Передаточные характеристики дихроичных и двулучпреломляющих одномодовых световодов Листвин, Андрей Владимирович

Введение к работе

-3-.

Актуальность проблемы. В настоящее время существует много перспективных областей применения одномодовых световодов, где существенно состояние и степень поляризации излучения в световоде или на его входе и выходе. В волоконно-оптических устройствах, в которых используются магнитооптические и нелинейные эффекты, в интерференционных датчиках физических величин необходимо, чтобы сохранялось состояние поляризации излучения,распространяющегося в световоде. В когерентных линиях связи и линиях с интегрально-оптическими элементами необходимо, чтобы излучение на выходе из световода было поляризовано линейно и состояние поляризации не менялось под действием вибраций и тепла. В волоконно-оптических гироскопах модовый фильтр должен обеспечивать высокую степень селекции одного и того же состояния поляризации на входе и выходе кольцевого интерферометра.

Анализ и синтез состояний поляризации излучения в таких системах осуществляется с помощью волоконно-оптических поляризаторов. В них применяются световоды, обладающие линейным двулуче-преломлением, оси которого, в общем случае, не совпадают с осями линейного дихроизма. Кроме того, в световодах из-за их скрутки присутствует круговое двулучепреломление. Во многих случаях двулучепреломление оказывает существенное влияние на передаточные характеристики волоконно-оптических поляризаторов. В частности было показано, что двулучепреломление ограничивает предельно достижимое значение коэффициента экстинкции для линейно поляризованного излучения и приводит к сильной частотной зависимости эллиптичности и азимута состояний поляризации, соответствующих максимальному и минимальному пропусканиям поляризаторов.

Для волоконно-оптических гироскопов не существенно состоя-

ние поляризации излучения выделяемое поляризатором, но предъявляются высокие требования к величине его коэффициента экстинкции. В гироскопах навигационного класса необходимы поляризаторы с коэффициентом экстинкции порядка 100 дБ. На практике же реализованы поляризаторы с коэффициентами экстинкции не более 80 дБ, что, по-видимому, связано с влиянием двулучепреломления.

Двулучепреломление световода не только влияет на величину коэффициента экстинкции, но и ограничивает возможности его измерения. Возникающие из-за двулучепреломления эффекты псевдодеполяризации спонтанного излучения, особенно существенные при работе с полупроводниковыми источниками излучения, приводят к тому, что измеренное значение коэффициента экстинкции оказывается заниженным.

Для количественного описания распространения полихроматического излучения в дихроичных и двулучепреломляющих одномодовых световодах необходимо рассчитать полную корреляционную структуру излучения на выходе из световода. Целесообразно также экспериментально исследовать возможность повышения точности измерения коэффициента экстинкции за счет использования пространственной и поляризационной фильтрации излучения аналогично, как это происходит в волоконно-оптическом гироскопе.

Кроме анализа и синтеза состояний поляризации, существует еще проблема связанная со случайной природой изменения двулучепреломления вдоль световода. В этом случае необходимо дать соответствующее статистическое описание коэффициента передачи излучения распространяющегося в нерегулярном световоде. При работе с широкополосными источниками излучения, как правило, достаточно знать среднее значение коэффициента передачи. При использовании же когерентных источников требуется более полное статистическое

описание с использованием распределения вероятности.

Несмотря на большое число работ, посвященных поляризационным свойствам одномодовых световодов, основное внимание в них уделялось исследованию среднестатистических характеристик поляризации излучения и недихроичных световодов. Поскольку нерегулярности световода и наличие в нем дихроизма существенно влияет на характеристики волоконно-оптических систем, то представляется актуальным исследование поляризационных свойств нерегулярных дихроичных и двулучепреломляющих световодов.

Цели работы:

анализ влияния двулучепреломления на передаточные характеристики волоконно-оптических поляризаторов,

разработка методики измерения коэффициента экстинкции кедеполяризующих поляризаторов,

исследование статистических характеристик коэффициента передачи случайно-нерегулярных одномодовых световодов.

Методика исследования основана на предположении, что в одномодовом световоде можно пренебречь эффектами деполяризацш возникающими при рассеянии излучения на неоднородностях световода. В этом приближении эволюция состояния поляризации излучения в световоде описывается матрицей размером 2x2 - матрицей Джонса.

Научная новизна. В работе получены следующие новые научные результаты:

1. Рассчитаны передаточные характеристики дихроичных и
двулучепреломляющих одномодовых световодов для частично поляри
зованного полихроматического излучения.

1. Теоретически исследовано влияние двулучепреломления на коэффициент экстинкции волоконно-оптических поляризаторов.

2. Рассчитаны статистические характеристики коэффициентов

передачи сильнодвулучепреломляющих одномодовых световодов со случайными нерегулярностями.

4. Решена обратная задача поляриметрии дахроичных и двулучепреломляющих одномодовых световодов.

Практическая ценность работы определяется следующими положениями:

1. Выработаны требования к параметрам поляризационной
анизотропии волоконно-оптических полярзаторов.

3. Теоретически и экспериментально исследована возможность повышения поляризующей способности оптической системы при увеличении числа поляризаторов.

4. Разработан метод повышения точности измерения коэффициента экстинкции за счет применения пространственной и поляризационной фильтрации излучения.

5. Предложен способ деполяризации излучения с помощью неде-поляризущего поляризатора.

Основные полоненая, выносимые на защиту. На основе исследований, выполненных в диссертационной работе, на защиту выносятся следующие положения:

1. Развит матричный метод анализа эволюции состояния поляризации излучения в дахроичных и двулучепреломляющих одномодовых световодах. Впервые исследовано влияние двулучепреломления на коэффициент экстинкции волоконно-оптических поляризаторов и решена обратная задача поляриметрии световодов.

2. Рассчитаны передаточные характеристики недеполяризущих поляризаторов с произвольным видом поляризационной анизотропии.

3. Выполнен статистический анализ коэффициентов передачи сильнодвулучепреломляющих световодов со случайными нерегулярностями.

4. Разработан способ измерения коэффициента экстинкции поляризаторов с большей поляризующей способность». Показано, что при пространственной фильтрации излучения поляризующая способность оптической системы увеличивается с увеличением числа поляризаторов.

Достоверность результатов, полученных в диссертации, обеспечивается использованием основных посылок, допущений и уравне iZi?., ттро^вранных ьксерл^енточ я к няоїЧтіцбму вргжіп» H^Q РНЯНйа-вдих сомнений. Теоретический анализ, проведенный в работе, основывался на решении системи уравнений связанных волн. Их применимость для одномодовых волоконных световодов доказана как теоретически, так и экспериментально. Возможность увеличения точности измерения коэффициента экстинкции 'Поляризатора за счет ір'\\\.:--.>ния щ-.'СтранствениоЗ и Г'Олярії.тіЦіТсттттой филктранки излуче-т-'у !"одтверж;еп,-. і-е^ультята»-'!! puc;!h>_ лмйнтг-ль'їого игтледпаднкя чл''Н.:іі,нчх поляр^,ля?іч^,орі'Я(.

Л!'р'.>бащ'п_работы. Материалы, включенные в диссері^цим док-.у !'.:'-.-."лсь па печных fi-?:.y:i,-jpa/ іТРЗ ТАН, мФ'Ш, и Международной конференции ISFOC'93. ^тчзг«ульта"!ы дне ертапии опубликованы В о печатных работах.