СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДОВОЙ ДИСПЕРСИИ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВЕДУЩИХ СИСТЕМ Российский патент 2007 года по МПК G01M11/02 

Изобретение относится к области оптических информационных технологий, в частности к методам диагностики динамических параметров волноведущих систем (волоконных световодов и фотонных кристаллов), и позволяет определять предельную скорость передачи импульсно-кодовой или аналоговой информации с помощью оптических волноведущих систем (полосу пропускания).

Основной параметр, ограничивающий скорость передачи оптической информации, является межмодовая дисперсия световодов. При возбуждении волноводных мод, распространяющихся в волоконных световодах, каждая из мод характеризуется своим значением волнового вектора в пределах угла скольжения ϕ(ϕ=(90°-α), где α угол полного внутреннего отражения, определяемый разностью показателей преломления жилы и оболочки световода. Волноводные моды, распространяющиеся под своими дискретными углами, имеют свою фазовую задержку, поэтому при конечной длине волновода происходит временное уширение информационных оптических импульсов. Для типичных многомодовых волокон с диаметром центральной жилы D=50 мкм, ступенчатым изменением показателя преломления жилы-оболочки равным 1% и соответствующем значении числовой апертуры волокна NA=0.2 дисперсия приводит к значению эффективной временной задержки 30 нс/км, при этом соответствующая полоса пропускания составляет 33 МГц/км. Такая временная задержка существенно ограничивает скорость передачи цифровой информации, поэтому ступенчатые многомодовые световоды используются в локальных оптических линиях связи. Для увеличения скорости передачи информации и, соответственно, уменьшения величины дисперсии используются оптические градиентные волокна с полосой пропускания 1-4 ГГц/км при диаметре жилы волокон D=50 мкм. При диаметре жилы оптического волокна менее 10 мкм для лазерных пучков в видимой области может возбуждаться малое число мод и соответственно такие волокна обладают еще большей полосой пропускания.

Наиболее распространенным и прямым способом определения дисперсии волоконных световодов является введение в волоконный световод коротких лазерных импульсов и регистрация во времени лазерной мощности на входе и выходе световода и измерение временного уширения оптических импульсов на выходе волоконного световода, при этом величина временного уширения импульсов однозначно связана с величиной дисперсии (Унгер Г.Г. Оптическая связь. М.: Связь, 1979, с.60).

Однако такой импульсный оптический способ имеет существенные ограничения по временному диапазону вследствие конечного быстродействия детектирующих фотоприемников (отечественный самый сверхбыстродействующий лавинно-пролетный фотодиод ЛФД-2 имеет полосу пропускания, ограниченную 1 ГГц, т.е. уширение импульсов должно быть более 1 нс).

Кроме того, при диагностике маломодовых световодов, обладающих малой величиной дисперсии, необходимы ультракороткие лазерные импульсы пикосекундной длительности.

Известен также способ определения дисперсии волоконных световодов, заключающийся во введении в волоконный световод амплитудно-модулированного лазерного излучения и измерении глубины модуляции лазерного излучения на выходе волокна (Медвинтер Дж.Э. Волоконные световоды для передачи информации. М.: Радио и связь, 1983, с.195).

Однако такой модуляционный способ также имеет существенные ограничения по динамическому диапазону вследствие конечного быстродействия детектирующих фотоприемников. Кроме того, достаточно трудно получить эффективную модуляцию зондирующего оптического излучения на частотах выше одного гигагерца.

Известен способ определения межмодовой дисперсии волоконных световодов, заключающийся во введении излучения газового He-Ne лазера в интерферометр Маха-Цендера, в одном из плеч которого расположен многомодовый световод, а в другом плече расположена перестраиваемая линия задержки, при этом на выходе интерферометра измеряется изменение видности интерференционных полос от перестройки разности плеч интерферометра (Дедловский М.М., Коршунов И.П., Матвеев Р.Ф., Тутубалин В.Н. Исследование межмодовой дисперсии в оптических волокнах методом корреляционного анализа поля излучения. Радиотехника и электроника 1982, №2, 220-228.).

Однако данный способ эффективен только для световодов с большой величиной дисперсии и большими длинами волокна, для которых выполнялось условие, что эффективная временная задержка в волокне соизмерима или больше величины времени двойного обхода резонатора деленного на число генерируемых мод He-Ne лазера, т.е. с характерными наносекундными задержками. Кроме того, метод не работает для маломодовых, градиентных или многомодовых коротких световодов (менее 100 м).

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ определения дисперсии волоконных световодов, включающий введение излучения одночастотного полупроводникового лазера с перестраиваемым током инжекции в волоконный световод, детектирование поперечного распределения интенсивности излучения, прошедшего световод (детектирование спекл-поля) для каждого значения тока инжекции, вычисление соответствующего двумерного коэффициента корреляции спекл-поля, измерение девиации частоты излучения лазера, соответствующей уменьшению коэффициента корреляции в два раза (Г.Г.Акчурин, А.Г.Акчурин, Фотохромная когерентная спекл-диагностика объемных рассеивающих сред и оптических световодов лазерами с перестраиваемой частотой. Письма в ЖТФ, 2004, т.30, в.24, с.56-62).

Однако данный способ имеет ограничения по точности, связанные с трудностью определения малых сдвигов частоты излучения одночастотных лазеров, а также с ограниченным диапазоном перестройки частоты лазера, что затрудняет измерения дисперсии коротких маломодовых волокон.

Задачей изобретения является повышение точности при обеспечении возможности проведения измерений для многомодовых световодов длиной менее 1 м, маломодовых световодов длиной несколько метров и фотонных кристаллов длиной менее нескольких десятков сантиметров.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения модовой дисперсии (эффективной временной задержки) оптических волноведущих систем, включающем введение излучения одночастотного полупроводникового лазера с перестраиваемым током инжекции в оптическую волноведущую систему, детектирование поперечного распределения интенсивности излучения на выходе оптической волноведущей системы, согласно решению определяют среднюю контрастность поперечного распределения интенсивности прошедшего излучения <V(x, у)>, добиваются уменьшения значения контрастности <V(x, у)> в два раза путем уменьшения тока инжекции, и для данного значения тока инжекции измеряют значение времени когерентности τ_с излучения лазера или ширину спектральной линии Δν излучения лазера, и модовую дисперсию MD определяют из соотношения

На фиг.1 представлена блок схема устройства для реализации предлагаемого способа при измерении ширины спектра и измерения времени когерентности излучения лазерного диода при изменении тока инжекции.

На фиг.2 представлены экспериментальные результаты по изменению контрастности спекл-поля на выходе многомодового волокна при уменьшении тока квантово-размерного лазера и соответствующего изменения времени когерентности, позволившие определить дисперсию многомодовых волокон длиной 10 см и маломодовых длиной 2 м.

На фиг.3 представлены экспериментальные результаты по изменению контрастности спекл-поля на выходе двумерного фотонного кристалла при уменьшении тока квантово-размерного лазера и соответствующего изменения времени когерентности, позволившие определить дисперсию фотонного кристалла длиной 10 см.

На фиг.4 - зависимость контрастности спекл-картины на выходе многомодового оптического волокна от времени когерентности зондирующего излучения полупроводникового лазерного диода при зондировании многомодового волокна (диаметр центральной жилы D=50 мкм, числовая апертура NA=0.2) при длине волокна равной 20 см.

На фиг.5 - зависимость нормированной временной функции когерентности поля излучения полупроводникового квантово-размерного гетеролазера для различных токов инжекции:

1-9 мА, 2-10 мА (порог генерации), 3-12 мА, 4-14 мА, 5-18 мА, 6-20 мА (одночастотный режим)

шкала ординат - видность интерференционных полос; шкала абсцисс в миллиметрах (пространственный период функции когерентности лазерного диода в многомодовом режиме равен 1.48 мм, что соответствует временному периоду, равному ˜4.95 пс).

На фиг.6 - осциллограмма зависимости интенсивности спонтанного излучения лазерного диода до порога генерации (ток инжекции 8 мА) на выходе сканирующего интерферометра Майкельсона. Временная корреляционная функция или функция когерентности излучения лазерного диода, из которой величина времени когерентности определяется как равная ширине пика на половине интенсивности. Временной масштаб между пиками равен времени двойного обхода резонатора лазерного диода.

Фиг.7 - осциллограмма зависимости интенсивности спонтанного излучения лазерного диода вблизи порога в режиме генерации (ток инжекции 12 мА) на выходе сканирующего интерферометра Майкельсона или функция когерентности излучения лазерного диода.

Временной масштаб между пиками равен времени двойного обхода резонатора лазерного диода.

Фиг.8 - осциллограмма зависимости интенсивности спонтанного излучения лазерного диода вблизи порога генерации в режиме генерации (ток инжекции 14 мА) на выходе сканирующего интерферометра Майкельсона или функция когерентности излучения лазерного диода.

Временной масштаб между пиками равен времени двойного обхода резонатора лазерного диода.

Фиг.9 - спектр излучения полупроводникового инжекционного лазерного диода до порога генерации в режиме спонтанного излучения (ток инжекции 8 мА).

Фиг.10 - спектр излучения полупроводникового инжекционного лазерного диода вблизи порога в режиме генерации (ток инжекции 12 мА), спектральное расстояние между модами 0.166 нм.

Фиг.11. Спектр излучения полупроводникового инжекционного лазерного диода вблизи порога в режиме генерации (ток инжекции 15 мА), спектральное расстояние между модами 0.166 нм.

Позициями на чертежах обозначены:

1 - дифракционный спектрометр (ДФС-3);

2 - цифровая ПЗС (CCD) видеокамера типа "Video-Scan";

3 - перестраиваемое зеркало интерферометра Майкельсона;

4 - неподвижное зеркало интерферометра Майкельсона;

5 - сканирующий интерферометр Майкельсона;

6 - квантово-размерный лазерный диод с перестраиваемым током разряда;

7 - волоконный световод или двумерный фотонный кристалл (2D - микроструктурное волокно);

8 - цифровая видеокамера типа CCD "Video-Scan";

9 - персональный компьютер;

10 - осциллограф;

11 - фотоприемник.

Способ осуществляется следующим образом: в полупроводниковом инжекционном лазерном диоде (6) устанавливают значение тока инжекции (максимальное), соответствующее одночастотному режиму в квантоворазмерном лазере, который фиксируется с помощью спектрометра (1), и по возникновению периодического режима в интерферометре Майкельсоне (5). Излучение одночастотного лазера вводят в измеряемое оптическое волокно или фотонный кристалл (7), выходное излучение которых детектируется цифровой видеокамерой (8) в дальней зоне дифракции, и фиксируется двумерная спекл-картина в компьютере (9), с помощью которого определяется контрастность поперечного распределения интенсивности спекл-картины как среднеквадратичные пространственные флуктуации интенсивности, деленные на среднее значение интенсивности спекл-картины. Далее уменьшают ток инжекции лазера и находят его значение, соответствующее уменьшению контрастности в два раза, по сравнению с контрастностью одночастотного режима, и для данного тока определяют соответствующее время когерентности из соотношения MD=Δτ_с=1/Δν_с=λ²/сΔλ_с при спектральном измерении или непосредственно из измерения времени когерентности Δτ_с излучателя, определяемого с помощью интерферометра Майкельсона.

Результаты измерений зависимости контрастности спекл-картины на выходе многомодового оптического волокна (диаметр центральной жилы D=50 мкм, числовая апертура NA=0.2) от времени когерентности зондирующего излучения полупроводникового квантово-размерного лазерного диода при зондировании волокна длиной равной 20 см представлены на фиг.4. Зависимость нормированной временной функции когерентности поля излучения полупроводникового квантово-размерного гетеролазера для различных токов инжекции представлена на фиг.5. На фиг.6, 7, 8, 9 показаны спектры излучения лазерного диода при разных значениях тока инжекции до и после порога генерации, с помощью которых можно определить время когерентности лазерного излучения, так как спектр излучения и функция когерентности связаны Фурье-преобразованием.

Наиболее точное измерение межмодовой дисперсии реализуется в допороговом режиме генерации лазерного диода, что накладывает определенные требования на длину оптических волноведущих систем. Известно, что временное запаздывание или межмодовая дисперсия пропорциональна длине волокна (Медвинтер Дж.Э. Волоконные световоды для передачи информации. М.: Радио и связь, 1983), поэтому для традиционных импульсных или частотных методов измерения дисперсии точность измерения увеличивается с длиной волокна (сотни метров и более). В предлагаемом способе ситуация для способа измерения противоположная, что позволяет измерять короткие отрезки оптических волноведущих систем длиной менее метра. Для предлагаемого способа существует минимально измеряемая задержка Δτ_мин, связанная с максимальной шириной линии излучения лазера в режиме спонтанного излучения Δν_мах, при этом Δτ_мин=1/Δν_мах. Типичная ширина спектра спонтанного излучения лазерного диода до порога генерации в видимой и ближней ИК-области составляет Δλ_мах=10-20 нм, тогда Δν_мах=Δλ_мах·с/λ², при этом длина когерентности ΔL=сΔν_мах=λ²/Δλ_мах превышает 20 мкм, а время когерентности составляет Δτ_мин=1/Δν_мах=70 фс. Максимально удобное для измерений время когерентности Δτ_мах должно быть меньше времени двойного обхода лазерного резонатора диода

где L - геометрическая длина резонатора; n - показатель преломления активной среды лазерного диода; с - скорость света. Так как типичная длина резонатора инжекционного лазерного диода составляет 250 мкм, показатель преломления арсенид-галиевой активной среды n=4, то Δτ_р составляет 7 пс.

Для получения максимальной точности определения модовой дисперсии оптических волноведущих систем зондируемая длина должна составлять величину, удовлетворяющую условию

где D - коэффициент, пропорциональный величине дисперсии оптических волноведущих систем, нормированный на километр длины.

Известно, что для градиентного и маломодового оптического волокна величина дисперсии составляет 1 ГГц/км или временная задержка D=1 нс/км, поэтому длина волокна, удовлетворяющая условию (4), составляет менее 10 м. Для многомодового волокна с полосой пропускания 30 МГц/км длина волокна должна быть порядка 20 см. Теоретические оценки величины дисперсии фотонных кристаллов показывают, что ее величина составляет 100 пс/км·нм (Glas P., Fischer D., Stenmeyer G., et al. Supercontinuum generation in a two-dimensional photonic kagome crystal. Appl.Phys. B, 2005, p.1-9). Апробация предлагаемого метода определения дисперсии двумерных фотонных кристаллов для длины порядка 10 см показывает соответствующее значение дисперсии.

Способ позволяет расширить динамический диапазон измерений, повысить точность и обеспечить возможность зондирования регулярных пространственно-периодических структур, например двумерных или трехмерных фотонных кристаллов.

Изобретение относится к области оптических информационных технологий, к методам диагностики динамических параметров оптических волноведущих систем и позволяет определять скорость передачи импульсно-кодовой или аналоговой информации (полосу пропускания). Способ включает введение излучения одночастотного полупроводникового лазера с перестраиваемым током инжекции в оптическую волноведущую систему, детектирование поперечного распределения интенсивности излучения на выходе оптической волноведущей системы. Определяют среднюю контрастность поперечного распределения интенсивности прошедшего излучения<V(x, y)>, добиваются уменьшения значения контрастности путем уменьшения тока инжекции<V(x, y)>в два раза, измеряют значение времени когерентности τ_c излучения лазера или ширину спектральной линии Δν_c излучения лазера. Модовую дисперсию MD определяют из соотношения Технический результат - повышение точности при обеспечении возможности проведения измерений для многомодовых световодов длиной менее 1 м, маломодовых световодов длиной несколько метров и фотонных кристаллов длиной менее нескольких десятков сантиметров. 11 ил.

Способ определения модовой дисперсии оптических волноведущих систем, включающий введение излучения одночастотного полупроводникового лазера с перестраиваемым током инжекции в оптическую волноведущую систему, детектирование поперечного распределения интенсивности излучения на выходе оптической волноведущей системы, отличающийся тем, что определяют среднюю контрастность поперечного распределения интенсивности прошедшего излучения <V(x, y)>, добиваются уменьшения значения контрастности <V(x, y)> в два раза путем уменьшения тока инжекции и для данного значения тока инжекции измеряют значение времени когерентности τ_c излучения лазера или ширину спектральной линии Δν_c излучения лазера, а модовую дисперсию MD определяют из соотношения