Экспериментальное исследование деполяризации лазерного излучения элементами волоконной оптики

В настоящее время в поляризационных волоконно-оптических датчиках (ПД) оптическое волокно используется как в качестве чувствительного элемента (ЧЭ), так и в качестве волоконно-оптических линий передач (ВОЛП) для передачи оптического сигнала [1–7]. В качестве ИОИ достаточно часто используется полупроводниковые лазерные диоды, имеющие эллиптическую поляризацию, часто близкую к линейной. В таких ПД существует необходимость согласования осей поляризации источника оптического излучения и элементов ЧЭ, что является конструктивно сложной задачей.

Кроме того, элементы ВОЛП, расположенные между ИОИ и ЧЭ и не входящие в состав измерительного тракта, вносят собственные поляризационные искажения из-за анизотропии оптических свойств волокна, возникающей в результате изгиб-ных деформаций, определяющиеся трассировкой оптического волокна до ПД и носящие случайный характер [1, 8, 9]. Это приводит к снижению точности и повторяемости измерений поляризационными датчиками. Следовательно, возникает необходимость минимизации или полного устранения поляризации ИОИ и ВОЛП.

Выходом из данной ситуации является «деполяризация» (преобразование в круговую поляризацию) оптического излучения до ЧЭ. Как правило [1, 7–11], оптическое излучение с круговой поляризацией из излучения с произвольной поляризацией или естественного света получают следующим способом: сначала преобразуют излучение в линейно-поляризованное, а затем, например, с помощью четвертьволновой пластины, – в излучение с круговой поляризацией.

Обычно в качестве четвертьволновой пластины используют анизотропные кристаллы, обладающие свойством двойного лучепреломления.

Недостатками такого метода являются высокая стоимость четвертьволновых пластин, необходимость точного центрирования источника и приемника света и вынужденный вывод света из волокна в воздушную среду, что приводит к дополнительным потерям мощности оптического излучения и увеличению габаритно-массовых показателей ЧЭ.

Другой путь – использование в качестве деполяризующего устройства элементов дифракционной оптики, наносимых, возможно, непосредственно на торец оптического волокна [12–15]. С точки зрения габаритно-массовых показателей эффективный вариант. Однако экспериментально эффективность такого подхода практически не исследовалась.

Третий вариант – использование в качестве четвертьволнового элемента катушки механически напряженного оптического волокна [1] с определенным диаметром и количеством витков оптоволокна, в котором вследствие деформации возникает анизотропия оптических свойств, и, как следствие, двулучепреломление [1, 16].

Данный способ также не получил широкого распространения в силу недостаточной повторяемости и отсутствия элементов индивидуальной подстройки ЧЭ ПД.

Использование для «деполяризации» излучения стандартных изделий, например, рефлектометриче-ской вставки, применительно к волоконнооптическим датчикам не только малоэффективно, но и не целесообразно из-за больших габаритномассовых показателей таких элементов [17, 18].

Данная работа посвящена экспериментальному исследованию возможности коррекции поляризации (деполяризации) оптического излучения путем включения в оптический тракт до ЧЭ датчика отрезка деформированного оптического волокна в виде четверть волной катушки, установленной перед ЧЭ ПД, и скручиванием прямого участка оптического волокна этой катушки.

1.    Экспериментальный стенд для исследования поляризации оптического излучения

Для исследования поляризационных эффектов был разработан универсальный стенд (рис. 1а, б), позволяющий исследовать как поляризационные характеристики отдельных элементов, так и комплекса элементов датчика [5, 19–21].

Стенд состоит из: источника питания лазерного диода (PS); лазерного диода (LD) с волоконным выводом (LDI-650-FP-20 производства ООО «LasersCom»); двух отрезков соединительного оптического волокна типа патч-корд (CF1, CF2), оконцованных с одной стороны оптическим коннектором FC/UPC, а с другой – коллимирующей градиентной линзой (GRIN1, GRIN2) для вывода/ввода излучения; вращающегося с помощью шагового двигателя (SM1) пленочного поляризатора (FP), закрепленного на внешнем кольце подшипника (внутреннее кольцо подшипника установлено на втулке, неподвижно закрепленной на оптической плите); закрепленной на моторизованной поворотной платформе (SM2) катушки (Cl) c определенными диамет- ром и количеством витков оптического волокна; контроллера шаговых двигателей (SMC) поворотной платформы и вращающегося плёночного поляризато- ра; измерителя мощности оптического излучения (OPM) (FOD1202 производства «Fiber Optical Devices»); фотодиода (PD), подключенного к осциллографу (OSC).

а)

б)

Рис. 1. Структурная схема экспериментального стенда: (а) для исследования поляризации оптического излучения LD и изменения поляризации оптического излучения в ВОЛП; (б) для исследования изменения поляризации оптического излучения в деформированном оптическом

волокне

Для исследования поляризационных характеристик LD использовался вариант компоновки стенда, представленный на рис. 1 а . Излучение LD вводится непосредственно в GRIN1 и проходит через вращающийся с помощью шагового двигателя поляризатор FP, где модулируется по амплитуде. Изменение мощности излучения регистрируется измерителем мощности OPM и с помощью фотодиода PD осциллографом OSC.

Результаты экспериментального исследования зависимости выходной оптической мощности полупроводникового LD (длина волны оптического излучения 650 нм) от угла поворота пленочного поляризатора FP приведены на рис. 2.

Как видно из рис. 2 оптическое излучение полупроводникового LD существенно поляризовано, а изменение оптической мощности в зависимости от угла установки поляризатора достигает 17 дБ.

2.    Исследование деполяризации излучения лазерного диода длинными ВОЛП

Принято считать, что при значительной длине ВОЛП оптическое излучение становится неполяризо-ванным [8–9].

Для исследования этого явления в оптическую цепь связи LD с PD варианта компоновки экспериментального стенда, рассмотренного выше (рис. 1 а ), вместо CF1 включалось одномодовое (optical fiber cable PVC SM 9/125 2.0 mm OFNR) или многомодовое волокно (Corning OM3 Fiber optical cable LSZH type CO-PD-23) длиной 50 м, свернутое для устранения влияния деформации волокна на поляризацию излучения в бухту диаметром 40 см. В качестве источника оптического излучения использовался полупроводниковый LD (длина волны оптического излучения 650 нм).

Рис. 2. Поляризация оптического излучения LD

На рис. 3 приведены результаты экспериментального исследования. Там же для сравнения приведена поляризационная характеристика LD.

Рис. 3. Деполяризация оптического излучения в ВОЛП, где LD – поляризация оптического излучения лазерного диода, SM – изменение поляризации в бухте одномодового волокна, MM – изменение поляризации в бухте многомодового волокна

Здесь кривая LD отображает поляризационную характеристику лазерного диода, полученную в первом эксперименте, кривая SM – поляризационную характеристику излучения после прохождения через бухту одномодового волокна, кривая MM – поляризационную характеристику излучения после прохождения через бухту многомодового волокна.

Из сравнения зависимостей видно, что прохождение излучения через бухту оптического волокна снижает степень поляризации излучения, но не столь сильно, как ожидалось.

Для бухты одномодового волокна длиной 50 м изменение оптической мощности в зависимости от угла установки поляризатора достигает 3,02 дБ, а для многомодовой ВОЛП длиной 50 м – 6,1 дБ.

Очевидно, что подобный способ устранения поляризации излучения мало эффективен для использования в поляризационных датчиках в силу больших габаритномассовых показателей и низкой эффективности.

3.    Исследование деполяризации излучения лазерного диода четвертьволновыми волоконнооптическими катушками

Для исследования влияния деформации оптического волокна (без деформации кручения) на изменение поляризации излучения в оптическую связь LD с фотодиодом (рис. 1 б ) включается катушка с оптическим волокном Cl, зафиксированная на не вращающейся в данном случае моторизованной платформе. Намотанное на катушку оптоволокно оснащено оптическим коннектором с одной стороны и коллимирующим гра-даном GRIN1 с другой стороны. Отсутствии микротрещин оптоволокна, намотанного на катушку, после намотки катушки контролировалось оптическим рефлектометром EXFO FTB-7200D-12CD-23B-EI-EUI-89 со стандартной рефлектометрической вставкой.

Принцип действия устройства заключается в следующем: оптическое излучение от LD поступает в волокно, намотанное на катушку. В результате деформации оптического волокна, возникающей при его намотке на катушку без деформации кручения, возникает двулучепреломление и происходит изменение поляризации излучения [6–9]. Световой поток, проходя через вращающийся с помощью шагового двигателя поляризатор FP, модулируется по амплитуде, затем модулированный световой поток вводится в GRIN2 и поступает на измеритель OPM и фотодиод PD, подключенный к осциллографу OSC.

Изменяя диаметр катушки и количество витков оптического волокна, можно по амплитуде периодического сигнала, фиксируемого осциллографом, определить степень поляризации оптического излучения.

В качестве примера определим радиус катушки, на которую намотано оптоволокно, обладающее свойствами четвертьволновой пластины. Разность фаз на выходе такого световода рассчитывается по формуле [1]:

δ= 2 π ² aNd ²/ D λ ,                            (1)

где a –коэффициент фотоупругости; N – число витков; d – диаметр оболочки волокна; D – диаметр катушки; λ – длина волны.

Выразим отсюда диаметр катушки:

D = 2 π ² aNd ²/ λδ .                             (2)

Учитывая, что разность фаз для четвертьволновой пластины составляет π /2, найдем диаметр катушки, а результаты расчетов сведем в табл. 1.

В табл. 1 приняты следующие сокращения: S – одномодовое волокно (optical fiber cable PVC SM 9/125 2.0 mm OFNR), M – многомодовое волокно (Corning OM3 Fiber optical cable LSZH type CO-PD-23).

Согласно данным табл. 1 и рис. 3 использование одномодового волокна требует либо очень малых диаметров катушки (до 0,1…0,02 мм), что практически не реализуемо, либо большого числа витков (1000), что увеличивает габаритно-массовые показатели ПД.

Экспериментальные исследования проводились на длине волны 650 нм с катушками диаметром от 19,2 до 24,5 мм с количеством витков многомодового оптического волокна согласно табл. 1. Исходное изменение поляризации LD принималось равным 17 дБ (рис. 2).

Табл. 1. Расчетное значение диаметров катушек

Количество витков	Расчетный диаметр катушки для длины волны, мм
	650 нм		850 нм		1330 нм		1550 нм
	S	M	S	M	S	M	S	M
0,5	0,1	2,5	0,04	1,92	0,03	1,2	0,02	1,1
1	0,2	10,0	0,2	3,84	0,05	2,5	0,04	2,1
2	0,4	20,1	0,3	7,68	0,1	4,9	0,09	4,2
3	0,6	30,1	0,5	11,5	0,2	7,4	0,1	6,3
4	0,8	40,2	0,6	15,4	0,2	9,8	0,2	17
5	1,0	50,2	0,8	19,2	0,3	24,5	0,22	21
100	21	1000	8	384	5,1	491	4,4	421

Зависимость выходной оптической мощности от количества витков оптоволокна представлена на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость степени изменения поляризации от параметра катушки

Минимальная величина степени поляризации излучения (1,48 дБ) достигнута при четырех витках оптоволокна на катушке диаметром 20 мм.

Как видно из результатов экспериментальных исследований можно добиться существенного снижения поляризации излучения до 1,52 дБ. Однако, для практического использования в поляризационных датчиках излучение такой степени поляризации еще мало пригодно.

4.    Исследование деполяризации деформированным кручением оптического волокна

Для исследования влияния деформации кручения оптического волокна на изменение поляризации также используется стенд, приведенный на рис. 1б. Отличие от предыдущего опыта заключается в том, что задействуется моторизованная поворотная платформа, которая задает угол скручивания оптического волокна, намотанного на катушку. При этом диаметр катушки выбирается значительно больше диаметров, указанных в табл. 1, а количество витков оптического волокна равно одному. Это позволяет исключить влияние деформации оптического волокна на результаты исследований (см. п. 3). Отсутствии микротре- щин оптоволокна, после намотки катушки и скрутки периодически контролировалось оптическим рефлектометром EXFO FTB-7200D-12CD-23B-EI-EUI-89 со стандартной рефлектометрической вставкой.

Зависимость выходной оптической мощности от угла наклона катушки с оптоволокном представлена на рис. 5. На рис. 5 точками обозначены экспериментальные значения, кривыми линиями – аппроксимация экспериментальных значений полиномами шестой степени. Экспериментальные исследования проводились для катушки радиусом 50 мм с одним витком оптоволокна. В качестве источника оптического излучения использовался полупроводниковый лазерный диод с длиной волны 650 нм.

Рис. 5. Поляризационные характеристики оптического излучения для различных катушек с оптическим волокном

Минимальная величина степени поляризации излучения 1,6 дБ достигнута при величине угла кручения 23 град.

5.    Исследование «деполяризации» излучения четвертьволновым оптическим волокном, деформированным кручением

Согласно данным вышеприведенных опытов, в практических целях, возможно совместное использование как четвертьволновой катушки с оптическим волокном, так и скручивания свободного участка волокна.

Экспериментально исследовалась остаточная степень поляризации оптического излучения ИОИ для четвертьволновой катушки многомодового оптического волокна (Corning OM3 Fiber optical cable LSZH type CO-PD-23) с параметрами: диаметр катушки – 20 мм, количество витков оптического волокна – 4.

Оптимальный угол скручивания свободного конца оптоволокна оказался равен 65 градусов, что позволило снизить остаточную степень поляризации оптического излучения с 17 дБ до величины 0,14 дБ.

Заключение

Экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы:

• 1.    Полупроводниковые LD обладают существенной (порядка 17 дБ) поляризацией излучения.

• 2.    ВОЛП (длиной до 50 м) позволяют снизить поляризацию излучения с 17 до 3…6 дБ.

• 3.    Использование четвертьволновой оптической катушки позволяет снизить поляризацию излучения с 17 дБ до 1,52 дБ.

• 4.    Кручение отрезка оптического волокна более эффективно влияет на поляризацию излучения по сравнению с четвертьволновой оптической катушкой и позволяет снизить поляризацию излучения с 17 дБ до 1,6 дБ.

• 5.    Совместное использование относительно длинной ВОЛП, четвертьволновой катушки с оптическим волокном и ее оптимальное скручивание позволяет снизить поляризацию излучения с 17 дБ до величины 0,14 дБ, позволяет исключить из оптического тракта дорогостоящие оптические элементы (например, четвертьволновые пластины) и упростить конструкцию ПД.

• 6.    Проведенные экспериментальные исследования показали возможность значительного снижения степени поляризации оптического излучения ИОИ сравнительно простыми методами, что позволяет улучшить метрологические характеристики ПД.

• 7.    В дальнейшем планируется расширить ассортимент исследуемых оптических волокон, провести исследование температурной стабильности поляризационных характеристик, разработать уточненные математические модели поляризационных эффектов в механически деформированном оптическом волокне, совмещенном с его кручением, и методику проектирования рассмотренных «деполяризатором» оптического излучения.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобранауки. Уникальный идентификатор: ПНИЭР RFMEF157816X0209.