RU2250482C1

RU2250482C1 - Polarizing single-mode light guide

Info

Publication number: RU2250482C1
Application number: RU2003127934/28A
Authority: RU
Inventors: А.М. Курбатов (RU); А.М. Курбатов; Р.А. Курбатов (RU); Р.А. Курбатов
Original assignee: Курбатов Александр Михайлович
Priority date: 2003-09-16
Filing date: 2003-09-16
Publication date: 2005-04-20

Abstract

FIELD: fiber optics; fiber-optic gyros; linearly polarized fiber-optic lasers.

SUBSTANCE: light guide has protective-strengthening coating, external quartz protective envelope, reflecting envelope composed of quartz glass which has difference in refractivity being negative comparatively with refractivity of quartz glass of external protective quartz envelope. Light guide also has light-guiding conductor made of quartz glass, which has difference in refractivity being positive comparatively refractivity of quartz glass of external protective quartz envelope and loading areas that induce birefringence in light-guiding conductor and reflecting envelope. W-profiled light guide is chosen, which construction provided size of canalized polarization mode to be equal or smaller than diameter of light-guiding conductor.

EFFECT: reduced loss of optical power; widened range of spectral window of polarizing light guide.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано в волоконно-оптических гироскопах и других датчиках физических величин, в волоконных линиях связи, а также в мощных линейно-поляризованных волоконных лазерах.The invention relates to the field of fiber optics and can be used in fiber optic gyroscopes and other sensors of physical quantities, in fiber communication lines, as well as in powerful linearly polarized fiber lasers.

Известна конструкция одномодового волоконного световода с эллиптической нагружающей оболочкой, в котором наблюдается однополяризационный режим работы в некотором спектральном диапазоне [1]. Световод содержит жилу, нагружающую оболочку эллиптической формы, располагающуюся вокруг световедущей жилы, дополнительную оболочку с пониженным показателем преломления относительно чистого кварцевого стекла, защитную кварцевую оболочку и полимерное защитно-упрочняющее покрытие. Нагружающая оболочка состоит из материала, значительно отличающегося от остального материала световода по коэффициенту температурного расширения. Поэтому при вытяжке из заготовки кварцевой нити световода в печи установки вытяжки световодов при ее последующем остывании в поперечном сечении световода создаются регулярные механические напряжения. За счет фотоупругого эффекта механические напряжения в световедущей жиле наводят линейное двулучепреломление. Особенностью конструкции световода является то, что в одном из направлений поперечного сечения световода дополнительная оболочка с пониженным показателем преломления касается световедущей жилы и поэтому в этом направлении образуется так называемый W-профиль. За счет наводимого нагружающей оболочкой в световедущей жиле двулучепреломления W-профиль для двух поляризационных мод становится различным, и поэтому фундаментальные поляризационные моды имеют различную длину волны отсечки. Таким образом, в спектральном диапазоне между длинами волн отсечки поляризационных мод наблюдается однополяризационный режим работы световода, то есть в этом спектральном окне световод обладает поляризующими свойствами.The known design of a single-mode fiber with an elliptical loading cladding, in which there is a unipolar mode of operation in a certain spectral range [1]. The optical fiber contains a core loading an elliptical shell located around the light guide core, an additional sheath with a low refractive index relative to pure quartz glass, a protective quartz sheath and a polymer protective-hardening coating. The loading sheath consists of a material significantly different from the rest of the fiber material in terms of the coefficient of thermal expansion. Therefore, when the quartz fiber is drawn from the billet in the furnace, the fiber extraction system is installed during its subsequent cooling in the cross section of the fiber, and regular mechanical stresses are created. Due to the photoelastic effect, mechanical stresses in the light guide vein induce linear birefringence. A feature of the design of the fiber is that in one of the directions of the cross section of the fiber, the additional sheath with a low refractive index touches the light guide core and therefore a so-called W-profile is formed in this direction. Due to the birefringence induced by the loading sheath in the light guide conductor, the W-profile for the two polarization modes becomes different, and therefore the fundamental polarization modes have a different cut-off wavelength. Thus, in the spectral range between the wavelengths of the cutoff of the polarization modes, the unipolar mode of operation of the fiber is observed, that is, the fiber has polarizing properties in this spectral window.

Основным недостатком известной конструкции [1] поляризующего световода является недостаточная ширина его спектрального рабочего окна. Связано это с тем, что напряжения создаются, в основном, только в световедущей жиле и поэтому расщепление W-профилей для поляризационных мод относительно небольшое.The main disadvantage of the known design [1] of a polarizing fiber is the insufficient width of its spectral working window. This is due to the fact that stresses are created mainly only in the light guide conductor and, therefore, the splitting of W-profiles for polarization modes is relatively small.

Известна также конструкция поляризующего световода [2], которая содержит световедущую жилу, отражающую оболочку с пониженным показателем преломления, которая, в свою очередь, окружена эллиптической нагружающей оболочкой, создающей механические напряжения в световедущей жиле и отражающей оболочке. В результате для двух поляризационных мод световода образуются два различных W-профиля. Это различие W-профилей по сравнению с предыдущим случаем является более значительным и поэтому у световода данной конструкции наблюдается более широкий спектральный диапазон, в котором канализируется только одна поляризационная мода. Более сильное вырождение W-профиля для двух поляризационных мод достигается за счет того, что механические напряжения, создаваемые оболочкой эллиптической формы, присутствуют как в световедущей жиле, так и в отражающей оболочке.Also known is the design of a polarizing fiber [2], which contains a light guide core, a reflective sheath with a low refractive index, which, in turn, is surrounded by an elliptical loading sheath, which creates mechanical stresses in the light guide vein and reflective sheath. As a result, two different W profiles are formed for the two polarization modes of the fiber. This difference in W profiles compared to the previous case is more significant and, therefore, the fiber of this design has a wider spectral range in which only one polarization mode is channelized. Stronger degeneration of the W profile for two polarization modes is achieved due to the fact that the mechanical stresses created by the elliptical shell are present both in the light guide core and in the reflective shell.

Основным недостатком этой конструкции поляризующего световода является то, что возможности по величине наводимого линейного двулучепреломления в световедущей жиле и отражающей оболочке с помощью нагружающей оболочки эллиптической формы значительно меньше по сравнению с величиной двулучепреломления, наводимого, например, нагружающими стержнями круговой формы (световод "Панда). Величина двулучепреломления также в значительной степени определяет ширину рабочего спектрального окна поляризующего световода.The main disadvantage of this design of the polarizing fiber is that the possibilities for the magnitude of the induced linear birefringence in the light guide and the reflective sheath using the elliptical loading sheath are much smaller compared to the magnitude of the birefringence induced, for example, by circular loading rods (Panda fiber). The magnitude of the birefringence also largely determines the width of the working spectral window of the polarizing fiber.

Другим недостатком известной конструкции поляризующего световода является то, что потери оптической мощности канализируемой поляризационной моды испытывают сильную зависимость от радиуса изгиба световода. Например, для намотки чувствительной катушки волоконно-оптического гироскопа требуется намотка световода в многослойную катушку диаметром от 40 мм до 100 мм и длина наматываемого световода должна составлять величину от 100 метров до 1000 метров и более в зависимости от точности волоконно-оптического гироскопа.Another disadvantage of the known design of the polarizing fiber is that the optical power loss of the canalized polarization mode is strongly dependent on the bending radius of the fiber. For example, for winding a sensitive coil of a fiber-optic gyroscope, it is necessary to wind the fiber into a multilayer coil with a diameter of 40 mm to 100 mm and the length of the fiber to be wound should be from 100 meters to 1000 meters or more, depending on the accuracy of the fiber-optic gyroscope.

При таких длинах намотки в поляризующем световоде известной конструкции возникают большие потери канализируемой поляризационной моды, и поэтому обработка информации о вращении гироскопа становится практически невозможной из-за малого уровня мощности интерферирующих лучей на фотоприемнике кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа.With such winding lengths, in the polarizing optical fiber of a known design, large losses of the canalized polarization mode occur, and therefore processing information about the rotation of the gyroscope becomes practically impossible due to the low power level of the interfering rays at the photodetector of the ring interferometer of a fiber-optic gyroscope.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой настоящим изобретением конструкции поляризующего световода является конструкция одномодового волоконного световода с большим линейным двулучепреломлением типа "Панда", рассмотренная в [3]. В световоде "Панда" нагружающие зоны представляют собой два нагружающих стержня круговой формы. Световод "Панда" содержит световедущую жилу, состоящую из материала, имеющего положительную разность показателей преломления Δ n₊ по сравнению с чистым кварцевым стеклом; отражающую оболочку, состоящую из материала, имеющего отрицательную разность показателей преломления Δ n_- по сравнению с чистым кварцевым стеклом; внешнюю защитную оболочку, состоящую из чистого кварцевого стекла; нагружающие стержни круговой формы, располагающиеся по обе стороны от световедущей жилы и состоящие из материала с большим коэффициентом теплового линейного расширения, чем у остального материала световода и наводящих, таким образом, за счет фотоупругого эффекта линейное двулучепреломление в отражающей оболочке и световедущей жиле; внешнее полимерное защитно-упрочняющее покрытие. Из-за наведенного в отражающей оболочке и световедущей жиле линейного двулучепреломления две фундаментальные поляризационные моды имеют разные по величине длины волн отсечки, и поэтому в некотором спектральном диапазоне световод обладает поляризующими свойствами. Достоинством известной конструкции световода является то, что при одном и том же уровне легирования кварцевого стекла окисью бора с помощью нагружающих стержней круговой формы удается создать большее двулучепреломление, чем с помощью оболочки эллиптической формы. Как следствие этого, в поляризующем световоде "Панда" потенциально возможно достижение максимальной ширины рабочего спектрального окна поляризующего световода.Closest to the technical nature of the design of the present invention, the polarizing fiber is the design of a single-mode fiber with a large linear birefringence type "Panda", considered in [3]. In the Panda waveguide, the loading zones are two circular loading rods. The Panda light guide contains a light guide conductor consisting of a material having a positive difference in refractive indices Δ n ₊ as compared to pure quartz glass; a reflective shell consisting of a material having a negative difference in refractive indices Δ n _- compared to pure quartz glass; external protective shell consisting of pure quartz glass; circular loading rods located on both sides of the light guide core and consisting of a material with a greater coefficient of thermal linear expansion than the rest of the fiber material and leading, thus, due to the photoelastic effect, linear birefringence in the reflective sheath and the light guide core; external polymer protective reinforcing coating. Due to the linear birefringence induced in the reflective cladding and the light guide conductor, the two fundamental polarization modes have cutoff waves of different magnitudes, and therefore the fiber has polarizing properties in a certain spectral range. An advantage of the known fiber design is that, at the same level of doping of quartz glass with boron oxide, it is possible to create more birefringence with the help of circular loading rods than with the help of an elliptical shell. As a result of this, in the Panda polarizing optical fiber, it is potentially possible to achieve the maximum width of the working spectral window of the polarizing optical fiber.

Основным недостатком известной конструкции поляризующего световода "Панда" является возникновение больших потерь оптической мощности канализируемой поляризационной моды при намотке световода большой длины в многослойную катушку волоконно-оптического гироскопа.The main disadvantage of the known design of the polarizing fiber "Panda" is the occurrence of large losses of optical power of the canalized polarization mode when winding a long fiber in a multilayer coil of a fiber-optic gyroscope.

Целью настоящего изобретения является уменьшение потерь оптической мощности канализируемой поляризационной моды в поляризующих световодах большой длины, которые используются для намотки чувствительных катушек волоконно-оптических гироскопов и других датчиков физических величин с малым диаметром намотки световода.The aim of the present invention is to reduce the optical power loss of the canalized polarization mode in long-length polarizing optical fibers, which are used to wind sensitive coils of fiber optic gyroscopes and other physical sensors with a small diameter of the optical fiber winding.

Другой целью изобретения является увеличение ширины рабочего спектрального окна поляризующего световода.Another objective of the invention is to increase the width of the working spectral window of a polarizing fiber.

Указанная цель достигается тем. что параметр

, характеризующий профиль распределения показателя преломления для канализируемой поляризационной моды в сечении световода по линии, проходящей через центр световедущей жилы и составляющей перпендикуляр к линии, соединяющей геометрические центры нагружающих зон и световедущей жилы, выбирают из условияThe specified goal is achieved by. what parameter

, characterizing the distribution profile of the refractive index for the canalized polarization mode in the fiber section along the line passing through the center of the light guide core and perpendicular to the line connecting the geometric centers of the loading zones and the light guide core, is selected from the condition

,

где В_-- величина двулучепреломления в отражающей оболочке, В₊ - величина двулучепреломления в световедущей жиле, λ _Р - рабочая длина волны поляризующего световода, λ _С - длина волны отсечки канализируемой поляризационной моды поляризующего световода, при этом значения величины

лежат в диапазоне

, где 2τ - диаметр отражающей оболочки, а 2ρ - диаметр световедущей жилы поляризующего световода.where B _- is the magnitude of birefringence in the reflective sheath, B ₊ is the magnitude of birefringence in the light guide, λ _P is the working wavelength of the polarizing fiber, λ _C is the cutoff wavelength of the canalized polarizing mode of the polarizing fiber,

lie in the range

where 2τ is the diameter of the reflecting sheath, and 2ρ is the diameter of the light guide core of the polarizing fiber.

Уменьшение потерь оптической мощности канализируемой поляризационной моды в поляризующем световоде большой длины при намотке его с малым радиусом кривизны в многослойные катушки достигается за счет выбора параметра Λ , при котором обеспечивается размер канализируемой фундаментальной поляризационной моды по уровню спадания интенсивности

равный или меньший, чем размер световедущей жилы световода, что позволяет в значительной степени уменьшить изгибные потери оптической мощности канализируемой поляризационной моды.The reduction in the optical power loss of the canalized polarization mode in a long polarizing optical fiber when it is wound with a small radius of curvature into multilayer coils is achieved by choosing the parameter Λ, which ensures the size of the canalized fundamental polarization mode according to the level of intensity decay

equal to or smaller than the size of the light guide core of the fiber, which can significantly reduce the bending loss of the optical power of the canalized polarization mode.

Увеличение ширины рабочего спектрального окна достигается за счет оптимального подбора величины параметра

. Уменьшение параметра

приводит к увеличению связи нежелательной поляризационной моды с модами оболочки поляризующего световода, что приводит естественно к уширению рабочего спектрального окна поляризующего световода. С другой стороны, значительное уменьшение параметра

приводит к увеличению изгибных потерь канализируемой поляризационной моды, поэтому оптимальное значение параметра

при различных значениях параметра Λ определяется таким значением, при котором изгибные потери канализируемой поляризационной моды остаются минимальными, но при этом обеспечивается максимальная связь нежелательной поляризационной моды с модами оболочки световода.The increase in the width of the working spectral window is achieved due to the optimal selection of the parameter value

. Parameter Decrease

leads to an increase in the coupling of the undesirable polarization mode with the cladding modes of the polarizing fiber, which naturally leads to broadening of the working spectral window of the polarizing fiber. On the other hand, a significant decrease in the parameter

leads to an increase in the bending losses of the canalized polarization mode; therefore, the optimal value of the parameter

for various values of the parameter Λ, it is determined by such a value at which the bending losses of the canalized polarization mode remain minimal, but at the same time the maximum coupling of the undesirable polarization mode with the fiber cladding modes is ensured.

Увеличение ширины рабочего спектрального окна достигается также и за счет того, что выбирают значение Δ n₊ таким образом, чтобы параметр Λ для нежелательной поляризационной моды был равен ∞ или имел отрицательное значение. В этом случае, длина волны отсечки нежелательной поляризационной моды, равно как и длина волны отсечки всех высших мод той же поляризации, что и поляризация нежелательной поляризационной моды, имеют нулевое значение и поэтому условия для их распространения в поляризующем световоде полностью отсутствуют. В этом случае реализуется истинно однополяризационный световод, то есть световод, в котором моды световода имеют одну и ту же линейную поляризацию во всем рабочем спектральном диапазоне.The increase in the width of the working spectral window is also achieved due to the fact that Δ n _{+ is} chosen so that the parameter Λ for the undesirable polarization mode is equal to ∞ or has a negative value. In this case, the cut-off wavelength of the unwanted polarization mode, as well as the cut-off wavelength of all higher modes of the same polarization as the polarization of the unwanted polarization mode, have zero value and, therefore, the conditions for their propagation in the polarizing fiber are completely absent. In this case, a truly unipolarizing fiber is realized, that is, a fiber in which the fiber modes have the same linear polarization in the entire operating spectral range.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показана конструкция поперечного сечения световода "Панда" и профили распределения показателя преломления в поперечном сечении по оси Y в отсутствие линейного двулучепреломления и профили распределения показателя преломления для двух поляризационных мод световода при наличии в отражающей оболочке и световедущей жиле линейного двулучепреломления. На фиг.2 показан принцип определения рабочего спектрального окна поляризующего световода. На фиг.3 показаны профили распределения показателя преломления в поперечном сечении поляризующего световода "Панда" по оси Y для случая отсутствия линейного двулучепреломления в отражающей оболочке и световедущей жиле и в случае присутствия двулучепреломления профили распределения показателя преломления для поляризационных мод при Δ n₊=0 и Δ n₊=0,5В₊.The invention is illustrated by drawings. Figure 1 shows the construction of the cross-section of the Panda fiber and the distribution profiles of the refractive index in the cross section along the Y axis in the absence of linear birefringence and the distribution profiles of the refractive index for two polarizing modes of the fiber in the presence of linear birefringence in the reflective cladding and light guide core. Figure 2 shows the principle of determining the working spectral window of a polarizing fiber. Figure 3 shows the distribution profiles of the refractive index in the cross section of the polarizing fiber "Panda" along the Y axis for the case of the absence of linear birefringence in the reflective cladding and the light guide core and in the presence of birefringence, the distribution profiles of the refractive index for polarizing modes at Δ n ₊ = 0 and Δ n ₊ = 0.5V ₊ .

Рассмотрим поляризующий световод типа "Панда", в котором в качестве нагружающих зон используются два стержня круговой формы. Способ изготовления световода "Панда" описан в [4]. Конструкция поперечного сечения поляризующего световода "Панда" показана на фиг.1. Световод содержит световедущую жилу 1, отражающую оболочку 2, внешнюю защитную кварцевую оболочку 3, нагружающие стержни 4 и полимерное защитно-упрочняющее покрытие 5. Световедущая жила изготавливается из кварцевого стекла, легированного германием, который повышает показатель преломления чистого кварцевого стекла. Отражающая оболочка изготавливается из кварцевого стекла, легированного фтором, добавка которого в кварцевое стекло понижает его показатель преломления. Внешняя защитная оболочка изготавливается из чистого кварцевого стекла. Нагружающие стержни изготавливаются из кварцевого стекла, легированного бором, добавка которого в кварцевое стекло в значительной степени увеличивает коэффициент теплового линейного расширения кварцевого стекла и понижает температуру плавления кварцевого стекла. При вытяжке световода на установке вытяжки при остывании кварцевой нити в области между нагружающими стержнями, в которой оказываются световедущая жила и отражающая оболочка, создаются мощные регулярные по всей длине световода механические напряжения. За счет фотоупругого эффекта они наводят в световедущей жиле и отражающей оболочке линейное двулучепреломление величиной В₊и В_-- соответственно.Consider a polarizing fiber of the Panda type, in which two circular-shaped rods are used as loading zones. A method of manufacturing a fiber optic "Panda" is described in [4]. The cross-sectional design of the Panda polarizing fiber is shown in FIG. The light guide contains a light guide core 1, a reflective sheath 2, an external protective quartz sheath 3, loading rods 4 and a polymer protective and reinforcing coating 5. The light guide is made of germanium doped quartz glass, which increases the refractive index of pure quartz glass. The reflective shell is made of quartz glass doped with fluorine, the addition of which in quartz glass lowers its refractive index. The outer protective shell is made of pure quartz glass. The loading rods are made of boron-doped quartz glass, the addition of which to quartz glass significantly increases the coefficient of thermal linear expansion of quartz glass and lowers the melting temperature of quartz glass. When a fiber is drawn in at a hood, when the quartz fiber cools in the area between the loading rods, in which the light guide and the reflective sheath are placed, powerful regular stresses are generated along the entire length of the fiber. Due to the photoelastic effect, they induce linear birefringence of B ₊ and B _- - values in the light guide and the reflective sheath, respectively.

На фиг.1 приведена кривая 6 распределения показателя преломления в поперечном сечении световода в отсутствие механических напряжений, то есть линейного двулучепреломления в отражающей оболочке и световедущей жиле, по оси X, проходящей через центр световедущей жилы и являющейся перпендикуляром к линии, соединяющей геометрические центры световедущей жилы и нагружающих стержней (ось Y). Из-за того, что кварцевое стекло световедущей жилы диаметром 2ρ легировано германием, оно имеет положительную разность показателей преломления Δ n₊ по сравнению с чистым кварцевым стеклом внешней защитной оболочки световода, а из-за того, что кварцевое стекло отражающей оболочки световода диаметром 2τ легировано фтором, оно имеет отрицательную разность показателей преломления Δ n_-по сравнению с чистым кварцевым стеклом внешней защитной оболочки световода.Figure 1 shows the curve 6 of the distribution of the refractive index in the cross section of the fiber in the absence of mechanical stresses, i.e., linear birefringence in the reflective sheath and the light guide core, along the X axis passing through the center of the light guide core and is perpendicular to the line connecting the geometric centers of the light guide core and loading rods (Y axis). Due to the fact that the quartz glass of the light guide conductor with a diameter of 2ρ is doped with germanium, it has a positive difference in the refractive indices Δ n ₊ compared to pure quartz glass of the outer protective sheath of the fiber, and because the quartz glass of the reflective sheath of the fiber with a diameter of 2τ is doped fluorine, it has a negative difference in refractive indices Δ n _- compared with pure quartz glass of the outer protective sheath of the fiber.

Профиль распределения показателя преломления, показанный кривой 6, обычно называют W-профилем распределения показателя преломления. W-профиль характеризуется двумя основными параметрами Λ и

. Выражение для параметра Λ может быть представлено в виде:The refractive index distribution profile shown by curve 6 is commonly called the W-profile of the refractive index distribution. The W profile is characterized by two main parameters Λ and

. The expression for the parameter Λ can be represented as:

.

Параметр Λ в W-световодах во многом определяет длину волны отсечки основной фундаментальной моды световода. Параметр Λ определяет для основной фундаментальной моды значение нормализованной частоты V_OTC, которое в свою очередь определяет длину волны отсечки фундаментальной моды W-световода при конкретных значениях диаметра световедущей жилы.The parameter Λ in W fibers largely determines the cutoff wavelength of the fundamental fundamental mode of the fiber. The parameter Λ determines for the main fundamental mode the value of the normalized frequency V _OTC , which in turn determines the cutoff wavelength of the fundamental mode of the W fiber for specific values of the diameter of the light guide core.

При отсутствии двулучепреломления в световедущей жиле и отражающей оболочке W-световода длины волн отсечки Х-поляризационной и Y-поляризационной фундаментальных мод совпадают друг с другом. Длина волны отсечки поляризационных мод может быть найдена из следующих соотношений:In the absence of birefringence in the light guide conductor and the reflective cladding of the W fiber, the cut-off wavelengths of the X-polarization and Y-polarization fundamental modes coincide with each other. The cutoff wavelength of the polarization modes can be found from the following relationships:

где Δ n₀=Δ n₊+Δ n_-,where Δ n ₀ = Δ n ₊ + Δ n _- ,

n_C - показатель преломления чистого кварцевого стекла,n _C is the refractive index of pure quartz glass,

λ _С - длина волны отсечки фундаментальных поляризационных мод.λ _C is the cutoff wavelength of fundamental polarization modes.

Для определения значений V_ОТС≥ 5 используется другое соотношение:To determine the values of V _OTC ≥ 5, a different ratio is used:

Диаметр W₀ фундаментальных поляризационных мод по уровню спадания интенсивности

может быть определен из следующих соотношений (с точностью не хуже 1%);Diameter W _{0 of} fundamental polarization modes in terms of intensity decay

can be determined from the following relationships (with an accuracy of no worse than 1%);

где λ _Р - рабочая длина волны излучения источника.where λ _P is the working wavelength of the radiation source.

При наличии линейного двулучепреломления в световедущей жиле В₊и отражающей оболочке В_-профиль распределения показателя преломления W-световода для двух поляризационных мод расщепляется и поляризационные моды, таким образом, имеют различные значения параметра Λ , которые могут быть выражены следующим образом:In the presence of linear birefringence in the light guide B ₊ and the reflective sheath B _, the distribution profile of the refractive index of the W fiber for two polarization modes also splits the polarization modes, so they have different values of the parameter Λ, which can be expressed as follows:

Λ _Х- параметр Λ для Х-поляризационной моды,Λ _X is the parameter Λ for the X-polarization mode,

Λ _У- параметр Λ для Y-поляризационной моды.Λ _Y is the parameter Λ for the Y-polarization mode.

Профиль распределений показателя преломления в поперечном сечении световода для Х-поляризационной моды имеет вид 7, а для Y-поляризационной моды имеет вид 8 (фиг.1). Из-за того, что фундаментальные поляризационные моды имеют различное значение параметра Λ , они имеют и различные длины волн отсечки, которые могут быть выражены следующим образом:The distribution profile of the refractive index in the cross section of the fiber for the X-polarization mode has the form 7, and for the Y-polarization mode has the form 8 (figure 1). Due to the fact that the fundamental polarization modes have different values of the parameter Λ, they also have different cutoff wavelengths, which can be expressed as follows:

при значениях V_ОТС≤ 5.at values of V _OTC ≤ 5.

На фиг.2 показан принцип определения рабочего спектрального окна поляризующего световода. Затухание фундаментальной Х-поляризационной моды, имеющей длину волны отсечки

показано кривой 9, а затухание Y-поляризационной моды, имеющей длину волны отсечки

показано кривой 10.Figure 2 shows the principle of determining the working spectral window of a polarizing fiber. Attenuation of a fundamental X-polarization mode having a cutoff wavelength

shown by curve 9, and the attenuation of the Y-polarization mode having a cutoff wavelength

shown by curve 10.

Прямая 11 на графике определяет уровень потерь в световоде на уровне, например, 0,5 дБ/км, а кривая 12 на графике определяет уровень потерь, например, 40 дБ/км и, таким образом, рабочее спектральное окно Δ λ поляризующего световода "Панда" находится между двумя пунктирными линиями 13, 14. Отсюда следует, что в данном спектральном окне Δ λ поляризующий световод канализирует фундаментальную Х-поляризационную моду с потерями не более 0,5 дБ/км, а фундаментальная Y-поляризационная мода распространяется с потерями более 40 дБ/км.Line 11 on the graph defines the level of losses in the fiber at, for example, 0.5 dB / km, and curve 12 on the graph defines the level of losses, for example, 40 dB / km and, thus, the working spectral window Δ λ of the polarizing fiber "Panda "is between the two dashed lines 13, 14. It follows that in this spectral window Δ λ, a polarizing fiber channelizes the fundamental X-polarization mode with losses of no more than 0.5 dB / km, and the fundamental Y-polarization mode propagates with losses of more than 40 dB / km.

Для минимизации изгибных и микроизгибных потерь канализируемой X-поляризационной моды при намотке длинных поляризующих световодов в катушки малого диаметра целесообразно ввести соответствующий критерий. Анализ изгибных потерь в W-световодах показывает, что таким критерием может быть соотношение между размером моды W₀ по уровню спадания интенсивности

и размером световедущей жилы 2ρ W-световода. Потери оптической мощности фундаментальной Х-поляризационной моды в поляризующем световоде при намотке его на катушки диаметром до 40 мм остаются на приемлемом уровне приTo minimize the bending and microbending losses of the channelized X-polarization mode when winding long polarizing optical fibers into coils of small diameter, it is advisable to introduce the corresponding criterion. An analysis of the bending losses in W fibers shows that this criterion may be the ratio between the mode size W ₀ in terms of the intensity decay

and the size of the light guide conductor 2ρ W-fiber. The loss of optical power of the fundamental X-polarization mode in a polarizing fiber when it is wound on coils with a diameter of up to 40 mm remains at an acceptable level at

W₀≤ 2ρ .W ₀ ≤ 2ρ.

Из этого соотношения следует, что V ≥ 2.775, что в свою очередь приводит к справедливости следующего соотношения:From this relation it follows that V ≥ 2.775, which in turn leads to the validity of the following relation:

После несложных преобразований можно получить условие, накладываемое на параметр Λ _Х поляризующего световода, при котором обеспечивалось бы выполнение условия W₀≤ 2ρ . Окончательно для параметра Λ _Х имеем следующее соотношение:After simple transformations, we can obtain the condition imposed on the parameter Λ _{X of the} polarizing fiber, under which the condition W ₀ ≤ 2ρ would be satisfied. Finally, for the parameter Λ _X we have the following relation:

Ширина рабочего спектрального окна поляризующего световода зависит от того, насколько эффективно взаимодействует с модами оболочки нежелательная Y-поляризационная мода поляризующего световода. Величина связи и количество мод оболочки, которые отбирают мощность у Y-поляризационной моды, уширяя тем самым рабочее спектральное окно поляризующего световода, зависит от соотношения величин W₀ и 2τ . Чем меньше отношение

, тем больше связь с модами оболочки Y-поляризационной моды и тем больше количество мод оболочки, с которыми взаимодействует Y-поляризационная мода. Но, с другой стороны, при уменьшении величины увеличиваются изгибные потери канализируемой Х-поляризационной моды. Изгибные потери остаются на приемлемом уровне, когда величина

, то есть это соотношение позволяет обеспечить достаточное затухание Y-поляризационной моды и в то же время обеспечить минимальные изгибные потери канализируемой Х-поляризационной моды.The width of the working spectral window of the polarizing fiber depends on how effectively the undesired Y-polarization mode of the polarizing fiber interacts with the cladding modes. The magnitude of the coupling and the number of cladding modes that take the power from the Y-polarization mode, thereby broadening the working spectral window of the polarizing fiber, depends on the ratio of W ₀ and 2τ. Lower ratio

, the greater the connection with the shell modes of the Y-polarization mode and the greater the number of shell modes with which the Y-polarization mode interacts. But, on the other hand, with decreasing magnitude, the bending losses of the canalized X-polarization mode increase. Bending losses remain at an acceptable level when the value

that is, this ratio makes it possible to ensure sufficient attenuation of the Y-polarization mode and at the same time ensure minimal bending losses of the channelized X-polarization mode.

Минимальное значение Λ _Х определяется из следующего соотношения:The minimum value of Λ _X is determined from the following relation:

При

W₀=2ρ и поэтому в этом случае в поляризующем световоде для обеспечения минимальных изгибных потерь должно выполняться следующее соотношение:At

W ₀ = 2ρ and therefore, in this case, in the polarizing optical fiber, to ensure minimal bending losses, the following relation should be fulfilled:

Максимально возможное значение параметра Λ _Х достигается очевидно при Δ n₊=0 и в данном случае максимальная величина Λ _X определяется следующим образом:The maximum possible value of the parameter Λ _{X is} reached obviously when Δ n ₊ = 0 and in this case the maximum value Λ _X is determined as follows:

Типичное значение двулучепреломления В₊ в световодах "Панда" для обеспечения малого коэффициента межмодовой поляризационной связи составляет В_-=4· 10^-4. При В₊=В_-и Δ n_-=28· 10^-3 (максимально возможное значение, которое достигается при легировании кварцевого стекла фтором)

. При таких параметрах W-профиля поляризующего световода на рабочей длине волны λ _Р=1,06 мкм и длине волны отсечки фундаментальной Х-поляризационной моды λ _С=1,22 мкм, диаметр световедущей жилы в поляризующем световоде 2ρ =37 мкм, при этом диаметр Х-поляризационной моды W₀=24,4 мкм и, таким образом, для обеспечения минимальных изгибных потерь достаточно иметь

. При расчетах можно увидеть, что значение Δ n_-не играет существенной роли при определении значений 2ρ ₀, W₀,

. В самом деле, например, при Δ n_-=4,5· 10^-3, 2ρ =35 мкм, W₀=24 мкм и, таким образом,

. Из приведенных выше расчетов следует, что при выборе Λ _X в диапазоне

минимальные значения параметра

, обеспечивающего максимальную перекачку оптической мощности Y-поляризационной моды в моды оболочки и минимальные изгибные потери Х-поляризационной моды, лежат в диапазоне

. Более сильная связь Y-поляризационной моды с модами оболочки приводит к тому, что кривая спектральных потерь для нее становится более крутой, что и приводит к уширению рабочего спектрального окна поляризующего световода.The typical value of B ₊ birefringence in Panda fibers to ensure a small coefficient of inter-mode polarization coupling is B _- = 4 · 10 ^-4 . When B ₊ = B _- and Δ n _- = 28 · 10 ^-3 (the maximum possible value that is achieved by doping quartz glass with fluorine)

. With such parameters of the W profile of the polarizing fiber at the operating wavelength λ _P = 1.06 μm and the cut-off wavelength of the fundamental X-polarization mode λ _C = 1.22 μm, the diameter of the light guide core in the polarizing fiber is 2ρ = 37 μm, while the diameter X-polarization mode W ₀ = 24.4 μm and, therefore, to ensure minimal bending loss it is enough to have

. In the calculations, you can see that the value of Δ n _- does not play a significant role in determining the values of 2ρ ₀ , W ₀ ,

. In fact, for example, when Δ n _- = 4.5 · 10 ^-3 , 2ρ = 35 μm, W ₀ = 24 μm, and thus

. From the above calculations it follows that when choosing Λ _X in the range

minimum parameter values

providing the maximum transfer of the optical power of the Y-polarization mode to the cladding modes and the minimum bending losses of the X-polarization mode lie in the range

. A stronger coupling between the Y polarization mode and the cladding modes leads to a steeper spectral loss curve for it, which leads to a broadening of the working spectral window of the polarizing fiber.

На основе W-световода "Панда" возможна реализация истинно однополяризационных световодов. На Фиг.3 показан профиль распределения показателя преломления 15, особенностью которого является то, что у негo Δ n₊=0.On the basis of the Panda W-waveguide, true unipolarized waveguides can be realized. Figure 3 shows the distribution profile of the refractive index 15, a feature of which is that for non Δ n ₊ = 0.

При наличии в световедущей жиле и отражающей оболочке линейного двулучепреломления величины параметра Λ для Х-поляризационной моды (кривая 16) и Y-поляризационной моды (кривая 17) принимают следующие значения:In the presence of linear birefringence in the light guide and the reflective shell, the Λ parameter values for the X-polarization mode (curve 16) and the Y-polarization mode (curve 17) take the following values:

Значение Λ _У при любых величинах линейного двулучепреломления равно ∞ (при В₊=0) или всегда имеет отрицательное значение, а это означает, что фундаментальная Y-поляризационная мода, равно как и все высшие моды данной поляризации, имеют нулевую длину волны отсечки, а это означает, что указанные выше моды распространяются с большими потерями во всем спектральном диапазоне. В данном конкретном случае (Δ n₊=0) величиной двулучепреломления, создаваемого нагружающими стержнями в световедущей жиле можно изменять размер W₀ фундаментальной моды. Предположим, что В₊=4· 10^-4, Δ n_-=4,5· 10^-3, В_-=В₊, в этом случае размер фундаментальной Y-поляризационной моды будет равен W₀=24 мкм при 2ρ =34,8 мкм. Расчеты проводились при λ _p=1,06 мкм и

. При В₊=1· 10^-3, W₀=15 мкм при 2ρ =20,3 мкм. Поляризующие световоды с большим размером модовых пятен W₀ Х-поляризационной моды очень широко могут использоваться в волоконных лазерах с большой выходной мощностью линейно-поляризованного излучения. Как видно из приведенных выше расчетов, с помощью изменения величины линейного двулучепреломления размер модового пятна W₀ Х-поляризационной моды может изменяться в очень широких пределах. Величина линейного двулучепреломления может изменяться в широких пределах путем варьирования степени легирования окисью бора кварцевого стекла нагружающих стержней, так как в этом случае в широких пределах изменяется коэффициент теплового линейного расширения материала нагружающих стержней. В истинно однополяризационном световоде, имеющем конструкцию, рассмотренную выше, спектральное рабочее окно одномодового режима работы будет определяться уже длинами волн отсечки фундаментальной X-поляризационной моды НЕ₁₁ и первой высшей моды, имеющей ту же поляризацию. Нормализованная частота первой высшей моды HE₂₁ может быть определена из следующего соотношения:The value Λ _Y for any linear birefringence is equal to ∞ (at B ₊ = 0) or always has a negative value, which means that the fundamental Y-polarization mode, as well as all higher modes of this polarization, have a zero cut-off wavelength, and this means that the above modes propagate with large losses in the entire spectral range. In this particular case (Δ n ₊ = 0) value of birefringence generated in the light-guiding rods were loaded core can change the size W ₀ of the fundamental mode. Suppose that B ₊ = 4 · 10 ^-4 , Δ n _- = 4.5 · 10 ^-3 , B _- = B ₊ , in this case, the size of the fundamental Y-polarization mode will be W ₀ = 24 μm at 2ρ = 34 , 8 microns. The calculations were carried out at λ _p = 1.06 μm and

. When B ₊ = 1 · 10 ^-3 , W ₀ = 15 μm at 2ρ = 20.3 μm. Polarizing optical fibers with a large mode spot size W _{0 of the} X polarization mode can be very widely used in fiber lasers with a high output power of linearly polarized radiation. As can be seen from the above calculations, by changing the magnitude of the linear birefringence, the size of the mode spot W _{0 of the} X polarization mode can vary over a very wide range. The magnitude of the linear birefringence can vary widely by varying the degree of doping of quartz glass with boron oxide by the loading rods, since in this case the coefficient of thermal linear expansion of the material of the loading rods varies widely. In a truly unipolarizing optical fiber having the design discussed above, the spectral working window of a single-mode operation will be determined already by the cut-off wavelengths of the fundamental X-polarization mode HE ₁₁ and the first higher mode having the same polarization. The normalized frequency of the first HE ₂₁ high mode can be determined from the following relationship:

Исходя из этого соотношения, для случая В₊=4· 10^-4 однополяризационный одномодовый режим наблюдается в спектральном диапазоне (0,71-1.22) мкм, а для случая В₊=1· 10^-3 в спектральном диапазоне (0,688-1.22) мкм. При фиксированном внешнем диаметре световода при увеличении размера световедущей жилы усиливается так называемый эффект "шепчущей галереи" [5], так как уменьшается плотность мод оболочки. Мерой эффекта ''шепчущей галереи" может служить следующая величина:Based on this relation, for the case B ₊ = 4 · 10 ^{-4, the} single-polarization single-mode mode is observed in the spectral range (0.71-1.22) μm, and for the case B ₊ = 1 · 10 ^-3 in the spectral range (0.688-1.22) microns. With a fixed outer diameter of the fiber, with increasing size of the light guide, the so-called “whispering gallery” effect is enhanced [5], since the sheath mode density decreases. The following value can serve as a measure of the effect of a 'whispering gallery':

,

где R_в - радиус световода,where R _in is the radius of the fiber,

L - длина световода.L is the length of the fiber.

Для канализации нежелательных мод световода на уровне [-25--30] дБ по отношению к уровню мощности канализируемой фундаментальной моды необходимо, чтобы N=(10-20). При длинах световода порядка сотен метров это условие легко достигается, но при относительно малых длинах световода возникает необходимость увеличения диаметра световода.For channelization of undesirable fiber modes at the level of [-25-30] dB with respect to the power level of the channelized fundamental mode, it is necessary that N = (10-20). With fiber lengths of the order of hundreds of meters, this condition is easily achieved, but with relatively small fiber lengths, it becomes necessary to increase the diameter of the fiber.

Истинно однополяризационный режим работы в W-световодах "Панда" может наблюдаться и при ненулевых значениях величины Δ n₊. При Δ n₊=0,5В₊, параметр Λ _У равен бесконечности и, следовательно, для Y-поляризационной моды условия для распространения отсутствуют. В этом случае исходный профиль W-световода при отсутствии двулучепреломления в отражающей оболочке и световедущей жиле описывается кривой 18 (фиг.3), при наличии же двулучепреломления W-профиль для Y-поляризационной моды описывается кривой 19, а Х-поляризационной моды - кривой 20. Таким образом, для реализации истинно однополяризационного режима работы величина Δ n₊ выбирается в следующем диапазоне:A truly unipolarized mode of operation in Panda W fibers can also be observed for nonzero values of Δ n ₊ . At Δ n ₊ = 0.5 V ₊ , the parameter Λ _Y is infinity and, therefore, there are no propagation conditions for the Y-polarization mode. In this case, the initial profile of the W-fiber in the absence of birefringence in the reflective sheath and the fiber guide is described by curve 18 (Fig. 3), in the presence of birefringence, the W-profile for the Y-polarization mode is described by curve 19, and the X-polarization mode is described by curve 20 Thus, for the implementation of a truly unipolar mode of operation, the quantity Δ n ₊ is selected in the following range:

0 ≤ Δ n₊≤ 0,5В₊.0 ≤ Δ n ₊ ≤ 0.5V ₊ .

При Δ n₊=0,5В₊ возможно максимальное уменьшение размера W₀канализируемой Х-поляризационной моды. При В₊=1· 10^-3, на рабочей длине волны λ _P=1,06 мкм и при

размер Х-поляризационной моды составляет величину W₀=10,9 мкм при 2ρ =13,6 мкм. Таким образом, при выборе величины Δ n₊ в указанном выше диапазоне и при изменении величины двулучепреломления В_-в пределах (0-1· 10^-3) путем изменения легирования нагружающих стержней можно изменять размер Х-поляризационной моды W₀ в пределах (10,9-24) мкм на рабочей длине волны λ _P=1,06 мкм и при λ _C=1,22 мкм. Размер W₀ моды можно еще более увеличить, если сместить длину волны отсечки фундаментальной Х-поляризационной моды истинно однополяризационного световода в более длинноволновую область.At Δ n ₊ = 0.5 V ₊ , a maximum decrease in the size W _{0 of the} canalized X-polarized mode is possible. When B ₊ = 1 · 10 ^-3 , at the working wavelength λ _P = 1,06 μm and at

the size of the X polarization mode is W ₀ = 10.9 μm at 2ρ = 13.6 μm. Thus, when choosing Δ n ₊ in the above range and when changing the birefringence B _- within (0-1 · 10 ^-3 ) by changing the doping of the loading rods, it is possible to change the size of the X-polarization mode W ₀ within (10, 9-24) μm at the operating wavelength λ _P = 1.06 μm and at λ _C = 1.22 μm. The size of the W ₀ mode can be further increased by shifting the cut-off wavelength of the fundamental X-polarization mode of a truly unipolarizing fiber to a longer wavelength region.

ЛитератураLiterature

1. J.R.Simpson et all. "A Single polarization fiber" J.Lightwave Technologj vol. LT-1, 1983, pp 370-373.1. J. R. Simpson et all. "A Single polarization fiber" J. Lightwave Technologj vol. LT-1, 1983, pp 370-373.

2. M.J.Messerlj, J.R.Onstott, R.C.Mikkelson "Abroad-Band Single Polarization Optikal Fiber" J.of Lightwave Technologj, vol.9, №7, 1991, pp 817-820.2. M.J. Messerlj, J.R. Onstott, R.C. Mikkelson "Abroad-Band Single Polarization Optikal Fiber" J.of Lightwave Technologj, vol. 9, No. 7, 1991, pp 817-820.

3. А.М.Курбатов "Одномодовый волоконный световод для поляризационного медового фильтра" Патент РФ №2040493, заявка №4529325 от 9.04.1990 г. Дата регистрации в Государственном реестре изобретений 25.07.1995 г.3. A.M. Kurbatov "Single-mode fiber optic fiber for a polarizing honey filter" RF patent No. 2040493, application No. 4529325 dated April 9, 1990, registration date in the State Register of Inventions July 25, 1995.

4. А.М.Курбатов "Способ получения одномодового волоконного световода" Патент РФ №2164698, заявка №98120798 от 20.11.1998 г.4. A.M. Kurbatov "Method for producing a single-mode fiber waveguide" RF patent No. 2164698, application No. 98120798 dated November 20, 1998.

5. Shah, V. and L. Curtis, "Mode Coupling Effects of the Cutoff Wavelength Characteristics of Dispersion-Shifted and Dispersion-Unshifted Single-Mode Fibers. Journal of Lightwave Technologj, 1989, 7 (8): p.1181-1186.5. Shah, V. and L. Curtis, "Mode Coupling Effects of the Cutoff Wavelength Characteristics of Dispersion-Shifted and Dispersion-Unshifted Single-Mode Fibers. Journal of Lightwave Technologj, 1989, 7 (8): p.1181-1186 .

Claims

Поляризующий одномодовый световод, содержащий защитно-упрочняющее покрытие; внешнюю кварцевую защитную оболочку; отражающую оболочку, состоящую из кварцевого стекла, имеющего отрицательную разность показателей преломления Δn_- с кварцевым стеклом внешней защитной кварцевой оболочки; световедушую жилу, состоящую из кварцевого стекла, имеющего положительную или равную нулю разность показателей преломления Δn₊ с кварцевым стеклом внешней защитной кварцевой оболочки; нагружающие зоны, наводящие в световедущей жиле и отражающей оболочке линейное двулучепреломление, отличающийся тем, что параметр

характеризующий профиль распределения показателя преломления для канализируемой поляризационной моды в сечении световода по линии, проходящей через центр световедущей жилы и составляющей перпендикуляр к линии, соединяющей геометрические центры нагружающих зон и световедущей жилы, выбирают из условияA polarizing single-mode fiber containing a protective reinforcing coating; outer quartz protective shell; a reflective shell consisting of quartz glass having a negative difference in refractive indices Δn _- with the quartz glass of the outer protective quartz shell; a light-conductive core consisting of quartz glass having a positive or equal to zero difference in the refractive indices Δn ₊ with the quartz glass of the outer protective quartz shell; loading zones inducing linear birefringence in the light guide vein and reflective sheath, characterized in that the parameter

characterizing the distribution profile of the refractive index for the canalized polarization mode in the fiber section along the line passing through the center of the light guide core and perpendicular to the line connecting the geometric centers of the loading zones and the light guide core, is selected from the condition

где В_- - величина двулучепреломления в отражающей оболочке, В₊ - величина двулучепреломления в световедущей жиле, λ_P - рабочая длина волны поляризующего световода, λ_C - длина волны отсечки канализируемой поляризационной моды поляризующего световода, при этом минимальные значения величины

лежат в диапазоне

где 2τ - диаметр отражающей оболочки, а 2ρ - диаметр световедущей жилы поляризующего световода.where B _- is the birefringence in the reflective sheath, B ₊ is the birefringence in the light guide, λ _P is the working wavelength of the polarizing fiber, λ _C is the cutoff wavelength of the canalized polarization mode of the polarizing fiber, and the minimum values

lie in the range

where 2τ is the diameter of the reflective sheath, and 2ρ is the diameter of the light guide core of the polarizing fiber.