимого нагружающей оболочкой в световедущей жиле двулучепреломления W-профиль для двух поляризационных мод становится различным, и поэтому фундаментальные поляризационные моды имеют различную длину волны отсечки. Таким образом, в спектральном диапазоне между длинами волн отсечки поляризационных мод наблюдается однополяризационный режим работы световода, то есть в этом спектральном окне световод обладает поляризующими свойствами.

Основным недостатком известной конструкции [1] поляризующего световода является недостаточная ширина его спектрального рабочего окна. Связано это с тем, что напряжения создаются, в основном, только в световедущей жиле и поэтому расщепление W-профилей для поляризационных мод относительно небольшое.

Известна также конструкция поляризующего световода [2], которая содержит световедущую жилу, отражающую оболочку с пониженным показателем преломления, которая, в свою очередь, окружена эллиптической нагружающей оболочкой, создающей механические напряжения в световедущей жиле и отражающей оболочке. В результате для двух поляризационных мод световода образуются два различных W-профиля. Это различие W-профилей по сравнению с предыдущим случаем является более значительным и поэтому у световода данной конструкции наблюдается более широкий спектральный диапазон, в котором канализируется только одна поляризационная мода. Более сильное вырождение W-профиля для двух поляризационных мод достигается за счет того, что механические напряжения, создаваемые оболочкой эллиптической формы, присутствуют как в световедущей жиле, так и в отражающей оболочке.

Основным недостатком этой конструкции поляризующего световода является то, что возможности по величине наводимого линейного двулучепреломления в световедущей жиле и отражающей оболочке с помощью нагружающей оболочки эллиптической формы значительно меньше по сравнению с величиной двулучепреломления, наводимого, например, нагружающими стержнями круговой формы (световод "Панда). Величина двулучепреломления также в значительной степени определяет ширину рабочего спектрального окна поляризующего световода.

Другим недостатком известной конструкции поляризующего световода является то, что потери оптической мощности канализируемой поляризационной моды испытывают сильную зависимость от радиуса изгиба световода. Например, для намотки чувствительной катушки волоконно-оптического гироскопа требуется намотка световода в многослойную катушку диаметром от 40 мм до 100 мм и длина наматываемого световода должна составлять величину от 100 метров до 1000 метров и более в зависимости от точности волоконно-оптического гироскопа.

При таких длинах намотки в поляризующем световоде известной конструкции возникают большие потери канализируемой поляризационной моды, и поэтому обработка информации о вращении гироскопа становится практически невозможной из-за малого уровня мощности интерферирующих лучей на фотоприемнике кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой настоящим изобретением конструкции поляризующего световода является конструкция одномодового волоконного световода с большим линейным двулучепреломлением типа "Панда", рассмотренная в [3]. В световоде "Панда" нагружающие зоны представляют собой два нагружающих стержня круговой формы. Световод "Панда" содержит световедущую жилу, состоящую из материала, имеющего положительную разность показателей преломления n₊ по сравнению с чистым кварцевым стеклом; отражающую оболочку, состоящую из материала, имеющего отрицательную разность показателей преломления n_- по сравнению с чистым кварцевым стеклом; внешнюю защитную оболочку, состоящую из чистого кварцевого стекла; нагружающие стержни круговой формы, располагающиеся по обе стороны от световедущей жилы и состоящие из материала с большим коэффициентом теплового линейного расширения, чем у остального материала световода и наводящих, таким образом, за счет фотоупругого эффекта линейное двулучепреломление в отражающей оболочке и световедущей жиле; внешнее полимерное защитно-упрочняющее покрытие. Из-за наведенного в отражающей оболочке и световедущей жиле линейного двулучепреломления две фундаментальные поляризационные моды имеют разные по величине длины волн отсечки, и поэтому в некотором спектральном диапазоне световод обладает поляризующими свойствами. Достоинством известной конструкции световода является то, что при одном и том же уровне легирования кварцевого стекла окисью бора с помощью нагружающих стержней круговой формы удается создать большее двулучепреломление, чем с помощью оболочки эллиптической формы. Как следствие этого, в поляризующем световоде "Панда" потенциально возможно достижение максимальной ширины рабочего спектрального окна поляризующего световода.

Основным недостатком известной конструкции поляризующего световода "Панда" является возникновение больших потерь оптической мощности канализируемой поляризационной моды при намотке световода большой длины в многослойную катушку волоконно-оптического гироскопа.

Целью настоящего изобретения является уменьшение потерь оптической мощности канализируемой поляризационной моды в поляризующих световодах большой длины, которые используются для намотки чувствительных катушек волоконно-оптических гироскопов и других датчиков физических величин с малым диаметром намотки световода.

Другой целью изобретения является увеличение ширины рабочего спектрального окна поляризующего световода.

Указанная цель достигается тем. что параметр , характеризующий профиль распределения показателя преломления для канализируемой поляризационной моды в сечении световода по линии, проходящей через центр световедущей жилы и составляющей перпендикуляр к линии, соединяющей геометрические центры нагружающих зон и световедущей жилы, выбирают из условия

,

где В_- - величина двулучепреломления в отражающей оболочке, В₊ - величина двулучепреломления в световедущей жиле, _Р - рабочая длина волны поляризующего световода, _С - длина волны отсечки канализируемой поляризационной моды поляризующего световода, при этом значения величины лежат в диапазоне , где 2 - диаметр отражающей оболочки, а 2 - диаметр световедущей жилы поляризующего световода.

Уменьшение потерь оптической мощности канализируемой поляризационной моды в поляризующем световоде большой длины при намотке его с малым радиусом кривизны в многослойные катушки достигается за счет выбора параметра , при котором обеспечивается размер канализируемой фундаментальной поляризационной моды по уровню спадания интенсивности равный или меньший, чем размер световедущей жилы световода, что позволяет в значительной степени уменьшить изгибные потери оптической мощности канализируемой поляризационной моды.

Увеличение ширины рабочего спектрального окна достигается за счет оптимального подбора величины параметра . Уменьшение параметра приводит к увеличению связи нежелательной поляризационной моды с модами оболочки поляризующего световода, что приводит естественно к уширению рабочего спектрального окна поляризующего световода. С другой стороны, значительное уменьшение параметра приводит к увеличению изгибных потерь канализируемой поляризационной моды, поэтому оптимальное значение параметра при различных значениях параметра определяется таким значением, при котором изгибные потери канализируемой поляризационной моды остаются минимальными, но при этом обеспечивается максимальная связь нежелательной поляризационной моды с модами оболочки световода.

Увеличение ширины рабочего спектрального окна достигается также и за счет того, что выбирают значение n₊ таким образом, чтобы параметр для нежелательной поляризационной моды был равен или имел отрицательное значение. В этом случае, длина волны отсечки нежелательной поляризационной моды, равно как и длина волны отсечки всех высших мод той же поляризации, что и поляризация нежелательной поляризационной моды, имеют нулевое значение и поэтому условия для их распространения в поляризующем световоде полностью отсутствуют. В этом случае реализуется истинно однополяризационный световод, то есть световод, в котором моды световода имеют одну и ту же линейную поляризацию во всем рабочем спектральном диапазоне.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показана конструкция поперечного сечения световода "Панда" и профили распределения показателя преломления в поперечном сечении по оси Y в отсутствие линейного двулучепреломления и профили распределения показателя преломления для двух поляризационных мод световода при наличии в отражающей оболочке и световедущей жиле линейного двулучепреломления. На фиг.2 показан принцип определения рабочего спектрального окна поляризующего световода. На фиг.3 показаны профили распределения показателя преломления в поперечном сечении поляризующего световода "Панда" по оси Y для случая отсутствия линейного двулучепреломления в отражающей оболочке и световедущей жиле и в случае присутствия двулучепреломления профили распределения показателя преломления для поляризационных мод при n₊=0 и n₊=0,5В₊.

Рассмотрим поляризующий световод типа "Панда", в котором в качестве нагружающих зон используются два стержня круговой формы. Способ изготовления световода "Панда" описан в [4]. Конструкция поперечного сечения поляризующего световода "Панда" показана на фиг.1. Световод содержит световедущую жилу 1, отражающую оболочку 2, внешнюю защитную кварцевую оболочку 3, нагружающие стержни 4 и полимерное защитно-упрочняющее покрытие 5. Световедущая жила изготавливается из кварцевого стекла, легированного германием, который повышает показатель преломления чистого кварцевого стекла. Отражающая оболочка изготавливается из кварцевого стекла, легированного фтором, добавка которого в кварцевое стекло понижает его показатель преломления. Внешняя защитная оболочка изготавливается из чистого кварцевого стекла. Нагружающие стержни изготавливаются из кварцевого стекла, легированного бором, добавка которого в кварцевое стекло в значительной степени увеличивает коэффициент теплового линейного расширения кварцевого стекла и понижает температуру плавления кварцевого стекла. При вытяжке световода на установке вытяжки при остывании кварцевой нити в области между нагружающими стержнями, в которой оказываются световедущая жила и отражающая оболочка, создаются мощные регулярные по всей длине световода механические напряжения. За счет фотоупругого эффекта они наводят в световедущей жиле и отражающей оболочке линейное двулучепреломление величиной В₊ и В_- - соответственно.

На фиг.1 приведена кривая 6 распределения показателя преломления в поперечном сечении световода в отсутствие механических напряжений, то есть линейного двулучепреломления в отражающей оболочке и световедущей жиле, по оси X, проходящей через центр световедущей жилы и являющейся перпендикуляром к линии, соединяющей геометрические центры световедущей жилы и нагружающих стержней (ось Y). Из-за того, что кварцевое стекло световедущей жилы диаметром 2 легировано германием, оно имеет положительную разность показателей преломления n₊ по сравнению с чистым кварцевым стеклом внешней защитной оболочки световода, а из-за того, что кварцевое стекло отражающей оболочки световода диаметром 2 легировано фтором, оно имеет отрицательную разность показателей преломления n_- по сравнению с чистым кварцевым стеклом внешней защитной оболочки световода.

Профиль распределения показателя преломления, показанный кривой 6, обычно называют W-профилем распределения показателя преломления. W-профиль характеризуется двумя основными параметрами и . Выражение для параметра может быть представлено в виде:

.

Параметр в W-световодах во многом определяет длину волны отсечки основной фундаментальной моды световода. Параметр определяет для основной фундаментальной моды значение нормализованной частоты V_OTC, которое в свою очередь определяет длину волны отсечки фундаментальной моды W-световода при конкретных значениях диаметра световедущей жилы.

При отсутствии двулучепреломления в световедущей жиле и отражающей оболочке W-световода длины волн отсечки Х-поляризационной и Y-поляризационной фундаментальных мод совпадают друг с другом. Длина волны отсечки поляризационных мод может быть найдена из следующих соотношений:

где n₀= n₊+ n_-,

n_C - показатель преломления чистого кварцевого стекла,

_С - длина волны отсечки фундаментальных поляризационных мод.

Для определения значений V_ОТС 5 используется другое соотношение:

Диаметр W₀ фундаментальных поляризационных мод по уровню спадания интенсивности может быть определен из следующих соотношений (с точностью не хуже 1%);

где _Р - рабочая длина волны излучения источника.

При наличии линейного двулучепреломления в световедущей жиле В₊ и отражающей оболочке В_- профиль распределения показателя преломления W-световода для двух поляризационных мод расщепляется и поляризационные моды, таким образом, имеют различные значения параметра , которые могут быть выражены следующим образом:

_Х - параметр для Х-поляризационной моды,

_У - параметр для Y-поляризационной моды.

Профиль распределений показателя преломления в поперечном сечении световода для Х-поляризационной моды имеет вид 7, а для Y-поляризационной моды имеет вид 8 (фиг.1). Из-за того, что фундаментальные поляризационные моды имеют различное значение параметра , они имеют и различные длины волн отсечки, которые могут быть выражены следующим образом:

при значениях V_ОТС 5.

На фиг.2 показан принцип определения рабочего спектрального окна поляризующего световода. Затухание фундаментальной Х-поляризационной моды, имеющей длину волны отсечки показано кривой 9, а затухание Y-поляризационной моды, имеющей длину волны отсечки показано кривой 10.

Прямая 11 на графике определяет уровень потерь в световоде на уровне, например, 0,5 дБ/км, а кривая 12 на графике определяет уровень потерь, например, 40 дБ/км и, таким образом, рабочее спектральное окно поляризующего световода "Панда" находится между двумя пунктирными линиями 13, 14. Отсюда следует, что в данном спектральном окне поляризующий световод канализирует фундаментальную Х-поляризационную моду с потерями не более 0,5 дБ/км, а фундаментальная Y-поляризационная мода распространяется с потерями более 40 дБ/км.

Для минимизации изгибных и микроизгибных потерь канализируемой X-поляризационной моды при намотке длинных поляризующих световодов в катушки малого диаметра целесообразно ввести соответствующий критерий. Анализ изгибных потерь в W-световодах показывает, что таким критерием может быть соотношение между размером моды W₀ по уровню спадания интенсивности и размером световедущей жилы 2 W-световода. Потери оптической мощности фундаментальной Х-поляризационной моды в поляризующем световоде при намотке его на катушки диаметром до 40 мм остаются на приемлемом уровне при

W₀ 2 .

Из этого соотношения следует, что V 2.775, что в свою очередь приводит к справедливости следующего соотношения:

После несложных преобразований можно получить условие, накладываемое на параметр _Х поляризующего световода, при котором обеспечивалось бы выполнение условия W₀ 2 . Окончательно для параметра _Х имеем следующее соотношение:

Ширина рабочего спектрального окна поляризующего световода зависит от того, насколько эффективно взаимодействует с модами оболочки нежелательная Y-поляризационная мода поляризующего световода. Величина связи и количество мод оболочки, которые отбирают мощность у Y-поляризационной моды, уширяя тем самым рабочее спектральное окно поляризующего световода, зависит от соотношения величин W₀ и 2 . Чем меньше отношение , тем больше связь с модами оболочки Y-поляризационной моды и тем больше количество мод оболочки, с которыми взаимодействует Y-поляризационная мода. Но, с другой стороны, при уменьшении величины увеличиваются изгибные потери канализируемой Х-поляризационной моды. Изгибные потери остаются на приемлемом уровне, когда величина , то есть это соотношение позволяет обеспечить достаточное затухание Y-поляризационной моды и в то же время обеспечить минимальные изгибные потери канализируемой Х-поляризационной моды.

Минимальное значение _Х определяется из следующего соотношения:

При W₀=2 и поэтому в этом случае в поляризующем световоде для обеспечения минимальных изгибных потерь должно выполняться следующее соотношение:

Максимально возможное значение параметра _Х достигается очевидно при n₊=0 и в данном случае максимальная величина _X определяется следующим образом:

Типичное значение двулучепреломления В₊ в световодах "Панда" для обеспечения малого коэффициента межмодовой поляризационной связи составляет В_-=4· 10 ^-4. При В₊=В_- и n_-=28· 10^-3 (максимально возможное значение, которое достигается при легировании кварцевого стекла фтором) . При таких параметрах W-профиля поляризующего световода на рабочей длине волны _Р=1,06 мкм и длине волны отсечки фундаментальной Х-поляризационной моды _С=1,22 мкм, диаметр световедущей жилы в поляризующем световоде 2 =37 мкм, при этом диаметр Х-поляризационной моды W₀ =24,4 мкм и, таким образом, для обеспечения минимальных изгибных потерь достаточно иметь . При расчетах можно увидеть, что значение n_- не играет существенной роли при определении значений 2 ₀, W₀, . В самом деле, например, при n_-=4,5· 10^-3, 2 =35 мкм, W₀=24 мкм и, таким образом, . Из приведенных выше расчетов следует, что при выборе _X в диапазоне минимальные значения параметра , обеспечивающего максимальную перекачку оптической мощности Y-поляризационной моды в моды оболочки и минимальные изгибные потери Х-поляризационной моды, лежат в диапазоне . Более сильная связь Y-поляризационной моды с модами оболочки приводит к тому, что кривая спектральных потерь для нее становится более крутой, что и приводит к уширению рабочего спектрального окна поляризующего световода.

На основе W-световода "Панда" возможна реализация истинно однополяризационных световодов. На Фиг.3 показан профиль распределения показателя преломления 15, особенностью которого является то, что у негo n₊=0.

При наличии в световедущей жиле и отражающей оболочке линейного двулучепреломления величины параметра для Х-поляризационной моды (кривая 16) и Y-поляризационной моды (кривая 17) принимают следующие значения:

Значение _У при любых величинах линейного двулучепреломления равно (при В₊=0) или всегда имеет отрицательное значение, а это означает, что фундаментальная Y-поляризационная мода, равно как и все высшие моды данной поляризации, имеют нулевую длину волны отсечки, а это означает, что указанные выше моды распространяются с большими потерями во всем спектральном диапазоне. В данном конкретном случае ( n₊=0) величиной двулучепреломления, создаваемого нагружающими стержнями в световедущей жиле можно изменять размер W₀ фундаментальной моды. Предположим, что В₊=4· 10^-4, n_-=4,5· 10^-3, В_-=В ₊, в этом случае размер фундаментальной Y-поляризационной моды будет равен W₀=24 мкм при 2 =34,8 мкм. Расчеты проводились при _p=1,06 мкм и . При В₊=1· 10^-3, W₀=15 мкм при 2 =20,3 мкм. Поляризующие световоды с большим размером модовых пятен W₀ Х-поляризационной моды очень широко могут использоваться в волоконных лазерах с большой выходной мощностью линейно-поляризованного излучения. Как видно из приведенных выше расчетов, с помощью изменения величины линейного двулучепреломления размер модового пятна W₀ Х-поляризационной моды может изменяться в очень широких пределах. Величина линейного двулучепреломления может изменяться в широких пределах путем варьирования степени легирования окисью бора кварцевого стекла нагружающих стержней, так как в этом случае в широких пределах изменяется коэффициент теплового линейного расширения материала нагружающих стержней. В истинно однополяризационном световоде, имеющем конструкцию, рассмотренную выше, спектральное рабочее окно одномодового режима работы будет определяться уже длинами волн отсечки фундаментальной X-поляризационной моды НЕ₁₁ и первой высшей моды, имеющей ту же поляризацию. Нормализованная частота первой высшей моды HE₂₁ может быть определена из следующего соотношения:

Исходя из этого соотношения, для случая В₊=4· 10^-4 однополяризационный одномодовый режим наблюдается в спектральном диапазоне (0,71-1.22) мкм, а для случая В ₊=1· 10^-3 в спектральном диапазоне (0,688-1.22) мкм. При фиксированном внешнем диаметре световода при увеличении размера световедущей жилы усиливается так называемый эффект "шепчущей галереи" [5], так как уменьшается плотность мод оболочки. Мерой эффекта ''шепчущей галереи" может служить следующая величина:

,

где R_в - радиус световода,

L - длина световода.

Для канализации нежелательных мод световода на уровне [-25--30] дБ по отношению к уровню мощности канализируемой фундаментальной моды необходимо, чтобы N=(10-20). При длинах световода порядка сотен метров это условие легко достигается, но при относительно малых длинах световода возникает необходимость увеличения диаметра световода.

Истинно однополяризационный режим работы в W-световодах "Панда" может наблюдаться и при ненулевых значениях величины n₊. При n₊=0,5В₊, параметр _У равен бесконечности и, следовательно, для Y-поляризационной моды условия для распространения отсутствуют. В этом случае исходный профиль W-световода при отсутствии двулучепреломления в отражающей оболочке и световедущей жиле описывается кривой 18 (фиг.3), при наличии же двулучепреломления W-профиль для Y-поляризационной моды описывается кривой 19, а Х-поляризационной моды - кривой 20. Таким образом, для реализации истинно однополяризационного режима работы величина n₊ выбирается в следующем диапазоне:

0 n₊ 0,5В₊.

При n₊=0,5В₊ возможно максимальное уменьшение размера W₀ канализируемой Х-поляризационной моды. При В₊=1· 10^-3, на рабочей длине волны _P=1,06 мкм и при размер Х-поляризационной моды составляет величину W₀ =10,9 мкм при 2 =13,6 мкм. Таким образом, при выборе величины n₊ в указанном выше диапазоне и при изменении величины двулучепреломления В_- в пределах (0-1· 10 ^-3) путем изменения легирования нагружающих стержней можно изменять размер Х-поляризационной моды W₀ в пределах (10,9-24) мкм на рабочей длине волны _P=1,06 мкм и при _C=1,22 мкм. Размер W₀ моды можно еще более увеличить, если сместить длину волны отсечки фундаментальной Х-поляризационной моды истинно однополяризационного световода в более длинноволновую область.

Литература

1. J.R.Simpson et all. "A Single polarization fiber" J.Lightwave Technologj vol. LT-1, 1983, pp 370-373.

2. M.J.Messerlj, J.R.Onstott, R.C.Mikkelson "Abroad-Band Single Polarization Optikal Fiber" J.of Lightwave Technologj, vol.9, №7, 1991, pp 817-820.

3. А.М.Курбатов "Одномодовый волоконный световод для поляризационного медового фильтра" Патент РФ №2040493, заявка №4529325 от 9.04.1990 г. Дата регистрации в Государственном реестре изобретений 25.07.1995 г.

4. А.М.Курбатов "Способ получения одномодового волоконного световода" Патент РФ №2164698, заявка №98120798 от 20.11.1998 г.

5. Shah, V. and L. Curtis, "Mode Coupling Effects of the Cutoff Wavelength Characteristics of Dispersion-Shifted and Dispersion-Unshifted Single-Mode Fibers. Journal of Lightwave Technologj, 1989, 7 (8): p.1181-1186.