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

В.П. Гаричев, М.А. Голуб, C.B. Карпеее, С.Г. Кривошлыков, И.И. Сисакян, В.А. Сойфер, Г.В. Уваров

ПРИМЕНЕНИЕ СИНТЕЗИРОВАННЫХ ГОЛОГРАММ ДЛЯ СЕЛЕКТИВНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ МОД ГРАДИЕНТНОГО ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА И ИССЛЕДОВАНИЯ ИХ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ К РАДИАЛЬНОМУ СМЕЩЕНИЮ 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 вне-осевого (наклонного или смешенного 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.

- ЮЗ-

Возможность селективного возбуждения отдельных близких к отсечке мод как в волокнах со ступенчатым профилем показателя преломления, так и в градиентных волокнах с использованием призмен-ного ввода излучения продемонстрирована в [4], а в [5] при помощи призменно-конусного 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 многомодо-вые 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 НЕц(ЬР01) и НЕ12<ЬРоа) 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 с р = 2 и р = 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 вопоосов. 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 отдельных 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 п<\ = = 1,458; абсолютной разностью показателей преломления An = 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 = Ю лин./мм и содержат 256 * 256 отсчетов с шагом 25 мкм. Были синтезированы голограммы, содержащие аксиально-симметричные (р = 0) моды Гаусса-Лагерра Фр1 с радиальными индексами 1 = От3,5,7, 8,10,16т18. Каждая такая голограмма имеет амплитудное пропускание ф = = Фр1 (х,у) cos (2ti3ox) . При освещении голограммы коллимированным излучением с X а 0,6328 мкм в первый дифракционный порядок восстанавливается пучок, имеющий в поперечном сечении амплитудное распределение Ф ч(х,у). Для выделения этого пучка из р общей дифракционной картины и согласования его размеров с размерами возбуждаемой моды служит оптическая система, состоящая из линзы Л-i , точечной диафрагмы Д и микрообъектива Oi (см.

рис. 1а). Размер перетяжки возбуждающего

пучка, создаваемой микрообъективом Oi, регулировался путем изменения расстояния между Oi 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, А,

Д

О,

Волокно

Рис. 1а. Оптическая система для селективного возбуждения мод

О

Ок. Вых.зр. Л2 ПФ2 Л

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 децент-ровки и поворотов пучка относительно торца путем юстировки. На рис. 2а представлены фотографии пучков, формирующих

моды фоо § Ф01 И фогг 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*Фо2 подтверждалась также измерениями коэффициентов возбуждения этих и соседних с ними аксиально-симмет-ричных мод с помощью неоднократно описанного нами (см., например, [11]) 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 02, окуляр Ок и линза Л2), пространственного фильтра ПФг # Фурье-линзы Лэ 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 Кр1 мод ф00, Ф01 и ф02 от нормированного по отношению к радиусу основной моды Wo радиального смещения возбуждающих пучков б (для использованного в эксперименте волокна *г0 = = 5,6 мкм). Полученные зависимости К = Иб/ъа) представлены на рис. 3.

В процессе эксперимента торец волокна смещался относительно возбуждающего пучка с помощью прецизионного устройства, а величина смещения б 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, описан- • ными 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 1*-10. Фазовая запись голограмм позволила увеличить их дифракционную эффективность в 4т5 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 ин-терферограммы 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.

в

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

Кр1

л

"о

Рис. 3.

ванного

возбуждения мод К^ от нормиро

радиусу основной моды Wo ра : возбуждающих пучков 6:

Фоо; + - Ф01; Д - Фоа

СБа

Возбуждение волокна в схеме интерферометра Маха-Ценде , СВа - светоделительные кубики; ПФ - пространственный голограмма; Зч, 32 - зеркала; 0«|т Оз - объективы (О! -ратический объектив с I = 9г27 мм); К - фотокамера

m

I

Ф01

»V

л

i

Фо

Рис.

5. Результаты селективного возбуждения мод с помощью фазовых

голограмм по схеме рис. 4: а) распределения интенсивности; б) соответствующие

им интерферограммы

Литература

1. К е с k D.B. Appl. Opt., 13, 1882 (1974).

2. Olshansky R., Oaks S.M. Appl. Opt., 17, 1830

3. Jeunhomme L., Lamouler P. Opt. and Quant. Elec

tron., 12, 57 (1980). 4. Stewart

W.J. Optical Fiber Transmission. Williamsburg,

Va.s OSA/IEEE, January 1975.

5. Midwinter J.E. Opt. and Quant. Electron., 7, 297 (1975).

6. К a p a n y N.S., Burke J.J., Sawatari T.J. Opt. Soc. Amer., 60, 1178 (1970).

7. F а с q P., Arnaud J. Proceedings of Photon 80, Paris, Oct. 21-23 1980

8. Berdague S., F а с q P. Appl. Opt. 21, 1950 (1982).

9. deFornel F., Arnaud J., Facq P.J. Opt. Soc. Amer., 73, 661 (1983).

10. Кривошлыков С.Г., Сисакян И.H. Препринт ИОФАН » 70 (1986).

11. Garitchev V.P., G о 1 u Ь М.А., К а г p е е v S.V., Krivoshlykov s.G., P e t г о v N.I., Sissakian I.N., S о i-f e r V.A., Haubenreisser W., J a h n J.-U., Willsch R. Opt. Commun., 55, 403 (1985).

12. Krivoshlykov S.G., Sissakian I.N. Opt. and Quant. Electron., 11, 393 (1979).