6.1.1. ОВ с малым двулучепреломлением

6.1.2. АОВ с большим двулучепреломлением

6.1.2.1. АОВ с эллиптической сердцевиной

6.1.2.2. АОВ с эллиптической 'напрягающей' оболочкой

6.1.2.3. АОВ типа 'галстук-бабочка'

6.1.2.4. АОВ типа 'PANDA'

6.1.3. Поляризующие волокна

Свет, распространяющийся в одномодовых волокнах, можно представить в виде суммы двух поляризационных мод. Каждая поляризационная мода распространяется параллельно оси волокна со своим значением фазовой и групповой скорости. Фазовый фронт у мод плоский, а нормаль к плоскости фазового фронта параллельна оси волокна. Пространственное распределение полей у поляризационных мод волокна одинаковое (гауссово), а отличаются они тем, что поляризованы они ортогонально, как это видно из рис. 6.1. В идеальном ОВ эти моды должны распространяться с одинаковыми скоростями, т.е. должны быть вырождены.

Рис. 6.1. Распределение интенсивности (I(r)~exp[-2r²/(w/2)²]) и направление электрического поля Е в поляризационных модах волокна: 1 – сердцевина, 2 – оболочка, w – диаметр модового пятна, 2а – диаметр сердцевины

Однако в реальном световоде возможны некоторые дефекты: эллиптичность сердцевины, несоосность ее с осью волокна, микроизгибы, различные неизотропные напряжения, лежащие в плоскости перпендикулярной оси ВС, неоднородности по длине волокна и т.д. Все эти дефекты приводят к разным скоростям распространения ортогональных по поляризации мод, причем фазовые скорости этих мод обратно пропорциональны их ПП. Вследствие этого между поляризационными модами возникает фазовая задержка R (разность фазовых набегов мод). Длина ОВ, на которой фазовая задержка равна 2 , называется длиной биения. У современных ОВ высокого качества длина биения колеблется от 10 см до нескольких метров. Поэтому можно говорить о присущем ОВ двулучепреломлении (ДЛП), которое записывается как:

В = l / L_б = 1,55´10^-4 / (10¸500) = 1,5´10^-5 …3´10^-7 (6.1),

где В –ДЛП, представляющее собой разность ПП двух поляризационных мод (Dn=n_медл. – n_быст.), L_б - длина биения на длине волны l. Таким образом, в телекоммуникационных ОВ Dn мало по сравнению с разностью ПП материалов сердцевины и оболочки, поэтому о поляризационной дисперсии в ОВ говорят только при больших скоростях передачи (> 10 Гбит/с). Однако передавать на значительные расстояния поляризованное, в частности, линейно-поляризованное излучение по телекоммуникационным ОВ нельзя.

Существует два различных подхода к созданию ОВ, сохраняющих поляризацию излучения: это волокна с малым ДЛП (соответственно большой длиной биения) и волокна с большим ДЛП, которое значительно больше ДЛП, свойственного обычному ВС.

6.1.1. ОВ с малым ДЛП

Для получения ВС с малым ДЛП (так называемые LB - “low-bie” -low birefrence) возможны два пути:

усовершенствование технологии и повышение качества ОВ, однако, это очень сложный путь. Рекорд англичан, установленные около 20 лет назад и не побитый на сегодняшний день, составляет - L_б ~ 120 м;

вращение заготовки при вытяжке волокна. При этом, во-первых, происходит значительное усреднение по углу поворота ПП сердцевины и оболочки, напряжений из-за разных КЛТР материалов сердцевины и оболочки и т.д. Кроме того, возникает циркулярная составляющая, которая приводит к компенсации влияния неоднородности. Так, если на первой четверти периода одна из поляризационных мод опережает другую, то на второй четверти периода вторая поляризационная мода опережает первую и т.д. В результате фазовая задержка нарастает с длиной ВС не линейно, а примерно как корень квадратный из длины ОВ.

Установки и методы вытяжки волокна из вращающейся заготовки были разработаны как за рубежом, так и в ФИРЭ РАН. Скорость вращения составляла ~1500 об/мин, и при скорости вытяжки 7,5…15 м/мин. один оборот приходился на длину волокна 0,5...1 см.

Фазовая задержка вызывает на исследуемом отрезке ОВ преобразование линейно-поляризованного света в эллиптический (когда конец вектора напряженности электрического или магнитного поля в фиксированной точке пространства описывает эллипс). Измеряя интенсивности компонент излучения, поляризованных вдоль главных осей эллипса, можно определить величину фазовой задержки и оценить качество ОВ с малым ДЛП. Для измерения требуется узкополосный источник света, два линейных поляроида и приемник с высокой чувствительностью и большим динамическим диапазоном принимаемого сигнала. Свет от источника проходит через поляризатор на входе ОВ, через исследуемое волокно и линейный анализатор на выходе. Для каждого значения угла j поворота поляризатора можно, вращая анализатор, измерить максимальную (I_max) и минимальную (I_min) интенсивности света и построить функцию видности – V(j), которая определяется формулой (6.2)

(6.2)

Функция видности связана с фазовой задержкой R простым соотношением

(6.3)

Экспериментальные значения функции видности, перенесенные на полярную диаграмму, имеют вид, показанный на рис. 6.2. Ввиду того, что для хороших ОВ с малым ДЛП функция видности мало отличается от единицы, масштаб полярной диаграммы от ее середины значительно изменен. Видно, что для приведенных образцов R = 3…8, т. е.L_б =120…45 м. Типичные параметры ОВ с малым ДЛП и длиной ~ 4 м составляли R_max » 4^о, амплитуда колебаний фазовой задержки по периоду скрутки ~3^о, потери на длине волны 1,3 мкм не более 2 дБ/км. Это очень хорошие результаты.

Внешние воздействия – механические, электрические, магнитные – создают в ОВ с малым ДЛП наведенное ДЛП, что используется для создания чувствительных датчиков различных физических воздействий.

Рис. 6.2. Зависимость функции видности от угла φ при различных фазовых задержках R: 1 - 8⁰, 2 - 6⁰, 3 - 3⁰

6.1.2. АОВ с большим ДЛП

Существуют два типа подобных ОВ (анизотропных оптических волокон – АОВ), которые в литературе часто обозначаются как НВ-волокна (high-bie) и в которых:

-ДЛП обусловлено эллиптической формой сердцевины;

-ДЛП обусловлено анизотропией напряжений в круглой сердцевине.

Рис. 6.3. Структура АОВ с круглой сердцевиной: а) – с «напрягающей» эллиптичной оболочкой, б) – типа «галстук-бабочка»,в)– типа «PANDA» 1-германосиликатная сердцевина, 2-буферная оболочка, 3-напрягающие элементы, 4-технологическая кварцевая оболочка

К последним волокнам относятся АОВ с эллиптической "напрягающей" оболочкой, АОВ типа "галстук-бабочка" и АОВ типа "PANDA", схематическое изображение которых приведено на рис. 6.3

6.1.2.1. АОВ с эллиптической сердцевиной

В этих ОВ имеет место разность геометрического пути распространения двух ортогонально поляризационных мод, а именно - путь, проходимый поляризационной модой вдоль малой оси эллипса (соответственно время распространения этой моды) меньше чем вдоль большой оси. Поэтому малая ось часто называется «быстрой», а большая ось – «медленной». Разность постоянных распространения поляризационных мод (∆β) приближенно выражается следующими уравнениями:

∆β ≈ 0,2×k₀×(a/b -1)×(∆n²) при (a/b -1) «1 (6.4)

∆β ≈ 0,25×k₀×(∆n²) при (a/b -1) <6 (6.5)

где k₀=2π/λ, ∆n- разность ПП материалов сердцевины и оболочки, a и b - величины полуосей эллиптической сердцевины.

На рис. 6.4а показано поперечное сечение такого ОВ, в на рис. 6.4б приведена зависимость величины ДЛП от отношения главных осей эллипса. Видно, что при a/b> 3¸4 ДЛП меняется мало. Установлено, что в реальном АОВ данного типа помимо ДЛП, связанного с геометрической анизотропией сердцевины (В_с), существует ДЛП (В_S), обусловленное термоупругими напряжениями, которые возникают из-за разности составов материалов оболочки и сердцевины, в частности от концентрации GeO₂ в сердцевине_.. При увеличении относительной разности ПП (∆) до 4,3 % длину поляризационных биений удалось уменьшить до 0,75 мм.

Рис. 6.4. Форма ОВ с эллиптичной сердцевиной (а) и зависимость ДЛП от отношения осей в эллиптичной сердцевине (б).

1 – сердцевина, 2 – светоотражающая оболочка, 3 – технологическая оболочка

Наиболее распространенными методами получения заготовок АОВ с эллиптической сердцевиной являются метод сжатия трубки в штабик-заготовку при пониженном давлении (рис. 6.5) и метод шлифовки исходной круглой заготовки с двух противоположных сторон. При последующем зонном нагреве шлифованная заготовка, имеющая снятые «лыски» или прорезанные канавки, приобретает снаружи опять круглую форму, но при этом происходит внутренняя деформация сердцевины в виде эллипса.

Рис. 6.5. Схема установки для «схлопывания» трубки при пониженном давлении («под разряжением»): 1 - опорная трубка, 2- слой осажденного стекла, 3 – вентиль, регулирующий вакуум, 4 – вакуумная камера, 5 – U-образный манометр, 6 – горелка

В первом случае внутри трубки с осажденным слоем SiO₂-GeO₂, формирующим сердцевину, создается пониженное давление за счет присоединения выходного конца трубки к вакуумному насосу. Величина давления регулируется с помощью вакуумного вентиля. На рис. 6.6 приведена зависимость эллиптичности сердцевины, которая определяется как

(6.6),

где a и b – большая и малая полуоси эллипса, от величины разряжения при "сжатии" труб с различной геометрией. Видно, что эллиптичность растет с увеличением разряжения (т.е. с уменьшением давления) и с уменьшением толщины стенки трубки. Концентрация GeO₂ составляла ~15% масс () и вызвана сильной зависимостью ДЛП от n (разности ПП сердцевины и оболочки), которая, в свою очередь, определяется концентрацией легирующего компонента.

Метод шлифовки более прост, легче управляем и эллиптичность сердцевины растет с увеличением глубины шлифовки, тем не менее довольно сложно обеспечить стабильную форму сердцевины. Параметры АОВ диаметром 125 и/или 80 мкм, вытянутых из заготовок, полученных данным методом, и покрытых pfobnyjq эпоксиакрилатной оболочкой толщиной ~ 40 мкм, составляли: потери 4,5…5,0 дБ/км на λ = 0,85 и 2,5…4 дБ/км на λ = 1,55 мкм, степень поляризации 95-96%, длина биения 3-7 мм, n » (10…20)´10^-3.

Рис. 6.6. Зависимость эллиптичности германосиликатной сердцевины

(С_GeO2 ~ 15 мол. %) от величины разряжения для труб с различной геометрией: d _нар.=13,5 мм и h_стенки = 2,6 мм, 2 - d _нар.=12,8 мм и h_стенки =2,8 мм, 3- d _нар.=11,0 мм и h_стенки =3,9 мм

Несмотря на перечисленные свойства и простоту технологии, данные световоды имеют существенные недостатки: потери в этих волокнах существенно выше, чем в АОВ с круглой сердцевиной; некруглая сердцевина усложняет стыковку данных АОВ с обычными телекоммуникационными ОВ и АОВ с эллиптической сердцевиной имеют неоднородные напряжения с большими тангенциальными компонентами, поэтому собственное состояние поляризации в них эллиптическое и, следовательно, они бесперспективны для передачи линейно-поляризованного света.

6.1.2.2. АОВ с эллиптичной "напрягающей" оболочкой

В этих ОВ ДЛП создается за счет анизотропии напряжений, вызываемой формой так называемой «напрягающей» оболочки (рис. 6.3 а). ДЛП в АОВ этого типа описывается следующим уравнением:

(6.7),

где С- фотоупругая постоянная, Е – модуль Юнга и - коэффициент Пуассона для кварцевого стекла, - разность КЛТР материалов "напрягающей" оболочки и кварцевого стекла, Т= Т_{f н.о..}-Т_ком. - разность температуры размягчения материала оболочки и комнатной температуры, - эллиптичность оболочки (6.4). Таким образом, величина ДЛП зависит как от свойств материала оболочки, так и от ее геометрии. Поскольку с ростом концентрации легирующего компонента увеличивается, а Т уменьшается, то имеет значение их произведение, которое входит в уравнение (6.7). На рис. 6.7 приведены зависимости произведения ×Т от относительного изменения ПП кварцевого стекла при его легировании оксидом бора (1) и диоксидом германия (2). Видно, что легирование бором дает значительно большее увеличение указанного произведения, поэтому для формирования "напрягающей" оболочки или "напрягающих" элементов используется боросиликатное стекло, причем увеличение концентрации легирующего компонента ведет к росту ДЛП. Если необходимо создать "компенсированную", "напрягающую" оболочку, ПП которой близок к ПП чистого кварцевого стекла, то проводят одновременно легирование стекла оксидом бора и диоксидом германия.

Рис. 6.7. Зависимость произведения (Δα×ΔТ)×10⁴ от относительного изменения разности ПП легированного и чистого кварцевого стекла: 1 - боросиликатное стекло, 2 – германосиликатное стекло.

Эллиптичность оболочки зависит от характера шлифовки, глубины шлифовки и соотношения R_заг/R_об. Возможны и реализованы следующие методы шлифовки: плоская шлифовка, выборка полукруглого паза, прорезание канавок с двух противоположных сторон и их последующее растравливание в плавиковой кислоте. Глубина шлифовки увеличивает эллиптичность, эллиптичность увеличивается также с увеличением отношения R_заг/R_об. Прорезание канавок снижает потери стекломассы и повышает производительность изготовления АОВ.

Описанный способ изготовления АОВ с эллиптической оболочкой характеризуется относительной простотой, высокой воспроизводимостью поляризационных свойств за счет возможности прецизионной шлифовки и хорошими свойствами АОВ: потери 2,5…3,5 дБ/км на λ=0,85 и <1 дБ/км на λ=1,3 мкм, длина биения <3 мм на λ=0,85 мкм и <5мм на λ=1,3 мкм.

6.1.2.3. АОВ типа ”галстук-бабочка”

Структура АОВ данного типа приведена на рис. 6.3 б. Проведенный анализ распределения напряжений в сердцевине показал, что структура АОВ, оптимальная с точки зрения создания наибольшего ДЛП, должна:

- иметь два сектора из легированного кварцевого стекла, симметрично расположенных с обеих сторон сердцевины, при этом угол сектора должен составлять 90^оС, а наружный радиус «напрягающего» сектора (θ) – 0,75 от наружного радиуса АОВ (рис. 6.8.в);

- внутренний радиус сектора должен быть как можно меньше, но это ограничивается требованием окружить сердцевину буферной оболочкой, которая должна исключить поглощение света оксидом бора в «напрягающей» оболочке и обеспечить малые потери.

Технология изготовления заготовок АОВ типа «галстук-бабочка» методом MCVD включает в себя следующие операции:

осаждение на внутреннюю поверхность опорной трубки слоев защитной оболочки (SiO₂-P₂O₅-F)

осаждение слоев боросиликатного или германоборосиликатного стекла на (SiO₂-B₂O₃-GeO₂), формирующих «напрягающую» оболочку;

травление «напрягающей» оболочки при подаче в трубку фторагента (например, SF₆) и азимутально-неоднородном нагреве трубки;

осаждение слоя буферной оболочки (SiO₂ или SiO₂- P₂O₅-F),

осаждение слоя германосиликатного стекла, формирующего сердцеви ну;

сжатие трубки в штабик-заготовку, при этом остатки «напрягающей» оболочки формируют «напрягающие» сектора (рис. 6.8).

Возможны два способа азимутально-неоднородного нагрева, показанных на рис. 6.8:

нагрев с помощью двух горелок, перемещающихся вдоль не вращающейся трубки;

нагрев вращающейся трубки горелкой при использовании тепловых экранов, в частности из кварцевого стекла, которые устанавливаются на этапе травления напрягающей оболочки. Первый способ предложен англичанами, а второй в ФИРЭ РАН. По нашему мнению, второй способ более оптимальный, так как позволяет легче регулировать зону нагрева за счет угла экранов и их толщины и обеспечивает равномерность зоны нагрева по длине трубки. При азимутально-неоднородном нагреве травление оболочки происходит более энергично в области более высокой температуры и на внутренней поверхности трубки остаются лишь участки "напрягающей" оболочки, которые после "схлопывания" трубки и формируют "напрягающие" сектора в заготовке.

Рис.6.8. Схема процессов азимутально-неоднородного газового травления с использованием двухсопельной горелки (а) и тепловых экранов (б), структура АОВ типа «галстук-бабочка»: 1- горелка, 2- кварцевая трубка, 3- защитная оболочка, 4- «напрягающая» оболочка, 5- тепловые экраны, 6- сердцевина.

На рис.6.9. приведены профили ПП вдоль направлений «X» и «Y» одной из подобных заготовок. Видно, что вдоль одной оси (Х) имеется "депрессированная" "напрягающая" оболочка, а вдоль другой оси (Y) она отсутствует.

Параметры таких АОВ составляли: потери - менее 1дБ/км на длинах волн 1,3 и 1,55 мкм, величина <3мм, а величина h – параметра (параметра сохранения поляризации) – 5×10^-5…5×10^-6 м^—1 (для сравнения величина h-параметра для АОВ с эллиптической «напрягающей» оболочкой составляет 10^-4…10^-5 м^-1). Заметим, что параметр сохранения поляризации (h) является одним из важнейших параметров АОВ, т.к. он показывает какая часть мощности света может перекачиваться из одной поляризационной моды в другую при распространении света по ОВ, т.е.

P_y / P_x ≈ h×L (6.8),

где L – длина волокна. Хотя h-параметр непосредственно не связан с величиной модового ДЛП, тем не менее с ростом ДЛП величина h-уменьшается.

Рис.6.9. Профили ПП в направлениях «х» (сплошная линия) и «y» (пунктирная линия) в заготовке АОВ типа «галстук-бабочка»: 1- сердцевина, 2- буферная оболочка, 3- «напрягающая» оболочка, 4- кварцевая оболочка, 5- технологическая кварцевая оболочка

6.1.2.4. АОВ типа "PANDA"

АОВ типа "PANDA", схематически изображенное на рис. 6.6 в, отличается от АОВ типа "галстук-бабочка" только формой "напрягающих" элементов и способом изготовления, а идеология является одинаковой. Получение заготовок АОВ типа "PANDA" включает в себя следующие этапы:

получение материнской заготовки, содержащей сердцевину будущего АОВ,

«жакетирование» материнской заготовки с целью увеличения кварцевой технологической оболочки,

изготовление заготовок, центральная часть которых сформирована боросиликатным стеклом. Эти заготовки и являются исходным материалом для "напрягающих" элементов,

формирование отверстий в материнской заготовке для боросиликатных штабиков (например, сверлением).

Материнская заготовка с вставленными в нее боросиликатными штабиками, у которых сошлифована или стравлена основная масса кварцевой технологической оболочки, перетягивается в волокно на вытяжной установке.

Иногда для формирования исходной заготовки используют метод сборки, когда в центр опорной кварцевой трубки вставляют перетянутую материнскую заготовку, а вокруг нее с диаметрально- противоположных сторон располагают два боросиликатных штабика, а свободное пространство в трубке заполняют кварцевыми штабиками.

В таблице 6.1. приведены геометрические параметры и оптические характеристики АОВ типа "PANDA", полученные японскими учеными.

Таблица 6.1 Геометрические параметры и оптические характеристики АОВ "PANDA"

Приведенные параметры свидетельствуют об очень высоком качестве данных АОВ. Отметим также, что величина уменьшается с уменьшением диаметра волокна, так для АОВ диаметром 125 мкм h-параметр будет составлять ~ 10^-6 м^-1, а для d_вол. = 80 мкм h-параметр ~ 10^-5 м^-1 и т.д.

6.1.3. Поляризующие волокна

Волокна с большим ДЛП (в первую очередь, «PANDA» и "галстук-бабочка") обладают возможностью распространения только одной поляризационной моды. Условием распространения в световоде моды с эффективным ПП-n_эф. является

n_об<n_эфф<n_сер (6.9),

где n_об и n_сер – ПП материалов оболочки и сердцевины соответственно. Величина n_эфф определяется величиной нормализованной частоты V, и при больших значениях V поле моды практически заключено в сердцевине волокна, а при малых значения V мода, в основном распространяется в оболочке. В промежуточных случаях, в зависимости от величины V, поле моды в большей или в меньшей степени «вытекает» в оболочку. Как уже отмечалось ранее, АОВ характеризуется анизотропией ПП в направлении главных осей ДЛП. Поэтому условия распространения ортогонально поляризационных мод в направлениях «Х» и «У» будут различными и возможны случаи, когда одна мода будет вытекать в оболочку, а вторая мода будет распространяться в волокне. Это видно из рис.6.10, где приведены зависимости эффективного ПП от нормализованной частоты для поляризационных мод в направлениях "Х" и "Y" АОВ, имеющего ДЛП за счет анизотропии напряжений. При V<1,2 < и «У-мода» вытекает, а для «Х-моды» > и она распространяется в волокне.

Были предложены различные пути реализации однополяризационного режима работы АОВ, например:

· за счет создания в оболочке в направлении «Х» областей (ям) с меньшим ПП, чем в направлении «У»,т.е.

< < n_сер и n_сер - > n_сер - (6.10),

· за счет выбора материала "напрягающих" элементов в АОВ типа «PANDA», ПП которых (n_нэ) лежит между эффективным ПП двух поляризационных мод, т.е. < n_нэ <

· за счет работы при значениях V меньших V_кр, которое обуславливает соотношение < и т.д.

·

Рис. 6.10. Зависимости эффективных ПП от нормализованной частоты для поляризационных мод в направлениях «Х» и «Y» АОВ, имеющих ДЛП за счет анизотропии напряжений: а – теоретически предсказанное вытекание, b – экспериментально наблюдаемое вытекание

Для иллюстрации работы «поляризующих» световодов, на рис.6.11 приведены спектральные зависимости потерь для двух поляризационных мод с вектором поляризации в направлении «Х» и «У». Видно, что при коротких длинах волн потери в этих модах совпадают, но при > 0.75 мкм потери различаются и при =0,83 мкм составляют ~55 дБ/км для моды «Y» и ~ 3 дБ/км для моды «Х». Отрезки поляризующих световодов могут использоваться как волоконно-оптические поляризаторы.

Рис. 6.11. Спектральные зависимости полных потерь для «Х» и «Y» поляризационных мод в АОВ типа «галстук-бабочка»