В настоящее время стремительно развивается прикладная оптика. Особый интерес представляет направление волоконной оптики, в котором рассматривается распространение света по тонким нитям из кварцевого стекла (оптическим волокнам). На базе волоконно-оптических технологий создаются волоконные усилители и лазеры, различные типы волоконных датчиков и многие другие устройства, которые уже находят применение в науке, технике и повседневной жизни человека.
Одними из наиболее востребованных видов оптических устройств являются волоконные интерференционные датчики, важным элементом которых является качественное оптическое волокно. Для транспортировки оптического излучения в таких интерференционных датчиках часто используется анизотропное волокно, сохраняющее поляризацию света. Это связано с тем, что эффективно интерферировать могут только когерентные волны с одинаковой поляризацией.
Основная цель данной работы - создание универсального программно-аппаратного инструмента для оценки поляризационных параметров для изотропных и анизотропных оптических волокон.
1. Исследование анизотропного оптического волокна типа Панда методом поляризационной рефлектометрии.
Одной из основных характеристик анизотропного оптического волокна является h-параметр, который характеризует связь двух ортогональных поляризационных мод, в результате которой происходит переход мощности излучения из одной моды в другую. У качественных производственных образцов оптического волокна с сохранением поляризации, произведенных промышленным способом, данная величина составляет порядка 10-5 м-1. Величина h-параметра равна доли излучения перешедшей из основной поляризационной моды в ортогональную на 1 м длины оптического волокна.
Методика данного эксперимента основывается на методе поляризационной рефлектометрии [1], который, в свою очередь, позволяет получить распределенную оценку значений h-параметра по всей длине оптического волокна. Последнюю можно назвать интегральным способом измерения величины связи поляризационных мод.
Рис. 1.1 - Схема измерений анизотропного оптического волокна методом поляризационной рефлектометрии.
Экспериментальная установка представлена на рисунке 1.1. С одной стороны находился выходной торец оптического волокна с сохранением поляризации типа Панда (7), а с другой стороны входной торец волокна (6) приваривался (5) к выходному концу оптического поляризатора-анализатора (4), чтобы плоскость поляризации выходного излучения была ориентирована под углами 00 либо 450 к медленной оси волновода. Непосредственно к входному концу данного оптического поляризатора подваривался (3) коннектор (2) для подключения к одному из каналов импульсного рефлектометра Photon Kinetics PK8000 (1).
Были использованы следующие параметры зондирующего излучения: длина волны источника излучения 1550 нм, длительность импульса 200 нс (что соответствует пространственному разрешению 20 м), время усреднения 60 с, длина одномодового оптического анизотропного волокна Панда 1 км.
На рис.1.2 представлены рефлектограммы, соответствующие вводу излучения под углом 450 (на рисунке показана синим цветом) и 00 (показана красным цветом) к медленной оси волокна. Рефлектограммы совмещены в начальной точке по уровню мощности обратно рассеянного излучения для более наглядного наблюдения разности наклонов полученных графиков. «Красная» рефлектограмма соответствует большим потерям по сравнению с «синей» по следующей причине. Часть мощности излучения, вводимого под углом 00 переходит в ортогональную поляризационную моду и на обратном пути перед входом в рефлектометр «отсекается» поляризатором. Таким образом, при вводе излучения под углом 00 получается дополнительный источник потерь. Разница потерь двух рефлектограмм на рис.1.2 характеризует величину связи ортогональных мод,т.е. значение h-параметра.
Рис. 1.2 – Совмещенные поляризационные рефлектограммы
Оценка h-параметра была выполнена по формуле, предложенной в работе [1]:
(1)
где DaL – дополнительные поляризационные потери за счет связи ортогональных мод в дБ, Da - разность потерь на единицу длины в дБ/км, L – длина участка оптического волокна. Для получения распределененой величины h-параметра дополнительные поляризационные потери усреднялись скользящим окном длины L = 50 м.
На рис.1.3 представлен итоговый график распределения h-параметра по длине волокна. Резкое увеличение h-параметра на отрезке 850-980 метров соответствует увеличению углу наклона красной рефлектограммы на рис.1.2. Низкое значение h-параметра на отрезке 250-450 м соответствует малой разности потерь двух рефлектограмм на том же рисунке. Пороговая чувствительность метода при определении значения h-параметра на отрезках волоконного световода длиной 50 м составляет 10-5 м-1. Поэтому на отрезках 250-350 м и 600-800 м можно лишь дать оценку значения h-параметра, которое на данных участках составляет ~10-5 м-1 или < 10-5 м-1. Среднее значение h-параметра, определенное на участке 200-900 м составляет величину ~2×10-5 м-1, что соответствует технической спецификации данного волокна, согласно которой h=2,03×10-5 м-1.
Рис. 1.3 – Зависимость h-параметра от длины анизотропного одномодового волокна типа Панда
Итак, модифицированный метод поляризационной рефлектометрии позволяет оценить распределение h-параметра по длине анизотропного оптического волокна. Величина расхождения двух рефлектограмм, соответствующих вводу поляризованного излучения под углами 0 и 450 характеризует связь двух поляризационных мод.
2. Исследование длины деполяризации в изотропном волокне.
В оптическом волокне существуют некоторые случайные отклонения от идеальной круговой формы поперечного сечения, неоднородности плотности из-за остаточных механических напряжений, неоднородности распределения легирующих примесей. Все эти факторы создают локальную анизотропию в сечениях и двулучепреломление (различные значения фазовой и групповой скорости распространения света), что, в свою очередь, вызывает ослабление поляризации.
В изотропном оптическом волокне поляризация разрушается очень быстро, что соответствует высокому значению h-параметра. На поляризационной рефлектограмме мощность, переходящая из одной поляризационной моды в другую, отражается в виде дополнительных потерь. С целью оценки длины изотропного оптического волокна, на которой разрушается состояние поляризации, а также с целью верификации метода поляризационной рефлектометрии была получена поляризационная рефлектограмма стыка анизотропного и изотропного волокон.
Экспериментальная установка, изображенная на рисунке 2.1, аналогична предыдущему пункту (рис.1.1). Разница состоит в том, что к анизотропному оптическому волокну типа Панда (6) с другой стороны дополнительно было подварено (7) изотропное одномодовое оптическое волокно (8), а измерения осуществлялись только при 00 к медленной оптической оси.
Рис. 2.1 - Схема исследования длины деполяризации в соединии анизотропного и изотропного оптического волокна методом поляризационной рефлектометрии.
Рис. 2.2 – Поляризационная рефлектограмма
На рефлектограмме на рис.2.2 стык анизотропного и изотропного волокон примерно соответствует координате 700 м. В анизотропном волокне в промежутке 100-700 м потери невелики, на стыке в области 700 м потери резко возрастают и на промежутке 700-750 м уровень рефлектограммы падает на 3 дБ, т.е. мощность, попадающая в приемник уменьшается в 2 раза. Полученный результат полностью подтверждает сущность метода поляризационной рефлектометрии, описанную выше. Состояние поляризации в изотропном волокне полностью разрушается, при этом половина мощности переходит в ортогональную поляризационную моду. Отраженный сигнал ортогональной поляризационной моды не пропускается поляризатором, поэтому мощность отраженных сигналов после 750 м, регистрируемая приемником, падает в 2 раза или на 3 дБ. По рефлектограмме на рис.2.2 можно оценить длину деполяризации света. Спад уровня рефлектограммы наблюдается в области 700-750 метров, поэтому длина разрушения поляризации составляет примерно 50 м.
Далее на участке от 750 до 1200 м рефлектограмма наблюдаются квазипериодические изменения уровня рефлектограммы. Это объясняется биениями состояния поляризации в изотропном волокне. Биения возникают из-за неидеальности волокна – в сечениях случайным образом возникают анизотропия и двулучепреломление. Это явление рассмотрено в следующей части.
3. Исследование длины поляризационных биений в стандартном одномодовом оптическом волокне с помощью лабораторного рефлектометра с подключением поляризатора.
Для исследования биений состояния поляризации в изотропном оптическом волокне был взят участок изотропного одномодового оптического волокна от 750 до 1200 м (рис.2.2, рис.3.1). Биения поляризации в точности соответствуют биениям рефлектограммы. Биения имеют случайный характер, длины биений находятся в диапазоне 
= 30-100 м. Всего в промежутке от 750 до 1200 м наблюдается 6-7 биений. Следовательно средняя длина биений поляризации составляет ~70 м. Длины биений поляризации по порядку величины соответствуют длине разрушения поляризации (50 м) в однородном оптическом волокне, определенной в пункте 2. Для сравнения, в анизотропном оптическом волокне длина биений состояния поляризации составляет примерно ~2 мм.
Длина поляризации зависит от коэффициента двулучепреломления В=nx-ny (разности показателей преломления вдоль быстрой и медленной оптических осей волокна):
(2)
Рис. 3.1 – Характерный вид поляризационных биений, наблюдаемых в одномодовом изотропном оптическом волокне.
Формула (2) показывает, что в идеальном изотропном волокне (В=0) длина биений бесконечно велика. На рефлектограмме идеального волокна биения бы отсутствовали. Оценочное значение среднего коэффициента двулучепреломления для изотропного оптического волокна при l=1,55 мкм составляет величину В=2,2×10-8. Величины Lb и B для изотропного волокна являются параметрами его качества. Чем больше Lb и чем меньше В, тем качественнее изотропное волокно.
Выводы
Применение импульсного рефлектометра PK-8000 (Photon Kinetics) позволяет исследовать поляризационные параметры одномодовых анизотропных и изотропных оптических волокон.
Получена оценка величины связи поляризационных мод в анизотропных оптических волоконных световодах типа Панда: определена зависимость h-параметра от координаты вдоль волокна.
В изотропном оптическом волокне определена длина разрушения поляризации и средняя длина биений состояния поляризации.
Авторы выражают особую благодарность заведующему Лабораторией Фотоники ПФИЦ УрО РАН Константинову Ю.А. и доценту кафедры Общая Физика ПНИПУ Баяндину Д.В. за обсуждение и анализ полученных результатов.