Содержание к диссертации
Введение
1. ОВС с изменяющейся по длине хроматической дисперсией 16
1.1. Методы изменения хроматической дисперсии по длине ОВС 17
1.2. Эксперименты по применению ОВС с изменяющейся по длине хроматической дисперсией и современные требования к данным световодам 22
2. Волноводные параметры ОВС 27
2.1. MCVD-метод изготовления заготовок ОВС 29
2.2. Волноводные параметры ОВС: соотношения и определения 31
2.3. Методы измерений оптических характеристик ОВС 45
2.3.1. Измерение хроматической дисперсии 46
2.3.2. Измерение поляризационной модовой дисперсии 48
2.3.3. Измерение оптических потерь 51
3. ОВС с изменяющейся по длине дисперсией на основе существующих структур ПИП. Методы расчета оптических характеристик ОВС с изменяющейся по длине дисперсией 52
3.1. ОВС с изменяющейся по длине хоомач и ческой диспеосией на основе известных структур Ijliii 52
3.2. Мето л ы расчета оптических характеристик ОВС 59
4. Разработка ОВС с модифицированными оптическими параметрами для применения в качестве основы в световодах с изменяющейся по длине хроматической дисперсией 65
4.1. Одномодовые волоконные световоды с модифицированными дисперсионными параметрами на основе "W'-типа структуры профиля показателя преломления 65
4.2. Структура профиля показателя преломления для изготовления световода с изменяющейся по длине хроматической дисперсией и контролируемым наклоном дисперсионной кривой 70
4.3. Структура профиля показателя преломления для изготовления световода, обладающего малым диаметром поля моды и контролируемой длиной волны нулевого значения дисперсии 78
Заключение 84
- Эксперименты по применению ОВС с изменяющейся по длине хроматической дисперсией и современные требования к данным световодам
- Измерение поляризационной модовой дисперсии
- Мето л ы расчета оптических характеристик ОВС
- Структура профиля показателя преломления для изготовления световода, обладающего малым диаметром поля моды и контролируемой длиной волны нулевого значения дисперсии
Введение к работе
Современная эпоха характеризуется стремительным процессом информатизации общества. Это сильнее всего проявляется в росте пропускной способности и гибкости информационных сетей. Полоса пропускания в расчете на одного пользователя стремительно увеличивается благодаря нескольким факторам. Во-первых, растет популярность электронных банков информации и других приложений World Wide Web. Падение цен на компьютеры приводит к росту числа домашних персональных компьютеров, каждый из которых потенциально может быть подключен к сети Internet. Во-вторых, новые сетевые приложения становятся все более требовательными в отношении полосы пропускания. Примером могут быть уже привычные сегодня видеоконференции. В ходе видеоконференции по сети в режиме реального времени передаются большие массивы данных. Таким образом, увеличение объемов передаваемой информации приводит к необходимости переосмысления современных основ передачи информации, а также выработке методов, которые позволят достичь желаемого результата.
Волоконные световоды в настоящее время считаются самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Создание в 1973 году волоконных световодов на основе кварцевого стекла с оптическими потерями около 10 дБ/км [1] привело к бурному развитию волоконной оптики и всех направлений, связанных с использованием волоконных световодов. Волоконная оптика, став главной частью процесса информатизации, обеспечила себе гарантированное развитие в настоящем и будущем. Сегодня волоконная оптика находит применение практически во всех задачах, связанных с передачей информации.
И если полностью оптический компьютер на сегодняшний день является будущим, то в магистральных информационных сетях волоконные световоды уже почти вытеснили привычную проводную связь.
Таким образом, увеличение требований к широкополосное оптического волокна, к уплотнению каналов в волоконных линиях связи приводит к возрастанию роли исследования оптических характеристик волоконных световодов, в том числе и дисперсионных.
Актуальным представляется исследование характеристик одномодовых волоконных световодов (ОВС). Наиболее интересным с этой точки зрения является поиск структур профиля показателя преломления (ГПТП) волоконных световодов, в которых могут быть достигнуты желаемые изменения оптических характеристик, таких как спектральная зависимость хроматической дисперсии, длина волны нулевого значения дисперсии, радиальное распределение поля основной моды и диаметр поля моды. Также интерес представляет изготовление и исследование световодов на основе предлагаемых ППП. К настоящему времени, ОВС с модифицированными дисперсионными параметрами применяются также в качестве дисперсионных компенсаторов в линиях связи с Х,=1.3 мкм, 1.55 мкм и других устройств.
Большой вклад с исследование оптических характеристик световодов различных типов внесли работы Д. Маркузе, У.А. Гемблинга, А. Снайдера, АС. Беланова, Е.М. Дианова, АЛ. Микаэляна, В.В. Шевченко и других.
Разработка технологии волоконных световодов с низкими потерями на основе кварцевого стекла в СССР была начата в 1973 году по инициативе академика A.M. Прохорова академическими институтами. Хотя эти работы были начаты несколько позже, чем за рубежом, уже в 1975 г. были получены многомодовые световоды с потерями менее 10 дБ/км, а в 1977 г. - с потерями 0,8 дБ/км [2]. В Институте химии высокочистых веществ РАН (Нижний Новгород),
с которым активно сотрудничает Научный центр волоконной оптики,
внедрен и отработан метод парофазного осаждения внутри опорной
кварцевой трубки (MCVD-метод). В результате сотрудничества в ИХВВ
РАН произведены заготовки для вытяжки волоконных световодов с
модифицированными оптическими параметрами. Одна из этих заготовок
была использована для изготовления волоконного световода, который
применялся в совместных исследованиях НЦВО и Массачусетского
технологического института (MIT) по получению суперконтинуума [3].
К настоящему времени в НЦВО накоплен богатый опыт по
изготовлению одномодовых волоконных световодов с
модифицированными дисперсионными параметрами [4-6].
Работа автора в этом направлении началась в 1998 году, когда возникла необходимость создания программного обеспечения по расчету дисперсионных характеристик одномодовых световодов, разрабатываемых в НЦВО, на современной вычислительной базе [7]. В результате был создан пакет программ, которые позволили использовать ШМ-совместимые компьютеры вместо уже устаревших Hewlett Packard 9000 серии 300, что, в свою очередь, привело к возможности быстрой передачи данных по электронной почте между НЦВО в г. Москве и ИХВВ в г. Нижний Новгород. В 1999 году в Московском государственном инженерно-физическом институте (МИФИ) - техническом университете автором был защищен дипломный проект "Анализ и методы измерений оптических характеристик одномодовых волоконных световодов с модифицированными параметрами" [8]. Дальнейшие исследования привели к созданию целого ряда волоконных световодов [3,9-21].
В ходе выполнения данной диссертационной работы возникла потребность модернизации разработанных ранее алгоритмов расчета оптических параметров. Причина модернизации алгоритмов расчета заключалась в необходимости оценки пригодности существующих
заготовок для создания одномодовых волоконных световодов с изменяющейся по длине хроматической дисперсией.
К настоящему времени одномодовые волоконные световоды с изменяющейся по длине хроматической дисперсией нашли широкое применение в нелинейной волоконной оптике [3,9,22,23]. Данные световоды являются эффективным средством для высококачественного, стабильного и не чувствительного к состоянию поляризации адиабатического сжатия солитонных импульсов и генерации последовательности солитонных импульсов, а также генерации суперконтинуума.
Следует отметить, что первые работы по исследованию ОВС с изменяющейся по длине хроматической дисперсией и оптических эффектов, наблюдаемых при использовании световодов данного типа, были выполнены в НЦВО при ИОФ РАН [24,25].
ОВС с изменяющейся по длине хроматической дисперсией могут быть изготовлены из заготовок с помощью вытяжки волоконного световода с изменяющимся значением внешнего диаметра [4]. В качестве заготовок для создания ОВС с изменяющейся по длине хроматической дисперсией могут быть использованы заготовки для стандартных ОВС, заготовки для ОВС со смещенной дисперсией и т.д. Выбор типа исходной заготовки определяется требованиями, предъявляемыми к конечному продукту.
Современные исследования, проводимые в ведущих лабораториях мира, показали целесообразность разработки структур ПІШ для применения в качестве основы при создании ОВС с изменяющейся по длине хроматической дисперсией и модифицированными оптическими характеристиками, такими как уменьшенное значение радиуса поля моды, измененная спектральная зависимость хроматической дисперсии, и самое главное, закон изменения хроматической дисперсии но длине световода на заданной длине волны.
Таким образом, цель работы состояла в исследовании и разработке одномодовых волоконных световодов с изменяющейся гто длине хроматической дисперсией. В этой комплексной проблеме, решаемой Научным центром волоконной оптики при ИОФ РАН и Институтом химии высокочистых веществ РАН, автору было необходимо:
S Сравнить известные типы одномодовых заготовок с точки зрения
возможности управления дисперсионными характеристиками световода в процессе вытяжки,
S Промоделировать и провести анализ профиля показателя
преломления в заготовках для создания одномодовых световодов, получаемых MCVD-методом, для достижения нужных дисперсионных характеристик с высокой точностью. Следует отметить, что моделирование и анализ Шііі в заготовке должны учитывать достижение помимо заданных дисперсионных характеристик, также и других оптических параметров ОВС, как длина волны отсечки, значение радиуса поля моды.
S Принять участие в совместной с ИХ В В РАН работе по
изготовлению одномодовых заготовок на основе модельных структур профиля показателя преломления, А также принять непосредственное участие в изготовлении ОВС с изменяющейся по длине хроматической дисперсией из полученных заготовок.
Методы исследования. Экспериментальные исследования
световод ной структуры и оптических свойств, в том числе и
дисперсионных, проводились на световодах и световодных заготовках,
изготавливаемых в ИХВВ методом MCVD. При измерении
дисперсионных параметров ОВС, в том числе поляризационной модовой
дисперсии, использовались интерферометрические методы
исследования. Измерение оптических потерь в волоконных световодах
производились методом "облома" и методом обратного рассеяния. Теоретические исследования состояли в компьютерном анализе с целью нахождения оптимальной структуры ПІГП для достижения необходимых оптических характеристик волоконных световодов при изменении внешнего диаметра: диапазон изменения хроматической дисперсии на заданной длине волны; изменение спектральной зависимости хроматической дисперсии, изменение длины волны нулевого значения хроматической дисперсии, изменение длины волны отсечки, изменение радиуса поля моды.
Научная новизна диссертационной работы.
На современной вычислительной базе разработан эффективный алгоритм, позволяющий рассчитывать оптические характеристики световода, такие как распределение поля основной моды Е(г), длина волны отсечки первой высшей моды Хс, размеры пятна моды согласно различным определениям: cotj, о>ь и pete, значения материальной и волноводной компонент хроматической дисперсии D(A,), длина волны нулевого значения дисперсии Хо, и осуществлять поиск оптимального профиля показателя преломления в заготовках для создания одномодовых световодов. Поиск профиля показателя преломления в заготовке осуществляется с точки зрения нахождения оптимальной световодной структуры, оптическими характеристиками которой можно управлять непосредственно в процессе вытяжки. Разработана методика получения устойчивых оптических характеристик в волоконных световодах с модифицированными дисперсионными параметрами.
Разработаны, изготовлены и исследованы ОВС с изменяющейся по длине спектральной зависимостью хроматической дисперсии и контролируемым наклоном дисперсионной кривой. Данный тип ОВС имеет минимальный наклон дисперсионной кривой в широком интервале длин волн (менее 0з01 пс/нм2/км при 1-і,55 мкм и
< 0,045 пс/нм2/км при X - 1380-1890 нм).
3. Разработаны, изготовлены и исследованы ОВС с изменяющейся
по длине хроматической дисперсией на основе заготовок из высоколегированного германосиликатного стекла (концентрация Ge02 более 15 мол.%) с малым значением радиуса поля моды и нулевым значением хроматической дисперсии в области X = 1,55 мкм.
Практическая ценность работы
Па основе проведенных исследований были исследованы и изготовлены следующие типы одномодовых заготовок:
Заготовка для ОВС с контролируемым наклоном дисперсионной кривой. Данная заготовка может служить как основой для создания ОВС, в котором необходимо поддерживать заданное значение дисперсии для широкого спектрального диапазона (при вытяжке с постоянным внешним диаметром), так и основой для создания ОВС с изменяющейся по длине хроматической дисперсией, в котором при изменении внешнего диаметра сохраняется минимальный наклон дисперсионной зависимости в широком спектральном диапазоне (при вытяжке с изменяющимся внешним диаметром). Области применения: при вытяжке с монотонно уменьшающимся внешним диаметром -нелинейная волоконная оптика, при вытяжке с периодическим изменением внешнего диаметра - волоконно-оптические линии связи (на стадии лабораторного тестирования).
Заготовка для ОВС из высоколегированного германосиликатного стекла (концентрация Ge02 более 15 мол.%) с малым значением радиуса поля моды и нулевым значением хроматической дисперсии в области X = 1,55 мкм. Данная заготовка может служить как основой для создания 02С z милым радиусом ПОЛЯ МО^ЬТ Е КОТС^О14* ч^обходимо поддерживать нулевое значение хроматической дисперсии в области X _: 1,55 мкм (при вытяжке с постоянным внешним диаметром), так и
основой для создания ОВС с изменяющейся по длине хроматической
дисперсией и повышенной эффективностью нелинейных
преобразований (при вытяжке с изменяющимся внешним диаметром).
Область применения: нелинейная волоконная оптика.
Разработанные программы по расчету оптических характеристик
по данным ГІШ1, измеренного в заготовке, а также программы для чтения данных ППП с измерительных установок Р101 и Р102 используются и могут использоваться в организациях, связанных с производством ОВС.
Автор защищает следующие положения:
Методика поиска оптимального профиля показателя преломления в одномодовых заготовках для достижения желаемых дисперсионных параметров ОВС. Данная методика позволяет найти структуру ППП волоконного световода, оптические параметры (такие как распределение поля основной моды, длина волны отсечки первой высшей моды, диаметр поля моды, спектральная зависимость хроматической дисперсии, длина волны нулевого значения дисперсии) которого не чувствительны к вариациям внешнего диаметра световода в процессе вытяжки, а также не чувствительны к локальным вариациям в профиле показателя преломления.
Структура ППП, на основе которой изготовлены первые отечественные ОВС с изменяющейся по длине спектральной зависимостью хроматической дисперсии и минимальным наклоном дисперсионной кривой в широком спектральном диапазоне при изменении внешнего диаметра световода. Проведена оптимизация структуры ППП для получения устойчивых к изменениям внешнего диаметра ОВС дисперсионных характеристик. Показано, что изготовленные световоды сохраняют уплощенный характер дисперсионной зависимости при изменении внешнего диаметра ОВС.
3. Структура ППП, на основе которой изготовлены первые
отечественные ОВС из высоколегированного германосиликатного стекла (концентрация Ge02 более 15 мол.%) с изменяющейся по длине хроматической дисперсией и повышенной эффективностью нелинейных преобразова-ний. Проведена оптимизация структуры ППП для получения устойчивых к изменениям внешнего диаметра ОВС дисперсионных характеристик. Показано, что данные ОВС обладают малой эффек-тивной площадью поля моды ( менее 16 мкм ), а нулевое значение хроматической дисперсии может быть смещено в область 1550 нм.
Структура диссертации:
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.
В первой главе, представляющей собой обзор литературы ко времени начала диссертационной работы, рассмотрены вопросы, связанные с изготовлением и применением одномодовых волоконных световодов с изменяющейся по длине хроматической дисперсией. Рассмотрены современные требования, предъявляемые к световодам с изменяющейся по длине хроматической дисперсией. Показана актуальность создания ОВС с изменяющейся по длине хроматической дисперсией на основе разработанных в ходе данной диссертационной работы световодов.
Во второй главе рассмотрены волноводные характеристики одномодовых волоконных световодов, MCVD-метод изготовления волоконных заготовок, который применялся для изготовления заготовок в данной диссертационной работе.
В третьей главе рассмотрены структуры ППП с точки зрения изготовления ОВС с изменяющейся по длине хроматической
rrt^Cr С О'"'!'їі"" --" ""''.i-'.~i?'~ Г» Я ^0^^7^^ (-1 К' \.(»"го ~<ъ,\ пчс^теТ^ nnTuirorri/v
характеристик и выделены главные аспекты расчета для оценки
использования заготовок при изготовлении ОВС с изменяющейся по
длине хроматической дисперсией.
Четвертая глава посвящена оптическим характеристикам
разработанных в ходе данной работы одномодовых волоконных
световодов. Показаны особенности изготовления разработанных
световодов.
В заключении сформулированы основные результаты
диссертационной работы.
Материалы, включенные в диссертацию, докладывались на
международных и российских конференциях - "Нелинейные и
резонансные явления в конденсированных средах" (Башкирская
Республиканская научная конференция студентов и аспирантов по
физике, Уфа: изд. Башгосуниверситета, 1998), "Information Technologies
# in Science, Education, Telecommunications, Business, IT+SE'2001"
(Гурзуф, Украина, 2001), "XI Конференция по Химии Высокочистых Веществ" (Нижний Новгород, 2000), "Научная сессия МИФИ-2000" (Москва, 2000), "Information Technologies in Science, Education, Telecornmunications, Business, IT+SE'2002" (Гурзуф, Украина, 2002), "Научная сессия МИФИ-2003" (Москва, 2003), "XI Conference on Laser Optics, LO'2003" (С.-Петербург, 2003), "Математические методы в технике и технологиях, ММТТ-16" (С.-Петербург, 2003).
По материалам диссертации опубликовано 12 работ.
*
Эксперименты по применению ОВС с изменяющейся по длине хроматической дисперсией и современные требования к данным световодам
К настоящему времени одномодовые волоконные световоды с изменяющейся по длине хроматической дисперсией находят широкое применение в нелинейной волоконной оптике [9,22,23,28-30]. Данные световоды являются эффективным средством для высококачественного, стабильного и не чувствительного к состоянию поляризации адиабатического сжатия солитонных импульсов и генерации последовательности солитонных импульсов, а также генерации суперконтинуума. Следует отметить, что первые работы по исследованию ОВС с изменяющейся по длине хроматической дисперсией и оптических эффектов, наблюдаемых при использовании световодов данного типа, были выполнены в НЦВО при ИОФ РАН [24,25]. Эксперименты по сжатию оптических илтульсов. Методы сжатия оптических импульсов имеют очень важное значение при генерации последовательности ультракоротких импульсов с субпикосекундной (фемтосекундной) длительностью. В частности, данные методы могут быть использованы в исследовании быстропротекающих процессов, оптоэлектроннои обработке сигналов и высокоскоростных оптических линиях связи. Методы сжатия основаны на контролировании нелинейного характера распространения оптических импульсов большой мощности ь диспергирующих оптических средах. Распространение оптических импульсов ультракороткой длительности в одномодовых волоконных световодах можеі быть описано нелинейным уравнением Шредиягера [22]: где /32 - дисперсия групповых скоростей; =2кп2/(ХА (г) - нелинейный коэффициент световода; Пг - нелинейный показатель преломления; X - рабочая длина волны; A ff - эффективная площадь поля моды; \и\2 - нормированная мощность излучения. К настоящему времени теоретически и экспериментально доказано, что световоды с изменяющейся по длине хроматической дисперсией являются перспективным средством для сжатия оптических импульсов и генерации последовательности солитонных импульсов [22,23]. Эксперименты по сжатию оптических импульсов показывают, что необходимо учитывать не только величину диапазона изменения хроматической дисперсии и длины волоконного световода, но также необходимо, чтобы хроматическая дисперсия изменялась по длине световода согласно некоторой заданной функции [23]. Наиболее исследованными законами изменения дисперсии в волоконных световодах по длине являются следующие: а) линейный, б) косинусоидальный, в) по Гауссу, г) экспоненциальный, д) гиперболический. Разработка световодных структур, которые обладают большим нелинейным коэффициентом у становится актуальной задачей.
Следует отметить, что разработанные световодные структуры (структуры ППП) должны оцениваться из возможности их использования для изготовления ОВС с изменяющейся по длине хроматической дисперсией, причем хроматическая дисперсия должна изменяться вдоль длины световода заданным образом. Увеличение чяи?нмя параметра у может ьтть ДОСТИГНУТО П Т -Г уменьшения эффективной площади поля А . В виду тою, чти зависимость эффективной площади от диаметра поля моды носит квадратичный характер, изменение диаметра поля моды с 10 мкм до 4 мкм повысит нелинейный коэффициент у в более, чем 6 раз. Таким образом, если разработать волоконный световод, который бы обладал малым значением диаметра поля моды и сохранял бы одномодовый режим распространения излучения при изменении хроматической дисперсии на рабочей длине волны, то можно добиться повышения эффективности оптических схем и решений для исследования нелинейных явлений, таких как сжатие оптических импульсов и генерация последовательности солитонных импульсов и т.д. Эксперименты по генерации суперконтинуума. Генерация суперконтинуума в волоконных световодах является эффективным методом получения широкого оптического спектра. Это обстоятельство выглядит весьма привлекательным в плане создания принципиально новых источников излучения, которые можно будет использовать непосредственно в высокоскоростных линиях связи. В ранних работах генерация достигалась путем использования импульсов накачки фемтосекундных лазеров с низкой частотой повторения и волоконных световодов коротких длин. В последних работах было показано, что генерация суперконтинуума может быть достигнута при использовании накачки с высокой частотой повторения. В работе [27] авторы показали целесоооразвость использования накачки с высокой частотой повторения. Их источник излучения, основанный на гЬгЬекте evnepKOHTMFVVMa был иепопьчован для демонстрации, высокой ї еоретические и экспериментальные исследования, проведенные к настоящему времени, показывают, что наиболее эффективной средой для получения широкого оптического спектра (более чем 200 нм) высокого качества и независимого к шумам накачки являются световоды с изменяющейся по длине хроматической дисперсией, которые обладают свойством сохранения уплощенной спектральной зависимости дисперсии при изменении значения хроматической дисперсии [28,29]. Устойчивость к шумам накачки является очень существенным фактором при использовании источников излучения, основанных на эффекте генерации суперконтинуума, в волоконно-оптических линиях связи, так как от этого фактора будет зависеть стабильность работы всей волоконно-оптической линии связи. Экспериментально показано, что даже малые флуктуации во входной накачке могут негативно отразиться в существенно больших флуктуациях континуума [22]. В связи с этим, становится актуальным вопрос о разработке световодных структур, которые сохраняют уплощенный характер спектральной зависимости дисперсии при изменении значения хроматической дисперсии.
Таким образом, согласно вышесказанному, можно сформулировать основные требования, предъявляемые к О ВС с изменяющейся по длине хроматической дисперсией . 1. Световоды должны сохранять одномодовый режим распространения излучения т.е. длина волны отсечки должна быть меньше рабочей длины волны при изменении внешнего диаметра световода; 2. Световоды должны быть оптимизированы по длине волны отсечки с точки зрения возникновения потерь на вытекание, так как при уменьшении внешнего диаметра изменяется значение длины волны отсечки, что может повлечь появление дополнительных потерь на ьытсканис 3. Световоды должны быть оптимизированы по чувствительности к коэффициенту перетяжки заготовка - световод (степень чувствительности определяется физикой задачи), т.е. световедущая CTDvKTvna в волоконных световодах дол ясна быть оптимизирована таким образом, чтобы при заданном изменении внешнего диаметра световода R процессе вытяжки был достигнут необходимый диапазон изменения оптических параметров световода, в том числе и дисперсионных; % 4. Световоды должны быть оптимизированы по значению диаметра поля моды (определяется физикой задачи), т.е. значение диаметра поля моды должно изменяться заданным образом при изменении внешнего диаметра световода; 5. Световоды должны быть оптимизированы по критерию «длина волны нулевого значения хроматической дисперсии» - «внешний диаметр световода», т.е. длина волны нулевого значения хроматической дисперсии должна изменяться заданным образом при изменении внешнего диаметра световода; 6. Световоды должны быть оптимизированы по характеру поведения спектральной зависимости дисперсии при изменении внешнего диаметра световода (определяется физикой задачи). Следовательно, необходимо разработать одномодовые волоконные световоды с изменяющейся по длине хроматической дисперсией которые удовлетворяют приведенным выше требованиям для применения в задачах нелинейной волоконной оптики по генерации суперконтинуума и сжатию оптических импульсов, т.е. необходимо: разработать, изготовить и исследовать ОВС с изменяющейся по длине спектральной зависимостью хроматической дисперсии и контролируемым наклоном дисперсионной кривой для применений в знімних по генерации cyneuKuHiHitvvivia. разраоотать, изготовить и исследовать OBl с изменяющейся но области Х = 1,55 мкм для применений в задачах по сжатию оптических импульсов.
Измерение поляризационной модовой дисперсии
В этом методе в исследуемое волокно подается сигнал от широкополосного источника излучения, за которым идет поляризатор, или от светодиода, излучающего свет определенной линейной поляризации. Сигнал, переданный через тестируемое волокно, анализируется посредством интерферометра Майкельсона (рис. 2-6). Широкополосный источник или светодиод выбирается таким образом, чтобы центральная длина волны подходила для измерения современных систем DWDM (1550 нм), а время когерентности источника было намного меньше задержки Г1МД тестируемого волокна. В интерферометрическом методе определяют время автокорреляции сигнала источника с этим же сигналом, задержанным переменным плечом интерферометра (подвижным зеркалом), получая значение дифференциальной групповой задержки (соответственно ПМД) непосредственно на графике. Предполагается, что спектр источника имеет приблизительно гауссову форму. При помощи этого метода осуществляется быстрое измерение ПМД, так что контроль и стабилизация температуры не требуются. Метод дает возможность измерять значения ПМД выше 0Л пс. Значение ПМД из получившейся интерферограммы определяется двумя способами. Первый способ зависит от степени связи мод в тестируемом волокне. Если эта связь пренебрежимо мапа, что обычно бывает в коротких сегментах или в специально изготовленных волокнах, то на интерферограмме наблюдают сильный центральный пик (автокорреляция источника) и два соседних, симметрично расположенных пика-спутника, удаленных от центрального на величину групповой задержки в волокне. Таким образом, значение ПМД определяется этим смещением (или половиной полного расстояния между пиками-спутниками). Рассмотрим случай, когда в тестируемом устройстве отсутствует связь мод. Согласно рисунку 2-6 это устройство размещено в направлении оптического луча, поэтому обе поляризации интерферометра распадаются на две собственные моды тестового устройства. Соответствующий отклик при перемещении зеркала имеет центральный пик, когда длины каналов интерферометра равны, а также удаленные пики, когда движущееся зеркало создает задержку, равную дифференциальной групповой задержке тестируемого устройства.
Один удаленный пик создается взаимодействием между лучом медленной моды, берущим начало в канале фиксированного зеркала, и светом быстрой моды, задерживаемым движущимся зеркалом. Другой удаленный пик создается взаимодействием между лучом медленной моды, берущим начало в канале фиксированного зеркала, и светом медленной моды, возникающим вследствие идентичного движения зеркала в противоположном направлении. Время между центральным и любым из удаленных пиков и есть дифференциальная групповая задержка устройства. Относительная интенсивность пиков зависит от относительной ориентации тестируемого устройства и анализатора, ИнтерферометрическиЙ отклик в виде огибающей фототока для одномодового волокна с высокой степенью связи мод и ПМД, значительно превышающей когерентное время источника, имеет гауссову форму, ширина которой определяется НМД тестируемого волокна. ПМД определяется из фототока либо прямой подгонкой кривой Гаусса, либо подсчетом второго момента. При подогнанной кривой распределения Гаусса дифференциальная групповая задержка определяется следующим образом: - среднеквадратичное значение групповой задержки и - среднее значение групповой задержки. Здесь о - стандартное отклонение кривой распределения Гаусса, которое наилучшим образом подходит для интерферо-граммы при исключении центрального пика и при условии измерения последней в отсутствии шумов оборудования [60]. Измерение оптических потерь производится методом "облома". Вычисление оптических потерь производится по формуле: где AL — разность длин измеряемых отрезков ОВС [км], її и [о - интенсивности, прошедшие через полную длину световода и через небольшой его отрезок, соответственно. Соотношение между различными единицами измерения коэффициента оптических потерь: 10 6 дБ/км = 2,3 см"]. В данной главе будут рассмотрены известные структуры ППП с точки зрения изготовления ОВС с изменяющейся по длине хроматической дисперсией, а также будут рассмотрены методы расчета оптических характеристик и выделены главные аспекты расчета для определения необходимых параметров заготовок при изготовлении ОВС с изменяющейся по длине хроматической дисперсией. Как уже упоминалось ранее, ОВС с изменяющейся по длине хроматической дисперсией могут быть изготовлены путем заданного изменения внешнего диаметра световода в процессе вытяжки. В качестве заготовок для изготовления ОВС с изменяющейся по длине хроматической дисперсией могут быть использованы заготовки, предназначенные для изготовления стандартных ОВС, ОВС со смещенной дисперсией, ОВС со смещенной ненулевой дисперсией и т.д. В этом параграфе будут рассмотрены современные одномодовые световоды, с точки зрения использования их заготовок для изготовления ОВС с изменяющейся с длине хроматической дисперсией. Международная система классификации ОВС основана на Рекомендациях Международного телекоммуникационного союза ITU G.650 - G.655 и публикациях 1ЕС № 793,794 [61-68]. Российская классификация основывается на ГОСТ 26793-85. Согласно ГОСТ 26793-85 «Компоненты ВОСГШ. Система условных обозначений» все ВС подразделяются на группы - по типу распространяющегося излучения, на подгруппы - по типу ШШ и на виды - по материалу сердцевины и оболочки.
Различают следующие группы ВС: многомодовое (М), одномодовое без сохранения поляризации излучения (В) и одномодовое с сохранением поляризации излучения (П), Группа многомодовых ВС делится на две подгруппы; со ступенчатым (С) и градиентным (Г) ППП. В зависимости от материалов сердцевины и оболочки ВС подразделяются на следующие виды; 1 - сердцевина и оболочка кварцевые; 2 - сердцевина кварцевая, оболочка полимерная; 3 -сердцевина и оболочка из многокомпонентного стекла; 4 - сердцевина и оболочка из полимерного материала; 5 - прочие. Перечисленные выше световоды относятся к так называемой группе промышленно выпускаемых ОВС [51]. Стандартные ОВС и их заготовки Основные характеристики световодов данного типа: ступенчатый профиль показателя преломления, хроматическая дисперсия: нулевое значение в области 1285-4330 нм, + 16-48 пс/нм/км в области 1525-4565 нм. оптические потери: относятся световоды: SMF-28 (Coming), SMF-9/125 (Lucent), SMF-10/125 (Fujikura), Параметры стандартного ОВС регламентируются Рекомендацией ITU G.652, ТЛА/ЕГА-492СААА, IEC Publication 60793-2 и требованиями GR-20-CORE [51]. Использование заготовки для изготовления ОВС с изменяющейся по длине хроматической дисперсией Верхний предел изменения дисперсии на рабочей длине 1550 нм при использовании заготовки стандартного ОВС со ступенчатым ГТПП составляет 18.6 .. 18.8 пс/нм/км. Данный предел обусловлен границей одномодового режима световода, т.е. условием \ = ї-раб- Значение внешнего диаметра световода при Я.с = 1550 нм, как правило, составляет 138 .. 140 мкм (зависит от выбора заготовки -9/125, 10/125 и т.д.). Нижнее значение дисперсии, которое можно достигнуть при использовании заготовки со ступенчатым ППП, определяется из максимально допустимого значения оптических потерь. Так при уменьшении диаметра стандартного световода в процессе вытяжки со значения 125 мкм до значения 80 мкм сместит длину волны отсечки в коротковолновую область до значения 880 нм, а значение хроматической дисперсии уменьшится с + 17 пс/нм/км до + 7 пс/нм/км. Но следует особо отметить, что значение диаметра поля моды при диаметре ОВС 80 мкм будет превосходить геометрический диаметр сердцевины более, чем в 2 раза, что несомненно приведет к существенному увеличению потерь на вытекание. Как правило, на заготовках для стандартных ОВС достижение нулевого значения хроматической дисперсии происходит при таких малых значениях диаметра, что дополнительные потери на вытекание делают такие световоды не пригодными для использования в оптических схемах.
Мето л ы расчета оптических характеристик ОВС
Как уже упоминалось во введении, в установках для измерения профилей показателя преломления в волоконных заготовках Р101 в НЦВО (Москва) и Р102 в ИХВВ (Нижний Новгород) используется компьютер Hewlett Packard 9000 серии 300. Поэтому прежде чем произвести расчеты оптических характеристик, необходимо было разработать процедуру считывания данных с компьютера HP, В результате был создан пакет программ, который позволяет расшифровывать бинарное отображение файла с профилем показателя преломления и записать данные в удобном формате для дальнейшей обработки. В таблице 3-1 приведены байтовые записи данных в LIF-формате, что может пригодиться, если читатель захочет более детально ознакомиться с процедурой чтения файлов с LIF-формата. Расчет оптических характеристик основан на решении скалярного волнового уравнения (2.10) методом последовательных приближений с Байтовая запись действительного числа выглядит как: SPPP РРММ ММММ ММММ ММММ ММММ ММММ ММММ, где " ММММ" - I байт, S-знаковый бит (при S=l - отрицательное число, а лри S=0 - положительное), РРР РР - степень, ММ ММММ . . . ММММ - мантисса. Действительное число=(-1)3 г""11 " 023 (1+мантисса) Строковые переменные. Строковые переменные в LIF-формате соответствуют общепринятой таблице ASCII кодов. заданной радиальной зависимостью профиля показателя преломления реальной заготовки. Результат расчета позволяет определить такие параметры будущего световода, вытянутого из этой заготовки, как распределение поля основной моды Е(г), длину волны отсечки первой высшей моды Хс, размеры пятна моды, согласно различным определениям: (оа, о ь и cupetc, значения материальной и волноводнои компонент хроматической дисііЄрс .и DwO;, длину волны ь" ле?."Г7 ""зчемня дпсперсттч X,. Вил радиальной зависимости ПГШ в заготовке очень сильно влияет на дальнейшее применение ОВС. Теоретический анализ типов ПГШ уже был сделан в первой главе, поэтому в этом параграфе остановимся на расчете оптических характеристик. Для расчета оптических характеристик прежде всего надо определить границу одномодового режима для рассматриваемого ППП, т.е. значение V-параметра отсечки, Vc. Для этого преобразуем скалярное волновое уравнение с помощью следующей нормировки; где а- радиус сердцевины, пЭфф - эффективный показатель преломления, fw - нормированная постоянная распространения, принимающая значение от нуля до единицы, причем fw = 1 соответствует условию отсечки.
Скалярное волновое уравнение с учетом нормировки примет следующий вид: Решая уравнение (3.2) для v=l при выполнении условия отсечки fw = 1 находим Vc для первой высшей моды. Для нахождения Vc применяется элементарный пошаговый алгоритм: В случае V = Vc при R= 1 (в случае г = а) значение Е+Е становится близким к нулю. Таким образом, задав условие на значение Е+Е можно найти Vc. Длина волны отсечки Л.с определяется из (2.15). Но так как Vc а/Хс, то очевидно, что Хс обратно зависит от значения радиуса сердцевины световода а (точнее коэффициента перетяжки, т.к. именно он определяет радиус сердцевины при вытяжке световода из заготовки). Как правило, измеряемая длина волны отсечки несколько меньше расчетной величины, что вполне объяснимо тем фактом, что в расчете не учитываются внутренние и внешние напряжения, а также микроизгибы, которые приводят к смещению длины волны отсечки в коротковолновую область. Расчет распределения поля основной моды для конкретной длины волны осуществляется решением (3.2) методом последовательных приближений по величине fw при помощи следующего соотношения: V - Vc AcA. Исходя из распределения поля находим еще один важный оптический параметр световодов - радиус пятна моды. Радиус пятна моды используется как геометрическая характеристика излучения, распространяющегося по ОВС [53]. Согласно (2.11)-(2.13) находим значение пятна моды для различных определений, что позволяет эмпирически оценить примерные потери в будущем ОВС, а также оценить мощность излучения распространяющуюся по сердцевине и оболочке световода. Расчет хроматической дисперсия производится вычислением материальной и волноводнои компонент дисперсии для рассматриваемого ПГЇП при конкретном химическом составе стекла. Хроматическая дисперсия вычисляется как сумма волноводнои и материальной компоненты по формулам (2.22)-(2.23). Материальная компонента обусловлена спектральной зависимостью показателя преломления стекла и распределением мощности передаваемого по ОВС излучения. Волноводная компонента зависит от величины второй производной d (VB)/dV (где В - нормированная постоянная распространения рабочей моды, осуществляется из зависимости относительной доли мощности в сердцевине для рассчитанного распределения поля E(R) при заданном значении V. Полученная таким образом зависимость аппроксимируется аналитической функцией для нахождения d (VB)/dV . В зависимости от функции аппроксимации d(VB)/dV, значение d (VB)/dV для конкретно взятой длины волны может иметь незначительные отклонения, в связи с чем целесообразно использовать две различные функции аппроксимации d(VB)/dV (например, полиномы 4 степени и кусочно-гладкие функции), что в свою очередь позволит оценивать точность расчета дисперсии. Зная распределение хроматической дисперсии легко получить длину волны нулевого значения дисперсии, а также величину наклона дисперсионной кривой, т.е. производную хроматической дисперсии по длине волны. Сформулируем главные аспекты расчета оптических характеристик для оценки использования заготовок при изготовлении ОВС с изменяющейся по длине хроматической дисперсией: S Достоверность расчета оптических характеристик.
Все разрабатываемые методы расчета оптических характеристик ОВС должны быть опробованы на простых (двухслойных) и на более сложных структурах ІШГ1, как моделированием, так и сравнением расчетных и экспериментальных данных. S Для изготовления ОВС с изменяющейся по длине хроматической дисперсией расчет оптических характеристик должен учитывать возможность изменения внешнего диаметра световода в процессе вытяжки, т.е. расчет должен быть выполнен для заданного значения внешнего диаметра. S Расчет оптических характеристик должен быть выполнен для заданного значения длины волны отсечки для определения верхней границы внешнего диаметра световода, где еще сохраняется одномодовыи режим распространения излучения. S Выводимые данные должны содержать информацию о результате расчета диаметра поля моды, согласно приведенным выше формулам (2.11-2.13). Это позволит оценить нижнюю границу изменения внешнего диаметра для данной конкретной заготовки. Удобный формат получаемых в результате расчета данных, т.к. эти данные в дальнейшем могут быть использованы для дальнейшего анализа в стандартных программных пакетах. Данный пункт не является важным с точки зрения расчета, но является существенным для применения и более глубокого понимания получаемых в результате расчета данных. Следует отметить, что разработанные в ходе диссертационной работы методы расчета удовлетворяют вышеперечисленным пунктам. Кроме того в ходе данной работы был создан пакет программ, который позволяет моделировать ПГГП заготовки для достижение нужных оптических, в том числе и дисперсионных, характеристик ОВС. Следующая глава посвящена разработанным в ходе данной работы профилям показателя преломления ОВС. Световоды с "-структурой профиля показателя преломления впервые были получены и исследованы в 70-х годах прошлого века [70-72,77,78]. Среди первых работ по исследованию световодов с "W- структурой профиля показателя преломления были работы Беланова, Дианова и др. [73,77,78], в которых был предложен новый тип ППП для изготовления ОВС со смещенной дисперсией. И сегодня "W"-тип структуры профиля показателя преломления, в том числе квадруполъная и SEGCORE, остается одной из основных структур ППП одномодовых волоконных световодов для получения специальных дисперсионных характеристик [74-78J.
Структура профиля показателя преломления для изготовления световода, обладающего малым диаметром поля моды и контролируемой длиной волны нулевого значения дисперсии
Современное состояние в области квантовой электроники стимулируют развитие волоконной отрасли, так как волоконные световоды являются благоприятной средой для стыковки оптоэлектронных устройств с современными линиями связи. С появлением одного из последних достижений в области полупроводников - вертикально - излучающих лазеров встает вопрос о разработке нового типа волоконного световода, у которого диаметр поля моды соответствовал бы полю моды лазера, что облегчило бы стыковку. Разработка световода с меньшим, чем у стандартного, размера поля моды позволит также исследовать нелинейные эффекты, происходящие в световодах, так как нелинейный коэффициент обратно пропорционален площади поля моды излучения (т.е. квадрату диаметра поля моды). В связи с этим, следует ожидать, что на основе найденного распределения ГШП можно будет создать новые световоды, которые будут содержать примеси повышающие нелинейный показатель преломления, что наряду с малым диаметром поля моды будет перспективным для исследования нелинейных эффектов. Исследования, производимые в НЦВО, показали, что для изготовления световода с малым диаметром поля моды оптимальным образом подходит профиль, который имеет дополнительное кольцо с пониженным показателем преломления. Профиль показателя преломления световода с малым размером поля моды, можно, сказать, является "гибридом" ППП с депрессированной оболочкой и ГШП "W-гипа. При моделировании профиля за основу брались ППП реальных заготовок, для того чтобы полученный при моделировании профиль как можно более точно соответствовал возможностям MCVD-процесса. Как уже указывалось выше, оптические характеристики данного типа ОВС очень чувствительны к качеству исходной заготовки (рис. 3-9, 3-10). Особенно заметно это проявляется в значении поляризационной модовой дисперсии конечного волоконного световода, т.к. любая анизотропия профиля показателя преломления при изготовлении заготовки будет приводить к появлению разных постоянных распространения для разных состояний поляризаций сигнала. На рис. 4-8 приведены модельные распределения ППП для световода со смещенной дисперсией и малым значением диаметра поля моды.
Исследования показали, что наклон в распределении ППП в сердцевине ВС очень сильно влияет на дисперсионные характеристики. Так при наклоне 0.068 (кривая 1), 0.060 (2), 0.054 (3), 0,050 (4), выраженном в единицах "радиус световода в мкм / показатель преломления" значения дисперсии на длине волны 1550 нм составляют: 0, -4.3, -7.8, -13.0 пс/нм/км; а значения длины волны отсечки равны: 1.52, 1.42, 1.34, 1.25 мкм (рис. 4-9). Следует отметить, что значение размера диаметра поля моды остается практически неизменным: от 4.1 до 4.3 мкм. Дополнительное кольцо с пониженным значением показателя преломления призвано сместить длину волны отсечки со значения 1.52 мкм (для нулевого значения дисперсии на длине волны 1.55 мкм) в более коротковолновую область. Таким образом, при возможных вариациях диаметра в процессе вытяжки световод остается одномодовым. При введении дополнительного кольца с разницей ПП Ап -8.610"4 длина волны отсечки смещается с 1.52 мкм до 1.47 мкм. Подбор параметров ППП таких как радиус сердцевины, наклон профиля показателей преломления в сердцевине ОВС, разница показателей преломления депрессированного кольца, ширина кольца позволяет изготовить одномодовый волоконный световод, который обладает смещенной в область 1550 нм длиной волны нулевого значения дисперсии и малым значением диаметра поля моды. Модельное распределение ППП световода со смещенной дисперсией и малым значением диаметра поля моды приведено на рис. 4-Ю. На рис. 4-11 приведен ППП реального световода, для которого длина волны нулевой дисперсии приходится на область 1.55 мкм (для световода диаметром 120 мкм). На рис. 4-12 приведена график изменения хроматической дисперсии в зависимости от изменения внешнего диаметра световода. Дальнейшие исследования показали, что увеличение депрессии в дополнительном кольце до Ап=-5 10" позволяет изготавливать световоды с изменяющейся по длине дисперсией. Максимальное значение дисперсии в данных световодах в одномодовом режиме может достигать +15.4 пс/нм/км, а нулевое значение дисперсии соответствует диаметру ОВС, при котором длина волны отсечки приблизительно равна 1.2 мкм. Таким образом, возможно изготовление ОВС с изменяющейся по длине дисперсией на основе заготовок со смещенной дисперсией и малым диаметром поля моды, что является очень привлекательным для исследований в нелинейной волоконной оптике. В таблице 4-2 приведены сводные данные по вытяжкам данного типа одномодовых волоконных световодов. Основные результаты диссертационной работы: 1) На современной вычислительной базе создан метод, позволяющий на основе реального (измеренного в заготовке) или модельного профиля показателя преломления (ГШП) рассчитывать оптические характеристики ОВС: радиальное распределение поля основной моды Е(г); длину волны отсечки первой высшей моды Х ; диаметр поля моды, согласно различным определениям: tod, ( ь и ct pete; спектральные распределения для материальной, волноводной и полной хроматической дисперсии D(X); длину волны нулевого значения дисперсии Хо. 2) Созданы алгоритмы, позволяющие осуществлять поиск оптимального ППП в волоконных заготовках для нахождения желаемых дисперсионных характеристик.
Поиск ППП в заготовке осуществляется с точки зрения нахождения световодной структуры, оптическими характеристиками которой можно управлять непосредственно в процессе вытяжки изменением внешнего диаметра световода. 3) Используя полученное с помощью моделирования радиальное распределение показателя преломления в заготовке, созданы первые отечественные многослойные ОВС с изменяющейся по длине спектральной зависимостью хроматической дисперсии и контролируемым наклоном дисперсионной кривой. Минимальные оптические потери при Х=1,55мкм составили 0,23 дБ/км. Наклон дисперсионной кривой у данного типа световодов составил менее 0,01 пс/нм2/км при =1,55мкм и меньше чем 0,045 пс/нм2/км в спектральном диапазоне 1380- 1890 нм, что соответствует области потенциальных применений для световодов на основе кварцевого стекла. 4) Используя полученное с помощью моделирования радиальное распределение показателя преломления в заготовке, созданы первые отечественные ОВС из высоколегированного германосиликатного стекла (более 15 мол.% GeCb) с малым значением диаметра поля моды и нулевым значением хроматической дисперсии в области А. = 1,55 мкм. Экспериментально изготовлены световоды со смещенной дисперсией, которые обладают эффективной площадью поля моды менее 16 мкм . Минимальные оптические потери при X = 1,55 мкм составили 0,76 дБ/км, что соответствует современному уровню оптических потерь для световодов с малым диаметром поля моды. В заключение автор считает своим приятным долгом выразить благодарность научному руководителю А.А.Сысолятину, научному консультанту А.С.Бирюкову, заведующему лабораторией М.М.Бубнову и директору НЦВО Е.М.Дианову за постановку задач и помощь в работе, В.А.Богатыреву за критические замечания, полезные обсуждения и неоценимую помощь в работе, В.Б.Неуструеву за критические замечания и полезные обсуждения, А.А.Плоцкому и М.Г.Шалыгину за помощь в работе, А.Н.Гурьянову и В.Ф.Хопину (ИХВВ РАН, Нижний Новгород) за предоставление MCVD заготовок и полезные обсуждения, С.Г.Кузубу и Б.Г.Юхнову (ООО "Отеке", С.-Петербург) за предоставление MCVD заготовок, В.И.Кривенкову (МГАПИ, Москва) за полезные обсуждения, А.К.Сенаторову за проведение измерений хроматической дисперсии, Е.П.Никитину (ВНИИКП, Москва) за проведение измерений хроматической дисперсии, М.Е.Лихачеву за помощь в измерении оптических потерь, а также всем сотрудникам Научного центра волоконной оптики за помощь и поддержку.
