Способ измерения длины биений поляризационных мод в световодах, сохраняющих поляризацию излучения Российский патент 2025 года по МПК G01M11/00 

Способ измерения длины биений поляризационных мод в световодах, сохраняющих поляризацию излучения.

Изобретение относится к способу контроля характеристик оптического волокна, в частности к способу измерения длины биения поляризационных мод в двулучепреломляющих одномодовых оптических волокнах (далее - ДОВ).

Оптическое волокно обладает двулучепреломлением (далее - ДЛП) из-за разницы показателей преломления вдоль двух ортогональных осей. Расстояние между двумя последующими точками (максимальными или минимальными значениями мощности излучения) оптического волокна (далее - волокно), где распространяющееся излучение имеет одинаковое состояние поляризации, называется длиной биений поляризационных мод L_b (далее – длина биений). Она зависит от разницы показателей преломления ортогональных мод Δn и длины волны излучения λ [М.А. Ероньян, И.К. Мешковский, Основы нанотехнологии анизотропных одномодовых волоконных световодов // Учебное пособие, ИТМО, 2014, СПб., с. 47]:

L_b =λ / Δn (1)

ДЛП, обеспечивающее поддержание линейного состояния поляризации в ДОВ, необходимо для ряда его применений в качестве разного рода датчиков. ДЛП возникает из-за некруглой формы сердцевины или из-за анизотропии механических напряжений. Такие волокна имеют длину биения порядка нескольких миллиметров. Точное знание длины биения необходимо для определения поляризационной устойчивости волокна, оценки его эксплуатационных параметров.

Известны различные способы измерения длины биений поляризации в ДОВ. Так, в статье [K. Takada, J. Noda and R. Ulrich, Applied Optics, Vol. 24, No. 24, 15 Dec. 1985, p. 4387] описан метод, в котором поперечная сила прикладывается к волокну, причем сила модулируется на звуковой частоте, перемещается вдоль волокна и измеряетcя соотношением между компонентами вдоль двух осей интенсивности излучения, введенного в волокно. Длина поляризационных биений представляет собой длину смещения точки приложения силы, при которой это соотношение имеет одинаковое значение.

Основной недостаток этого метода заключается в сложной конструкции оказывающего давление на ДОВ устройства. Другой недостаток обусловлен слабым воздействием вибратора на волокно, низким коэффициентом связи поляризационных мод. Поэтому шумы даже малой интенсивности могут серьезно повлиять на точность измерения.

Этими недостатками не обладает наиболее близкий по технической сущности к заявляемому изобретению способ измерения длины биений поляризационных мод в одномодовых световодах с высоким ДЛП, описанный в [патент US 4759624A], принятый за прототип.

В этом способе измерения длины биений поляризованное излучение вводят в ДОВ, к которому с постоянным усилием прижимают перемещаемый по длине волокна ролик, а значение длины биений получают путем анализа соотношения сигналов ортогональных мод как функции от координаты ролика. Средство анализа выходящего из волокна сигнала содержит поляриметр, связанный с вычислительным средством, определяющим значение длины биения.

Однако это техническое решение отличается сложным процессом анализа выходящего из ДОВ излучения, включающего его прохождение через поляриметр и вычислительное устройство для определения соотношения мощностей излучения в ортогональных модах в зависимости от положения прижимного ролика.

Решаемая техническая проблема - совершенствование способа анализа выходящего из волокна сигнала, включающего измерение соотношения мощностей поляризационных мод, и соответственно, измерения длины биений поляризационных мод в ДОВ.

Поставленная задача достигается тем, что в отличие от известного способа измерения длины биений предложен способ, заключающийся во введении монохроматического поляризованного излучения в ДОВ, к которому прижимают перемещаемый по его длине ролик, дополнительно вращением поляризатора возбуждают одну моду, добиваясь максимальной мощности излучения на выходе волокна, затем вращением анализатора добиваются минимальной мощности, выходящей из волокна излучения, а в процессе перемещения ролика отмечают время между максимальными или минимальными значениями мощности излучения и с учетом скорости перемещения ролика определяют длину биений.

Предлагаемый способ может быть реализован при измерении длины биений на образцах кварцевых ДОВ c сердцевиной легированной диоксидом германия с разным принципом формирования в них ДЛП [Дукельский К.В., Ероньян М.А., Комаров А.В., Левит Л.Г., Ромашова Е.И., Серков М.М., Хохлов А.В., Цибиногина М.К. Анизотропный одномодовый световод с эллиптичной сердцевиной // Сборник трудов VI Международной конференции «Прикладная оптика – 2004», 2004, СПб., т. 2, с. 104-106; Дукельский К.В., Ероньян М.А., Комаров А.В., Кондратьев Ю.Н., Левит Л.Г., Ромашова Е.И., Серков М.М., Хохлов А.В., Цибиногина М.К., Логозинский В.И., Соломатин В.А. Особотонкий высокоапертурный одномодовый световод, сохраняющий поляризацию излучения // Сборник трудов VI Международной конференции «Прикладная оптика – 2004», 2004 , СПб., т. 2, с. 107-110]. Использовали ДОВ с эллиптичной боросиликатной оболочкой и ДОВ с эллиптичной сердцевиной.

Оптическая схема устройства для реализации предлагаемого способа измерения длины биений поляризационных мод в ДОВ представлена на фиг. 1. На фиг. 2 показано изменение мощности сигнала в процессе прокатки по волокну ролика.

Приятые обозначения на рисунках:

1 – источник излучения;

2, 4, 7, 9 - линзы,

3 – поляризатор,

5 – волокно,

6 – ролик,

8 – анализатор,

10 – фотоприемник,

11 – усилитель,

12 – графопостроитель.

Устройство на фиг. 1 содержит источник излучения 1 на длине волны 1,55 мкм. Испускаемое им излучение коллимируется, проходит через поляризатор 3 и фокусируется линзами 2, 4 на входной грани волокна 5. Ролик 6 установлен с возможностью давления под нагрузкой на волокно и продольного перемещения. Излучение после ДОВ проходит через анализатор 8 и линзы 7, 9. Затем, оно входит в фотоприемник 10. Сигнал от фотоприемника проходит через усилитель 11 и входит в графопостроитель 12.

Последовательность действий при реализации предлагаемого способа:

введение в волокно монохроматического поляризованного излучения;

вращение поляризатора до получения максимальной мощности излучения на входе волокна;

вращение анализатора до получения минимальной мощности излучения на выходе волокна;

перемещение по волокну прижимного ролика с постоянными усилием и скоростью;

регистрация интервала времени между максимальными или минимальными значениями мощности сигнала фотоприемника для вычисления длины биений поляризационных мод, интервал времени усредняется на основании 4-6 гармонических периодов;

вычисление длины биений поляризационных мод между гармониками.

Примеры осуществления способа.

Пример 1. Для оценки работоспособности заявляемого способа использовали ДОВ с эллиптической напрягающей оболочкой и значением длины биений, равным 2,7 мм, которое измерено методом спектрального сканирования [Kikuchi K. and Okoshi T. Wavelength- sweeping technique for measuring the beat length of linearly birefringent optical fibers. – Opt. Lett., 1983, v. 8, № 2, p. 122-123].

Вращая поляризатор, устанавливали максимальное значение мощности сигнала на выходе ДОВ, равное 0,8 мВт. Вращением анализатора добивались минимальной мощности проходящего излучения. Затем, к ДОВ поджимали ролик массой 100 г и прокатывали его вдоль волокна с постоянным усилием и скоростью 0,25 мм/с. На фотоприемнике получали изменение электрической мощности сигнала во времени. На графопостроителе регистрировали гармоническое изменение мощности сигнала фотоприемника во времени. Используя период гармонического изменения сигнала, фиксировали интервал времени между гармониками t (между максимальными или минимальными значениями мощности излучения сигнала) и скорость перемещения ролика v, определяли длину биений L_b по формуле:

L_b = t × v (2)

Измерения свидетельствуют о достоверности результатов, полученных заявляемым способом: полученная зависимость мощности измеряемого фотоприемником излучения от времени (фиг. 2) дает величину L_b, равную в 2,6 мм. В_. пределах статистической ошибки измерений эта величина соответствует длине биений, ранее измеренной способом спектрального сканирования (2,7 мм).

Пример 2. Аналогично способу измерения длины биений в примере 1 измерена длина биений поляризационных мод в ДОВ с эллиптической сердцевиной, легированной 20 мол% диоксида германия, имеющей длину биений 2,5 мм, измеренной методом спектрального сканирования.

Из-за малого диаметра сердцевины максимальная мощность введенного в ДОВ излучения была на уровне 0,5 мВт.

Результат измерения длины биений (2,47 мм) соответствует значению (2,5 мм), ранее измеренному другим методом.

Приведенные примеры показывают, что использование предлагаемого изобретения существенно упрощает известные способы измерения длины биений в ДОВ разного типа. Так, способ спектрального сканирования содержит в схеме измерения дорогостоящий импортный измерительный прибор – спектроанализатор. Способы, основанные на приложении усилия к ДОВ, имеют либо сложную конструкцию устройств, оказывающих давление на волокно, либо сложный процесс анализа выходящего из ДОВ излучения. Техническая новизна предложенного способа заключается в сочетании реализации простоты механического воздействия на ДОВ и упрощения анализа мощности излучения на выходе волокна, основанного на измерении периода гармонического сигнала.

Изложенные сведения подтверждают очевидную промышленную применимость нового способа измерения длины биений поляризационных мод в ДОВ.

Изобретение относится к области измерения свойств оптических волокон. Предложен способ измерения длины биений поляризационных мод в световодах, сохраняющих поляризацию излучения, включающий введение поляризованного излучения в волокна с его минимизацией анализатором на выходе из волокна, поджатие к указанному волокну ролика с постоянной по величине силой и его перемещение вдоль волокна. Длина биений рассчитывается на основании периодического изменения во времени регистрируемого фотоприемником излучения и скорости перемещения ролика. 2 ил.

Способ измерения длины биений поляризационных мод в световодах, сохраняющих поляризацию излучения, включающий введение поляризованного излучения в один конец оптического волокна, поджатие к указанному волокну ролика с постоянной по величине силой, его перемещение вдоль волокна и анализ излучения, выходящего из противоположного конца волокна, отличающийся тем, что вращением поляризатора возбуждают одну моду, добиваясь максимальной мощности излучения на выходе волокна, затем вращением анализатора добиваются минимальной мощности выходящего из волокна излучения, в процессе перемещения ролика определяют время между максимальными или минимальными значениями мощности анализируемого излучения, на основании чего рассчитывают длину биений поляризационных мод.