Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Поляризационные эффекты при рэлеевском рассеянии света в оптических волокнах

Диссертация: Поляризационные эффекты при рэлеевском рассеянии света в оптических волокнах
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Актуальным представляется исследование поляризационных свойств и распределения ПМД в телекоммуникационных волокнах. Исследования ПМД световода с помощью рефлектометра приводят к обратной задаче поляризационной рефлектометрии, то есть к определению дифференциальной матрицы Джонса световода по результатам рефлектометрических измерений. Сложность этой задачи состоит в том, что сигнал рефлектометра… Читать ещё >

Поляризационные эффекты при рэлеевском рассеянии света в оптических волокнах (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • Глава 1. Обзор литературы
    • 1. 1. Накопление поляризационной модовой дисперсии в одномодовом световоде
      • 1. 1. 1. ПМД в регулярном световоде
      • 1. 1. 2. ПМД в нерегулярном световоде
      • 1. 1. 3. ПМД в реальных линиях связи
    • 1. 2. Сравнительный анализ существующих методов измерения
      • 1. 2. 1. Измерение ПМД по функции автокорреляции излучения
      • 1. 2. 2. Измерение ПМД по разности групповых скоростей поляризационных мод
      • 1. 2. 3. Нахождение ПМД по результатам измерения матрицы Джонса световода
    • 1. 3. Обсуждение возможности измерения ПМД методом поляризационной рефлектометрии
  • Глава 2. Расчет поляризационных свойств и ПМД световода по результатам рефлектометрических измерений
    • 2. 1. Вывод интегральной матрицы Джонса нерегулярного световода
      • 2. 1. 1. Зависимость отклика поляризационного рефлектометра от состояния поляризации излучения
      • 2. 1. 2. Запись матрицы Джонса нерегулярного световода через интегральные параметры поляризационной анизотропии
      • 2. 1. 3. Вывод вида сигнала поляризационного рефлектометра для случая произвольной поляризации входного излучения
      • 2. 1. 4. Расчет интегральных параметров поляризационной анизотропии световода
      • 2. 1. 5. Восстановление знака сдвига фаз
    • 2. 2. Решение обратной задачи эллипсометрии световода с помощью формализма матриц Паули
    • 2. 3. Расчет ПМД световода
      • 2. 3. 1. Оценка ПМД по средней величине и длине корреляции двулучепреломления световода
      • 2. 3. 2. Расчет ПМД с помощью дифференциальной матрицы
  • Джонса
    • 2. 3. 3. Расчет ПМД по рефлектометрическим измерениям на двух близких частотах
  • Глава 3. Компьютерное моделирование ПМД
    • 3. 1. Расчет поляризационных свойств и ПМД волокна для случая регулярного световода
    • 3. 2. Расчет двулучепреломления в модели волокна из трех фазовых пластинок, развернутых относительно друг друга
  • Глава 4. Исследование зависимости ПМД от длины световода методом поляризационной рефлектометрии
    • 4. 1. Анализ методики экспериментального исследования ПМД
      • 4. 1. 1. Описание экспериментальной установки
      • 4. 1. 2. Устройство оптического рефлектометра
      • 4. 1. 3. Погрешность вследствие конечной ширины импульса рефлектометра
      • 4. 1. 4. Изготовление фазовой пластинки с задержкой А,/
    • 4. 2. Выбор параметров измерений
    • 4. 3. Результаты эксперимента и их обсуждение. 4.3.1 Оценка ПМД по длине корреляции и средней величине двулучепреломления световода
      • 4. 3. 2. Расчет ПМД с помощью дифференциальной матрицы Джонса
      • 4. 3. 3. Расчет ПМД по рефлектометрическим измерениям на двух близких частотах
    • 4. 4. Схемы модернизации

    5. Интерферометрические эффекты в оптических волокнах при временной рефлектометрии. 101 5.1 Расчет сигнала рефлектометра при наличии фазовой модуляции света. 101 5.2. Эксперимент с серийным рефлектометром. 106 5.3 Применения систем на основе интерференционных эффектов в одномодовых световодах.

Актуальность темы

Главные тенденции развития волоконно-оптической связи сегодня это увеличение быстродействия оконечных устройств и увеличение расстояния между оптоэлектронными ретрансляторами. На обоих направлениях за последние годы достигнуты значительные успехи. Новейшее поколение полупроводниковых лазеров способно работать на частотах модуляции свыше 10 ГГц, а развитие технологии оптических усилителей позволяет наращивать длину волоконного тракта до 1000 км. В связи с этим увеличиваются требования к широкополосности оптического волокна и возрастает роль исследования его дисперсионных характеристик.

При распространении импульса в световоде его длительность увеличивается из-за дисперсии. Обычно учитывают три вида дисперсии — волноводную, обусловленную направляющими свойствами световодаматериальную, определяемую зависимостью профиля показателя преломления от частоты, и межмодовую, вызываемую различием групповых скоростей распространяющихся мод. Межмодовая дисперсия присуща также и одномодовому световоду. Она обусловлена различием групповых скоростей двух поляризационных мод и называется поляризационной модовой дисперсией (ПМД). ПМД, в так называемом изотропном (телекоммуникационном) одномодовом световоде возникает при вытяжке, нанесении защитного покрытия, каблирова-нии и монтаже линии связи.

Для повышения скорости передачи в современных высокоскоростных линиях связи используются одномодовые оптические волокна с компенсированной хроматической дисперсией. В таких волокнах главной причиной уширения импульса при передаче является межмодовая дисперсия, обусловленная различием групповых скоростей двух поляризационных мод, называемая поляризационной модовой дисперсией (ПМД). В телекоммуникационных линиях используется одномодовое оптическое волокно без специально наведенной анизотропии и ПМД возникает при вытяжке, нанесении защитного покрытия, каблировании и монтаже линии связи.

Величина ПМД для телекоммуникационных волокон лежит в.

1 Ю пределах 0.1−1 пс/км, что примерно на порядок меньше материальной и волноводной дисперсии. По мнению экспертов Междуна1 родного телекоммуникационного союза ПМД на уровне 0.5 пс/км позволяет передать сигнал в стандарте 8ТМ-64 со скоростью 10 Гб/с на расстояние около 400 км.

Новые крупные телекоммуникационные проекты предусматривают передачу сигнала со скоростью 40 Гб/с на расстояние свыше 1000 км и ПМД становится преобладающим фактором, ограничивающим скорость передачи информации.

Сегодня в мире проводится большое количество исследований поляризационных свойств одномодовых световодов, предложено несколько методов измерения ПМД. Их можно разделить на три класса: измерения с помощью широкополосного источника излучения и мо-нохроматора, интерферометрические измерения и нахождение ПМД по результатам измерения матрицы Джонса.

Все вышеперечисленные методы исследования поляризационной модовой дисперсии позволяют измерить только полное запаздывание при прохождении сигнала через весь световод.

Распределение ПМД по длине световода несет существенную информацию, так как волоконно-оптическая трасса обычно состоит из строительных длин по 2−6 км, каждая из которых может иметь свой коэффициент ПМД. Наличие участка с большим количеством изгибов волокон вызывает сильное наведенное двулучепреломлением и может привести к недопустимо высокой величине ПМД всей линии.

Для исследования зависимости ПМД от длины световода в нами использовался подход, основанный на анализе обратно рассеянного световоде излучения. Этот подход является развитием рефлекто-метрии, нашедшей практическое применение для измерения потерь в волоконно-оптических линиях связи. В отличие от амплитудной реф-лектометрии, при которой измеряют интенсивность обратно рассеянного импульса, в диссертации анализируется поляризационная структура рассеянного излучения. В существующих работах по поляризационной рефлектометрии рассматривались в основном анизотропные волокна, используемые в волоконно-оптических датчиках и гироскопах. При этом с помощью рефлектометра измерялся только параметр Ь, то есть параметр сохранения состояния поляризации. В других работах измерялся спектр сигнала поляризационных биений, по которому производилась оценка двулучепреломления в световоде.

Актуальным представляется исследование поляризационных свойств и распределения ПМД в телекоммуникационных волокнах. Исследования ПМД световода с помощью рефлектометра приводят к обратной задаче поляризационной рефлектометрии, то есть к определению дифференциальной матрицы Джонса световода по результатам рефлектометрических измерений. Сложность этой задачи состоит в том, что сигнал рефлектометра зависит только от эллиптичности световой волны в точке рассеяния и не зависит от ее азимута. Нами показано, что локальный азимут и двулучепреломление в каждой точке световода могут быть определены по результатам рефлектометрических измерений для двух входных линейных состояний поляризации. После нахождения локальных параметров поляризационной анизотропии встает задача об определении зависимости матрицы Джонса в каждой точке световода от частоты. Решение этих двух задач позволяет разработать метод измерения эволюции ПМД по длине световода, который представляется актуальным для проектирования и контроля новых высокоскоростных линий связи.

Целью работы является теоретический расчет и экспериментальная разработка рефлектометрического метода измерения зависимости поляризационной модовой дисперсии от длины световода.

Методика исследования основана на представлении нерегулярного световода в виде набора случайным образом развернутых двулуче-преломляющих пластинок в предположении, что в телекоммуникационном одномодовом волокне можно пренебречь оптической активностью и дихроизмом световода.

Содержание работы.

Заключение

.

Сформулируем основные результаты, полученные в диссертации:

1. Решена обратная задача поляризационной рефлектометрии: с помощью формализма матриц Паули определены локальные параметры поляризационной анизотропии в каждой точке световода по эволюции эллиптичностей рассеянного света. Показано, что локальные азимут и модуль двулучепреломления световода однозначно определяются по сигналу рэлеевского рассеяния света при измерениях с двумя линейными входными состояниями поляризации света, для определения знака двулучепреломления необходимо произвести дополнительное измерение, при котором на вход системы устанавливается фазовая пластинка с запаздыванием А/8.

2. Разработан метод расчета распределения поляризационной модо-вой дисперсии в одномодовом волокне по дифференциальной матрице Джонса световода: производится дифференцирование матрицы по частоте в предположении, что азимут главной оси не зависит от частоты, а двулучепреломление зависит линейно. После этого производится интегрирование по длине волокна, позволяющее определить матрицу Джонса световода, продифференцированную по частоте и распределение ПМД в оптическом волокне.

3. Разработан метод расчета распределения поляризационной модо-вой дисперсии в одномодовом волокне по результатам рефлектомет-рических измерений на двух близких частотах. В этом методе после решения обратной задачи определяются матрицы Джонса на двух частотах, после этого численно рассчитывается матрица Джонса световода, продифференцированная по частоте и распределение ПМД в оптическом волокне.

4. Произведены расчеты ПМД по компьютерным моделям световодов. Проведено компьютерное моделирование ПМД в регулярном световоде. Рассчитаны локальные параметры поляризационной анизотропии и ПМД в модели нерегулярного световода, состоящего из трех развернутых фазовых пластинок с различным двулучепрелом-лением. Продемонстрировано соответствие развитой в диссертации теории и численного эксперимента.

5. Оценено влияние конечной ширины импульса рефлектометра на точность измерения параметров поляризационной анизотропии и ПМД. Произведена оценка влияния усреднения по ширине импульса, экспериментально показано, что глубина поляризационных биений уменьшается при увеличении ширины импульса рефлектометра.

6. Создана экспериментальная установка для измерения распределения ПМД в одномодовом световоде, проведено измерение ПМД по дифференциальной матрице Джонса и по измерениям на двух близких частотах. Определено распределение ПМД в оптическом волокне фирмы Биркига. Измеренное значение ПМД в одномодовом оптическом волокне фирмы Рцркига составило 0.03 пс/км. Продемонстрировано совпадение результатов измерения ПМД, полученных разными методами, косвенно подтверждающее правильность выбора модели волокна в виде набора фазовых пластинок.

Показать весь текст

Список литературы

  1. В.Н., Потапов В. Т., Трещиков В. Н., Шаталин C.B. «Обратная задача в поляризационной рефлектометрии», препринт ИРЭ РАН № 1(622), Москва, 1998.
  2. V.T.Potapov, S. V. Shatalin, V. N. Treschikov «Polarization mode dispersion measurements along optical fiber» Тезисы докладов на международной конференции «КИН098″, Москва, Июль, 1998.
  3. A., Treschikov V.N., Shatalin S.V. „Interferometric optical timedomain reflectometry for distributed optical fiber sensing“, Applied Optics, vol. 37, № 24, pp 5600−5604, June, 1998.
  4. В.Т., Трещиков В. Н., Шаталин С. В. „Интерференционные эффекты при рэлеевском рассеянии излучения в оптических волокнах“ „Экология, мониторинг и рациональное природопользование“ вып. 294 (2), изд. МГУЛ, Москва, 1997.
  5. В.Т., Трещиков В. Н., Шаталин С. В. „Интерференционные распределенные волоконно-оптические датчики“, Радиотехника, Москва, 1998.
  6. O.Rogers A., Treschikov V.N., Shatalin S.V. „Interferometric optical timedomain reflectometry for distributed optical fiber sensing“, SPIE’s International Symposium of Optical Science, Engineering and Instrumentation», San-Diego, USA, 19−23 July, 1998.
  7. В.Т., Трещиков В. Н., Шаталин С. В. «Интерференционные эффекты при рэлеевском рассеянии света в оптических волокнах», Радиотехника и Электроника, Москва, 1998.
  8. Magon, Bizeul, «Polarization-mode dispersion measurement for single-mode optical fibers by interferometric method», Telecommunication standardization sector, COM 15−278-E, Sep.1995.
  9. A.Galtarossa, C. Pigat, C.G.Somedam, «Processing of Experimental Data on Polarization-mode dispersion in Submarine Cables», unpublished work.
  10. F. Curti, B. Diano.G. DeMaris, and F. Matera, «Statistical treatment, of the evolution of the principal states of polarization in single-mode fibers», J. Lightwave Technol., vol. 8, pp.1162−1166, Aug. 1990.
  11. Marrone M.J., Villaruel C.A., Frigo NJ., Dandridge A., Opt. Letters, 1987, v.12, № 1, pp. 60−62.
  12. А.Ю. и другие, Радиотехника, 1988, № 6, с. 90−95.
  13. Г. Б., Позднякова В. И., Шерешевский И. А., Оптика и Спектроскопия, 1997, т. 83, № 5, с. 845−853.
  14. R. Ulrich, S.N. Rashligh, W. Einhholt, Opt. lett., v. 5, 66. 273−274,1980.19. «Polarization-mode dispersion measurement techniques for single-mode optical fibers.» IES doc. SC86A/WG1.
  15. Rashleigh S.C., Marrone M.J., Electron. Lett., 1983, v. 19, № 20, p. 850.
  16. Г. Б., Известия вузов, Радиофизика, 1992, т.35, № 1, с. 98−100.
  17. Г. Б., Известия вузов, Радиофизика, 1995, т.38, № 6, с. 604−607.
  18. A. Galtarossa at all. «Stress investigation in optical fiber- ribbon cable by means polarization sensitive techniques», IEEE Photonics Technology Lett. v. 6, № 10, pp. 1232−1234,1994.
  19. Y. Suetsugu, T. Kato, M. Nishimira, «Full Characterization of Polarization-Mode Dispersion with Random Mode Coupling in Single-Mode optical fibers», IEEE Phot. Tech. Lett., vol. 7, № 8, pp. 887−889, Aug. 1995.
  20. Г. Б., Позднякова В. И., «Увеличение длины корреляции немонохроматического излучения на выходе волоконного кольцевого интерферометра с контуром из одномодового волоконного световода с неодно-родностями», ЖТФ, 1998.
  21. W.Gardner, «PMD achieves global test status», Lightwave,.№ 9, p.36 1996.
  22. N. Gisin, J.P. Yon der Weid, J.P. Pellaux, «Polarisation mode dispersion of short and long single-mode fibers,» J. Lightwave Technoi., vol. 9, pp. 821−831,1. July, 1991.
  23. B.W. Hakki, «Polarisation mode dispersion in a single-mode fibers,» J. Lightwave Technoi., vol. 14, pp. 2202−2208, Oct. 1996.
  24. A.Galtarossa, F. Matera, C.G.Someda and M. Schiano,"Polarization dispersion and system performance: a review of experimental investigations", Report, EFOS&N July 93.
  25. C.D. Poole and R.E. Wagner, «Phenomenological approach to polarization dispersion in long single-mode fibers», Electron. Lett., vol.22,pp. 1029−1030, Sept. 1986.
  26. C.D. Poole and D.L. Favin, «Polarisation mode dispersion measurements based on transmission spectra through a polarizer», J. Lightwave Technoi., vol. 12, pp. 917−929, June 1994
  27. A. Galtarossa, M. Schiano, B. Daino, R. Zaninello, et al, «Experimental comparison between two different methods for measuring polarization mode dispersion in singlemode fibres», Electronics Letters, vol.27,pp.2292−2293,Nov.l991.
  28. A.Galtarossa, G. Gianello, C.G.Someda and M. Schiano,"In-field comparison among polarization-mode-dispersion measurement techniques", J. Lightwave Technoi., vol. 14, pp 42−48,Jan. 1996.
  29. N.Gisin, R. Passy, B. Perny, F. Matera, A. Galtarossa, et al, «Comparison of measurements of polarization-mode dispersion in single-mode fibers», OFC'92 Wednesday poster, pp146−147,Sep. 1991.
  30. A.Galtarossa, C.G.Someda, F. Matera, M. Schiano, «Polarization mode dispersion in long single-mode-fiber links: A review,» Fiber and Integrated Optics, vol.13, pp.215−229.
  31. R.E. Sohuh, J.G. Bilison, A.S. Siddiqui, and D.H.O. Bebbington, «Polarization OTDR measurements and theoretical analysis on fibers with twist and their implication of PMD,» Electron. Lett., vol. 32, pp. 387−388, Feb., 1996.
  32. A.Galtarossa, F. Corsi, L. Palmieri, «Experimental investigation of polarization-mode dispersion properties in single-mode fibers using a new backscat-tering technique», 2nd OFMC'97, Sep. 1997.
  33. G.H., Ghoi S.S., «Analysis of birefringence in single-mode fibers and theory for the backscattering measurement.» J. Opt. Soc. Am., vol. 2, N. 2, pp. 167−170,1985.
  34. G.J". Foschini and. D. Poole, «Statistical theory of polarization dispersion in single-mode fibers», J. Lightwave Technol., vol. 9, pp.1439−1456, Nov. 1989.
  35. F. Curti, B. Diano, Q. Mao, and P. Matera, «Concatenate-on of polarization dispersion in single-mode fibers». Electron. Lett., vol. 25, pp. 290−291. Feb. 1989.
  36. C. D. Poole, J.H. Winters, and J.A. Nagel, «Dynamical eqiuation for polarization dispersion». Optics Lett., vol. 16, pp. 372−374, Mar. 1991.
  37. N. Gisin and J".P. Pellaux, «Polarisation mode dispersion: Time versus frequency domain,» Optics Commun., vol.89, pp. 316−323, May 1992.
  38. N.S. Bergano, C.D. Poole, and R. Wagner, «Investigation of polarization dispersion in long lengths of single-mode fibers using multilongitudinal mode lasers, «J». Lightwave Technol., vol. 5, pp. 1618−1622, Nov. 1987.
  39. C.D. Poole, R.W. Tkach, A.R. Chaplyvy, and D, A. Fishman, «Fading in lightwave systems due to polarization-mode dispersion,» IEEE Photon. Tech. Lett., vol. 3, PP. 68−70, Jan. 1991.
  40. F.P. Kapron and D.E. Keck, «Pulse transmission through a dielectric optical waveguide,» Appl. Opt., vol. 10, pp. 1519−1523. 1971.
  41. N. Gisin, J.P. Yon der Weid, J.P. Pellaux, «Polarisation mode dispersion of short and long single-mode fibers,» J. Lightwave Technoi., vol. 9, pp. 821−831, July, 1991.
  42. F.P., Borrelli N.F., Keck D.B., «Birefringence in dielectric olptical waveguides,» IEEE Journal of (Quantum Electronics, vol. QE-8, N 2. pp. 222 225,1972.
  43. C.M., Листвин B.H., Шаталин C.B., «Исследование поляризационной анизотропии одномодового кварцевого волокна,» Из. ВУЗов Радиофизика, т. 27, N 4, сс., 505−511, 1984.
  44. .М., Лекции по математической теории устойчивости. -М.: Наука, с. 141, 1967.
  45. С.М., Листвин В. Н., Шаталин С. В., «Об определении двулучепре-ломления в одномодовом волокне,» Оптика и спектроскопия, Т. 58, N 5, сс. 1159−1161, 1985.
  46. М.М. Горшков, «Эллипсометрия», «Советское радио», Москва, 1974.
  47. Г. Корн, Т. Корн, «Справочник по математике», Москва, 1974.
  48. Джеррард, Берч, «Матричная оптика», Москва.
  49. Р. Аззам, Н. Башара, «Эллипсометрия и поляризованный свет.», Москва, Мир, 1981.
  50. P.J. Healey, J. Lightwave Technoi. 3,876 (1985).
  51. A.J. Rogers, Appl. Opt., 20, 1060 (1981)
  52. А.М. Мамедов, В. Т. Потапов, С. В. Шаталин, Р. Юшкайтис, Письма в ЖТФ, том 19, вып. 8, стр. 6,1993.
  53. A.M. Мамедов, В. Т. Потапов, С. В. Шаталин, Р. Юшкайтис, «Распределенная волоконно-оптическая система сигнализации», Письма в ЖТФ, том 19, вып. 14, стр. 83,1993.
  54. R. Rathod, R. D. Pechstedt, D.A. Jackson and D.J. Webb, Opt. Lett., 19,593 (1994).
  55. K. Shimizu, T. Horidichi and Y. Koymada, J. Lightwave Technol. 10, 982 (1992).
  56. Дж. У. Гудмен, Статистическая оптика, М., «МИР», 1988.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!