Влияние дефектов торцевых поверхностей световода на параметры модового шума при наличии оптических вихрей
УДК 621.372.821.3: 621.383: 621.391.822
ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТОВ ТОРЦЕВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ СВЕТОВОДА НА ПАРАМЕТРЫ МОДОВОГО ШУМА ПРИ НАЛИЧИИ ОПТИЧЕСКИХ ВИХРЕЙ
© 2013 г.
Д. В. Кизеветтер, доктор физ.-мат. наук Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Санкт-Петербург Е-mail: dmitrykiesewetter@gmail.com
Проведено экспериментальное исследование модовых шумов при пространственной фильтрации излучения, выходящего из многомодового волоконного световода при рассеивающих и нерассеивающих торцевых поверхностях световода для случаев как распространения оптических вихрей, так и обычных волноводных мод. Установлено, что величина модового шума, создаваемая выходящим излучением оптических вихрей с одинаковыми направлениями вращения волнового фронта, больше, чем волноводными модами с плоским волновым фронтом вследствие различия размера спекл-пятен. Показано, что при наличии оптических вихрей в световоде, искусственное создание диффузного рассеяния на входной или выходной поверхности торца может повысить отношение сигнал/шум.
Ключевые слова: волоконный световод, модовый шум, оптический вихрь, спеклструктура.
Коды OCIS: 060.2300
Поступила в редакцию 19.07.2012
В 80-х гг. прошлого века изучению модового шума (МШ), возникающего при пространственной фильтрации когерентного излучения, выходящего из многомодового волоконного световода (ВС), было посвящено большое количество научных работ, например [1–3]. В настоящее время, несмотря на широкое использование одномодовых ВС в системах связи, многомодовые волоконные световоды имеют широкую область применения, в частности, в волоконно-оптических датчиках для доставки излучения к измерительным приборам, в высоковольтной технике. Поэтому учет влияния модового шума на характеристики волоконно-оптических устройств остается актуальным и сегодня.
Большинство свойств модового шума в настоящее время хорошо известны. Однако до последнего времени мало изученным остается влияние дефектов поверхности выходного торца световода и оптических вихрей, возникающих в ВС, на характеристики МШ. Строгий расчет параметров МШ при пространственной фильтрации излучения, выходящего из ВС с рассеивающим входным торцом, например шероховатым, представляет серьезную сложность и требует больших затрат времени на расчеты, что не позволяет выявить основные
закономерности. Если использовать простейшее приближение, отождествляющее интерференцию волноводных мод ВС с интерференцией плоской волны, прошедшей фазовый экран, ограниченный в пространстве, то можно полагать, что рассеяние на выходном торце световода не должно повлиять на спекл-структуру (СПС) выходящего излучения, соответственно, и параметры модового шума. Однако в работе [4] на основании экспериментальных данных показано, что отношение сигнал/шум (ОСШ) при пространственной фильтрации выходящего излучения при шероховатом выходном торце ВС может быть существенно больше, чем при полированном (далее по тексту, условно – “нерассеивающем”) торце. Строгого научного объяснения этому явлению до настоящего времени не существовало. Более того, измерения ОСШ [4] не воспроизводились при использовании различных соединителей и на различных отрезках ВС. Это позволяет предположить, что ОСШ зависело от условий ввода излучения.
Необходимо также отметить, что известные в настоящее время теории МШ основаны на рассмотрении интерференции волноводных мод с плоским волновым фронтом (далее по тексту – “обычными модами”). Хотя известно, что в волоконных световодах могут распрост
10 “Оптический журнал”, 80, 1, 2013
раняться оптические вихри. Спекл-структуры выходящего из ВС излучения, формируемые оптическими вихрями, отличаются от СПС, формируемой обычными волноводными модами [5–6]. Поэтому можно ожидать, что наличие оптических вихрей повлияет на параметры модового шума.
В настоящей работе представлены результаты экспериментального измерения ОСШ совместно с использованием видеоконтроля СПС выходящего излучения. Измерения проводились на различных ВС со ступенчатым профилем показателя преломления (ППП) с кварцевой сердцевиной, полимерной оптической оболочкой и числовой апертурой NA ≈ 0,3: с диаметром сердцевины dc = 1 мм длиной LOF = 4,5 м, dc = 400 мкм LOF = 6 м, dc = 200 мкм LOF = 4 м. В качестве источника излучения использовался He-Ne лазер ЛГН207Б (с длиной волны l = 0,6328 мкм) с диаметром лазерного пучка db = 0,75 мм (по уровню 1/e), центр которого был либо совмещен с осью ВС, либо смещен к периферии сердцевины на величину ls = db/2 (т. е. на 375 мкм; для волокна с dc = 200 мкм величина ls была выбрана равной 200 мкм). Излучение вводилось в ВС под углом к оси g = 9,5°, формируя в световоде оптические вихри с одинаковыми направлениями вращения, аналогично описанным в работе [7]. Диаграмма направленности I(q) выходящего излучения представляла собой распределение, близкое к распределению Райса [8, 9], с максимальной интенсивностью при угле выхода q, приблизительно равном углу ввода g, и с угловой шириной Dq ≈ 0,7°. Для данного случая – при Dq
ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТОВ ТОРЦЕВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ СВЕТОВОДА НА ПАРАМЕТРЫ МОДОВОГО ШУМА ПРИ НАЛИЧИИ ОПТИЧЕСКИХ ВИХРЕЙ
© 2013 г.
Д. В. Кизеветтер, доктор физ.-мат. наук Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Санкт-Петербург Е-mail: dmitrykiesewetter@gmail.com
Проведено экспериментальное исследование модовых шумов при пространственной фильтрации излучения, выходящего из многомодового волоконного световода при рассеивающих и нерассеивающих торцевых поверхностях световода для случаев как распространения оптических вихрей, так и обычных волноводных мод. Установлено, что величина модового шума, создаваемая выходящим излучением оптических вихрей с одинаковыми направлениями вращения волнового фронта, больше, чем волноводными модами с плоским волновым фронтом вследствие различия размера спекл-пятен. Показано, что при наличии оптических вихрей в световоде, искусственное создание диффузного рассеяния на входной или выходной поверхности торца может повысить отношение сигнал/шум.
Ключевые слова: волоконный световод, модовый шум, оптический вихрь, спеклструктура.
Коды OCIS: 060.2300
Поступила в редакцию 19.07.2012
В 80-х гг. прошлого века изучению модового шума (МШ), возникающего при пространственной фильтрации когерентного излучения, выходящего из многомодового волоконного световода (ВС), было посвящено большое количество научных работ, например [1–3]. В настоящее время, несмотря на широкое использование одномодовых ВС в системах связи, многомодовые волоконные световоды имеют широкую область применения, в частности, в волоконно-оптических датчиках для доставки излучения к измерительным приборам, в высоковольтной технике. Поэтому учет влияния модового шума на характеристики волоконно-оптических устройств остается актуальным и сегодня.
Большинство свойств модового шума в настоящее время хорошо известны. Однако до последнего времени мало изученным остается влияние дефектов поверхности выходного торца световода и оптических вихрей, возникающих в ВС, на характеристики МШ. Строгий расчет параметров МШ при пространственной фильтрации излучения, выходящего из ВС с рассеивающим входным торцом, например шероховатым, представляет серьезную сложность и требует больших затрат времени на расчеты, что не позволяет выявить основные
закономерности. Если использовать простейшее приближение, отождествляющее интерференцию волноводных мод ВС с интерференцией плоской волны, прошедшей фазовый экран, ограниченный в пространстве, то можно полагать, что рассеяние на выходном торце световода не должно повлиять на спекл-структуру (СПС) выходящего излучения, соответственно, и параметры модового шума. Однако в работе [4] на основании экспериментальных данных показано, что отношение сигнал/шум (ОСШ) при пространственной фильтрации выходящего излучения при шероховатом выходном торце ВС может быть существенно больше, чем при полированном (далее по тексту, условно – “нерассеивающем”) торце. Строгого научного объяснения этому явлению до настоящего времени не существовало. Более того, измерения ОСШ [4] не воспроизводились при использовании различных соединителей и на различных отрезках ВС. Это позволяет предположить, что ОСШ зависело от условий ввода излучения.
Необходимо также отметить, что известные в настоящее время теории МШ основаны на рассмотрении интерференции волноводных мод с плоским волновым фронтом (далее по тексту – “обычными модами”). Хотя известно, что в волоконных световодах могут распрост
10 “Оптический журнал”, 80, 1, 2013
раняться оптические вихри. Спекл-структуры выходящего из ВС излучения, формируемые оптическими вихрями, отличаются от СПС, формируемой обычными волноводными модами [5–6]. Поэтому можно ожидать, что наличие оптических вихрей повлияет на параметры модового шума.
В настоящей работе представлены результаты экспериментального измерения ОСШ совместно с использованием видеоконтроля СПС выходящего излучения. Измерения проводились на различных ВС со ступенчатым профилем показателя преломления (ППП) с кварцевой сердцевиной, полимерной оптической оболочкой и числовой апертурой NA ≈ 0,3: с диаметром сердцевины dc = 1 мм длиной LOF = 4,5 м, dc = 400 мкм LOF = 6 м, dc = 200 мкм LOF = 4 м. В качестве источника излучения использовался He-Ne лазер ЛГН207Б (с длиной волны l = 0,6328 мкм) с диаметром лазерного пучка db = 0,75 мм (по уровню 1/e), центр которого был либо совмещен с осью ВС, либо смещен к периферии сердцевины на величину ls = db/2 (т. е. на 375 мкм; для волокна с dc = 200 мкм величина ls была выбрана равной 200 мкм). Излучение вводилось в ВС под углом к оси g = 9,5°, формируя в световоде оптические вихри с одинаковыми направлениями вращения, аналогично описанным в работе [7]. Диаграмма направленности I(q) выходящего излучения представляла собой распределение, близкое к распределению Райса [8, 9], с максимальной интенсивностью при угле выхода q, приблизительно равном углу ввода g, и с угловой шириной Dq ≈ 0,7°. Для данного случая – при Dq