Київський національний університет імені Тараса Шевченка

ГРИГОРУК Валерій Іванович

УДК 535.5:621.029.7

ФІЗИЧНІ ЗАКОНОМІРНОСТІ

ПЕРЕТВОРЕННЯ ОПТИЧНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

У ВОЛОКОННИХ СВІТЛОВОДАХ І ПРИСТРОЯХ НА ЇХ ОСНОВІ

Спеціальність 01.04.05 – оптика, лазерна фізика

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

Київ - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Київському національному

університеті імені Тараса Шевченка.

Науковий консультант, доктор фіз.-мат. наук, професор,

академік АПН України

Третяк Олег Васильович

Київський національний університет

імені Тараса Шевченка

перший проректор,

завідувач кафедри напівпровідникової електроніки

Офіційні опоненти доктор фіз.-мат. наук, професор

Шайкевич Ігор Андрійович

Київський національний університет

імені Тараса Шевченка

професор кафедри оптики

доктор фіз.-мат. наук, професор

Чайка Георгій Євгенійович

Київський інститут зв’язку

професор кафедри фізики

доктор технічних наук, професор, чл.-кор.НАН України

Олексенко Павло Феофанович

Інститут фізики напівпровідників НАН України

заступник директора

Провідна установа Інститут фізики НАН України, м. Київ

Захист відбудеться “26” листопада 2001 р. о 14 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д26.001.23 у Київському національному

університеті імені Тараса Шевченка

(03127 м. Київ, просп. акад. Глушкова 2 корп. 1).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського

національного університету імені Тараса Шевченка,

01033, м. Київ, вул. Володимирська 58.

Автореферат розісланий “24” жовтня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Б.А.Охріменко ЗАГАЛЬНА

ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з найсуттєвіших особливостей науково-технічного прогресу останніх десятиліть є велика і всезростаюча потреба в обробці, збереженні та передачі інформації. Цим пояснюється високий рівень досліджень волоконно-оптичних систем передачі (ВОСП) взагалі і волоконно-оптичних ліній зв’язку (ВОЛЗ) зокрема. Їхні характерні відмінності від традиційних комунікаційних систем полягають у величезній густині інформації в каналі і значній швидкості її передачі. Управління ВОСП забезпечується методами електрооптики та нелінійної оптики, котрі реалізують дію хвилеводних модуляторів, перемикачів, фільтрів, інтерферометрів тощо. Перспективний напрямок подальшого розвитку оптичних систем зв’язку базується на часовому та частотному ущільненні каналів. Проблеми створення і вдосконалення ВОЛЗ за своєю загальнодержавною значущістю знаходяться на одній сходинці з проблемами атомної енергетики і космічної індустрії.

Сенсоризація виробничої діяльності забезпечує розвиток гнучких автоматизованих систем контролю та управління технологічними процесами. Окрім високих метрологічних характеристик, датчик повинен мати достатні надійність, довговічність, стабільність, малогабаритність та малу енергоємність, сумісність з мікроелектронними приладами обробки інформації при низькій трудомісткості виготовлення та незначній вартості. Саме цим вимогам максимально відповідають волоконно-оптичні датчики.

Випромінювання з багатомодових волокон має складну, так звану спекл-структуру, яка проявляється на екрані у вигляді стохастично розташованих світлових плям. Розподіл інтенсивності в спекл-картині надзвичайно чутливий до дії зовнішніх збурень на світловід: температури, тиску, деформацій і т.і., що дозволяє побудувати датчики вимірів параметрів різноманітних фізичних полів. Ключові характеристики таких датчиків кращі від існуючих.

Можливість швидкого і паралельного перетворення відеосигналів обумовлює переваги оптичних комп’ютерів (ОК) порівняно з електронними обчислювальними машинами (ЕОМ). Створення ОК потребує, як і у випадку ЕОМ, наявності логічних елементів. У якості останніх можуть використовуватись бістабільні оптичні елементи на основі тунельно-зв’язаних хвилеводів з нелінійними характеристиками. Проблема полягає не тільки в створенні матеріалів, у яких електромагнітна хвиля керує характеристиками іншої хвилі при нановатних або менших потужностях. Значно важливіше – забезпечення високої швидкодії ОК, що обмежується релаксаційними процесами.

З науково-технічної точки зору волоконні світловоди є винятковим об’єктом для вивчення нелінійних оптичних явищ. Це обумовлено двома обставинами. По-перше, мала площа поперечного перерізу серцевини дозволяє при відносно малих потужностях збуджувального джерела сконцентрувати високу густину потужності - до 10 МВт/см2, при якій відбувається механічне руйнування торця хвилеводу. По-друге, на відміну від нелінійних кристалів, довжина волокна практично необмежена, що зручно для досліджень ефектів, величина яких накопичується зі збільшенням шляху поширення хвиль.

Волоконні світловоди дозволяють проводити трансформацію імпульсів, наприклад, виконувати часову компресію, реалізовувати так звані солітонні режими поширення, при яких практично не відбувається втрати інформації, отримувати імпульси з гранично малими тривалостями - порядку фемтосекунд, що важливо для спектроскопії з унікально високою роздільною здатністю.

Отже, вивчення фізичних закономірностей перетворення оптичного випромінювання у волоконних світловодах і пристроях на їх основі актуальне як у фундаментальних, так і прикладних аспектах. Воно дозволяє вирішити такі проблеми:

створення удосконалених елементів для ВОЛЗ і датчиків фізичних полів, що сприятиме підвищенню швидкості передачі інформації і точності вимірювання фізичних величин, поліпшенню характеристик датчиків;

встановлення закономірностей перетворення хвильового фронту випромінювання у волоконних світловодах при вимушеному розсіюванні Мандельштама-Бриллюена дозволить компенсувати фазові шуми і підійти до розвязку задачі передачі двомірного зображення по окремому волокну без попереднього його (зображення) сканування;

володіння реалізацією лінійного і нелінійного поширення імпульсів наносекундного діапазону у волокнах дозволить створити генератори зі змінною тривалістю вихідного імпульсного випромінювання;

побудова волоконно-оптичних інтерферометричних датчиків на основі корекції поля і (або) з застосуванням керованих світловодних елементів приведе до зменшення власних шумів таких пристроїв.

Проте велика кількість опублікованих наукових робіт присвячених цій тематиці далеко не повністю вичерпує дану проблему.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Представлені в роботі результати отримані при виконанні держбюджетних і госпдоговірних науково-дослідних тем на кафедрах нелінійної оптики та напівпровідникової електроніки радіофізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка:

1. Исследовать когерентные нелинейные электромагнитные процессы в оптическом, рентгеновском и гамма диапазоне. № г/р 81005103. Тема выполнена по КП АН СССР по проблеме 1.6.2 (спектроскопия атомов и молекул); Постановление Президиума АН УССР № 251 от 20.05.81; КП Минвуза СССР (Лазеры) – Приказ Минвуза УССР № 376 от 24.07.81 г.

2. Комплексная целевая программа “Лазеры-2”: “Создать лазерные спектрометры, приборы и технологические процессы для народного хозяйства и медицины”. Основание для проведения НИР “Разработать и создать световодные датчики электрических, магнитных и механических полей, а также голографических корректоров волнового фронта” – Приказ Минвуза СССР №446 от 20.06.86 г.

3. Изготовление макета высокочувствительного приёмника оптических импульсов с широкополосным усилителем – Заключительный отчёт по х/д №155-89 с ИОФ АН СССР, КГУ, 1989.

4. Когерентные и нелинейные физические процессы при взаимодействии лазерного излучения с веществом. № г/р 01860076442. Решение ГКНТ и АН СССР от 10.11.1986 г. № 573/137, Программа Минвуза СССР от 20.06.1986 г. № 466/КП “Лазеры-2”, КП АН УССР “Неметаллические кристаллы”, Постановление Президиума АН УССР № 474 от 27.12.1985 г.

5. Заключительный отчёт по спецтеме “Волокно-Д-2” Киев, КГУ, 1985, уч.№Ф-511с.

6. Заключительный отчёт по спецтеме “Страда-КГУ”, Киев, КГУ, уч.№Ф-930с, 1988.

7. Теоретическое и экспериментальное исследование поляризационных эффектов и рассеяния в оптических волокнах и их влияние на характеристики волоконно-оптических датчиков – Заключительный отчёт по х/д № госрегистрации 01840082616, КГУ, 1985.

8. Розробка фізико-інженерних основ передачі інформації оптичними хвилеводами методами нелінійної оптики та створення на цій основі систем передачі інформації і керуючих елементів нового типу (1992–1995 рр.) № д/р 013U042222.

9. Дослідження природи втрат та пошук ефективних матеріалів для керуючих елементів волоконних ліній передачі інформації і розробки волоконних датчиків (1994-1996 рр.). № д/р 0194U020369.

10. Науково-дослідна робота “Розробка фізичних і технологічних основ створення елементів та пристроїв обробки та передачі інформації в системах зв’язку на базі методів голографії і обернення хвильового фронту”, проект №06.06/03674, № держреєстрації 0197U014760. (07.1997–12.2000).

Пошукувач виконував наукове керівництво темами №9 і №10; був відповідальним виконавцем тем №3; 5; 6 і виконавцем тем №1; 2; 4; 7; 8. Як науковий керівник, брав участь у постановці задач, теоретичних розробках, експериментальних дослідженнях, узагальненні результатів, формулюванні висновків і організації виконання всієї роботи. В якості відповідального виконавця проводив теоретичні розрахунки і експериментальні вимірювання, координував хід виконання всієї роботи, узагальнював висновки отриманих результатів. У обов’язки виконавця входило дослідження конкретних проблем: теоретичне моделювання, експериментальне вимірювання, обговорення отриманих результатів, визначення висновків і рекомендацій.

Мета і задачі дослідження. 1. Створити пасивні і керовані волоконно-оптичні відгалужувачі, деполяризатори світла для кільцевого волоконного інтерферометра та голографічний елемент для введення випромінювання в світловоди. Вказані елементи необхідні в складних ВОЛЗ, датчиках фізичних полів тощо для поліпшення їх основних характеристик. Для цього потрібно було дослідити:

а) гасіння світла в коротких волоконних світловодах ( 1 м) і біконічних переходах;

б) втрати енергії на згинах волоконних світловодів;

в) ефективність різних способів сполучення і збудження світловодів.

На основі персонального комп’ютера за допомогою відповідних програм і фоточутливих елементів експериментально реалізувати відеодіагностику (вимірювання просторового розподілу вихідного випромінювання, обрахунок числової апертури тощо) волоконних світловодів і виготовлених з них елементів.

Дослідити закономірності перетворення хвильового фронту у волоконних світловодах (дозволить заглушити шуми і поліпшити якість передачі інформації):

а) при вимушеному розсіюванні Мандельштама-Бриллюена;

б) при генерації другої оптичної гармоніки;

в) при впливі нелінійних процесів на поширення оптичного випромінювання у волокнах з оберненням хвильового фронту.

Одержати якісні і кількісні дані впливу різних фізичних механізмів на формування коротких оптичних імпульсів у волоконних світловодах, зокрема для управління компресією імпульсів наносекундного діапазону.

Поліпшити характеристики волоконно-оптичних інтерферометрів завдяки голографічній корекції поля і (або) застосуванню керованих елементів, а також, зокрема оберненню хвильового фронту.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше одержано суцільний волоконно-оптичний елемент із керованим коефіцієнтом відгалуження, принцип дії якого базується на інтерференції світла в тунельно-зв’язаних хвилеводах. Зміна фази хвилі в одному з плечей інтерферометра виконується за рахунок зміни геометричних параметрів волоконного світловоду за допомогою п’єзоефекту.

2. Первинними є результати високоточного вимірювання ( 0,1 дБ) гасіння світла в коротких відрізках волоконних світловодів ( 1 м) і біконічних переходах, що було здійснено завдяки розробці поєднання оригінальних методик: примусового заданого змішування мод, яке забезпечувало сталість модового розподілу, і фільтрації мод оболонки волокна.

3. Вперше запропоновано і експериментально реалізовано два типи керованих джерел деполяризованого випромінювання. Ступінь деполяризації може бути доведено до 99%; у схемі з лазерними діодами обмеження обумовлюється величиною різниці центральних частот спектрів випромінювання лазерів.

4. Удосконалено методику виготовлення направлених волоконних відгалужувачів Y-типу, яка дозволила досягнути зменшення до 1,2 дБ додаткових втрат, що вносяться власне відгалужувачем.

5. Вперше встановлено закономірності, які дозволяють керувати корекцією хвильового фронту випромінювання, використовуючи його обернення при вимушеному розсіюванні Мандельштама-Бриллюена в багатомодових світловодах. Показано, що зі збільшенням довжини основного волокна, яке вносить фазові шуми, ступінь обернення хвильового фронту спадає завдяки набігу фази між окремими модами, що обумовлено частотним зсувом 0,7 см-1 при ВРМБ.

6. Виконано першопрохідницькі експериментальні і теоретичні дослідження фазової корекції фронту хвилі, яка пройшла багатомодовий волоконний світловід на основі процесу генерації 2-ої оптичної гармоніки в нелінійних кристалах Ba2NaNb5O15, LiNbO3, KTiOPO4. Встановлено, що зі зростанням довжини кристала нелінійно-оптичне перетворення когерентного випромінювання, яке виходить із волокна, супроводжується підвищенням якості корекції хвильового фронту. В результаті відбувається його вирівнювання і зникнення спекл-структури.

7. Вперше досліджено компресію оптичних імпульсів наносекундного діапазону, які поширюються в багатомодових волоконних світловодах. Встановлено, що тривалість центрального піку вихідного імпульсу при зростанні енергії вхідного зменшується майже на порядок.

8. Удосконалено схему інтерферометра на багатомодових волоконних світловодах за рахунок голографічної корекції хвильового фронту випромінювання, що дозволило підвищити контрастність інтерференційної картини до 0,70,8.

9. Поліпшено волоконний кільцевий інтерферометр внаслідок використання в ньому керованих елементів, що дозволяє усунути дрейф нуля. Показано, що керований відгалужувач з роздільним керуванням поляризаціями дозволяє на глибині шумової модуляції рівної одиниці зменшити похибку, яка вноситься неідеальним поляризатором, до нуля.

Практичне значення одержаних результатів. Створені і досліджені волоконно-оптичні елементи (відгалужувачі з малими втратами, відгалужувачі з керованим коефіцієнтом відгалуження, голографічний елемент для ефективного введення випромінювання у волоконні світловоди, деполяризатори світла для кільцевого волоконного інтерферометра), що можуть використовуватись у волоконно-оптичних датчиках фізичних полів і волоконно-оптичних лініях зв’язку. Розроблено технічну документацію виготовлення цих елементів.

Створено і запропоновано для практичного використання метод визначення втрат у коротких волоконних світловодах і біконічних переходах, який дозволяє здійснити відбір якісних відрізків оптичних волокон, придатних для виготовлення з них відповідних елементів.

Сконструйовано апаратно-програмний комплекс (готовий до використання), який дозволяє виконувати відеодіагностику волоконно-оптичних елементів у процесі їх виготовлення в реальному масштабі часу. Застосування вищезгаданого комплексу доцільне при виготовленні низки волоконно-оптичних елементів і поліпшує їх характеристики.

Встановлено фізичні закономірності обернення хвильового фронту у волоконних світловодах, що матимуть застосування при відтворенні просторової інформації (заглушенні фазових шумів випромінювання, яке пройшло оптичне волокно). Розроблено рекомендації до застосування.

Володіння знанням зміни параметрів оптичних імпульсів, які поширюються у волоконних світловодах, необхідні, зокрема, при конструюванні волоконних ліній зв’язку.

Реалізація запропонованих волоконних інтерферометрів з голографічною корекцією поля, керованими елементами і оберненням хвильового фронту дозволить поліпшити характеристики світловодних датчиків на їх (інтерферометрів) основі. Розроблено рекомендації по застосуванню отриманих результатів при виготовленні відповідних датчиків. Повністю розроблений волоконно-оптичний датчик тиску може бути застосований, наприклад, як охоронний.

Достовірність результатів. Достовірність та надійність наукових висновків дисертаційної роботи забезпечується використаними фізично обгрунтованими методиками експериментальних досліджень, математично коректними розрахунками, заснованими на відомих початкових рівняннях, взаємоузгодженістю з результатами інших експериментальних та теоретичних досліджень, широкою апробацією результатів роботи в періодичній пресі, вітчизняних і міжнародних конференціях та семінарах. Окрім того, збігаються результати, отримані різними методами (аналітичним, чисельних розрахунків, експериментальних даних).

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є результатом досліджень, що виконувались протягом 1983-2000 років на кафедрі нелінійної оптики та напівпровідникової електроніки радіофізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка. В усіх спільних опублікованих наукових працях здобувач брав участь як у постановці загальної проблеми і конкретних задач, пошуку шляхів їх розв’язання, виборі об’єктів, створенні моделей, теоретичних розрахунках, експериментальних дослідженнях, так і аналізі, формулюванні, інтерпретації та узагальненні висновків отриманих результатів, зіставленні їх з результатами інших авторів.

Апробація результатів дисертації. Результати включених до дисертації досліджень оприлюднено на таких наукових зібраннях: Всесоюзном семинаре “Нелинейные явления в оптических волноводах”, 1985, г.Киев; Всесоюзном совещании по волоконной оптике, 1986, г.Сухуми; Всесоюзном научно-техническом семинаре “Применение волоконно-оптических систем передачи информации в энергетических комплексах”, 1987, г.Москва; Всесоюзной конференции по физической оптике, 1987, г.Томск; VII Международной школе по когерентной оптике, 1987, г.Тбилиси; Всесоюзной конференции по волоконно-оптическим системам передачи, 1987, г.Донецк; Координационном совете Минвуза СССР по комплексной программе “Лазеры”, 1987, г.Ереван; ХІІІ Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике, 1988, г.Минск; Координационном совете по комплексной программе “Лазеры” Госкомитета по народному образованию СССР,1989, г.Киев; ІІ Всесоюзной конференции по оптической обработке информации, 1990, г.Фрунзе; XVII Межотраслевой научно-технической конференции (НПО “Азимут”), 1990, г.Москва; International conference “Advanced materials”, 1999, г.Киев; Міжнародній конференції “Scientific problems of optics in XXI century”, 2000, Київ.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладено в 23 наукових статтях, опублікованих у провідних фахових журналах і виданнях: “Український фізичний журнал”, “Квантова електроніка” (Київ), “Квантовая электроника” (Москва), Вісник Київського університету (Серія: Фізико-математичні науки). Окрім того, результати досліджень увійшли до підручника для вищих навчальних закладів (автори В.І.Григорук, П.А.Коротков, А.І.Хижняк "Лазерна фізика" (К.: МП “Леся”, 2-е видання, 1999. 528 с.).

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, пяти розділів, висновків та списку використаної літератури. Повний обсяг дисертації 296 сторінок, у тому числі 272 сторінки машинопису, 86 рисунків та 2 таблиці, 24 сторінки списку використаних джерел, що включає 235 найменувань.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розглянуто суть і стан задач дослідження фізичних закономірностей перетворення оптичного випромінювання у волоконних світловодах і пристроях на їх основі; охарактеризовано актуальність теми дисертації; сформульовано мету роботи; доведено необхідність проведення дослідження. Вступ також містить обгрунтовану наукову новизну роботи, її звязок з науковими програмами, планами, темами. Переконливо розкрито практичну цінність та достовірність одержаних результатів, охарактеризовано особистий внесок автора в процесі їх отримання. Коротко викладено зміст дисертації, наведено дані про публікації та апробацію результатів дисертації.

Перший розділ дисертації містить огляд літератури, присвячений дослідженню фізичних закономірностей перетворення оптичного випромінювання в світловодних структурах. Протягом останніх 40 років проблеми перетворення електромагнітних хвиль видимого та інфрачервоного діапазонів у напрямних структурах привертають увагу дослідників таких як: Бродін М.С., Валах М.Я., Зельдович Б.Я., Лисиця М.П., Прохоров О.М., Соскін М.С., Шереметєв О.Г. та інших. Це повязано як з широким спектром практичних застосувань волоконних світловодів (ВС) і пристроїв на їх основі, так і багатим різноманіттям фізичних явищ, які спостерігаються при поширенні випромінювання в світловодах. Зокрема йдеться про лінійні та нелінійні режими розповсюдження оптичних імпульсів з уширенням, стисканням чи збереженням форми. Нелінійно-оптичний процес вимушеного розсіювання Мандельштама-Бриллюена дозволяє виконати обернення хвильового фронту (ОХФ). На цій основі реалізується заглушення фазових шумів випромінювання в волокнах. Актуальними також є дослідження, спрямовані на поліпшення характеристик волоконно-оптичних елементів і датчиків.

Другий розділ дисертації присвячено вивченню особливостей впливу волоконних елементів на характеристики оптичного випромінювання, що проходить крізь них.

У підрозділі 2.1. наведені результати дослідження гасіння світла в коротких волоконних світловодах і біконічних переходах. Відомі до цього часу методи визначення втрат випромінювання при поширенні у волокнах потребували значних (сотні метрів і більше) довжин останніх. Такі вимірювання мали інтегральний характер і, як правило, не дозволяли з достатньою точністю (до 1 м) виявити ділянки світловодів із підвищеною дефективністю, а отже, більш високими втратами. Подібні відрізки волокна є непридатними для виготовлення з них елементів для ліній звязку чи датчиків.

Сталий модовий розподіл у коротких відрізках волокон досягався за рахунок змішувача мод і фільтра мод оболонки і, природно, не залежав від умов збудження ВС і довжини останнього. Вимірювання затухання світла у ВС виконано методом обриву.

Отримані експериментальні результати свідчать, що втрати на біконічних переходах у градієнтних ВС на 45% менші, ніж у ВС зі східчастим профілем показника заломлення, що обумовлено різницею в траєкторіях розповсюдження мод. Встановлено, що зміна початкового радіуса серцевини на 30% ще не вносить значного затухання (0,05 дБ), а зміна радіуса на 70% призводить до розриву волокна.

У підрозділі 2.2 досліджено суцільноволоконний компактний керований відгалужувач світла типу 2х2 (Х-типу), реалізований на основі інтерферометра Маха-Цендера, в обох плечах якого розміщені пєзокерамічні циліндри з намотаними (5-10 витків) на них світловодами – рис. 1. Довжина останніх змінюється (достатньо до 0,5 мкм) в залежності від величини і знака керуючої напруги, яка подається на пєзокераміку. Перерозподіл енергії по вихідних каналах відбувається внаслідок зміни фази хвиль, які приходять на вхід оптично тунельно-звязаних волокон.

Рис. 1. Схема керованого волоконного відгалужувача. І, ІІ та ІІІ, ІV — два вхідних і вихідних канали відповідно; ВВ1, ВВ2 - волоконні відгалужувачі; 1, 2 – компенсаційний і робочий волоконні контури відповідно; 3 – п’єзокерамічний циліндр, на який подається керуюча напруга 4.

Інтенсивності хвиль у вихідних портах ІІІ і IV мають вигляд:

і, отже, залежать від різниці фаз хвиль у плечах інтерферометра.

Габарити керованого відгалужувача визначались розмірами пєзокерамічних циліндрів, діаметр яких складав 3 см, висота 0,8 см, і двома волоконними пасивними відгалужувачами Х-типу довжиною 1,5 см кожний. Діаметр серцевини кварцового волокна становив 20 мкм. У вигляді джерела використано He-Ne лазер із максимальною потужністю 9 мВт. За цих умов отримано коефіцієнт розподілення 0,007 В-1. Досягти повного перемикання можна при використанні одномодових волокон. У багатомодових — кожна j мода характеризується своєю постійною поширення моди і коефіцієнтом звязку. Тому одночасно виконати необхідну умову 100% розподілу 1j - 2j = const неможливо.

Досліджено дві схеми (рис. 2 а і б) джерел деполяризованого випромінювання (підрозділ 2.3), які містять один (два) лазерні діоди ІЛПН-110 з максимумом випромінювання на довжині хвилі 0,835 мкм, шириною спектра 46 нм і потужністю 26 мкВт, два (один) направлених відгалужувача і фазообертальний елемент. Для того, щоб залишковий ступінь поляризації не перевищував 0,1%, необхідно забезпечити відносну похибку рівня інтенсивності перпендикулярних компонент електричного поля меншою 10-3, а перпендикулярність вісей еліпсів із точністю до 310-2 рад. Фазообертальний елемент циліндр радіуса 1 см, на який намотано 10-20 витків волокна дозволяє змінювати різницю фаз між ортогональними компонентами поля від 0 до . Це відбувається тому, що внаслідок деформації згину, світловід стає анізотропним для компонент поляризації, орієнтованих уздовж вісі циліндра і в перпендикулярній площині.

а)

б)

Рис. 2. Схеми джерел деполяризованого випромінювання: а) – з двома і б) – з одним направленими волоконними відгалужувачами (ВВ), фазообертальним елементом (ФОЕ) і атенюатором (Ат).

Ступінь деполяризації вихідного випромінювання в згаданих джерелах становив 99%. Подальше його збільшення потребує рівності центральних частот спектрів випромінювання лазерів.

Запропонований набір методичних прийомів і їх реалізація при виготовленні волоконних відгалужувачів для оптичних систем описано в підрозділі 2.4. Традиційне звивання двох (чи більше) світловодів із наступним сплавленням замінено на сплавлення паралельних волокон із наступним розтягуванням для формування переходів. Це дає більш симетричне розташування серцевин у біконічному переході, внаслідок чого відбувається рівномірний перерозподіл (перекачування) світла між каналами.

Процес виготовлення відгалужувачів візуально контролювався. Параметри відгалужувачів, виготовлені зі стандартних ВС (діаметри: серцевини 50 мкм, оболонки 125 мкм; затухання 3,2 дБ/км), становили для Y- i X-типів: коефіцієнт поділу потужності світла 4456% і 4258%; додаткові втрати 1,2дБ і 1,3дБ; коефіцієнт направленості 45дБ і 48дБ.

Підвищити ефективність введення випромінювання у волоконний інтерферометр на 20% порівняно зі звичайним можливо при використанні голографічного елемента. Останній є статичною голограмою, записаною за допомогою сигнальних хвиль, що пройшли відповідні ВС плечі волоконного інтерферометра. Елемент зроблено на основі високороздільної товстошарової світлочутливої пластинки ПЕ-2, яка має необхідну кутову і спектральну селективність. В якості опорного використано випромінювання He-Ne лазера ЛГ-38 з потужністю 37 мВт на довжині хвилі 0,63 мкм. Голографічний елемент виконував одночасно три функції: світлоподільну, фокусування і юстування у випадку волоконного інтерферометра з кварц-полімерним ВС (числова апертура 0,17, східчастий профіль показника заломлення, діаметр серцевини 120 мкм). Він не тільки підвищив ефективність введення на 20%, але й практично повністю заглушив фазові шуми, обумовлені багатомодовістю ВС.

У підрозділі 2.6. викладено результати досліджень втрат енергії на згинах ВС. Підтверджена справедливість теоретичної експоненціальної залежності коефіцієнта ослаблення R випромінювання від радіуса згину в повному діапазоні його зміни: від Rmax> до Rmin~1 мм, при якому відбувається обламування волокна.

де С1 і С2 — сталі для даної моди. Вимірювання виконані для одномодового ВС з а = 4,35 мкм, довжиною l = 10 м і числовою апертурою 0,11. Результати наведені в таблиці 1, де введено позначення: R, - коефіцієнти ослаблення оптичного випромінювання повний і вирахуваний за формулою = 10-2ехр(-1,86 R) відповідно. Методом парних точок обраховані значення С1 = 1,00*10-3 дБ/см і С2 = 1,86 см-1.

Таблиця 1

Залежність величини втрат на випромінювання

з волоконного світловоду від радіуса згину.

Вимірювання вхідних і вихідних потужностей випромінювання дає змогу визначити для одномодового ВС дві з трьох його характеристик (n1, n2, q де n1, n2, показники заломлення серцевини і оболонки; q коефіцієнт, що визначає гасіння хвилі в оболонці).

Реалізована методика відеодіагностики (підрозділ 2.7) параметрів волоконно-оптичних елементів складається з трьох етапів: фіксації та реєстрації потрібного зображення, його подальшої обробки і обчислення необхідних параметрів – рис. 3. До комплексу апаратури входить ч/б ПЗЗ-камера SANYO VCB-3512 Р з ефективною роздільною здатністю ПЗЗ-матриці 252 (Н)х582(V) пікселів, плата “захоплювача кадру” Aver Media TV Capture, яка дозволяє виводити зображення на монітор у реальному часі, і, власне, ПЕОМ. Програмне забезпечення виконує потрібну обробку отриманого сигналу. Методика відеодіагностики спрощує і автоматизує процес вимірів та обчислень параметрів волоконних елементів, а також дозволяє їх (параметри) контролювати в процесі виготовлення.

а) б)

Рис. 3. Програма аналізу зображень: а) просторовий розподіл випромінювання; б) розподіл інтенсивності у виділеній площині, нормальній торцю волокна.

Теоретичні результати зміни амплітуд хвиль у двох кубічно-нелінійних тунельно-звязаних оптичних хвилеводах наведені в підрозділі 2.8. Чисельний розрахунок проведено для наступних рівнянь:

,

де 0,1 — номери хвилеводів; А0,1(z) — комплексні амплітуди хвиль, які повільно змінюються; =в1-в0; в0,1 — ефективні показники заломлення хвилеводів; К01 та К10 — лінійні коефіцієнти зв’язку; – нелінійні коефіцієнти; Е0,1(х, у) — профілі полів; Р — потік потужності через хвилевід, нормований на одиницю. Для стандартних значень параметрів тунельно-звязаних хвилеводів перерозподіл енергії по каналах відбувається залежно від інтенсивності оптичної хвилі І0 на одному з вхідних каналів. Рівність енергій по каналах досягається при різних значеннях Іа і Іс для асиметричного і симетричного хвилеводів. При збільшенні довжини звязку хвилеводів величини Іа і Іс зменшуються за лінійним законом.

Дослідження фізичних закономірностей обернення хвильового фронту (ОХФ) у ВС на основі нелінійно-оптичних явищ виконане в 3 розділі роботи. Механізм ОХФ на основі вимушеного розсіювання і важливі експериментальні особливості його реєстрації дано в підрозділі 3.1. Фізичні процеси, які забезпечують відновлення поляризаційної і просторової інформації, базуються на модовому розподілі (розсіюванні) вхідної інформації і модовому усередненні при ОХФ на виході (підрозділи 3.2, 3.6).

Поле E(4) утворювалось після проходження ВС у прямому і зворотному напрямках збуджувальної хвилі E(1) і мало вигляд:

З(4) = rМґCМ*( E(1))*,

де r – коефіцієнт відбиття по амплітуді ОХФ-дзеркала, М і М – матриці розсіювання для прямого і зворотного поширення поля по волокну; С – матриця, яка представляє процес заглушення y-поляризації за допомогою даного поляризатора, задається наступним чином:

, де І – одинична матриця NN, а N – повне число мод поширення ВС із одним напрямком поляризації. Проведений аналіз показав, що точність відтворення поляризаційної і просторової інформації є функцією умов введення світлового пучка на вході. За умови, що числова апертура вхідного пучка набагато менша, ніж числова апертура ВС, можливе майже повне відновлення поляризації. Це є наслідком того, що енергія шумового поля перерозподіляється по всіх модах поширення волокна так, що для малих апертур вхідного пучка шумова енергія, зосереджена в межах такої ж малої частини всіх волоконних мод поширення, може бути малою порівняно з енергією, зосередженою в пучку після ОХФ-перетворення.

Ступінь відновлення поляризації вхідного лінійно-поляризованого світла знаходиться в межах 96% при зміні напрямку поляризації збуджувального випромінювання від 0 до 180. При використанні довільного еліптично-поляризованого світла як вхідного пучка, ступінь поляризації також була близькою до одиниці.

Основна властивість обернення часу і корекції спотворень за допомогою ОХФ порушується, якщо шлях поширення проходить через невзаємні середовища, наприклад магнітні. Математично це випливає з того факту, що присутність членів, які описуються уявними величинами в тензорі магнітної сприйнятливості, руйнує інваріантність рівнянь Максвелла при комплексному спряженні відбитої хвилі. Разом з тим, навіть у цьому випадку поляризаційний і просторовий розподіл початкового поля може бути відновлений, якщо числова апертура (ЧА) вхідного пучка мала і фарадеєвський кут обертання такий, що cos22 дає мізерно малі величини порівняно з ЧА. В експерименті напруженість магнітного поля змінювалась у межах від 0 до 2 кЕ і прикладалась до відрізка БВС довжиною 3 м при загальній довжині волокна 20 м. Ступінь відновлення поляризації виявилась близькою до одиниці, а коефіцієнт відбиття зменшувався монотонно при зростанні магнітного поля.

У підрозділі 3.3 описано заглушення фазових шумів при поширенні гігантських лазерних імпульсів у оптичному волокні на основі ОХФ при вимушеному розсіюванні Мандельштама-Бриллюена. Джерело збуджувального випромінювання рубіновий лазер, який генерував поодинокі гігантські імпульси тривалістю ~30 нс і енергією 10-3ч510-2 Дж в основній поперечній моді, спектральна ширина лінії ~510-2 см-1. Обєкт дослідження основний ВС з діаметром серцевини 200 мкм і довжиною l. ВРМБ з ОХФ відбувалось у допоміжному ВС з діаметром серцевини 20 мкм. При довжинах l в декілька сантиметрів фазові шуми у вигляді спекл-структури, характерні для когерентного випромінювання на виході БВС, виявились практично повністю заглушеними (рис. 4).

Зі збільшенням l ступінь ОХФ спадала і відповідно зростало ошумлення картини. Головна причина цього полягає в тому, що частотний

зсув 0,7 см-1 при ВРМБ веде до суттєвої різниці фази між окремими модами на відстанях ~10 см.

Рис. 4. Просторова структура відновленого хвильового фронту при довжинах додаткового БВС рівних 2 (а), 5 (б) і 10 см (в) і випромінювання, яке пройшло через обидва БВС у зворотному напрямку при відсутності ВРМБ (г).

Перетворення хвильового фронту при генерації другої оптичної гармоніки на виході БВС досліджено в підрозділі 3.4. Неодимовий лазер з довжиною хвилі 1=1,064 мкм працював у імпульсному режимі з частотою слідування імпульсів 25 кГц і піковою потужністю в імпульсі ~1МВт. Довжина кварц-кварцового БВС – 100 м, ЧА=0,2; загальні втрати – 6 дБ/км, діаметр серцевини – 50 мкм. Як нелінійні використані кристали Ba2NaNb5O15, LiNbO3 i КТіОРО4. Поперечна структура пучка другої гармоніки після нелінійних кристалів є досить гладкою, тобто має регулярну поперечну структуру, що свідчить про фазову корекцію поля (рис. 5).

Вплив нелінійних процесів (підрозділ 3.5) на поширення оптичного випромінювання в одномодових ВС з ОХФ розглянуто у випадку лінійної поляризації на вході. За умови нехтування взаємодією прямої і зворотної хвиль, а також втратами, у ВС (з керрівською нелінійністю поляризації) лінійна на вході поляризація після проходження волокна в прямому і зворотному напрямках змінюється слабо, якщо коефіцієнт відбиття однаковий для обох поляризацій.

Рис. 5. Спекл-картина випромінювання, яке пройшло БВС: а – без нелінійного кристала; б – при наявності нелінійного кристала.

В підрозділі 3.6 встановлено умови відновлення поляризації випромінювання при ОХФ у випадках як одномодового, так і багатомодового світловодів. При експериментальних дослідженнях ОХФ виконувалось за допомогою записаних на кристалах LiNbO3: Fe2+ та Fe3+ голограмах. Довжини досліджуваних відрізків БВС змінювались у межах від 0,2 до 50 м. Голограма записувалась для кожного з них. Практично повне відновлення хвильового фронту оберненої хвилі мало місце для всіх БВС. Величина ступеня поляризації Р=0,940,03 для всіх довжин БВС.

Розділ 4 присвячений дослідженню природи змін параметрів оптичних імпульсів у волоконних світловодах. Розглянуто (підрозділи 4.1, 4.5) фізичні механізми формування коротких оптичних імпульсів у ВС. Експериментальне дослідження деградації обвідної гігантського імпульсу рубінового лазера при його поширенні в градієнтних багатомодових ВС з варіаціями довжини від 30 до 500 м виконане в підрозділі 4.2. При енергіях в імпульсі до 10-2 Дж спостерігалось його дисперсійне спотворення після проходження ВС, а обвідна залишилась гладкою. При нелінійному режимі поширення з’являлась структура у вигляді модуляції обвідної імпульсу, який пройшов ВС. У ній був яскраво виражений головний пік на фоні структури з суттєво меншими (майже на порядок) піковими інтенсивностями. Тривалість головного піка в ~5 разів менша тривалості вхідного імпульсу і досягала 15-20% від загальної вихідної енергії. Залежність інтенсивності головного піка від енергії вхідного імпульсу близька до лінійної – рис. 6.

Деформація імпульсів у одномодових волоконних світловодах при врахуванні нелінійності тензора сприйнятливості 3-го і 5-го порядків розглянута в підрозділі 4.3. Отримано і проаналізовано співвідношення, яке описує еволюцію напівширини гаусового імпульсу при його поширенні в одномодовому ВС:

,

де S1=4–8гС12/3, S2=aC1, a i A – напівширина і амплітуда гаусового імпульсу відповідно, С1=аА2=сonst, =Кz/202, К0=2К0/2, =20К12(5)0204/0К0с2, 0 – ізотропна діелектрична проникність матеріалу серцевини світловоду, 0 – постійна поширення моди НЕ11 в лінійному ізотропному світловоді, 0 – тривалість імпульсу на вході ОВС. В залежності від знаків нелінійностей можливе як дисперсійне розпливання імпульсів, так і їх стискання.

Анізотропія нелінійної сприйнятливості матеріалу серцевини світловоду призводить до ефекту самообертання еліпса поляризації світлового імпульсу (підрозділ 4.4). Виконано чисельний розрахунок поляризації хвилі в одномодовому ВС при врахуванні тензора нелінійної сприйнятливості 4-ого рангу. Зміна поляризації світла проявлялась у обертанні еліпса поляризації без деформації його форми. Цей ефект лінійно залежить від довжини волокна. Виявлені варіації поляризації хвилі при поширенні в світловодах з нормальною і аномальною дисперсіями.

Рис. 6. Залежність числової напівширини (а) і інтенсивності (б) головного піка від енергії вхідного імпульсу.

Підрозділ 4.5 присвячений експериментальному дослідженню і чисельному розрахунку деформації гігантських лазерних імпульсів наносекундного діапазону при їх поширенні в багатомодових світловодах. Розв’язок хвильового рівняння з нелінійними членами виконано методом повільно-змінюваних амплітуд при інтенсивностях, далеких від порога самофокусування. Вибір обвідної амплітуди збуджувального імпульсу у вигляді функції Гауса і промодульованість його слабким шумовим сигналом дає якісне узгодження результатів чисельного розрахунку з експериментальними даними. Врахування другого порядку теорії дисперсії та кубічної нелінійності приводить до характерної деформації обвідної вихідного імпульсу – рис. 7.

Результати досліджень специфіки можливостей волоконно-оптичних інтерферометрів і датчиків фізичних полів викладені в розділі 5. Складені оптоволоконні резонатори (підрозділ 5.1) дозволяють отримати функції відгуку, зручніші для процесів фільтрації, ніж функція Ейрі, яка характерна для простого резонатора. При відповідному виборі параметрів оптоволоконні резонатори забезпечують високу вихідну інтенсивність.

Рис. 7. Оптичний імпульс на виході волоконного світловоду, що отримується при гігантському вхідному імпульсі.

Голографічна корекція поля в інтерферометрах на багатомодових ВС, вивчена в підрозділі 5.2, дозволяє сформувати просторово-кутову структуру поля після світловодів. Запропонована схема волоконного інтерферометра з голографічним коректором (рис. 8) може бути використана і в якості волоконного чутливого датчика при зовнішніх діях на одне з плечей (інформаційний канал) інтерферометра.

Рис. 8. Схема волоконного інтерферометра з голограмним елементом для корекції спотворень поля. 1 – He-Ne лазер; 2, 4 – колімуючий пристрій, 3 – просторовий фільтр; 5, 6 – світоподільники; 7, 8 – 20х мікрооб’єктиви; 9, 10 – волоконні світловоди; 11 – голографічна пластинка; 12 – телевізійна камера; 13 – відеомагнітофон; 14 – проглядовий пристрій.

Принцип роботи і схема волоконного кільцевого інтерферометра з керованими елементами (рис. 9) розглянуті в підрозділі 5.3. Переваги схеми полягають в усуненні дрейфу нуля в інтерферометрі (який виникає в результаті деполяризації випромінювання в контурі) внаслідок управління ступенем деполяризації випромінювання джерела в поєднанні з шумовою амплітудно-фазовою модуляцією у відгалужувачі зі змінюваним коефіцієнтом відгалуження.

До п’єзокерамічних циліндрів 4, окрім постійних напруг U01, U02, підводиться також змінна шумова напруга U1,2= U1,2mf(t), де f(t) – випадкова функція часу, наприклад з гаусовою статистикою. При цьому світлові хвилі на виході кожного з каналів будуть модульовані як по амплітуді, так і по фазі. Для модуляції хвиль з х-поляризацією тільки по фазі потрібно, щоб шумова різниця фаз для х-поляризації була рівна нулю: 1х(t)–ц2х(t)=0. Це виконується за умови aU1m–bU2m=0, (a, b – характеристики п’єзокерамічного циліндра) що, в свою чергу, приводить до ефективного зменшення при усередненні добутків компонент полів , які в даному випадку є паразитними. Залишається тільки інформативний сигнал , який при усередненні внаслідок сталості амплітуд і однакової зміни фаз хвиль Е0х, Е1*x не перетворюється в нуль.

Компенсація похибки внаслідок ефекту Керра відбувається в результаті вирівнювання інтенсивностей зустрічних хвиль при управлінні коефіцієнтом розділення у відгалужувачі окремо для поздовжньої і поперечної поляризацій. При цьому в порівнянні з відомими схемами суттєвого ускладнення в оптичній частині даного гіроскопа немає.

Рис. 9. Схема волоконного кільцевого інтерферометра з керованими елементами. 1 – когерентне джерело деполяризованого випромінювання; 2 – блок управління випромінювачем; 3 – пасивні волоконні відгалужувачі; 4 – п’єзокерамічні циліндри; 5 – контур ВКІ; 6 – фазовий модулятор; 7 – шумовий генератор; 8 – джерело постійної напруги; 9 – фотодетектор; 10 – попередній підсилювач; 11, 12 – підсилювачі; 13 – синхронний детектор; 14 – детектор; 15 – генератор; 16 – схема розподілу напруг.

У запропонованій схемі волоконного гіроскопа з оберненням хвильового фронту в фоторефрактивних кристалах (підрозділ 5.4), що дозволяє заглушити паразитні ефекти у волоконних гіроскопах, на відміну від відомих схем, можливе безпосереднє вимірювання саньяківського набігу фази. Рознесення обернених і необернених хвиль виконується шляхом зсуву по частоті. Схема дозволяє застосовувати багатомодове і не зберігаюче поляризацію волокно. Оскільки керрівська нелінійність компенсується, можна використовувати імпульсний лазер, що важливо для збільшення ефективності обернення хвильового фронту. Додаткова перевага – лінійність вихідної характеристики.

Експериментальні дослідження волоконних кільцевих інтерферометрів (підрозділ 5.5) виявили вплив джерела випромінювання на середньоквадратичний рівень шумів вихідного сигналу і на довгострокову стабільність. Вплив на вихідні характеристики гіроскопа його елементів наведено в таблиці 2.

Таблиця 2

Чутливість волоконного гіроскопа (град/год).

Фізичні властивості волокна як чутливого елемента датчика тиску розглянуті в підрозділі 5.6. Запропоновані схеми волоконно-оптичного датчика тиску дозволяють визначити місце дії на ВС з наперед заданою точністю, наприклад до 1 м. Вимірювання виявили залежність чутливості волоконно-оптичного елемента як від типу ВС, так і від ступеня когерентності джерела випромінювання.

ВИСНОВКИ

Досліджені фізичні