Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор современной литературы 10
Раздел 1.1. Параметры оптических волноводов с линейным двулучепреломлением 10
Раздел 1.2. Использование оптических волокон с ДЛП в оптических системах 17
Раздел 1.3. Методы юстировки и согласования оптических волноводов 25
Выводы по главе 1 30
Постановка цели и задач работы 31
Глава 2. Юстировка оптических волноводов с двулучепреломлением с помощью поляризационного интерферометра Майкельсона. Поляризационная интерферометрия в белом свете 32
Раздел 2.1. Поляризационный интерферометр Майкельсона 32
Раздел 2.2. Поляризационные преобразования в оптическом тракте волновода 35
Раздел 2.3. Метод согласования анизотропных оптических осей волноводов с двулучепреломлением 43
Раздел 2.4. Исследование поляризационных преобразований и диагностика оптических волноводов в многокомпонентных оптических системах 49
Выводы по главе 2 56
Глава 3. Нелинейные преобразования в оптическом тракте. Дисперсия двулучепреломления 57
Раздел 3.1. Дисперсия двулучепреломления в оптических волноводах 57
Раздел 3.2. Влияние дисперсии двулучепреломления на точность согласования осей анизотропии оптических волноводов 60
Раздел 3.3. Метод измерения дисперсии двулучепреломления 63
Выводы по главе 3 67
Глава 4. Применение метода согласования оптических волноводов по поляризации для построения распределенных волоконно-оптических измерительных комплексов 69
Раздел 4.1. Создание технологического комплекса для согласования оптических волноводов с анизотропией 69
Раздел 4.2. Методика юстировки оптических волноводов для сборки оптических элементов волоконно-оптического гироскопа 77
Раздел 4.3. Использование ПИМ при анализе поляризационных преобразований, возникающих в волокнах с двулучепреломлением при записи решеток Брэгга 82
Раздел 4.4. Методика согласования оптического чувствительного элемента на основе канального волновода, сформированного в кристалле ниобата лития, и участка компенсационного волокна при сборке оптической части волоконно-оптического датчика напряженности электрического поля 89
Выводы по главе 4 106
Заключение 108
Сокращения 110
Список литературы
- Методы юстировки и согласования оптических волноводов
- Метод согласования анизотропных оптических осей волноводов с двулучепреломлением
- Влияние дисперсии двулучепреломления на точность согласования осей анизотропии оптических волноводов
- Методика юстировки оптических волноводов для сборки оптических элементов волоконно-оптического гироскопа
Методы юстировки и согласования оптических волноводов
Оптические волноводы с двулучепреломлением могут передавать линейно-поляризованное излучение через всю длину волновода и поэтому широко используются в области интерферометрических волоконно-оптических датчиков, а также в других поляризационно-чувствительных элементах. В одномодовом оптическом волокне симметричной относительно оси формы практически существует две отдельные моды с поляризацией по двум направлениям в плоскости поперечного сечения волокна (т. е. составляющие электрического поля ориентированы в этих направлениях). Моды в этих направлениях обозначаются НЕ& и ЯЯ (рис. 1.1) [1].
Если волноводная структура симметрична, то обе моды с ортогональной поляризацией имеют одинаковую постоянную распространения и не различаются. Однако в реальных оптических волокнах за счет флуктуаций диаметра и других внешних возмущений вдоль волокна возникает осевая асимметрия, которая приводит к тому, что поляризация на выходе волокна имеет случайный характер. Решение проблемы сохранения поляризации достигается за счет создания асимметрии в структуре волокна под действием индуцированной механической напряженности материала, которая приводит к возникновению модового двулучепреломления. Для интегрально оптических канальных волноводов существуют различные материалы, используемые в качестве подложки для создания волновода, наиболее популярным материалом является кристалл ниобата лития LiNbO3, он же по своей природе является анизотропным одноосным кристаллом, и эффект двулучепреломления будет определяться выбором направления для формирования волновода относительно оптической оси.
Двулучепреломление свидетельствует о наличии способности удерживать состояние поляризации при распространении излучения. Таким образом, связанные с двулучепреломлением параметры являются наиболее важными при рассмотрении ДЛП волноводов. Как известно, при внешних или внутренних воздействиях на оптическое волокно с ДЛП, неоднородностях показателя преломления в волокне, поперечных механических сжатиях, микроизгибах и при скручиваниях волокна, возникает перекачка оптической мощности между двумя ортогональными модами волокна на локальных неоднородностях, называемых точками преобразования поляризации. Точки преобразования поляризации снижают общий коэффициент экстинкции волокон с ДЛП и оптической системы в целом. Поэтому особенно важно контролировать возникновение дефектов при производстве волокна, монтаже и использовании в различных устройствах. Соответственно, измерение распределенных точек преобразования поляризации в оптических волокнах привлекает особое внимание [2]. При формировании интегральных волноводов в кристаллах в процессе изготовления могут возникать различные дефекты, связанные с качеством напыления и отжига кристалла, дефекты в масках в процессе литографии, формирование дополнительных покрытий поверх сформированных волноводов, которые могут приводить к возникновению различных локальных неоднородностей и, как следствие, эффектам рассеяния излучения или точечным дефектам анизотропии. Существует два способа изготовления оптических волокон с ДЛП.
Первый это изготовление волокон с сильно вытянутой эллиптической сердцевиной. Этот способ позволяет создать различие эффективных показателей преломления по осям эллипса. Возникает двулучепреломление, обусловленное геометрией. Одним из требований для успешного создания эффекта двулучепреломления является необходимость делать очень маленькую сердцевину для сохранения одномодового режима, которая приводит к недостаткам в виде низкой эффективности согласования оптических полей со стандартными волокнами. Другой вид это волокна напряженного типа, основанные на эффекте фотоупругости и либо использовании материалов в оболочке с отличающимся коэффициентом термического расширения, либо создании асимметрии материала заготовки с последующим осаждением и вытяжкой волокна [1,3]. Профили показателя преломления обоих видов волокон с анизотропией в разнообразных вариантах исполнения представлены на рис. 1.2 [2]. Рассмотрим основные параметры волноводов на примере оптических волокон с наведенным двулучепреломлением под действием сжатия. В кварцевой сердцевине волокна за счет эффекта фотоупругости возникает различие показателей преломления параллельно направлению сжатия и в ортогональном направлении. Различие в показателях преломления приводит к возникновению разницы скоростей распространения света между двумя собственными поляризационными модами волновода Ex, Ey.
Метод согласования анизотропных оптических осей волноводов с двулучепреломлением
При этом для достижения 100% видности интерференционной картины сигнала, для повышения точности работы прибора, снижения фазовых интерференционных помех два встречных луча должны иметь одинаковую поляризацию, а для этого используемые волокна должны быть с сильным двулучепреломлением. Также возникает дополнительная сложность изготовления и сборки прибора в виде оптического соединения интегрально-оптического волновода с оптическим волокном с ДЛП, поскольку крайне важно соединить все ДЛП элементы оптической схемы с высокой точностью согласования оптических осей. [4].
Также к датчикам интегрирующего типа можно отнести волоконно оптические преобразователи напряжения или датчики напряжения. В основу построения устройства положен электрооптический эффект Поккельса явление возникновения двойного лучепреломления в оптических средах при наложении постоянного или переменного электрического поля. Эффект
Поккельса может наблюдаться только в кристаллах, не обладающих центром симметрии: в силу линейности при изменении направления поля эффект должен менять знак, что невозможно в центрально-симметричных телах. Эффект хорошо заметен на кристаллах ниобата лития или арсенида галлия, поэтому в качестве чувствительного элемента используется ЭОК ниобата лития (LiNbO3) со сформированным канальным волноводом. Под действием электрического поля изменяется показатель преломления кристалла, что приводит к изменению фазы распространяющегося по нему оптического излучения, при этом изменение фазы оптического излучения пропорционально напряженности электрического поля, в котором находится кристалл LiNbO3. Для измерения фазы оптического излучения используется интерферометрическая оптическая схема, которая состоит из двух поляризаторов: «поляризатор» и «анализатор», ориентированных собственными поляризационными осями под 90 градусов друг к другу.
Между поляризаторами помещен анизотропный электрооптический кристалл, оси которого ориентированы под углом 450 относительно осей «поляризатора» и «анализатора». Под действием внешнего (измеряемого) электрического поля E(t) согласно соответствующему электрооптическому коэффициенту кристалла в направлении распространения оптического излучения по полосковому волноводу изменяется показатель преломления. Различие по величине электрооптических коэффициентов в двух ортогональных положениях приводит к возникновению анизотропии. При распространении оптического излучения в анизотропной среде изменяется разность фаз собственных поляризационных мод электрооптического кристалла, что приводит к изменению состояния поляризации на выходе кристалла и соответствующему изменению интенсивности света на выходе анализатора (интерференционные колебания).
Для создания современного измерителя, обладающего требуемыми эксплуатационными характеристиками, используется оптическая схема, содержащая волоконно-оптический тракт для транспортировки оптического излучения от источника до ЧЭ и обратно до измерительной схемы. Кроме того, схема предусматривает возможность создания дополнительной фазовой модуляции интерференционных колебаний интенсивности на выходе схемы. Такая волоконно-оптическая поляризационно-интерферометрическая схема показана на рис. 1.10 [9]. В ней используется электрооптический чувствительный элемент (ЧЭ), к которому подсоединены два анизотропных волоконных световода: подводящий и отводящий.
Для необходимой вспомогательной модуляции разности фаз поляризационных мод используется ЭОМ, отличающийся от кристалла ЧЭ только наличием дополнительных электродов вдоль полоскового волновода для подачи модулирующего напряжения.
На входе модулятора (1) должен быть установлен поляризатор (ориентированный под углом 450 относительно направлений поляризационных осей модулятора), либо линейно-поляризованный источник оптического излучения, с указанной ориентацией плоскости поляризации (именно последний вариант указан на рисунке 1.10. и предлагается к использованию).
На выходе отводящего волокна, перед фотоприемником, устанавливается анализатор (5), ориентированный под углом 450 относительно поляризационных осей световода.
Технология, построенная на использовании ОВ и интегрально оптических схем, в значительной степени упрощает проблему высоковольтной изоляции (оптические элементы состоят из электрически непроводящих материалов), одновременно обеспечивая высокую устойчивость системы измерения и защиты к электромагнитным помехам (даже к разряду молнии), влиянию температуры (широкий диапазон рабочих температур) и других внешних воздействий. Устройства, выполненные по данной технологии, можно безопасно использовать во взрывоопасной среде, потому что нет риска возникновения электрической искры даже в случае поломки. Используемые в данной технологии материалы химически инертны, не загрязняют окружающую среду и не подвержены процессам коррозии. Есть возможность мультиплексирования нескольких датчиков в одном измерительном приборе с использованием одного источника оптического излучения, что позволяет снизить стоимость конечного изделия или системы в целом.
Влияние дисперсии двулучепреломления на точность согласования осей анизотропии оптических волноводов
Особое место занимает способ, основанный на методе широкополосной интерферометрии и использовании сканирующего поляризационного интерферометра Майкельсона. По аналогии с хорошо известным методом оптической рефлектометрии (Optical Time Domain Reflectometery (OTDR)) [4], результатом сканирования подвижным плечом интерферометра Майкельсона будет функция автокорреляции когерентности оптического излучения. При использовании источника излучения с широким спектром, длина когерентности излучения будет достаточно короткой, и при смещении зеркала видность интерференционной картины будет снижаться до нуля. Наличие точек преобразования поляризации в оптическом волокне с ДЛП будет порождать возникновение вторичных волновых пакетов в ортогональной поляризации. Использование анализатора перед входом интерферометра позволяет пространственно объединить ортогональные поляризации в одну плоскость, соответствующую оси пропускания поляризатора. Смещение одного из зеркал позволит скомпенсировать разницу оптического хода между ортогональными модами. Как следствие, можно добиться возникновения интерференции вторичного пакета и входящего волнового пакета, введенного в оптическое волокно.
В первой главе были представлены и рассмотрены основные виды оптических волокон с двулучепреломлением и интегрально-оптических волноводов, даны определения и рассмотрены их основные параметры. При этом было акцентировано, что основная сложность их использования заключается в необходимости точной юстировки анизотропных оптических осей. Была рассмотрена основная область применения данных оптических волноводов при конструировании и построении волоконно-оптических датчиков [1, 2, 4, 6, 8, 9]. Также были проанализированы основные методы юстировки, рассмотрены их достоинства и недостатки. Было замечено, что наиболее распространенные методы позволяют производить юстировку осей лишь на выходе конечного элемента, то есть отсутствует возможность контроля и ориентации оптических осей в середине какой-либо сложной многоэлементной оптической системы. Главным недостатком этих методов является полное отсутствие возможности сохранения одноименности при согласовании оптических осей. К тому же точность юстировки не превышает 0.5-1 градус. Этих недостатков лишен метод юстировки, основанный на широкополосной интерферометрии с использованием поляризационного интерферометра Майкельсона. Но этот метод также имеет ряд недостатков, которые будет рассмотрены в дальнейших главах работы.
Постановка цели и задач работы Целью работы является комплексное исследование метода прецизионной юстировки оптических волноводов с двулучепреломлением, разработка определенных инструкций для практического применения при сборке и настройке приборов, позволяющих учитывать различные нелинейные эффекты, влияющие на точность и качество юстировки волокон. Для достижения цели необходимо решить следующие основные задачи:
1. Оценить наиболее точный метод и собрать экспериментальный стенд, позволяющий производить юстировку оптических осей анизотропных волноводов.
2. Разработать теоретическую модель и математический аппарат для анализа поляризационных преобразований в оптическом тракте, состоящем из элементов с двулучепреломлением.
3. Экспериментально подтвердить полученные выводы теоретической модели для оценки величины поляризационных преобразований. 4. Исследовать поляризационно-оптические характеристики оптических волокон с двулучепреломлением, применяемых при производстве волоконно-оптических поляризационно-интерферометрических датчиков. Глава 2. Юстировка оптических волноводов с двулучепреломлением с помощью поляризационного интерферометра Майкельсона. Поляризационная интерферометрия в белом свете.
Раздел 2.1. Поляризационный интерферометр Майкельсона Известно, что в современных волоконно-оптических поляризационно фазовых датчиках используют, как правило, одну рабочую линейную поляризационную моду волокон с двулучепреломлением. Для исключения помех, связанных с преобразованием и интерференцией ортогональных мод, используются широкополосные источники оптического излучения (например, суперлюминесцентные диоды (СЛД)).
Методика юстировки оптических волноводов для сборки оптических элементов волоконно-оптического гироскопа
Одной из целей работы являлось создание рабочего комплекса для прецизионной юстировки и исследования оптических волноводов [23,32] при сборке различных поляризационно-интерферометрических сенсоров, например, волоконно-оптического гироскопа [8], волоконно-оптического датчика напряжения [26, 27, 28], волоконно-оптического датчика акустического давления. Как было ранее сказано, ключевым элементом при конструировании современных волоконно-оптических датчиков является использование интегрально-оптических схем в качестве фазовых модуляторов, поляризаторов, разветвителей и других элементов на интегральной оптике в связке с оптическими волокнами [31]. При этом в первую очередь стоит задача съюстировать и механически закрепить оптические волокна относительно интегральных волноводов. В данном случае необходим одновременный контроль эффективности ввода оптической мощности из элемента в элемент и контроль точности
Узел поляризационного интерферометра Майкельсона юстировки поляризационных оптических осей волноводов. Была проделана работа по проектированию, расчету и сборке комплекса состоящего из 2-х главных функциональных узлов. Первый узел включает в себя сканирующий поляризационный интерферометр Майкельсона (рис. 4.1) с подвижным зеркалом на моторизированном микропозиционере и специально разработанный для этой цели фотодетектор с коэффициентом усиления и низкими собственными шумами.
Второй узел включает в себя 6-координатный микропозиционер H-206 Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. с компьютерным управлением, позволяющий производить юстировку элементов с точностью установки линейных координат до 0.1 мкм и угловых координат до 1(6 мкрад), микроскопом и видеокамерой (рис. 4.3.). Рис. 4.3. Узел стыковки волноводов
Расположение функциональных узлов юстировочного комплекса Финишное закрепление оптических элементов осуществляется при помощи прозрачного адгезива УФ-отверждения. Помимо этого комплекс включает в себя модуль ввода оптического излучения через поляризатор в оптическое волокно и модуль съема данных сигнала с интерферометра Майкельсона на ПК. Схема расположения узлов и 3D модель комплекса в сборе представлены на рис. 4.2 и рис. 4.4.
Для определения требуемых точностных характеристик микропозиционера было проведено исследование эффективности ввода излучения между оптическим волокном и канальным волноводом при поперечных и угловых рассогласованиях.
Эксперимент был поставлен следующим образом. Для исследования взят типичный образец интегрально-оптического канального волновода (ИОВ), полученного методом диффузии титана на кристалле LiNbO 3, который был изготовлен в Лаборатории квантовой электроники Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН и предоставлен для расчетов. Ширина волновода 6 мкм и высота 4 мкм, длина образца 15 мм. Образец канального волновода был установлен и закреплен на неподвижной платформе. С одной стороны к нему было вплотную подведено стандартное ОВ типа SMF-28 и нанесена иммерсионная жидкость для качественного ввода излучения, с другой стороны подведено на расстояние АХ = 20 мкм такое же ОВ, закрепленное на подвижной площадке микропозиционера. Рис. 4.6. Схема проведения измерений эффективности ввода излучения от поперечного Y и Z и углового ву и в2 рассогласований
Результаты исследования показали, что для эффективного согласования волокна и интегрально-оптического волновода в пределах значений 0,2 дБ оптических потерь от максимально эффективного ввода, необходимо производить юстировку с точностью не менее +0.5 мкм по поперечным координатам (рис. 4.7) и ±0.5 градусов по угловым координатам (рис. 4.8). Рис. 4.7. Распределение эффективности ввода оптического излучения из волновода в оптическое волокно при поперечном рассогласовании по координатам Y и Z
Для задач взаимного позиционирования и юстировки ОВ и ИОВ было написано программное обеспечение для управления 6-ти координатным микропозиционером. Окно интерфейса программы представлено на рис. 4.12. Рис. 4.12. Интерфейс программы управления микропозиционером
Основное управление осуществляется с клавиатуры. Каждая координатная ось управляется независимо. Для работы выделено несколько режимов с непрерывным перемещением по каждой оси 1мкм/с и 0.1 мкм/с и ступенчатое перемещение шагами на значения 0.1, 1, 3 мкм.
Контроль за положением элементов осуществляется при помощи микроскопа, установленного над областью стыковки.
Для сварки оптических волокон с ДЛП используется сварочный аппарат Fujikura FSM-100P (рис. 4.13.), который устанавливается в схему стыковочного комплекса вместо 6-координатного микропозиционера. Вся процедура настройки и юстировки повторяется. Рис. 4.13. Сварочный аппарат Fujikura FSM-100P
Разработанный метод и комплекс для стыковки и юстировки успешно применяется при изготовлении и проверке качества изготовления ВОГ для ОАО «Концерн «ЦНИИ» «Электроприбор». Выпущены инструкции и технологическая документация, что подтверждается актом о внедрении.
При изготовлении ВОГ как волоконно-оптического интерферометрического датчика скорости вращения на основе интерферометрический схемы Саньяка используются волноводы с ДЛП. Функциональная схема ВОГ представлена на рис. 4.14. Рис. 4.14. Функциональная схема ВОГ В качестве фазового модулятора используется многофункциональная интегрально-оптическая схема (МИОС) на основе интегрально-оптических волноводов, выполненных по титан-диффузионной технологии в подложке из кристалла ниобата лития LiNbO3. Чувствительным элементом интерферометра является волоконно-оптический контур (ВОК), изготовленный из анизотропного оптического волокна с эллиптической напрягающей оболочкой, произведенного в НИТИОМ по ТУ ЯЕИЛ.48-2008.
МИОС состоит (рис. 4.15) из интегрально-оптического разветвителя, поляризатора и фазового модулятора. Вход в МИОС порт А соединяется с волоконно-оптическим разветвителем (ВР) на основе волокна типа PANDA, который служит для ввода и вывода оптического сигнала. Входы В и Г соединяются с ВОК. Порт Б соединяется со стандартным оптическим волокном типа SMF-28. При этом источник оптического излучения подключен к волоконно-оптическому поляризатору, который соединен с входом ВР, соседний порт которого соединен с фотодиодом
