Волоконный одномодовый поляризующий световод

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано в волоконных линиях связи в волоконных датчиках физических величин. Световод содержит световедущую жилу, отражающую оболочку с пониженным показателем преломления относительно чистого кварцевого стекла, два нагружающих стержня, защитную оболочку из чистого кварцевого стекла и защитно-упрочняющее полимерное покрытие. Формируют дополнительную кварцевую оболочку, которую располагают между полимерным защитно-упрочняющим покрытием световода и защитной оболочкой, либо внутри нее. Защитная оболочка может содержать рассеивающие или (и) поглощающие оптическое излучение примеси. Изобретение обеспечивает за счет оптимального выбора параметров конструкции поляризующего световода и введения дополнительной кварцевой оболочки с определенными свойствами увеличение ширины рабочего спектрального окна поляризующего световода, уменьшение потерь проводимой поляризационной моды и увеличение коэффициента поляризационной экстинкции. 1 з.п. ф-лы, 11 ил.

 

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано в волоконных линиях связи, а также в волоконных датчиках физических величин.

Известна конструкция одномодового волоконного световода с эллиптической нагружающей оболочкой, в котором наблюдается однополяризационный режим работы [1]. Световод содержит световедущую жилу, нагружающую оболочку эллиптической формы, располагающуюся вокруг световедущей жилы, дополнительную оболочку с пониженным показателем преломления относительно чистого кварцевого стекла, защитную кварцевую оболочку и полимерное защитно-упрочняющее покрытие. Нагружающая оболочка состоит из материала, значительно отличающегося от остального материала световода по коэффициенту температурного расширения. Поэтому данная оболочка создает в поперечном сечении световода регулярные механические напряжения, за счет которых в световоде наводится линейное двулучепреломление. Особенность конструкции световода состоит в том, что в одном из направлений поперечного сечения световода дополнительная оболочка с пониженным показателем преломления касается световедущей жилы и поэтому в этом направлении образуется так называемый W-профиль. За счет наводимого нагружающей оболочкой в световедущей жиле двулучепреломления W-профиль для двух поляризационных мод становится различным и поэтому поляризационные моды испытывают отсечку при разных длинах волн. Таким образом, в спектральном диапазоне между длинами волн отсечки поляризационных мод наблюдается однополяризационный режим работы световода, то есть в этом спектральном окне световод обладает поляризующими свойствами.

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

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

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

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой настоящим изобретением конструкции поляризующего световода является конструкция одномодового волоконного световода с большим линейным двулучепреломлением типа "Панда", рассмотренная в [3]. Одномодовый поляризующий световод типа "Панда" содержит световедущую жилу, отражающую оболочку с пониженным показателем преломления относительно чистого кварцевого стекла, два нагружающих стержня круговой формы, располагающиеся по обе стороны от световедущей жилы, защитную оболочку из чистого кварцевого стекла и внешнее полимерное защитно-упрочняющее покрытие. Световедущая жила состоит из кварцевого стекла, легированного германием, который повышает показатель преломления кварцевого стекла. Отражающая оболочка изготовляется из кварцевого стекла, легированного фтором, в результате чего показатель преломления кварцевого стекла оболочки понижается по сравнению с показателем преломления чистого кварцевого стекла, из которого состоит защитная оболочка поляризующего световода. Нагружающие стержни изготовляются из кварцевого стекла, легированного окисью бора. Добавка окиси бора увеличивает коэффициент линейного теплового расширения кварцевого стекла. За счет разности коэффициентов линейного теплового расширения материалов нагружающих стержней и остального материала световода в области между нагружающими стержнями возникают наиболее сильные механические напряжения. За счет фотоупругого эффекта в области механических напряжений возникает линейное двулучепреломление. Из-за наличия линейного двулучепреломления две поляризационные моды имеют разную длину волны отсечки и за счет этого световод в некотором спектральном диапазоне обладает поляризующими свойствами. Достоинством известной конструкции световода является то, что при одном и том же уровне легирования кварцевого стекла окисью бора с помощью нагружающих стержней круговой формы удается создать большее двулучепреломление, чем с помощью нагружающей оболочки эллиптической формы. Как следствие этого в поляризующем световоде типа "Панда" потенциально возможно достижение максимальной ширины рабочего спектрального окна поляризующего световода.

Основными недостатками известной конструкции поляризующего световода "Панда" являются недостаточная величина рабочего спектрального окна, которая определяется неоптимальностью параметров конструкции световода, а также относительно высокие потери канализируемой поляризационной моды из-за рассогласования размеров модовых пятен в поляризующем световоде "Панда" и в стандартных одномодовых световодах, которые также определяются неоптимальностью конструкции световода.

Целью настоящего изобретения является увеличение ширины рабочего спектрального окна поляризующего световода, уменьшение потерь проводимой поляризационной моды и увеличение коэффициента поляризационной экстинкции.

Указанная цель достигается тем, что выбирают параметр Λ =Δ n_-/Δ n₊=(0,8↔ 2,0), где Δ n_- - разность показателей преломления материалов отражающей оболочки и защитной оболочки, Δ n₊ - разность показателей преломления материалов световедущей жилы и защитной оболочки, при этом радиус отражающей оболочки выбирают в диапазоне τ =(2-4)ρ , где ρ - радиус световедущей жилы световода; расстояние от нагружающих стержней до световедущей жилы выбирают в диапазоне Δ =(0.5↔ 1.0)ρ , а угол раскрыва α нагружающих стержней при наблюдении из центра световедущей жилы выбирают в диапазоне 50-98° , при этом формируют дополнительную кварцевую оболочку с показателем преломления n_об ≥n_К, где n_К - показатель преломления материала защитной оболочки, которую располагают между полимерным защитно-упрочняющим покрытием световода и защитной оболочкой, либо внутри содержащей рассеивающие или/и поглощающие оптическое излучение примеси защитной оболочки, а полимерное защитно-упрочняющее покрытие имеет показатель преломления n ≥ n_об, когда дополнительная оболочка находится между полимерным защитно-упрочняющим покрытием и защитной оболочкой, либо n ≥ n_К, если дополнительная оболочка находится внутри защитной оболочки и также рассеивает или (и) поглощает оптическое излучение диапазона длин волн, в котором работает поляризующий световод.

Указанная цель достигается еще и тем, что используют нагружающие стержни эллиптической формы.

Увеличение ширины рабочего спектрального окна в поляризующем световоде достигается за счет увеличения двулучепреломления в световедущей жиле и отражающей оболочке, а также за счет выбора оптимального профиля распределения механических напряжений по сечению световода. Уменьшение потерь канализируемой поляризационной моды при сочленении со стандартными световодами достигается за счет согласования размеров модовых пятен путем оптимального выбора параметров Λ , τ /ρ , Δ n_- и Δ n₊, характеризующих W-профиль световода. Уменьшение потерь канализируемой поляризационной моды достигается также за счет уменьшения длины поляризующего световода, что, в свою очередь, стало возможным благодаря введению дополнительной кварцевой оболочки, введению поглощающих или/и рассеивающих оптическое излучение примесей в защитную оболочку и выбора полимерного защитно-упрочняющего покрытия со специальными свойствами. Уменьшение потерь за счет сокращения длины поляризующего световода достигается также и за счет использования нагружающих стержней эллиптической формы и соответствующего выбора параметра τ /ρ , позволяющего увеличить связь нежелательной поляризационной моды с модами оболочки световода. Увеличение коэффициента поляризационной экстинкции достигается за счет использования дополнительной кварцевой оболочки, введения поглощающих или/и рассеивающих оптическое излучение примесей в защитную оболочку и за счет выбора полимерного защитно-упрочняющего покрытия со специальными свойствами.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показан общий вид поперечного сечения поляризующего световода "Панда". На фиг.2 показан принцип определения основных параметров W-профиля распределения показателя преломления световода. На фиг.3 показан график распределения механических напряжений вдоль оси у, перпендикулярной линии, соединяющей центры нагружающих стержней, а также соответствующее этим напряжениям расщепление W-профиля распределения показателя преломления для двух поляризационных мод световода "Панда". На фиг.4 показан принцип определения рабочих характеристик поляризующего световода. На фиг.5 показаны графики зависимости диаметров модовых пятен основных мод в световоде с W-профилем распределения показателя преломления при различных значениях параметра τ /ρ . На фиг.6 показаны графики, характеризующие коэффициенты связи основной моды в W-световоде с модами оболочки при различных значениях параметра τ /ρ . На фиг.7 приведен вид поперечного сечения поляризующего световода "Панда" с дополнительной кварцевой оболочкой. На фиг.8 показан общий вид поперечного сечения поляризующего световода "Панда" с нагружающими стержнями эллиптической формы. На фиг.9 показаны графики распределения механических напряжений в поперечном сечении световода "Панда" с нагружающими стержнями эллиптической формы при различных углах раскрыва нагружающих стержней. На фиг.10 схематично показан технологический процесс получения нагружающих стержней эллиптической формы. На фиг.11 схематично показана конструкция корпусированного волоконного поляризатора на основе короткого отрезка поляризующего световода "Панда".

Конструкция поперечного сечения однополяризационного световода "Панда" [3] показана на фиг.1. Поляризующий световод 1 содержит световедущую жилу 2, отражающую оболочку 3, нагружающие стержни 4, внешнюю защитную кварцевую оболочку 5 и полимерное защитно-упрочняющее покрытие 6. Световод изготавливается следующим образом [4]. Вначале изготавливается исходная заготовка для однополяризационного световода, которая в поперечном сечении имеет W-профиль распределения показателя преломления 7 (фиг.2). Параметры W-профиля по оси у (фиг.2) характеризуются двумя величинами:

где n₁ - показатель преломления материала световедущей жилы, n₂ - показатель преломления кварцевой защитной оболочки, n₃ - показатель преломления отражающей оболочки световода, τ - радиус отражающей оболочки, ρ - радиус световедущей жилы. Далее в исходной заготовке с двух диаметрально противоположных сторон прорезаются два паза вдоль всей ее длины. После этого заготовку "жакетируют", то есть вставляют внутрь опорной кварцевой трубы и сплавляют с ней на тепломеханическом станке. Затем с помощью плавиковой кислоты растравливают два сквозных отверстия, образовавшиеся по всей длине из-за нарезанных в исходной заготовке пазов до диаметра ~(1.5-2.0) мм. Далее заготовку перетягивают на тепломеханическом станке в новую заготовку. При этом параметр перетяжки должен быть равен β =(1.5-2.0) раза, в противном случае может произойти заплавление сквозных отверстий в заготовке. Операция перетягивания заготовки необходима для того, чтобы обеспечить круговую форму сквозных отверстий и огневую полировку их внутренних поверхностей. После перетягивания заготовки при необходимости производят дополнительное "жакетирование" в кварцевую трубу, после чего сквозные отверстия растравливают плавиковой кислотой до необходимого диаметра. В полученные растравленные отверстия вставляют два нагружающих стержня и из полученной таким образом заготовки вытягивают световод "Панда". Конструкция поперечного сечения световода "Панда" может быть рассчитана с помощью следующих соотношений:

где - диаметр исходной заготовки, R_Ж - радиус световедущей жилы в исходной заготовке, Δ ₀ - расстояние от нагружающих до световедущей жилы, h₀ - глубина пазов, - диаметр заготовки для световода "Панда", α - угол раскрыва нагружающих стержней при наблюдении из центра световедущей жилы.

Двумерное распределение поля механических напряжений в поперечном сечении световода "Панда" имеет довольно сложный вид. Для простоты расчетов остановимся на распределении напряжений вдоль одной из двух главных осей двулучепреломления, перпендикулярной линии, соединяющей центры нагружающих стержней. Эта зависимость имеет следующий вид [5]:

где

B(y) - величина двулучепреломления в зависимости от координаты у, которая откладывается вдоль рассматриваемой нами оси двулучепреломления, Е – модуль Юнга материала световода (здесь полагается, что он одинаков для всех материалов световода), С - фотоупругая постоянная, ν - коэффициент Пуассона, Δ T - разность между температурой вытяжки световода и комнатной температурой, ρ _cl – радиус световода.

Как видно из приведенного выражения для двулучепреломления, имеет место достаточно сложная зависимость его величины от геометрических параметров конструкции "Панда". Далее нас будет интересовать величина двулучепреломления только в области световедущей жилы. Так, из приведенного выражения видно, что в области локализации поля основной моды двулучепреломление практически однородно и равно своему значению в центре световода. На фиг.3 показан график 9 типичного распределения механических напряжений по сечению световода вдоль оси у. Величина двулучепреломления в световедущей жиле в этом случае может быть выражена следующим образом:

При заданных параметрах ρ и Δ существует оптимальный угол α раскрыва стержней, когда наводимое ими двулучепреломление имеет максимальную величину. Если бы оболочка световода была бесконечной, то этот угол был бы равен 180 градусам, что соответствует жиле, расположенной между двумя боросиликатными полупространствами. Если же размеры оболочки конечны, то, начиная с некоторого значения угла раскрыва стержней, двулучепреломление начинает падать. Если теперь последнее выражение продифференцировать по углу раскрыва, приравнять эту производную нулю и решить полученное таким образом уравнение относительно угла α , то получится как раз упомянутое выше оптимальное значение угла раскрыва стержней. Приближенное решение этого уравнения выглядит следующим образом:

При углах, либо превышающих это оптимальное значение, либо меньших него, двулучепреломление, наводимое в световоде, всегда будет меньше, чем при использовании стержней с таким (оптимальным) углом раскрыва. Для величины двулучепреломления с оптимальным углом раскрыва α _max стержней имеем следующее выражение:

где В∞ - величина двулучепреломления, которое наводилось бы этими же стержнями в световоде с безграничной оболочкой.

Таким образом, мы получили критерий, согласно которому, с одной стороны, стержни не должны быть слишком малыми (иначе их влияние само по себе будет слабым), а с другой, они не должны быть слишком большими, так как уже сама защитная оболочка в этом случае не будет обеспечивать в полной мере направленное именно в сторону жилы воздействие со стороны стержней (даже если оно само по себе и велико).

Для обеспечения концентрации механических напряжений, в основном, только в световедущей жиле и отражающей оболочке однополяризационного световода необходимо выбирать следующее соотношение параметров в заготовке: Δ ₀=0.25D_Ж, где D_Ж - диаметр световедущей жилы в заготовке, а Δ ₀ - расстояние от нагружающих стержней до световедущей жилы.

Для однополяризационного световода с рабочей длиной волны излучения λ =1.55 мкм типичные значения параметров следующие: ρ =4.5 мкм; Δ =2.25 мкм; ρ _cl=62.5 мкм, откуда следует, что α _max=98° . На практике очень часто, например, для волоконно-оптических гироскопов требуются длинные отрезки однополяризационных световодов для чувствительной катушки и поэтому необходимо обеспечивать малые потери оптической мощности канализируемой поляризационной моды. В этом случае более целесообразным представляется следующий выбор параметров: ρ =2.5 мкм; Δ =2.5 мкм; ρ _cl=40 мкм, откуда следует, что α _max=93° . Для связных волокон в целях обеспечения минимальных потерь канализируемой поляризационной моды целесообразен следующий выбор параметров: ρ =4.5 мкм; Δ =4.5 мкм; ρ _cl=62.5 мкм, откуда следует, что α _max=88° .

На фиг.3 показан типичный график 8 распределения механических напряжений вдоль оси у световода в относительных единицах. В присутствии механических напряжений W-профиль распределения показателя преломления в исходной заготовке для двух поляризационных мод световода "Панда" расщепляется. Для х-поляризационной моды профиль распределения показателя преломления приобретает вид 9 (фиг.3), а для у-поляризационной моды - вид 10. В результате для параметров W-профиля х- и у-поляризационных мод имеем следующие соотношения:

при n₁-n₂<<1; n₂-n₃<<1. Здесь В - величина медового двулучепреломления.

Соотношения для параметров W-профиля Λ _X и Λ _У записаны в предположении о том, что механические напряжения, создаваемые нагружающими стержнями световода "Панда", сосредоточены, в основном, в световедущей жиле и отражающей оболочке световода. Далее в целях упрощения теоретических выкладок мы будем использовать именно это представление вырождения W-профиля для поляризационных мод.

Условие, определяющее длину волны отсечки основной (низшей) моды в W-световоде записывается следующим образом:

где U - параметр моды, характеризующий поперечный раскрыв ее поля в области световедущей жилы и имеющий смысл поперечной постоянной распространения, λ - длина волны излучения в вакууме.

Поскольку параметр U моды во многих случаях можно выразить через параметры световода и длину волны излучения в явном виде, из приведенного условия отсечки можно определить длину волны, при которой происходит переход фундаментальной моды в режим отсечки. В этом случае параметр U при достаточно большой величине τ /ρ в гауссовом приближении для поля основной моды может быть выражен в виде:

В этом случае условие отсечки основной моды приобретает вид:

Для другой аппроксимации параметров моды получаем условие отсечки в виде явного выражения:

Определяя из этих условий (последнее является чуть более точным) величину V_отс, соответствующую заданному Λ , можно вычислить искомую длину волны отсечки основной моды:

При наличии в световедущей жиле и отражающей оболочке W-световода линейного двулучепреломления (световод "Панда") две фундаментальные поляризационные моды имеют различные длины волн отсечки, которые могут быть определены из следующих соотношений:

На фиг.4 представлены графики спектральных потерь у-поляризационной моды 11 и х-поляризационной моды 12. На графике также показан принцип определения ширины рабочего спектрального окна, в котором световод канализирует только одно состояние поляризации излучения. Пунктирная линия 13 определяет нижнюю границу длины волны излучения, при которой достигается минимально допустимое значение коэффициента поляризационной экстинкции, например, 30 дБ. Пунктирная линия 14 определяет верхнюю границу длины волны излучения, при которой достигается максимально допустимое значение потерь канализируемой х-поляризационной моды, например, на уровне 0.5 дБ.

Параметры W-профиля однополяризационного волоконного световода необходимо выбрать из условия обеспечения минимальных потерь канализируемой поляризационной моды на согласование с основной модой стандартных одномодовых световодов или с поляризационными модами световодов, сохраняющих линейное состояние поляризации излучения. В зависимости от параметра Л W-профиля однополяризационного световода необходимо соответствующим образом выбрать величину n₁-n₃. В таблицах 1, 2, 3 представлены результаты расчетов величины потерь на стыке поляризующих световодов со стандартными световодами, сохраняющими поляризацию излучения. При этом использовались следующие исходные данные:

1. Длина волны отсечки нежелательной у-поляризационной моды фиксируется на уровне приблизительно 1.4 мкм при любых параметрах W-профиля показателя преломления.

2. Двулучепреломление В наводится в световедущей жиле и отражающей оболочке и равно 7· 10^-4. При этом профиль показателя преломления по оси х "поднимается" на величину В/2, а показатель преломления по оси у "опускается" на такую же величину В/2.

3. Значения параметров Λ _Х и Λ _У соответственно меньше и больше исходного параметра Λ ₀, который имел место в заготовке до создания в ней двулучепреломления, наводимого нагружающими стержнями.

4. Потери рассматриваются на стыке с волокном, имеющим скомпенсированный профиль показателя преломления со следующими параметрами: λ _С=1.5 мкм.

5. Диаметры световедущих жил всех рассматриваемых здесь волокон равны друг другу (2ρ ≈ 9 мкм).

Таблица 1 Λ 0=0.8
τ /ρ	Δ n	Длина волны отсечки х-моды (мкм)	Диаметр пятна х-моды (мкм)	Потери на стыке (дБ)
1.5	3.2· 10-3	∞	26.84	1.9
2	4.5· 10-3	2	12.56	0.367
3	4.7· 10-3	1.8	10.78	0.037
4	4.7· 10-3	1.8	10.7	0.015
Таблица 2 Λ 0=1
τ /ρ	Δ n	Длина волны отсечки х-моды (мкм)	Диаметр пятна х-моды (мкм)	Потери на стыке (дБ)
1.5	4.1· 10-3	∞	17.4	0.8
2	5.2· 10-3	1.86	11.04	0.112
3	5.5· 10-3	1.75	10.117	0.003
4	5.5· 10-3	1.75	10.095	0.0001

Таблица 3 Λ 0=1.5
τ /ρ	Δ n	Длина волны отсечки х-моды (мкм)	Диаметр пятна х-моды (мкм)	Потери на стыке (дБ)
1.5	6.3· 10-3	2	11.048	0.078
2	7.2· 10-3	1.7	9.4	0.02
3	7.4· 10-3	1.68	9.2	0.035
4	7.4· 10-3	1.68	9.197	0.0356

Здесь Δ n - разность показателей преломления материалов световедущей жилы и отражающей заготовки в исходном световоде.

Все значения диаметров пятен х-мод и потери на стыках со стандартными световодами приведены на рабочей длине волны излучения λ =1.55 мкм. На фиг. 5 представлены графики изменения диаметров пятен в световодах с Λ ₀=1 в зависимости от длины волны излучения при различных значениях параметра τ /ρ . Кривая 15 соответствует случаю роста диаметра пятна в стандартном скомпенсированном световоде, кривая 16 соответствует случаю поляризующего световода с τ /ρ =1.5, кривая 17 - τ /ρ =2, кривая 18 - τ /ρ =3 и кривая 19 - τ /ρ =4.

В зависимости от условий использования поляризующих световодов следует выделить два крайних случая. В одном случае возможно использование достаточно длинных отрезков поляризующих световодов ~1-3 м. В этом случае за счет длины возможно получение больших коэффициентов поляризационной экстинкции в поляризующем световоде, однако при укладке таких световодов в реальные конструкции различных устройств приходится подвергать их изгибам. В связи с этим параметры W-профиля световода необходимо подбирать таким образом, чтобы в поляризующем световоде не возникало избыточных потерь канализируемой х-поляризационной моды на изгибе. Из приведенных выше расчетов следует, что в этом случае параметры световодов должны быть следующими: Λ ₀=2.0 и τ /ρ =4. Дальнейшее увеличение параметров Λ ₀ и τ /ρ с точки зрения минимизации изгибных потерь поляризующих световодов не имеет смысла.

В другом крайнем случае необходимо получение сверхнизких потерь на распространение х-поляризационной моды. В этом случае изгибы поляризующих световодов практически недопустимы, что, в свою очередь, приведет к тому, что используемые отрезки поляризующих световодов должны быть достаточно короткими: ~30-70 мм. Уменьшение длины поляризующего световода приводит к тому, что значительно возрастает протяженность участка Δ λ ₀ (фиг.4), что приводит к заметному сужению рабочего спектрального окна поляризующего световода. Величина участка Δ λ ₀ определяется тем, насколько быстро растут потери поляризационных мод в районе длины волны отсечки. Чем меньше величина участка Δ λ ₀, тем шире рабочий спектральный диапазон поляризующего световода. Для рабочего спектрального окна поляризующего световода можно записать следующее выражение:

Теоретический расчет коэффициента затухания поляризационной моды W-световода, распространяющейся в режиме отсечки, можно проводить для двух разных моделей: безграничной и конечной защитной оболочки. В первом случае прямое рассмотрение потока энергии, уносимой на бесконечность туннелирующими в защитную оболочку лучами, приводит к экспоненциальному затуханию мощности поляризационной моды с коэффициентом затухания, который зависит от длины волны излучения следующим образом:

где W - параметр спада интенсивности основной моды при ее проникновении в отражающую оболочку при τ → ∞ , параметр U определен выше, параметр U₂ описывает период поперечных осцилляций поля в защитной оболочке (он определяет угол хода лучей в дальней зоне, уносящих мощность отсекаемой моды на бесконечность), К₀(х) и I₁(х) - модифицированные функции Бесселя.

Общее выражение для параметра U₂ имеет вид:

Если световод имеет ступенчатый профиль показателя преломления, то в гауссовом приближении для поля моды в области световедущей жилы для этого параметра можно записать следующее приближенное выражение:

Рассматривая такое выражение для коэффициента затухания, то есть вытекание моды в бесконечную защитную оболочку можно подсчитать, что уже при Δ λ ₀~10^-3·λ

С

можно добиться коэффициента затухания более чем в 100 дБ/м, что резко противоречит экспериментальным данным.

При рассмотрении более реалистичной модели с внешней защитной оболочкой конечных размеров модель вытекающих мод следует заменить методом связи основной моды световедущей жилы (при τ → ∞ ) с дискретным набором мод оболочки (при ρ → 0) [6]. При этом потери мощности излучения в режиме отсечки имеют место только из-за того, что моды оболочки являются затухающими. В отсутствии такого затухания нет и потерь, несмотря на то, что имеет место режим отсечки. Моды оболочки затухают в опорной кварцевой трубе и в защитно-упрочняющем покрытии (мода световедущей жилы в этих областях имеет ничтожную амплитуду и поэтому сама она не является затухающей). Помимо общего монотонного спада в спектре мощности выходного излучения с ростом его длины волны, эксперимент выявил в нем серию достаточно узких провалов. Эти провалы соответствуют резонансам моды жилы с модами оболочки разных порядков. Поскольку вблизи каждого из таких резонансов имеет место интенсивный обмен мощностью между модой световедущей жилы и соответствующей затухающей модой оболочки, можно считать, что последняя эффективно отводит мощность основной моды из световедущей жилы (да и вообще всего излучения с данным состоянием поляризации). Напротив, если длина волны излучения не соответствует резонансу моды жилы ни с одной из мод оболочки, они по мере распространения обмениваются лишь небольшой порцией их суммарной мощности, что и приводит к недостаточно большим потерям нежелательной поляризационной моды, то есть к появлению достаточно широкого участка Δ λ ₀.

Сказанное выше позволяет предположить, что если каким-либо образом уплотнить спектр мод оболочки, то можно добиться достаточно интенсивного обмена мощностью одновременно с несколькими затухающими модами оболочки (в пределе - со всеми) при любой длине волны излучения: в этом случае не будет значительных рассинхронизмов сразу со всеми модами оболочки, что значительно ослабило бы взаимодействие рассматриваемых мод.

Связь нежелательной поляризационной моды в поляризующем световоде с модами оболочки можно увеличить, если взять параметр τ /ρ <3. Действительно, если, как упоминалось выше, описать распространение основной моды в режиме отсечки в терминах связи моды световедущей жилы с дискретным набором затухающих мод оболочки, то коэффициенты, описывающие взаимодействие основной моды с j-й модой оболочки, запишутся в виде:

где E(r) - распределение поля основной моды световедущей жилы, Е_j(r) - распределение поля j-й моды оболочки, ρ сl - радиус защитной кварцевой оболочки. Мы полагаем, что на границе защитной оболочки с воздухом все поля равны нулю.

Итак, коэффициенты связи с j-й модой оболочки сильно зависят, во-первых, от поведения поля основной моды в защитной оболочке, а во-вторых, от поля j-й моды оболочки в области световедущей жилы. Поле Е(r) в защитной оболочке ведет себя как

т.е. описывается модифицированной функцией Бесселя нулевого порядка. Последняя, как известно, с ростом своего аргумента очень резко спадает. Далее, поле j-й моды оболочки в области жилы пропорционально модифицированной функции Бесселя

которая, как известно, является резко возрастающей с увеличением аргумента. Все это и позволяет сделать вывод, что чем меньше величина τ /ρ , тем сильнее взаимодействуют рассматриваемые моды (разные моды оболочки не обмениваются мощностью между собой, так как они ортогональны друг другу).

Описание отсечки основной моды W-световода в терминах связи мод полностью аналогично представлению о связи мод в волоконных ответвителях. Продолжая эту аналогию, мы будем рассматривать величину - часть мощности, которой обмениваются основная мода световедущей жилы и j-я мода оболочки по мере распространения вдоль оси световода. Мы рассмотрим взаимодействие с каждой из мод оболочки отдельно. Введенная нами величина определяется как

где β и β _j - продольные постоянные распространения основной моды жилы и j-й моды оболочки.

На фиг.6 представлены графики зависимости величины для первых четырех мод оболочки при значениях параметра τ /ρ =3 и τ /ρ =2. Кривые 20, 21, 22, 23 характеризуют коэффициент связи фундаментальной моды W-световода в режиме отсечки с первой, второй, третьей и четвертой модами оболочки соответственно при τ /ρ =3. Кривые 24, 25, 26, 27 характеризуют обмен мощностью между фундаментальной модой W-световода в режиме отсечки с первой, второй, третьей и четвертой модами оболочки при τ /ρ =2. Как видно из графиков, при определенных дискретных длинах волн мы имеем периодическую перекачку всей мощности излучения из световедущей жилы в соответствующую моду оболочки. В этих точках эксперимент выявляет глубокие провалы в спектре выходного излучения, т.е. очень и очень эффективный отвод энергии излучения с нежелательным состоянием поляризации. Поскольку это всецело обусловлено особенно сильным взаимодействием нежелательной у-моды световедущей жилы с модами оболочки, мы имеем прямое доказательство необходимости обеспечения эффективности такого взаимодействия для мощного затухания излучения, распространяющегося в режиме отсечки.

На практике при всех остальных (нерезонансных) длинах волн взаимодействие с модами оболочки уже не столь сильно и, соответственно, отвод энергии из жилы не столь эффективен. Для создания же широкополосного поляризатора следует обеспечить достаточное затухание излучения, в том числе и при этих нерезонансных длинах волн. Как видно из фиг.5, если τ /ρ =2, то мы имеем гораздо более широкие резонансные области вблизи точек синхронизма с модами оболочки, нежели при τ /ρ =3. В первом случае резонансы настолько широки, что ощутимо перекрываются друг с другом, во втором же мы имеем широкие области между резонансами, в которых затухание мощности излучения не столь сильно. Кроме того, сами величины вне резонансов при τ /ρ =2 значительно больше, чем при τ /ρ =3. Поэтому с точки зрения обеспечения достаточно сильного затухания нежелательной поляризационной моды необходимо выбрать как можно меньшее значение τ /ρ .

Мы показали, что при создании короткого волоконного поляризатора на основе W-световода с большим линейным двулучепреломлением следует выбирать как можно меньшее значение τ /ρ . Здесь, однако, вступает в силу следующее ограничение: W-световоды с малым значением τ /ρ , во-первых, плохо держат изгибы, а во-вторых, еще задолго до отсечки канализируемой (желательной) х-поляризационной моды ее эффективный диаметр начинает резко возрастать (фиг.6). Последнее обстоятельство может привести к большим потерям на микроизгибах, а также к плохой стыкуемости W-поляризатора со стандартным волокном.

В силу приведенных выше рассуждений для коротких отрезков поляризующих световодов параметр τ /ρ должен лежать в диапазоне значений 2 ≤ τ /ρ ≤ 3, а параметр Λ ₀ - в диапазоне 0,8 ≤ Λ ₀ ≤2,0.

Еще большего расширения спектрального окна работы поляризующего световода можно добиться, если создать в световоде такие условия, которые позволяют внести значительное затухание мод оболочки, с которыми эффективно взаимодействует у-поляризационная мода. На фиг.7 показаны виды поперечного сечения поляризующего световода "Панда", в которых реализуется механизм затухания оболочечных мод. Световод 28 содержит световедущую жилу 29, отражающую оболочку с пониженным показателем преломления относительно кварца 30, нагружающие стержни круговой формы 31, кварцевую защитную оболочку 32, дополнительную кварцевую оболочку 33 и защитно-упрочняющее полимерное покрытие 34. Дополнительная кварцевая оболочка состоит из легированного кварцевого стекла с показателем преломления n_об ≥n_К, где n_К - показатель преломления кварцевого стекла основной защитной оболочки световода. Кроме того, защитная оболочка содержит примеси, поглощающие или/и рассеивающие оптическое излучение в рабочем диапазоне длин волн поляризующего световода. Полимерное защитно-упрочняющее покрытие также должно иметь показатель преломления n ≥ n_об и быть непрозрачным для оптического излучения в рабочем спектральном диапазоне поляризующего световода. При указанных выше условиях излучение нежелательной у-поляризационной моды вначале перекачивается в оболочечные моды, которые беспрепятственно проникают вначале в дополнительную оболочку и канализируются ею, а оставшееся излучение оболочечных мод попадает в полимерное защитно-упрочняющее покрытие, где они эффективно поглощаются либо рассеиваются. Эффективное затухание оболочечных мод приводит к уширению спектрального рабочего окна поляризующего световода. Дополнительная оболочка в поляризующем световоде может быть сформирована путем дополнительного "жакетирования" заготовки поляризующего световода легированной кварцевой трубой. Рассеивающие или/и поглощающие примеси в защитную кварцевую оболочку могут вноситься путем также "жакетирования" заготовки опорной кварцевой трубой, содержащей вышеуказанные примеси. Для рабочей длины волны излучения λ =0.85 мкм поляризующего световода могут использоваться кварцевые трубы, легированные окисью титана или окисью циркония. Для рабочей длины волны λ =1.06 мкм могут использоваться трубы, легированные, например, иттербием. Для рабочей длины волны λ =1.55 мкм могут быть использованы кварцевые трубы, легированные эрбием. При всех указанных выше длинах волн излучения легированное кварцевое стекло очень эффективно поглощает оптическое излучение, что приводит к сильному затуханию оболочечных мод поляризующего световода. В качестве полимерного защитно-упрочняющего покрытия может использоваться, например, полимер ультрафиолетового отверждения типа "Desolite", который имеет показатель преломления в диапазоне 1.5-1.54, а также достаточно большой коэффициент затухания оптического излучения, по крайней мере, в видимой и ближней инфракрасной области спектра.

В другой конструкции поляризующего световода 35 дополнительная оболочка 36 (фиг.7) может располагаться и внутри защитной кварцевой оболочки 37. В данном случае дополнительная оболочка оказывается световедущей, так как ее показатель преломления превышает показатель преломления кварцевого стекла защитной оболочки.

Еще одним механизмом уширения рабочего спектрального окна поляризующего световода является обеспечение большей концентрации механических напряжений в световедущей жиле и отражающей оболочке. На фиг.8 показано поперечное сечение световода с нагружающими стержнями эллиптической формы. Световод 38 содержит световедущую жилу 39, отражающую оболочку с пониженным показателем преломления относительно чистого кварцевого стекла 40, нагружающие стержни 41 эллиптической формы, защитную кварцевую оболочку 42, дополнительную поглощающую или (и) рассеивающую оболочку 43 и защитно-упрочняющее покрытие 44.

Расчет поля напряжений в случае использования стержней эллиптической формы основывается на известном выражении для напряжений, создаваемых единичным эллипсом в среде с меньшим, чем у него самого коэффициентом теплового расширения:

σ _X+σ _У=0

где а и b - большая и малая полуоси эллиптического стержня. Применение этого выражения к двум стержням, расположенным симметрично относительно световедущей жилы, приводит к следующему выражению:

где величина

d₃=ρ +Δ +a

имеет смысл расстояния от центра световедущей жилы до центра нагружающего стержня. Угол раскрыва стержней в этом случае равен

Двулучепреломление в центре световедущей жилы равно

К сожалению, выразить данную величину через приведенный выше угол раскрыва так же просто, как в случае с круговыми стержнями не удается. Поэтому каждый раз приходится вычислять полуоси эллипса. Если выразить их в виде

где ρ ₀ - некий средний радиус, то угол раскрыва стержней запишется как:

Если в качестве ρ ₀ взять радиус круглого нагружающего стержня с углом раскрыва α и расположенного на том же расстоянии, что и рассматриваемые эллиптические стержни, то можно записать следующее

Отсюда для заданного угла раскрыва эллиптического стержня определяем его эксцентриситет е, находим полуоси и подставляем в выражение для распределения механических напряжений в сечении световода. Нас, главным образом, интересует их зависимость от координаты у. Поэтому в приведенном выше выражении для распределения механических напряжений мы полагаем х=0. Здесь мы рассматриваем два случая угла раскрыва: 50 и 80 градусов. Мы сравниваем эллиптические стержни с круглыми стержнями, имеющими угол раскрыва 90 градусов и большую на 30% площадь, чем у эллиптических стержней. Если бы площади круглого и эллиптического стержня были равны друг другу, то заметной разности ни по величине двулучепреломления, ни по ширине распределения мы не получили бы.

На фиг.9 приведены кривые распределения механических напряжений в поперечном сечении световодов "Панда" по оси у. Кривая 45 характеризует распределение напряжений (нормированное на единицу), наводимых упомянутыми выше круговыми стержнями, кривая 46 характеризует распределение напряжений вдоль оси у при угле раскрыва нагружающих стержней эллиптической формы α =50° , кривая 47 характеризует распределение напряжений при α =80° . Как видно из графиков, распределение напряжений в случае эллиптических стержней является более узким, чем в случае круглых для обоих рассматриваемых случаев угла раскрыва эллиптических стержней. Однако ширина распределения напряжений почти не зависит от угла раскрыва эллиптических стержней, она в гораздо большей степени определяется их площадью. В то же время из графиков на фиг.9 видно, что чем меньше угол раскрыва эллиптических стержней, тем меньше наводимое ими двулучепреломление. Оно также достаточно сильно падает с уменьшением площади стержней. Поэтому, если требуется сузить распределение напряжений на какую-то определенную величину, не теряя при этом в величине двулучепреломления слишком много, необходимо взять эллиптический стержень с меньшей, чем у круглого, площадью и имеющий не слишком малый угол раскрыва. Использование углов раскрыва эллиптических стержней α <50° приводит к сильному падению величины двулучепреломления в световедущей жиле, что в свою очередь приводит к сужению спектрального окна однополяризационного световода.

Нагружающие стержни эллиптической формы изготавливаются следующим образом. Схематично последовательность технологических операций показана на фиг.10. Вначале с помощью MCVD-метода изготавливается обычный круглый нагружающий стержень 48, содержащий кварцевую оболочку 49 и собственно нагружающий стержень 50, состоящий из кварцевого стекла, легированного окисью бора. Затем этот стержень с двух диаметрально противоположных сторон сошлифовывается на шлифовальном станке, после чего он приобретает вид 51. Далее этот отшлифованный стержень на тепломеханическом станке для изготовления заготовок MCVD-методом скругляется в пламени газовой горелки, после чего он вновь приобретает круговую форму. Вновь полученный стержень 52 содержит внутри себя нагружающий стержень эллиптической формы 53.

Полученный таким образом световод может быть использован для получения короткого корпусированного волоконного поляризатора, конструкция которого схематически показана на фиг.11. Поляризатор содержит в себе отрезок поляризующего световода 54, два отрезка световода "Панда" 55, 56, сохраняющего линейное состояние поляризации излучения, которые свариваются с отрезком поляризующего световода в местах 57, 58. После этого поляризующий световод вместе с местами сварки помещается в корпус 59 и заливается в нем специальным компаундом 60. Компаунд должен иметь показатель преломления, равный или чуть больший, чем показатель преломления кварцевого стекла второй дополнительной защитной оболочки. Кроме того, компаунд должен быть непрозрачным, то есть поглощать или (и) рассеивать оптическое излучение в диапазоне длин волн, в котором работает поляризующий световод.

Литература

[1] J.R.Simpson et all. "A single polarization fiber" J.Lightwave Technology vol. LТ-1, 1983, pp. 370-373.

[2] M.J.Messerly, J.R.Onstott, R.C.Mikkelson. "A Broad-Band Single Polarization optical Fiber" J. of Lightwave Technology, vol.9, № 7, 1991, pp. 817-820.

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

[4] А.М.Курбатов. "Способ получения одномодового волоконного световода". Патент РФ № 2164698, Заявка № 98120798 от 20.11.98 г.

[5] Р.L.Chu and R.A.Sammut. "Analytical method for calculation of stresses and material birefringence produced in polarization maintaining optical fibers". J.Ligtwave Technol. V. LT-2, №5, pp.650-662, 1984.

[6] Р.L.Francois and C.Vassallo. "Finite cladding effects in W-fibers: a new interpretation of leaky modes" Appl. Opt. V.22, № 19, pp.3109-3120, 1983.

1. Волоконный одномодовый поляризующий световод, содержащий световедущую жилу, отражающую оболочку с пониженным показателем преломления относительно чистого кварцевого стекла, два нагружающих стержня, защитную оболочку из чистого кварцевого стекла и защитно-упрочняющее полимерное покрытие, отличающийся тем, что выбирают параметр Λ =Δ n_-/Δ n₊=(0,8↔ 2,0), где Δ n_- - разность показателей преломления материалов отражающей оболочки и защитной оболочки, Δ n₊ - разность показателей преломления материалов световедущей жилы и защитной оболочки, при этом радиус отражающей оболочки выбирают в диапазоне τ =(2÷ 4)ρ , где ρ - радиус световедущей жилы световода; расстояние от нагружающих стержней до световедущей жилы выбирают в диапазоне Δ =(0,5↔ 1,0)ρ , а угол раскрыва α нагружающих стержней при наблюдении из центра световедущей жилы выбирают в диапазоне 50÷ 98° , при этом формируют дополнительную кварцевую оболочку с показателем преломления n_об≥n_К, где n_К - показатель преломления материала защитной оболочки, которую располагают между полимерным защитно-упрочняющим покрытием световода и защитной оболочкой либо внутри содержащей рассеивающие и/или поглощающие оптическое излучение примеси защитной оболочки, а полимерное защитно-упрочняющее покрытие имеет показатель преломления n_П≥n_об, когда дополнительная оболочка находится между полимерным защитно-упрочняющим покрытием и защитной оболочкой, либо n_П≥n_К, если дополнительная оболочка находится внутри защитной оболочки и также рассеивает или (и) поглощает оптическое излучение диапазона длин волн, в котором работает поляризующий световод.

2. Волоконный одномодовый поляризующий световод по п.1, отличающийся тем, что используют нагружающие стержни эллиптической формы.