Исследование зависимости параметров анизотропных одномодовых волоконных световодов от диаметра намотки

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

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

é

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

"=Ь (Р0))/

где а - затухание сигнала, дБ/м; 1Г - 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

<и н о к <и Я

К «

и К В

ч

-250

-150

-50

-0,2

£ В^

л

U

н о В

-0,1

л

В «

<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

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 ОВ 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=

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

& а

<и

а

<и

а

л &

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

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.