Применение синтезированных голограмм для селективного возбуждения мод градиентного оптического волокна и исследования их чувствительности к радиальному смещению возбуждающего пучка

ПРИМЕНЕНИЕ СИНТЕЗИРОВАННЫХ ГОЛОГРАММ

ДЛЯ СЕЛЕКТИВНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ МОД ГРАДИЕНТНОГО ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА И

ИССЛЕДОВАНИЯ ИХ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ К РАДИАЛЬНОМУ СМЕШЕНИЮ ВОЗБУЖДАЮЩЕГО ПУЧКА

Интерес к селективному возбуждению мод в оптических волокнах отчетливо проявился с середины 70-х годов в связи с необходимостью исследования дифференциальных модовых задержек, дифференциального модового затухания и связи мод в оптических волокнах [1-5].

Однако используемые в работах [1-3] методы возбуждения мод с помощью внеосевого (наклонного или смещенного па раллельно оси волокна) лазерного пучка с малым размером пятна на входном торце обеспечивают, в лучшем случае, возбуждение отдельных модовых групп с близкими значениями постоянных распространения мод, принадлежащих к одной группе, причем, селективность возбуждения, за исключением мод низшего порядка, весьма низка.

- 103-

Возможность селективного возбуждения отдельных близких к отсечке мод как в волокнах со ступенчатым профилем показателя преломления, так и в градиентных волокнах с использованием призменного ввода излучения продемонстрирована в [4], а в [5] при помощи призменноконусного элемента связи получена серия селективно возбужденных мод маломодового ступенчатого волокна. К сожалению, методы селективного возбуждения мод, основанные на применении призменного ввода излучения сложны в реализации, а их распространение на промышленные многомодовые волокна с диаметром сердцевины 50?60 мкм наталкивается на значительные трудности.

Наиболее очевидный и идейно простой метод селективного возбуждения оптических волокон состоит в создании на торце волокна электромагнитного поля, полностью согласованного с полем возбуждаемой моды или суперпозиции мод. Первой попыткой применения такого метода была работа [б], где для селективного возбуждения мод маломодового (параметр V, определяющий число направленных мод волокна, был равен девяти: V = 9) ступенчатого волокна использовалась картина дифракции Фраунгофера на кольцевой апертуре, которая при надлежащем выборе размеров кольца и фокусного расстояния Фурье-линзы является достаточно хорошей аппроксимацией распределения комплексной амплитуды в поперечном сечении сердцевины волокна для случая аксиально-симметричных мод низшего порядка. Таким образом были селективно возбуждены HEn(LPoi) и HEiatLPoa) моды, а для возбуждения мод более высоких порядков, в том числе и с отличными от нуля азимутальными индексами, было предложено использовать синтезированные на ЭВМ голограммы, формирующие заданные распределения комплексной амплитуды, которые совпадают с полями возбуждаемых мод.

Использованный в [6] подход к задаче селективного возбуждения мод получил дальнейшее развитие в цикле исследований [7-9]. Применение в этих работах набора сложных пространственных фильтров (каждый из них был образован бинарной амплитудной маской с регулируемым давлением воздуха в ее отверстиях для создания требуемых фазовых сдвигов) позволило генерировать поля, эквивалентные модам Гаусса-Лагерра ф , с нулевым радиальным индексом (1 = 0) , при этом селективно возбуждались моды с азимутальными индексами р = 2, 4, 12, а также их суперпозиция ср=2ир=12. В экспериментах [7-9] использовалось существенно многомодовое градиентное волокно с V = 70 и длиной -10 м, но все же, невзирая на впечатляющие результаты, применение предложенных в [7-9] пространственных фильтров не решает всех вопросов, связанных с селективным возбуждением многомодовых волокон и, прежде всего, в силу сложности самих пространственных фильтров.

Несмотря на уже солидную предысторию, проблема селективного возбуждения мод в оптических волокнах на сегодняшний день не только не потеряла своей актуальности, но даже более того, обогатилась новыми аспектами, связанными, например, с перспективами применения селективного возбуждения в волоконно-оптических датчиках [10], а также с попытками дальнейшего расширения пропускной способности волоконных линий связи за счет использования модового уплотнения, предполагающего использование от-дельных мод оптического волокна в качестве независимых каналов связи [8] .

Представленная здесь работа является, вероятно, первой удачной попыткой применения синтезированных голограмм для селективного возбуждения мод в оптических волокнах. В экспериментах использовалось многомодовое (V = 61) градиентное волокно длиной =1 м с профилем показателя преломления, близким к параболическому; показателем преломления на оси ni = = 1,458; абсолютной разностью показателей преломления Ап = 0,0145; радиусом сердцевины а = 30 мкм. Схема экспериментальной установки, предназначенной для селективного возбуждения и анализа мод волокна, представлена на рис. 1а,б. Пространственные фильтры ПФ-t , предназначенные для селективного возбуждения, также как и пространственные фильтры ПФа, представляют собой голограммы сфокусированного изображения, синтезированные методом наложения плоской несущей с частотой ^о = Ю лин./мм и содержат 256 х 256 отсчетов с шагом 25 мкм. Были синтезированы голограммы, содержащие аксиальносимметричные (р = 0) моды Гаусса-Лагерра Фр1 с радиальными индексами 1 = От3,5,7, 8,10,16т18. Каждая такая голограмма имеет амплитудное пропускание ф = = Ф_р1(x,y)cos(2п£_ох). При освещении голограммы коллимированным излучением с X = 0,6328 мкм в первый дифракционный порядок восстанавливается пучок, имеющий в поперечном сечении амплитудное распределение ф_D1(x,y). Для выделения этого пучка из ^р общей дифракционной картины и согласования его размеров с размерами возбукдаемой моды служит оптическая система, состоящая из линзы Л1, точечной диафрагмы Д и микрообъектива On (см. рис. 1а). Размер перетяжки возбуждающего пучка, создаваемой микрообъективом Oi, регулировался путем изменения расстояния между On и предшествующей перетяжкой, совпадающей с отверстием диафрагмы Д. Контроль размера осуществлялся посредством микроскопа и окулярного микрометра. Критерием согласования размеров служило равенство диаметра темного кольца (первого минимума) в перетяжке пучка, формирующего моду ф₀₁ расчетному значению, в нашем случае приблизительно равному 7,9 мкм. Процесс селективного возбуждения мод волокна заключался в совме-

ПФ, л,

д о,

Волокно

Рис. 1а. Оптическая система для селективного возбуждения мод

02            Ок. Вых.зр. Л2 ПФ2 Л5

Рис. 16. Оптическая система для количественного модового анализа щении торца волокна с перетяжкой пучка, сформированного с помощью соответствующей голограммы и описанной выше оптической системы, а также устранении децентровки и поворотов пучка относительно торца путем юстировки. На рис. 2а представлены фотографии пучков, формирующих моды фоо, Фо 1 И Ф02, а на рис. 26 фотографии ближнего поля выходного торца волокна, свидетельствующие о селективном возбуждении указанных мод. Моды с радиальным индексом 1 > 2 селективно возбудить не удалось.

Высокая степень селективности возбуждения мод фоо^Фог подтверждалась также измерениями коэффициентов возбуждения этих и соседних с ними аксиально-симметричных мод с помощью неоднократно описанного нами (см., например, [И]) метода количественного модового анализа, позволяющего в принципе, выделить любую моду из полного набора направляемых мод волокна и измерить ее мощность. Этой цели служит часть экспериментальной установки, изображенная на рис. 16 и состоящая из проекционной системы (микрообъектив Од, окуляр Ок и линза Л2) , пространственного фильтра ПФ2, Фурье-линзы Л3 и сопряженного с осциллографом линейного формирователя видеосигнала (ПЗС-линейка 1200ЦЛ1).

Применение метода количественного анализа мод в совокупности с описанным выше методом селективного возбуждения сделало возможным экспериментальное исследование зависимости коэффициентов возбуждения Kpi мод ф00. Феи и ф02 от нормированного по отношению к радиусу основной моды Wo радиального смещения возбуждающих пучков 6 (для использованного в эксперименте волокна w0 = = 5,6 мкм) . Полученные зависимости Kpl = f(6/w0) представлены на рис. 3. В процессе эксперимента торец волокна смещался относительно возбуждающего пучка с помощью прецизионного устройства, а величина смещения 6 измерялась под микроскопом. Кривые, проведенные сплошной линией, являются результатом теоретического расчета, выполненного на основе рекуррентных соотношений для коэффициентов возбуждения мод градиентного волокна, приведенных в [12].

Графики рис. 3 демонстрируют удовлетворительное качественное совпадение теоретических и экспериментальных данных. Причиной расхождения эксперимента и теории, также как и причиной,по которой оказалось невозможным селективное возбуждение мод с радиальным индексом 1 > 2, является, вероятно, отличие профиля показателя преломления использованного в экспериментах волокна от параболического, в силу чего моды волокна в действительности не являются точными модами Гаус-са-Лагерра.

Параллельно с экспериментами, описанными выше, селективное возбуждение мод Фоо^Фог было осуществлено также с использованием фазовых голограмм, изготовленных путем копирования амплитудных голограмм на фотопленку "Микрат-300" и отбеливания полученных копий в растворе отбеливателя R-10. Фазовая запись голограмм позволила увеличить их дифракционную эффективность в 4^5 раз, что привело, в свою очередь, к такому же росту светового потока на выходе из волокна. Размещение отрезка возбуждаемого волокна в одном из плеч интерферометра Маха-Цен-дера (рис. 4) сделало возможной одновременную регистрацию распределения интенсивности и фазы в возбужденных модах. Полученные таким образом распределения интенсивности и соответствующие им интерферограммы представлены на рис. 5.

Результаты настоящей работы свидетельствуют о перспективности использования синтезированных голограмм для селективного возбуждения мод в оптических волокнах. Дальнейший прогресс в этом направлении связан, по-видимому, с применением голограмм, синтезированных с учетом всех особенностей профиля показателя преломления используемого волокна.

a                                      ь

Рис. 2. Распределение интенсивности:

а) в поперечном сечении пучков формирующих моды; б) в ближнем поле выходного торца волокна при возбуждении пучками, представленными на фотографиях слева; в) в ближнем поле выходного торца в случае возбуждения всех направляемых мод

К pl

Рис. 3. ванного

Зависимости коэффициентов возбуждения мод К

от нормиро-

по отношению к радиусу основной моды Wo радиального смеще

ния возбуждающих пучков б:

Фоо; +

Фо 1; А

фоа

Рис. 4. Возбуждение волокна в схеме интерферометра Маха-Цендера: СВ₁, СВ_а - светоделительные кубики; ПФ - пространственный фильтр-голо грамма; 3i, З_а - зеркала; 0i? Оз - объективы (Oi -панкратический объектив с f = 9^27 мм); К - фотокамера

Фоо

фоа

а                                         б

Рис. 5. Результаты селективного возбуждения мод с помощью фазовых голограмм по схеме рис. 4:

• а) распределения интенсивности; б) соответствующие

им интерферограммы