Исследование зависимости параметров анизотропных одномодовых волоконных световодов от диаметра намотки

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПАРАМЕТРОВ АНИЗОТРОПНЫХ.
4. Asrul Izam Azmi, Ian Leung, Xiaobao Chen, Shaoling Zhou, Qing Zhu, Kan Gao, Paul Childs and Gangding Peng. Fiber Laser Based Hydrophone Systems // Photonic Sensors. — 2011. — V. 1. — № 3. — P. 210−221.
5. Артеев В. А., Варжель С. В., Куликов А. В. Распределенный волоконно-оптический датчик акустического давления на брэгговских решетках // Сборник трудов VII международной конференции молодых ученых и специалистов «0птика-2011». — СПб: СПбГУ ИТМО, 2011. — С. 509−510.
6. Варжель С. В., Стригалев В. Е. Метод устранения влияния сигнала помехи на чувствительность приема гидроакустической антенны на основе волоконных брэгговских решеток // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. — 2010. — № 5 (69). — С. 5−8.
7. Плотников М. Ю., Шарков И. А., Дейнека И. Г. Модификация схемы обработки данных фазового ин-терферометрического акустического датчика // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. — 2012. — № 5 (81). — С. 20−24.
8. Исламова Э. Ф., Куликов А. В., Плотников М. Ю. Компьютерное моделирование перекрестных помех в информационно-измерительном волоконно-оптическом приборе // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. — 2013. — № 5 (87). — С. 59−62.
Плотников Михаил Юрьевич
Куликов Андрей Владимирович
Стригалев Владимир Евгеньевич
Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант, plotnikov-michael@yandex. ru
Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, a. kulikov86@gmail. com Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат физ. -мат. наук, профессор, vstrglv@mail. ru
УДК 535. 55
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПАРАМЕТРОВ АНИЗОТРОПНЫХ ОДНОМОДОВЫХ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ ОТ ДИАМЕТРА НАМОТКИ С. М. Аксарин, С. В. Архипов, С. В. Варжель, А. В. Куликов, В.Е. Стригалев
Разработана экспериментальная установка, позволяющая проводить измерения линейных потерь в оптических волокнах методом вносимых потерь и й-параметра в анизотропных одномодовых волоконных световодах методом скрещенных поляризаторов. Проведено исследование величины линейных оптических потерь и й-параметра анизотропных одномодовых волоконных световодов в зависимости от диаметра намотки. В эксперименте диаметр намотки изменялся с шагом 2,5 мм в диапазоне диаметров 3−50 мм и с шагом 0,5 мм в диапазоне диаметров 3−10 мм. Исследования проведены для двулучепреломляющих оптических волокон с эллиптической напрягающей оболочкой с концентрацией легирования 0е02 4, 12 и 18 мол.%. На основе анализа полученных результатов выработаны рекомендации по допустимой величине диаметра изгиба анизотропных одномодовых волоконных световодов, применяемых в волоконно-оптических датчиках интерферометрического типа. Измеренные параметры являются усредненными значениями для изогнутого участка, так как контроль равномерности распределения механического напряжения и пространственной ориентации эллиптической напрягающей оболочки у образцов в ходе настоящего эксперимента не осуществлялся.
Ключевые слова: анизотропный одномодовый волоконный световод, намотка, оптические потери, й-параметр.
Введение
В современных волоконно-оптических датчиках (ВОД) интерферометрического типа широко применяются анизотропные одномодовые волоконные световоды (АОВС) [1, 2]. Наиболее критичным к параметрам АОВС типом ВОД являются волоконно-оптические гироскопы (ВОГ) [1, 3]. Разрабатываемые ВОГ повышенного класса точности создаются на основе АОВС с эллиптической напрягающей оболочкой [4]. При разработке конструкции ВОГ необходимо учитывать допустимые диаметры изгиба оптических волокон (ОВ). Изгиб АОВС приводит к увеличению линейных оптических потерь, взаимной перекачке энергии между ортогональными поляризационными модами и к увеличению шумовой составляющей в сигнале ВОГ соответственно.
Целью настоящей работы является исследование зависимости величины затухания и й-параметра АОВС от диаметра его намотки.
Исследование оптических потерь
В работе исследовались образцы АОВС, изготовленные по технологии [5, 6]. Параметры исследованных образцов АОВС указаны в таблице.
На основе информации, полученной при обзоре основных методик измерения, предложена оптическая схема измерения оптических потерь (рис. 1).
Наименования исследуемых образцов ESC-4 ESC-SP13 ESC-SP16
Диаметр сердцевины, мкм 9 6 5
Диаметр модового поля, мкм 7,64 4,96 4,68
Концентрации ве02, мол.% 4 12 18
Линейные потери, дБ/км 0,5 2,5 4,65
Длина биений, мм 2,25 1,6 1,8
й-параметр, 1/м 6 10−6 2 10−4 9 10−5
Таблица. Паспортные данные исследуемых типов АОВС
1
2
3
4
5
Рис. 1. Схема для измерения оптических потерь: 1 — источник излучения- 2, 4 — оптические разъемные коннекторы- 3 — исследуемый образец АОВС- 5 — измеритель оптической мощности (ИМ)
В эксперименте применен волоконный эрбиевый суперлюминесцентный источник оптического излучения (ОИ) (центральная длина волны 1,55 мкм, ширина спектра 25 нм). ОИ вводится через оптический коннектор FC-UPC в образец АОВС. Участок исследуемого АОВС наматывается на испытательную оснастку (рис. 2).
03
0,5
й
2,5
e
ж ^
V os
050
Рис. 2. Испытательная оснастка
Испытательная оснастка позволяет производить намотку волокна с диаметром намотки 3−50 мм. Шаг изменения радиуса составляет 2,5 мм при диаметрах 15−50 мм и 0,5 мм при диаметрах 3−10 мм. Измерения при большем или меньшем диаметрах намотки не проводились, так как при больших диаметрах изменение исследуемых параметров пренебрежимо малы, а при меньших происходит разрушение структуры волокна. Другой конец исследуемого волокна подсоединяется через оптический коннектор к измерителю оптической мощности, погрешность которого составляет ±0,15 дБ.
Для определения относительного изменения величины линейных оптических потерь было измерено значение мощности ОИ, проходящего через исследуемый образец, без его намотки на испытательную оснастку. Данные, полученные в результате измерений значений регистрируемой оптической мощности при различных диаметрах намотки образцов, позволили рассчитать линейные оптические потери исследуемых АОВС по формуле
& quot-=Ь (Р0))/
где, а — затухание сигнала, дБ/м- 1 Г — длина наматываемого участка, м- Р1 и Р0 — поступающие на измеритель мощности после намотки и до нее соответственно, Вт.
На основе рассчитанных значений построены зависимости линейных потерь сигнала на намотанном участке от диаметра последнего. На рис. 3 приведены графики для каждого образца соответственно.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПАРАМЕТРОВ АНИЗОТРОПНЫХ …
-450
-15
-350
?
в л
& lt-и н о к & lt-и Я
К «
и К В
ч
-250
-150
-50
-0,2
? В^
л
U
н о В
-0,1
л
В „
& lt-и В В
4
Диаметр намотки, мм
4 8 12 16 20 Диаметр намотки, мм б
4 8 12 16 20 Диаметр намотки, мм
Рис. 3. Зависимости линейных потерь от диаметра намотки для образцов: ЕЭС-4 (а) — Е8С-ЭР13 (б) —
ЕЭС-ЭР-т (в)
Основным фактором, определяющим потери, является соотношение глубины проникновения поля в оболочку и диаметра намотки, т. е. чем меньше Ап (разница показателей преломления сердцевины и оболочки), тем дальше заходит в оболочку „экспоненциальный хвост“, больше диаметр модового поля [7] и тем большее количество ОИ рассеивается в оболочке [8]. С этой теорией хорошо согласуются полученные зависимости линейных оптических потерь АОВС от диаметра их намотки.
Из таблицы видно, что диаметры сердцевин у исследуемых волокон разные, поэтому радиус кривизны изгиба области локализации ОИ различается, в результате эффект фотоупругости сильнее выражен в волокне с большей сердцевиной — Б8С-4.
Исследование А-параметра
Для измерения й-параметра АОВС была выбрана методика скрещенных поляризаторов [9, 10]. На рис. 4 представлена оптическая схема для измерения й-параметра АОВС в зависимости от диаметра намотки.
Рис. 4. Схема для измерения й-параметра: 1 — источник излучения- 2, 7 — оптические разъемные коннекторы- 3, 8 — коллиматоры- 4 — поляризатор- 5 — объектив- 6 — исследуемый образец АОВС со сколотым торцом- 9 — анализатор- 10 — фотоприемник- 11 — осциллограф
ОИ от эрбиевого суперлюминесцентного источника ОИ поступает в одномодовое волокно, проходит через коллиматор на поляризатор и через объектив попадает на входной торец исследуемого образца АОВС. Входной торец АОВС устанавливается в зажим, фиксирующий и предотвращающий вращение ОВ. Положение О В относительно фокуса объектива регулируется с помощью микропозиционера. ОИ распространяется по участку волокна, намотанному на испытательную оснастку, и с выходного торца АОВС, оконцованного коннектором типа FC-UPC, попадает на коллиматор, а из него на анализатор. Из анализатора ОИ попадает на фотоприемник. Выходной сигнал фотоприемника регистрируется осциллографом.
Изменение напряжения сигнала, регистрируемого с фотоприемника, прямо пропорционально изменению интенсивности ОИ, поступающего на его вход: ДЦ^-Д! Формула, выражающая значение h-параметра [1], имеет вид
dl
dL=(1)
где Ip — интенсивность моды с основной входящей поляризацией- Ic — интенсивность перекрестной моды- h — h-параметр- L — длина участка ОВ.
0
а
в
Учитывая (1), получаем й = у/Ь, где у — экстинкция,
и — и
ш=-^-^-.
и + и — 2и
с р см
Здесь исм — напряжение смещения фотоприемника, ир — напряжение, при котором на фотоприемник попадает только возбуждаемая поляризационная мода, а ис — напряжение, регистрируемое при взаимном расположении поляризаторов, при котором на фотоприемник попадает только поляризационная мода, ортогональная возбуждаемой.
Определение зависимости й-параметра от диаметра намотки АОВС производилось по формуле
(и- и) й,“» = -с-см---1
и с + ир — 2и с
1
где — экстинкция образца без намотки- /нам — длина намотанного участка. На рис. 5 показаны полученные зависимости.
0,1
0,05
& amp- а
& lt-и
а
& lt-и
а
л & amp-
а
0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005
11
0 20 40 60 Диаметр намотки, мм а
0 20 40 60 Диаметр намотки, мм б
0 20 40 60 Диаметр намотки, мм
Рис. 5. Графики зависимостей величины Л-параметра от диаметра намотки образцов: ЕЭС-4 (а) —
Е8С-ЭР13 (б) — Е8С-ЭР16 (в)
При уменьшении радиуса кривизны изгиба волокна увеличивается влияние эффекта фотоупругости [2]. В результате появления ярко выраженных флуктуаций показателя преломления на длине наматываемого участка волокна наблюдается повышенная перекачка ОИ из основной поляризационной моды в ортогональную. Эти преобразования приводят к увеличению значения й-параметра АОВС. С этим выводом хорошо согласуются полученные зависимости. Измеренные параметры являются усредненными значениями для намотанного участка, так как контроль равномерности распределения механического напряжения и пространственная ориентация эллиптической напрягающей оболочки у образцов в ходе настоящего эксперимента не осуществлялся.
Заключение
Проведено исследование зависимости линейных оптических потерь и й-параметра трех образцов анизотропных одномодовых волоконных световодов от радиуса намотки. Наименьшими значениями оптических потерь и й-параметра в намотанном состоянии обладает оптическое волокно Б8С-8Р16. Наиболее существенная разница исследуемых параметров наблюдается при диаметрах намотки меньше 40 мм, на основе чего выработаны рекомендации по допустимым диаметрам изгиба исследуемых анизотропных одномодовых волоконных световодов для волоконно-оптических датчиков интерферометрического типа. Полученные результаты могут служить основой для дальнейшего исследования путей улучшения характеристик анизотропных одномодовых волоконных световодов, а также для расчета конструкций волоконно-оптических датчиков, в которых применяются исследованные виды оптических волокон.
Работа выполнена в НИУ ИТМО при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (проект № 02. G25. 31. 0044).
в
СТАБИЛИЗАЦИЯ ФАЗОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИГНАЛА ФАЗОВОГО.
Литература
1. Lefevre H. The Fiber-Optic Gyroscope. — London: Artech House, 1992. — 313 p.
2. Окоси Т. Волоконно-оптические датчики. — Л.: Энергоатомиздат, 1991. — 256 с.
3. Мешковский И. К., Унтилов А. А., Киселев С. С., Куликов А. В., Новиков Р. Л. Качество намотки чувствительного элемента волоконно-оптического гироскопа // Изв. вузов. Приборостроение. — 2011. -Т. 54. — № 7. — С. 76−80.
4. Meshkovskii I.K., Strigalev V. Ye., Deineka G.B., Peshekhonov V.G., Volynskii D.V., Untilov A.A. Three Axis Fiber Optic Gyroscope: Development and Test Results // Gyroscopy and Navigation. — 2011. — V. 2. -№ 4. — P. 208−213.
5. Eron'-yan M.A. Method of fabricating fiber lightguides that maintain the polarization of the radiation // Russian Patent. — 2000. — № 2. — P. 155−359.
6. Bureev S.V., Dukel'-skii K.V., Eron'-yan M.A., Komarov A.V., Levit L.G., Khokhlov A.V., Zlobin P.A., Strakhov V.I. Processing large blanks of anisotropic single-mode lightguides with elliptical cladding // J. Opt. Technol. — 2007. — V. 74. — № 4. — P. 297−298.
7. Варламов А. В., Куликов А. В., Стригалев В. Е., Варжель С. В., Аксарин С. М. Определение оптических потерь при стыковке световодов с различным диаметром модового поля // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. — 2013. — № 2 (84). — C. 23−26.
8. Воронин В. Г., Долгалева К. П., Наний О. Е., Туркин А. Н., Щербаткин Д. Д., Хлыстов В. И. Интегральные потери в элементах волоконно-оптических линий связи. — М.: МГУ им. М. В. Ломоносова, 2000. — 22 с.
9. Котов О. И., Лиокумович Л. Б., Медведев А. В. Интерференционный метод измерения коэффициента экстинкции двулучепреломляющих волоконных световодов // Журнал технической физики. — 2007. -Т. 77. — № 5. — С. 102−103.
10. Ярив А., Юх П. Оптические волны в кристаллах. — М.: Мир, 1987. — 616 с.
Аксарин Станислав Михайлович — Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант, oskar2002@list. ru
Архипов Сергей Владимирович — Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант, thinkingcreature@yandex. ru
Варжель Сергей Владимирович — Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат физ. -мат. наук, научный сотрудник, vsv187@gmail. com
Куликов Андрей Владимирович — Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, ассистент, a. kulikov86@gmail. com
Стригалев Владимир Евгеньевич — Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат физ. -мат. наук, профессор, vstrglv@mail. ru
УДК 681. 787
СТАБИЛИЗАЦИЯ ФАЗОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИГНАЛА ФАЗОВОГО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА В УСЛОВИЯХ ИЗМЕНЕНИЯ
ТЕМПЕРАТУРЫ А. С. Алейник, И. Г. Дейнека, А. А. Макаренко, М. В. Мехреньгин, В.Е. Стригалев
Проведено программное моделирование фазовой характеристики волоконно-оптического гироскопа в пакете прикладных программ МЛТЬЛБ. Описан механизм искажения фазовой характеристики волоконно-оптического гироскопа, который заключается в изменении скорости выхода гироскопа на режим, что, в свою очередь, может быть вызвано изменением оптической мощности в системе при изменении температуры окружающей среды. Проведен поиск и теоретический анализ существующих методов стабилизации фазовой характеристики — использования фильтра с бесконечной фазовой характеристикой и программного управления коэффициентом усиления фотоприемного устройства. Установлено, что имеющиеся методы не решают поставленной задачи, так как не устраняют первопричину возникновения искажений фазовой характеристики сигнала волоконно-оптического датчика. Разработан новый метод стабилизации фазовой характеристики сигнала фазового волоконно-оптического датчика. Метод основан на введении нормировки разностей показаний аналого-цифрового преобразователя, несущих полезный сигнал о скорости вращения. Проведено экспериментальное исследование задержек в приборе БИМ-3 при изменении температуры в диапазоне 25−29°С. Результаты исследования показали уменьшение максимальной величины задержки в 4 раза и уменьшение диапазона изменения величины задержки с 280 до 7 мкс при введении нормировки. Ключевые слова: волоконно-оптический гироскоп, фазовая характеристика, фильтр с бесконечной импульсной характеристикой, нормировка.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой