Механизмы межмодового взаимодействия в микроструктурированном полимерном оптическом волокне с эквивалентным градиентным профилем показателя преломления

УДК 535:621.372.8

Г.А. Суркова, Д.А. Конкин, А. Бахманн

Механизмы межмодового взаимодействия в микроструктурированном полимерном оптическом волокне с эквивалентным градиентным профилем показателя преломления

Представлены результаты исследования трансформации формы импульса в микроструктурированном полимерном оптическом волокне с градиентным эквивалентным профилем показателя преломления. Выполнены измерения ширины углового спектра выходного излучения в дальней зоне и коэффициента затухания при различных условиях возбуждения волокна. Результаты позволяют оценить уровень межмодового взаимодействия и определить длину установившейся связи мод.

Ключевые слова: многомодовое оптическое волокно, микроструктурированное волокно, межмодовая связь.

Введение

В течение последних десяти лет при решении проблемы увеличения пропускной способности волоконно-оптических линий связи повышенный интерес разработчиков вызывает новый класс волноводных систем, а именно микроструктурированные полимерные оптические волокна (мПОВ). Характерной особенностью функционирования мПОВ является передача оптического сигнала по сплошной или полой сердцевине волокна, окруженной системой расположенных вдоль оси волокна воздушных каналов [1]. Изменение структуры поперечного сечения волокна оказывает влияние на свойства мПОВ, что, в свою очередь, позволяет решать широкий круг задач нелинейной оптики, сенсорики и высокоскоростной передачи информации.

В данной работе представлены результаты исследования трансформации формы импульса в мПОВ с градиентным эквивалентным профилем показателя преломления. Выполнены измерения ширины углового спектра выходного излучения в дальней зоне и коэффициента затухания при различных условиях возбуждения волокна. Полученные данные позволяют косвенно оценить уровень межмодового взаимодействия и определить длину установившейся связи мод.

Описание экспериментальной установки

Структурная схема экспериментальной установки представлена на рис. 1 [2]. В качестве источника излучения был использован полупроводниковый лазер с рабочей длиной волны Х=653,5 нм. Необходимая точность юстировки всех элементов оптической системы достигалась применением дополнительной ПЗС-камеры. В качестве измерительной аппаратуры был использован измерительный комплекс LEPAS-11, позволяющий измерять распределение оптического поля в дальней зоне. При измерении коэффициента затухания мПОВ комплекс LEPAS-11 заменялся на интегрирующую сферу и оптометр UDT S390.

мПОВ

ППЛ

Рис. 1. Структурная схема автоматизированной экспериментальной установки: 1 - лазерный диод; 2 - коллиматор; 3 - светоделительный кубик; 4 - диафрагма; 5 - микрообъектив; 6 - ПЗС-камера с монитором; 7 - LEPAS-11 (Optical Beam Measurement System), оптометр UDT S390 или оптический стробоскопический осциллограф Hamamatsu OOS-OI

Измерение трансформации формы импульса потребовало замены источника излучения на импульсный лазер PicoQuant PDL 800 (длина волны X = 650 нм, пиковая мощность импульса ~ 200 мВт) в паре со съемным оптическим аттенюатором 3 дБ. В качестве измерительной аппаратуры в этом случае был использован оптический стробоскопический осциллограф (Hamamatsu 00S-01) и цифровой генератор импульсов (Stanford Research Systems DG535), необходимый для формирования стробирующих импульсов.

В рамках настоящего исследования выполнены измерения параметров передачи мПОВ с эквивалентным градиентным профилем показателя преломления. Микрофотография поперечного среза волокна представлена на рис. 2. Измерение всех исследуемых параметров производилось методом обрыва (cutback method) [1].

Результаты измерений и их анализ

На рис. 3, а представлены семейства кривых, иллюстрирующих трансформацию числовой апертуры выходного сигнала от длины волокна при различных условиях возбуждения. Представленные характеристики получены на основе измерения ширины углового распределения выходного излучения в дальней зоне по 5% уровню. Необходимо отметить, что при возбуждении мПОВ пучком с минимальным значением угловой апертуры, величина угловой апертуры выходного излучения практически не менялась с ростом длины волокна. Такое поведение рассматриваемой зависимости может указывать на слабую связь мод низших порядков с модами более высокого порядка.

Рис. 2. Фотография поперечного среза исследуемого мПОВ

0,125

0,100

0,075

3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5

Зату  ^хани е, дЕ >/м

-•- NA=0.05 -о- NA=0.07 -л- NA=0.10 --NA=0.17 --NA=0.32 --NA=0.59 —

\

\ 4

У L ¿С: К. -А.

-

у/ / •-

\ Длин а вол юкна , м

10 15 20 25 5 10 15 20 25

а б

Рис. 3. Трансформация числовой апертуры выходного сигнала

5

На рис. 3, б представлены семейства кривых, характеризующих изменение коэффициента затухания от длины линии при различных условиях возбуждения мПОВ. При возбуждении мПОВ световым пучком с широкой угловой апертурой в спектре волноводных мод присутствует множество вытекающих мод и мод высших порядков. Кроме того, нельзя исключать возбуждения мод, направляемых внешней границей раздела воздух-полиметилметакрилат (ПММА). Как известно, волноводные моды высокого порядка испытывают большее затухание, например, вследствие рассеяния на нерегулярностях волокна или просачивания энергии в продольные воздушные микроканалы, что приводит к увеличению значения коэффициента затухания на начальных участках оптического волокна при указанных условиях возбуждения. Нормализацию коэффициента затухания с ростом длины волокна можно объяснить в первую очередь истощением энергии указанного типа мод. Кроме того, энергия, переносимая модами высших порядков, вследствие энергообмена может постепенно перетекать в моды более низкого порядка, коэффициент затухания которых ниже.

Как следует из представленных данных, длина установившейся связи мод составляет 10-12 м. Также из рис. 3, б можно сделать вывод о равновесной величине коэффициента затухания, он составляет 950 дБ/км.

Рисунок 4, б содержит результаты измерения формы огибающей оптического импульса на входе и выходе 10-метрового отрезка волокна при его возбуждении световым пучком с числовой апертурой МА=0,25. Ширина импульса по уровню 0,5 (FWHM) на входе мПОВ составляет 340 пс, на выходе - 360 пс.

Уширение импульса при его распространении вдоль мПОВ вызвано в первую очередь межмодовой дисперсией. Наличие дополнительной межмодовой связи в спектре волновод-ных мод приводит к тому, что зависимость уширения импульса от длины волокна носит нелинейный характер и на малых дистанциях пропорциональна длине волокна z, а на дистанциях, превышающих длину установившейся связи мод пропорциональна у[г (см. рис. 4, а).

7 4

2

1

0.7 0.4

0.2

0.2 0.4 0.7 1 2 4 7 200 400 600 800 1000

а б

Рис. 4. Зависимость среднеквадратичного уширения импульса от длины волокна [3]

На рис. 4, б также представлены результаты моделирования формы огибающей импульса на выходе 10-метрового отрезка мПОВ. В основе модели, использованной при расчете, лежит векторный метод конечных разностей [4]. Его суть заключается в замене дифференциальных уравнений Максвелла на их конечно-разностные аналоги, что позволяет свести решение задачи на собственные значения для системы дифференциальных уравнений к решению задачи на собственные значения для системы линейных алгебраических уравнений. Метод позволяет определить волновые числа волноводных мод, что послужило основой для расчета формы огибающей оптического импульса на выходе мПОВ. Моделирование было выполнено при условии отсутствия межмодовой связи. Относительная ошибка результатов измерения и моделирования составила менее 5%.

Полученные результаты указывают на слабую межмодовую связь внутри спектра направляемых мод. С другой стороны, высокое значение коэффициента затухания позволяет сделать вывод о том, что происходит прямой энергообмен между волноводными и из-лучательными модами.

Авторы выражают благодарность профессору L. Poladian (University of Sydney) за предоставленные образцы волокон. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 09-02-99024-р_офи). Г.А. Суркова поддержана грантом в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (государственный контракт № П1917 от 29 октября 2009 г.).

Литература

1. Large M.C.J. Microstructured Polymer Optical Fibres / M.C.J. Large, L. Poladian, G.W. Barton, M.A. Van Eijkelenborg. - New York: Springer, 2008. - 232 p.

2. Эспериментальное определение длины установившейся связи мод микроструктурированного полимерного оптического волокна с градиентным профилем показателя преломления / Г.А. Суркова, А. Бахманн, Х. Пойзель и др. // Матер. всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2009». -Томск: ТУСУР, 2009. - Ч. 4. - С. 50-52.

3. Gloge D. Impulse response of clad optical multimode fibres // Bell Syst. Tech. J. -1973. - Vol. 52. - P. 801-816.

4. Zhu Z. Full-vectorial finite-difference analysis of microstructured optical fibers / Z. Zhu, T. Brown // Optics Express. - 2002. - Vol. 10, № 17. - P. 853-864.

: т/

-/т-

cC Z

J * < -

_____^

— oc Vz

I

У z

Доклады ТУСУРа, № 2

Суркова Галина Александровна

Аспирант каф. радиоэлектроники и защиты информации (РЗИ) ТУСУРа

Тел.: +7(382-2) 41-33-65

Эл. адрес: galina_152@mail.ru

Конкин Дмитрий Анатольевич

Аспирант каф. РЗИ ТУСУРа

Тел.: +7(382-2) 41-33-65

Эл. адрес: KonkinDA@rzi.tusur.ru

Bachmann Alexander

Dipl.-Ing., Polymer Optical Fiber - Application Center (POF-AC), Fachhochschule G.S. Ohm, Nuernberg, Deutschland Tel.: +49 (911) 588-01-071

Surkova G.A., Konkin D.A., Bachmann A.

Mechanisms of the intermodal interaction in microstructured polymer optical fiber with equivalent graded-index profile

The research results of the pulse shape transformation in microstructured polymer optical fiber with equivalent graded-index profile are presented. The measurements of the angle spectrum width of the output beam and attenuation coefficient have been carried out under different conditions of the fiber excitation. The results obtained allow to estimate the intermodal interaction level and determine the mode coupling length.

Keywords: multimode optical fiber, microstructured fiber, intermodal coupling.