1 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Образовательная программа С1 Волоконно-оптические измерения Лихачев М.Е. Научный центр волоконной оптики РАН

2 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Лекция 2 1. Анизотропия в волоконных световодах: Количество мод в одномодовом световоде. Эволюция поляризации по длине световода. Двулучепреломление. Способность сохранять поляризацию. Методы измерения двулучепреломления и способности сохранять поляризацию. 2. Оптические потери в волоконных световодах: Единицы для описания оптических потерь (дБ). Природа оптических потерь в кварцевых волоконных световодах. Измерение оптических потерь методом cut-back. Метод обратного рассеяния. Методы раздельного измерения потерь на рассеяние и поглощение.

3 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Количество мод в одномодовом световоде Фундаментальная мода Различные состояния поляризация света x - поляризация y - поляризация

4 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Состояние поляризации

5 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Состояние поляризации Линейная поляризация Круговая поляризация Эллиптическая поляризация Состояние поляризации зависит от разности фаз между x- и y- поляризациями

6 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Состояние поляризации Четверть волновая пластинка Линейная поляризация Круговая поляризация Четверть волновая пластинка X X+Y X-Y

7 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Двулучепреломление в световоде сердцевина оболочка

8 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Двулучепреломление в световоде Двулучепреломление

9 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Двулучепреломление в световоде

10 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Поляризационная модовая дисперсия Поляризационная модовая дисперсия (PMD) – средне квадратичное значение дифференциальной групповой задержки (измеряется в пс)

11 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Двулучепреломление в световоде При внешних воздействиях на световод так же наводится локальное двулучепреломление. Если собственное двулучепреломление в световоде мало – происходит обмен энергии между собственными модами.

12 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Сохраняющие поляризацию световоды При большой величине собственного двулучепреломления внешние факторы слабо влияют на состояние поляризации в световоде

13 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Способность сохранять поляризацию При возбуждении на входе световода лишь одной поляризации (поляризация X) после прохождения некоторой длины световода (z) часть мощности оказывается во второй поляризации (поляризация Y): Параметр h, стоящий в показателе степени характеризует способность сохранять поляризацию. !!Параметр h зависит от условий, в которых находится световод!! Чем больше величина двулучепреломления, тем меньше h, но однозначной связи нет

14 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение двулучепреломления (спектральный метод)

15 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение двулучепреломления (спектральный метод) Световод длиной L

16 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение двулучепреломления (спектральный метод) Требования к методу: Для появления интерференционной картины необходимо, что бы обе поляризации были когерентны. Разность оптического пути = B l Длина когерентности источника с шириной спектра Пример: =1550 нм, l=1 м B=10 -3 << 2.4 нм

17 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение двулучепреломления (спектральный метод) Ошибки метода: Разность набега фаз между двумя поляризациями: При изменении k на k разность набега фаз изменится на : Расстояние между минимумами на спектре определяется условием: = 2 НА САМОМ ДЕЛЕ ИЗМЕРЯЕТСЯ ВЕЛИЧИНА: Метод применим только для световодов, где двулучепреломление не зависит от длины волны

18 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение двулучепреломления (метод локального давления) Прямое измерение

19 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение двулучепреломления (метод локального давления) Ширина спектра

20 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение способности сохранять поляризацию При использовании источника с высокой когерентностью поляризация на выходе случайна и меняется со временем

21 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение способности сохранять поляризацию (поляризационно-метрический метод ) При использовании поляризационно-метрического метода излучение на выходе световода должно быть не когерентно Пример: =1550 нм, l=1 км B= >> 6 нм

22 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Оптические потери в световоде Зависимость оптического сигнала от длины световода: Величина оптических потерь определяется как: Пример: 10 (20, 30) дБ/км – сигнал уменьшается в 10 (100, 1000) раз после 1 км

23 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Оптические потери в световоде Различное происхождение оптических потерь: - Электронное поглощение - Фононное поглощение - Рэлеевское рассеяние - Поглощение примесями - Микроизгибы и макро изгибы

24 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Оптические потери в световоде

25 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Электронное поглощение Электронное поглощение обусловлено переходом электронов в зону проводимости и полосами поглощения дефектов сетки стекла. Определяет оптические потери в УФ области C – концентрация GeO 2 (мол.%) - длина волны в мкм Пример: =1550 нм, n=0.005 (С~3 мол.%) уф =0.015 дБ/км

26 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Фононное поглощение Фононное поглощение обусловлено переходом световой энергии в механические колебания сетки стекла. Определяет оптические потери в ИК области C – концентрация GeO 2 (мол.%) - длина волны в мкм Пример: =1550 нм, n=0.005 (С~3 мол.%) ик =0.01 дБ/км Для случая легирования оксидом германия:

27 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Рэлеевское рассеяние Рэлеевское рассеяние – рассеяние на неоднородностях много меньше длины волны (на флуктуациях состава и плотности стекла). Ограничивает, минимальный уровень оптических потерь в ближней ИК области спектра. Пример: =1550 нм, n=0.005 =(0.005/1.458)*100%=0.34 A рил = 0.89 дБ мкм 4 /км уф =0.154 дБ/км

28 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Поглощение примесями Большинство металлических примесей дает сильное поглощение в видимой и ИК областях.

29 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Поглощение ОН группами В процессе изготовления заготовок световодов крайне сложно полностью избавится от OH групп. Полосы поглощение в области 1.4 мкм, 1.24 мкм и 0.95 мкм

30 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Потери на микро- и макро-изгибах (многомодовые световоды) Микро- и макро-изгибы приводят в первую очередь к вытеканию высших мод (имеющих наибольший угол распространения к оси световода). Как следствие при микро- и макро-изгибах уменьшается апертура световода. Вытекание высших мод Перемешивание мод

31 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Потери на микро- и макро-изгибах (одномодовые световоды) При микро- и макро-изгибах излучение, находящееся в оболочке с наружной стороны (дальней от центра изгиба) высвечивается. Потери на изгиб тем больше, чем большая доля мощности распространяется в оболочке прямого световода. Вытекание Распределение электрического поля

32 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Потери на микро- и макро-изгибах (одномодовые световоды) В многомодовом световоде на любой длине волны есть моды, находящиеся вблизи своей отсечки – как следствие изгибные потери слабо зависят от длины волны. В одномодовом световоде доля мощности моды, находящаяся в оболочке увеличивается с длиной волны – потери существенны для длинноволновой части спектра.

33 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение оптических потерь (метод cut-back)

34 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение оптических потерь (метод cut-back)

35 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение оптических потерь (метод cut-back) Измеряемый световод Световод длиной ~ 2 м

36 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение оптических потерь (метод cut-back)

37 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение оптических потерь (метод cut-back)

38 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение оптических потерь (метод cut-back) Наиболее распространенная причина погрешности – изменения доли мощности, попадающей из световода на фотоприемник

39 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение оптических потерь (метод cut-back) Проверка того, что условия ввода и вывода излучения из световода не изменились при разных измерения – двух или трехкратное последовательное измерение длинного и короткого куска световодов Разброс не значителен Разброс существенный

40 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение оптических потерь (метод обратного рассеяния) NA

41 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение оптических потерь (метод обратного рассеяния)

42 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение оптических потерь (метод обратного рассеяния) Источник ошибки – сигнал пропорционален апертуре световода! Сигнал после прохождения сварки увеличился (во втором световоде больше апертура)

43 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение потерь на рассеяние (Измерение индикатрисы рассеяния) Фотоприемник (сканирует от 0 до 180 ) световод диафрагма Ячейка с иммерсионной жидкостью (показатель преломления n SiO2 )

44 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение потерь на рассеяние (Измерение полной интенсивности рассеяния) фотоприемник Ячейка с высоким диффузным отражение от стенок калибровка измерение

45 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Спасибо за внимание!