Возбуждение мод ступенчатого волновода с помощью бинарных фазовых ДОЭ

• 1.    Введение

• 2.    Синтез формирующих бинарных фазовых моданов

Задачи измерения распределения мощности по поперечным модам когерентного излучения в волоконных световодах и возбуждения в световоде заданных поперечных мод или их групп имеют практическое значение для разработки и исследования волоконных лазеров, датчиков, линий волоконнооптической связи [1]. В работах [1,2] для решения этих задач предложены фазовые дифракционные оптические элементы, согласованные с модами лазерного излучения, - МОДАНы.

В работе [3] исследована возможность возбуждения He-Ne лазером с длиной волны 0,6328 мкм низших мод с помощью итеративно рассчитанных многоградационных ДОЭ в промышленно выпускаемых одномодовых волокнах, предназначенных для организации оптической связи на длине волны 1,3 – 1,55 мкм. Нормированная частота V = ka^n 2 - n 2 , где k - волновое число, a - радиус сердечника, n 1 , n 2 - показатели преломления сердечника и оболочки, соответственно, при изменении длины волны возрастает примерно с 2 до 5, и по количеству мод N =0,5 V ² волокно становится маломодовым. В работе [3] были возбуждены и исследованы основная мода и мода, следующая за основной. Также была исследована зависимость поперечномодового состава от условий возбуждения. Данная работа посвящена исследованию возможности формирования мод ступенчатого оптоволокна с помощью бинарных фазовых МОДАНов.

Для формирования пучков с высоким содержанием низших мод были рассчитаны и изготовлены бинарные ДОЭ (МОДАНы), фазовые функции которых (Рис.1) соответствовали фазовым распределениям мод.

На Рис.2 представлены распределения интенсивности Гауссова пучка, прошедшего через бинарный фазовый модан, в дальней зоне.

а)                         б)

Рис. 1. Фазовые функции изготовленных ДОЭ (черный цвет соответствует значению фазы 0, белый - п )

• а)                       б)

• 3.    Селективное возбуждение заданных мод и их исследование на выходе волокна

Рис. 2. Распределения интенсивности, формируемые бинарными моданами в дальней зоне при освещении их Гауссовым пучком (результат численного эксперимента): a- для элемента, фазовая функция которого представлена на рис. 1a, б - для элемента, фазовая функция которого представлена на рис 1б.

Бинарные ДОЭ, фазовые функции которых представлены на Рис.1, были изготовлены с помощью технологии электронной литографии. Способность изготовленных ДОЭ формировать распределение, близкое к расчетному (Рис.2), исследовалась также в ходе натурного эксперимента.

Результаты натурного эксперимента показали хорошее соответствие с численными результатами, что свидетельствует о высоком качестве реализации бинарного рельефа.

Для экспериментального исследования возможности возбуждения мод ступенчатого волновода с помощью изготовленных бинарных эле- ментов была собрана оптическая схема (см. Рис.3), включающая два микрообъектива для ввода и вывода излучения, два МОДАНа - формирующий и анализирующий (в качестве анализирующего МОДАНа использовался амплитудный корреляционный фильтр, описанный в [3]) , а так- же Фурье - преобразующий объектив (L1). Для повышения степени поляризации излучения лазера в схему дополнительно включалась полуволновая пластина.

Внешний вид установки приведен на Рис 4.

Рис.4. Внешний вид установки

Использованный волоконный световод производства Corning Glas SMF 28 имеет следующие параметры n 1 =1,4619, n 2 =1,457, d =2 a =8,3 мкм, длина световода около 2 м. Нормированная частота V в таком волокне для λ =0,63 мкм около 5, поэтому радиус перетяжки основной моды ω 0 близок к радиусу сердечника, следовательно, расходимость основной моды θ = λ / πω 0 около 0,05. Методика постановки эксперимента по возбуждению низших мод ступенчатого волновода с помощью фазовых ДОЭ, согласования радиусов модовых пучков и юстировки соответствующей оптической схемы подробно описана в работе [3]. На рисунках 5-7 представлены результаты натурного эксперимента, поставленного с помощью экспериментальной установки, схема которой приведена на Рис.3. На Рис.5 приведены распределения интенсивности на выходе волокна (положение камеры 1) при возбуждении двух мод низших порядков с помощью соответствующих мода-нов (Рис.1).

Результаты измерения поперечно-модового состава излучения на выходе волновода с помощью корреляционного фильтра (Рис.6a,б) демонстрируют высокое содержание требуемых мод: 6 a - для элемента, фазовая функция которого представлена на рисунке .1a и 6б - для элемента, фазовая функция которого представлена на Рис.1б.

Рис. 3. Оптическая схема установки для анализа и формирования поперечных мод в волоконном световоде

• а)                 б)

Рис. 5. Распределения интенсивности на выходе волокна, замеренные при возбуждении мод с помощью бинарных ДОЭ (соответствует положению 1 камеры на Рис.3): a- для элемента, фазовая функция которого представлена на Рис.1a, б - для элемента, фазовая функция которого представлена на Рис.1б.

• а)                 б)

Рис. 6. Распределения интенсивности в выходной плоскости корреляционного фильтра (соответствует положению 2 камеры на Рис.3): a- для элемента, фазовая функция которого представлена на Рис.1a, б - для элемента, фазовая функция которого представлена на Рис.1б.

Известно, что распределение комплексной амплитуды низших мод ступенчатого радиальносимметричного волновода хорошо аппроксимируется гауссовыми модовыми функциями соответствующих порядков [3,4]. Моды Гаусса не меняют своей структуры при прохождении через Фурье- каскад. Таким образом, устойчивость структуры пучков к прохождению через Фурье-каскад (Рис.5,7) подтверждает их модовый характер.

• а)                          б)

Рис. 7. Распределения интенсивности мод вышедших из волокна, замеренные в дальней зоне (соответствует положению 2 камеры на Рис.3 в отсутствии корреляционного фильтра): a- для элемента, фазовая функция которого представлена на Рис.1a, б - для элемента, фазовая функция которого представлена на Рис.1б.

В целом, поставленные эксперименты демонстрируют возможность селективного возбуждения мод ступенчатого волновода с помощью бинарных фазовых ДОЭ.

Заключение

В данной работе исследована возможность применения бинарных фазовых МОДАНов для селективного возбуждения мод ступенчатого волновода. Про- изведено селективное возбуждение в волоконном световоде мод низшего порядка, отличных от основной, с помощью бинарных фазовых МОДАНов.