WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 7 07 Увеличение длины корреляции немонохроматического излучения при распространении в одномодовом волоконном световоде со случайными неоднородностями и ее влияние на работу волоконного кольцевого интерферометра © Г.Б. Малыкин, В.И. Позднякова Инситут прикладной физики РАН, 603699 Нижний Новгород, Россия (Поступило в Редакцию 23 июля 1998 г.) Рассмотрены условия, при которых связь ортогональных поляризационных мод на случайных неоднородностях одномодовых волоконных световодов (ОВС) приводит к увеличению длины корреляции источника немонохроматического излучения. Показано, что в случае использования длиннобазовых волоконных кольцевых интерферометров (ВКИ) с контуром из ОВС со слабым линейным двулучепреломлением длина корреляции немонохроматического излучения на выходе ВКИ возрастает, что позволяет реализовать удовлетворительную видность интерференционной картины даже при значительной разности плеч интерферометра, которая обусловлена эффектом Саньяка от вращения Земли. Расчеты проводились методом математического моделирования случайных неоднородностей в волокне.

Длина корреляции немонохроматического излучения Цель настоящей работы — показать, что длина корявляется одним из важнейших параметров в оптической реляции немонохроматического излучения, прошедшего интерферометрии, в частности в волоконной интерфе- достаточно длинный отрезок ОВС со слабым линейрометрии. Для различных задач выгодно иметь малую ным двулучепреломлением, может значительно возрасти или, наоборот, большую длину корреляции. Так, в во- вследствие связи поляризационных мод на неоднородлоконной оптической томографии [1] пространственное ностях ОВС, а также рассмотреть влияние увеличения разрешение соседних слоев тканей в основном определя- длины корреляции на работу ВКИ с контуром из ОВС ется длиной корреляции и для повышения разрешающей со слабым линейным двулучепреломлением. Объяснить способности требуется иметь как можно меньшую длину физический смысл этого явления можно следующим корреляции. С другой стороны, в интерферометрах Май- образом. В случае, когда выполняется условие L h-1, кельсона и Маха-Цандера с неравными длинами плеч где L — длина волокна контура ВКИ, h — параметр требуется увеличение длины корреляции, в противном сохранения поляризации в ОВС [4] (величина h-1 хаслучае видность интерференционной картины может ока- рактеризует длину ОВС, на которой происходит эффекзаться очень низкой. тивный обмен энергией между поляризационными модаНеравенство плеч интерферометров необязательно ми), излучение, прошедшее по медленной и по быстрой является следствием их недостаточной балансировки. осям двулучпреломления ОВС, многократно переходит Приведем пример, когда встречные волны в волоконном из одной поляризационной моды в другую, в результате кольцевом интерферометре (ВКИ) проходят существен- на выходе ВКИ спектральные характеристики излучения но различные пути. В работе [2] было предложено про- сильно изменяются по сравнению с тем, какими они вести измерения предполагаемого эффекта анизотропии были на входе ВКИ: если на входе спектр излучения скорости света с помощью ВКИ, изготовленного на имел гауссовскую форму, то на выходе он становится основе одномодового волоконного световода (ОВС), с сильно изрезанным (сохраняя при этом прежнюю шириконтуром большой площади. Оценки показывают, что ну), что и приводит к увеличению длины корреляции [5].

для достижения необходимой точности площадь контура Иными словами, ОВС является двухканальной системой ВКИ должна составлять не менее нескольких десят- и каждому каналу соответствует одна поляризационная ков km2. Поскольку ВКИ вращается вместе с Землей, мода. В отсутствие случайных неоднородностей в ОВС то эффект Саньяка приведет к значительной разности эти каналы являются независимыми — обмена энергией оптических длин для встречных волн в контуре — между ними не происходит и спектральные характепорядка нескольких сотен микрон и видность интерфе- ристики излучения в каждой из поляризационных мод ренционной картины на выходе ВКИ будет очень низкой. будут такими же, как и на выходе ВКИ. Однако при Уменьшение видности интерференции на выходе ВКИ наличии случайных неоднородностей имеет место обмен с широкополосным источником излучения наблюдалось энергией между двумя каналами, быстрой и медленной в работе [3], где исследовался ВКИ со сравнительно поляризационными модами, который и меняет форму небольшой площадью контура, но при большой угловой спектра в каждой из поляризационных мод. При этом в скорости вращения. отсутствие дихроизма спектр суммарной интенсивности Увеличение длины корреляции немонохроматического излучения при распространении... Рис. 1. Спектры излучения на входе (штриховая кривая) и выходе (сплошная кривая) ВКИ при = 10-4.

обеих поляризационных мод для волны, которая распро- обязательно, чтобы кручение осей двулучепреломления страняется в том или ином направлении в контуре ВКИ, по длине ОВС имело случайный характер, оно может остается неизменным и совпадает со спектром излучения меняться и периодически. Однако в последнем случае на входе ВКИ. Таким образом, рассматриваемый эффект зависимость видности интерференционной картины на является следствием того, что ОВС, из которого изгото- выходе ВКИ от разности оптической длины плеч L будет периодически спадать до нуля. На рис. 1 приводится влен контур ВКИ, — двухканальная система, в которой вид спектра излучения на входе и выходе ВКИ. Отметим, из-за случайных неоднородностей имеется связь между что в случае 1, когда поляризационная невзаимность двумя каналами.

ВКИ мала [7,8], вид спектров для встречных волн на Для того чтобы рассчитать функцию корреляции провыходе ВКИ практически одинаков. Отметим также, что шедшего ОВС немонохроматического излучения, выбев случае отсутствия поляризатора ( = 1) форма спектра рем для описания случайных неоднородностей в ОВС для ортогональных поляризаций в каждой из встречных модель, предложенную в нашей работе [6]. Эта модель волн является взаимно дополнительной и, как было предполагает случайное кручение осей линейного двулуотмечено выше, спектр суммарной интенсивности обеих чепреломления ОВС, причем всю длину ОВС можно разполяризаций каждой из встречных волн совпадает со делить на отрезки случайной длины, величина кручения спектром излучения на входе ВКИ. Вопрос о длине на которых случайна, но постоянна. Вне зависимости от корреляции немонохроматического излучения на выходе величины линейного двулучепреломления ОВС, длины ВКИ без поляризатора в рамках данной работы не случайных отрезков имеют пуассоновское распределение рассматривался.

со средним значением 2.5 cm, а величина случайного круДля определения длины корреляции вычислялась зачения равномерно распределена в интервале ±2 rad/m.

висимость видности интерференционной картины на выКак показано в [6], расчет зависимости величины h —паходе ВКИ от разности оптической длины контура ВКИ раметра от линейного двулучепреломления ОВС, осноL для встречных волн ванный на данной модели случайных неоднородностей, дает хорошее совпадение с экспериментами, выполненImax - Imin =, (1) ными различными авторами с различными типами ОВС.

Imax + Imin Следует отметить, что для того чтобы огибающая спектра излучения на выходе ВКИ была изрезанной, вовсе не- где I — интенсивность излучения на выходе ВКИ.

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 142 Г.Б. Малыкин, В.И. Позднякова Рис. 2. Зависимость видности интерференционной картины на выходе ВКИ от разности оптических путей встречных волн, обусловленной эффектом Саньяка, для идеального ОВС без случайных неоднородностей (1 — штрихпунктир) и для реального ОВС со случайными неоднородностямя (2 — сплошная кривая, штриховая линия — коридор возможных значений 2 для различных реализаций случайных неоднородностей в ОВС контура ВКИ). Длина контура 21 km, средняя длина волны источника излучения 0 = 0.8 µm, ширина линии источника излучения = 10 (a) и 1 nm(b).

Величина рассчитывалась для двух случаев: 1) кон- осях линейного двулучепреломления n = 10-6, для тур ВКИ выполнен из волокна без случайных неоднород- источника излучения с длиной волны 0.8 µm и шириной ностей, 2) контур ВКИ выполнен из реального волокна линии 10 и 1 nm. Коэффициенты экстинции полярисо случайными неоднородностями. Запишем выражение затора составлял 10-4, а азимуты осей линейного для вычисления интенсивности излучения на выходе двулучепреломления на входах ВКИ 1 и 2 совпадали ВКИ с направлением пропускания поляризатора. Построенная + - + в соответствии с выражением (2) зависимость I от L I = Ex + Ex 2 + Ey + Ey 2, (2) имеет характер затухающих колебаний с периодом, рав+ + - гду Ex, Ey, Ex, Ey — компоненты электрических полей ным длине волны, на фоне постоянной подставки. Веливстречных волн на выходе ВКИ.

чины Imax и Imin определялись как максимум и минимум Расчеты проводились для случая, когда длина контура кривой на периоде. Результаты численного моделироваВКИ составляла 20 km, он был выполнен из ОВС с раз- ния показали, что спектр излучения на выходе ВКИ, как ностью показателей преломления в медленной и быстрой и ожидалось, оказался сильно изрезанным.

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. Увеличение длины корреляции немонохроматического излучения при распространении... На рис. 2 приводятся зависимости (L). Из рис. 2, a [4] Rashleigh S.C. // J. Lightwave Techn. 1983. Vol. LT-1. N 2.

P. 312–331.

видно, что при ширине полосы источника излучения [5] Борн М., Вольф Э. // Основы оптики. М.: Наука, 1972.

10 nm до разности оптических длин L 25 µm вид719 с.

ность интерференционной картины на выходе ВКИ не [6] Малыкин Г.Б., Позднякова В.И., Шерешевский И.А. // Опт.

зависит от наличия случайных неоднородностей в ОВС, и спектр. 1997. Т. 83. N 5. С. 843–852.

при больших L видность интерференционной картины [7] Козел С.М., Листвин В.Н., Шаталин С.В., Юшкайна выходе ВКИ с контуром из ОВС со случайными неодтис Р.В. // Опт. и спектр. 1986. Т. 61. № 6. С. 1295–1299.

нородностями существенно больше (примерно в тысячу [8] Малыкин Г.Б. // Изв. вузов. Радиофизика. 1991. Т. 34. № 7.

раз), чем в случае ОВС без случайных неоднородностей.

С. 817–824.

При ширине полосы источника излучения 1 nm (рис. 2, b) [9] Малыкин Г.Б., Позднякова В.И. // Опт. и спектр. 1997. Т. 84.

№ 1. С. 145–151.

вплоть до L 220 µm видность интерференционной картины при наличии случайных неоднородностей в ОВС несколько меньше, чем в случае ОВС без случайных неоднородностей, но затем она становится существенно больше (примерно в пятьсот раз).

Основной результат работы заключается в том, что с помощью численного моделирования случайных неоднородностей в ОВС показано, что длина корреляции излучения, прошедшего контур ВКИ из ОВС со случайными неоднородностями, значительно превышает длину корреляции излучения при отсутствии случайных неоднородностей в ОВС. Это позволяет использовать источники немонохроматического излучения в неравноплечных волоконных интерферометрах, изготовленных на основе ОВС со слабым линейным двулучепреломлением, и получать при этом удовлетворительную видность интерференционной картины. Наличие случайных неоднородностей в ОВС контура ВКИ приводит к появлению дополнительного, не связанного с вращением фазового дрейфа интерференционной картины на выходе ВКИ, который, как показывают результаты теоретических [7,8] и численных расчетов [9], по порядку величины не превышает, что требует поддержания стабильной температуры волокна, в противном случае фаза интерференции встречных волн будет меняться с изменением температуры. Таким образом, наличие случайных неоднородностей в ОВС, с одной стороны, ухудшает характеристики ВКИ, поскольку приводит к дополнительному сдвигу нуля, а с другой стороны, позволяет получить удовлетворительную видность интерференционной картины при наличии невзаимных эффектов, приводящих к разности оптических путей для встречных волн.

В заключение авторы выражают благодарность И.А. Шерешевскому за обсуждение результатов работы.

Работа частично поддержана грантом № 96-15-РФФИ.

Список литературы [1] Геликонов В.М., Геликонов Г.В., Гладкова Н.Д. и др. // Письма в ЖЭТФ. 1995. Т. 61. Вып. 2. С. 149–153.

[2] Scully M.O., Zubairy M.S., Haugan M.P. // Phys. Rev. 1981.

Vol. A24. N 4. P. 2009–2016.

[3] Burns W.K., Moeller R.P. // J. Lightwave Techn. 1987.

Vol. LT-5. N 7. P. 1024–1025.

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.