Spektrální interferometrie v bílém světle využitá k disperzní charakterizaci vysoce dvojlomných optických vláken

Transkript

1 Spektrální interferometrie v bílém světle využitá k disperzní charakterizaci vysoce dvojlomných optických vláken Petr Hlubina 1, Tadeusz Martynkien 2, Waclaw Urbańczyk 2. petr.hlubina@fpf.slu.cz hlu10uf 1 Ústav fyziky Slezská univerzita v Opavě, Česká republika 2 Institute of Physics Wroclaw University of Technology, Poland Petr Hlubina, Laboratoř optoelektroniky, Ústav fyziky, Slezská univerzita v Opavě, Česká republika hlu10uf/oelab p. 1/1

2 Obsah Experimentální uspořádání Princip měřicí metody Parametry optických vláken Experimentalní výsledky (optické vlákno s eliptickým jádrem) Zaznamenané spektralní interferogramy Měřené mezividové skupinové rozdíly optických drah (ROD) pro dva LP vidy Srovnání experimentálních výsledků s teorií Mezividové skupinové ROD pro dva LP vidy Rozdíly konstant šíření dvou LP vidů Srovnání experimentálních výsledků s teorií (optické vlákno s kruhovým jádrem) Mezividové skupinové ROD pro dva LP vidy Rozdíly konstant šíření dvou LP vidů Závěr Petr Hlubina, Laboratoř optoelektroniky, Ústav fyziky, Slezská univerzita v Opavě, Česká republika hlu10uf/oelab p. 2/1

3 Experimentální uspořádání Napájecí zdroj Halogenová žárovka Zrcadlo 1 M /2 Mikroposuv Clona Kolimátor Polopropustné zrcadlo Polarizátor Zrcadlo 2 Objektiv Optický stůl Mikroposuvy Spektrometr PC S2000 Měřené optické vlákno Optické vlákno Mikroposuvy Teoretický základ: P. Hlubina, Spectral-domain intermodal interference under general measurement conditions, Opt. Commun. 210, pp , Petr Hlubina, Laboratoř optoelektroniky, Ústav fyziky, Slezská univerzita v Opavě, Česká republika hlu10uf/oelab p. 3/1

4 Experimentální uspořádání Napájecí zdroj Halogenová žárovka Zrcadlo 1 M /2 Mikroposuv Clona Kolimátor Polopropustné zrcadlo Polarizátor Zrcadlo 2 Objektiv Optický stůl Mikroposuvy Spektrometr PC S2000 Měřené optické vlákno Optické vlákno Mikroposuvy Teoretický spektralní interferogram: I M (R, M ; λ) = I (0) (R, λ) { 1 + exp{ (π 2 /2)[ M λ R /λ 2 ] 2 } cos[(2π/λ) M ] +V (R; λ) { exp{ (π 2 /2)[ g 01 (z; λ) λ R/λ 2 ] 2 } cos[ β 01 (λ)z] +0.5 exp{ (π 2 /2)[( M g 01 (z; λ)) λ R/λ 2 ] 2 } cos[(2π/λ) M β 01 (λ)z] +0.5 exp{ (π 2 /2)[( M + g 01 (z; λ)) λ R/λ 2 ] 2 } cos[(2π/λ) M + β 01 (λ)z] }} Petr Hlubina, Laboratoř optoelektroniky, Ústav fyziky, Slezská univerzita v Opavě, Česká republika hlu10uf/oelab p. 3/1

5 Princip měřicí metody 140 Spektralní intensita (l. j.) Šířka odezvové funkce spektrometru λr : λ R 3 nm P. Hlubina, White-light spectral interferometry to measure intermodal dispersion in two-mode elliptical-core optical fibres, Opt. Commun. 218, pp , Petr Hlubina, Laboratoř optoelektroniky, Ústav fyziky, Slezská univerzita v Opavě, Česká republika hlu10uf/oelab p. 4/1

6 Princip měřicí metody 140 Spektralní intensita (l. j.) První typ spektrálních interferenčních proužků: I M1 (R, M ; λ) = I (0) (R, λ) { 1 + V (R; λ) 0.5 exp{ (π 2 /2)[( M g 01 (z; λ)) λ R/λ 2 ] 2 } cos[(2π/λ) M β 01 (λ)z] } První vyrovnávací vlnová délka λ1 : g 01 (z; λ 1) = M Petr Hlubina, Laboratoř optoelektroniky, Ústav fyziky, Slezská univerzita v Opavě, Česká republika hlu10uf/oelab p. 4/1

7 Princip měřicí metody 140 Spektralní intensita (l. j.) Druhý typ spektrálních interferenčních proužků: I M2 (R, M ; λ) = I (0) (R, λ) { 1 + V (R; λ) exp{ (π 2 /2)[ g 01 (z; λ) λ R/λ 2 ] 2 } cos[ β 01 (λ)z] }, Druhá vyrovnávací vlnová délka λ0 : g 01 (z; λ 0) = 0 Petr Hlubina, Laboratoř optoelektroniky, Ústav fyziky, Slezská univerzita v Opavě, Česká republika hlu10uf/oelab p. 4/1

8 Princip měřicí metody 140 Spektralní intensita (l. j.) Třetí typ spektrálních interferenčních proužků: I M3 (R, M ; λ) = I (0) (R, λ) { 1 + V (R; λ) 0.5 exp{ (π 2 /2)[( M + g 01 (z; λ)) λ R/λ 2 ] 2 } cos[(2π/λ) M + β 01 (λ)z] } Třetí vyrovnávací vlnová délka λ2 : g 01 (z; λ 2) = M Petr Hlubina, Laboratoř optoelektroniky, Ústav fyziky, Slezská univerzita v Opavě, Česká republika hlu10uf/oelab p. 4/1

9 Parametry optických vláken Optické vlákno s eliptickým jádrem: Mezní vlnová délka pro tzv. sudý LP11 vid přibližně 930 nm Rozměry jádra přibližně 3, 9 1, 4 µm Rozdíl indexů lomu jádra a pláště približně 0,026 (λ = 630 nm) Délka z=0,88 m Teorie mezividové disperze v optických vláknech s eliptickým jádrem: T. Martynkien, S. Harris, W. Urbanczyk, Determination of the core dimensions in elliptical core fibers using cut-off wavelengths for higher order modes, Optik 111, pp , W. Urbańczyk, T. Martynkien, and W.J. Bock, Dispersion effects in elliptical-core highly birefringent fibers, Appl. Opt. 40, pp , Optické vlákno s kruhovým jádrem: Mezní vlnová délka pro LP11 vid větší než 950 nm Průměr jádra přibližně 7 µm Délka z=3,94 m Teorie mezividové disperze v optických vláknech s kruhovým jádrem: P. Hlubina, T. Martynkien and W. Urbanczyk, Measurements of intermodal dispersion in few-mode optical fibres using a spectral-domain white-light interferometric method, Meas. Sci. Technol. 14, pp , Petr Hlubina, Laboratoř optoelektroniky, Ústav fyziky, Slezská univerzita v Opavě, Česká republika hlu10uf/oelab p. 5/1

10 Experimentalní výsledky (vlákno s eliptickým jádrem) Zaznamenané spektrální interferogramy: 140 Spektralní intensita (l. j.) Nastavený ROD M : Vyrovnávací vlnové délky λ1, λ 0, λ 2 : M = 940 µm λ 1 = 642, 66 nm, λ 0 = 712, 50 nm, λ 2 = 758, 86 nm Petr Hlubina, Laboratoř optoelektroniky, Ústav fyziky, Slezská univerzita v Opavě, Česká republika hlu10uf/oelab p. 6/1

16 Experimentalní výsledky: mezividové skupinové ROD Mezividové skupinové ROD pro jednu polarizaci vidů LP 01 a LP 11 : 5000 Mezividový skupinový ROD ( µm) Polynom třetího řádu jako fitující funkce f(λ): f(λ) = g 01 (z; λ)/(zλ2 ) = (1/2π)d[ β 01 (λ)]/dλ Petr Hlubina, Laboratoř optoelektroniky, Ústav fyziky, Slezská univerzita v Opavě, Česká republika hlu10uf/oelab p. 7/1

17 Experimentalní výsledky: mezividové skupinové ROD Mezividové skupinové ROD pro obě polarizace vidů LP 01 a LP 11 : 5000 Mezividový skupinový ROD ( µm) Polynom třetího řádu jako fitující funkce f(λ): f(λ) = g 01 (z; λ)/(zλ2 ) = (1/2π)d[ β 01 (λ)]/dλ Petr Hlubina, Laboratoř optoelektroniky, Ústav fyziky, Slezská univerzita v Opavě, Česká republika hlu10uf/oelab p. 7/1

18 Srovnání experimentálních výsledků s teorií Mezividové skupinové ROD pro obě polarizace vidů LP 01 a LP 11 : 5000 Mezividový skupinový ROD ( µm) T. Martynkien, S. Harris, W. Urbanczyk, Determination of the core dimensions in elliptical core fibers using cut-off wavelengths for higher order modes, Optik 111, pp , Petr Hlubina, Laboratoř optoelektroniky, Ústav fyziky, Slezská univerzita v Opavě, Česká republika hlu10uf/oelab p. 8/1

19 Srovnání experimentálních výsledků s teorií Rozdíly konstant šíření mezi vidy LP 01 a LP 11 pro obě polarizace: 6.2 x 104 Rozdíl podélných konstant (m 1 ) Polynom čtvrtého řádu jako fitující funkce F (λ): β 01 (λ) = 2π[F (λ) + C] Petr Hlubina, Laboratoř optoelektroniky, Ústav fyziky, Slezská univerzita v Opavě, Česká republika hlu10uf/oelab p. 8/1

20 Srovnání exp. výsledků s teorií (kruhové vlákno) Mezividové skupinové ROD pro vidy LP 01 a LP 11 : 400 Mezividový skupinový ROD ( µm) P. Hlubina, T. Martynkien and W. Urbanczyk, Measurements of intermodal dispersion in few-mode optical fibres using a spectral-domain white-light interferometric method, Meas. Sci. Technol. 14, pp , Petr Hlubina, Laboratoř optoelektroniky, Ústav fyziky, Slezská univerzita v Opavě, Česká republika hlu10uf/oelab p. 9/1

21 Srovnání exp. výsledků s teorií (kruhové vlákno) Rozdíly konstant šíření mezi vidy LP 01 a LP 11 : 1.6 x 104 Rozdíl podélných konstant (m 1 ) Polynom čtvrtého řádu jako fitující funkce F (λ): β 01 (λ) = 2π[F (λ) + C] Petr Hlubina, Laboratoř optoelektroniky, Ústav fyziky, Slezská univerzita v Opavě, Česká republika hlu10uf/oelab p. 9/1

22 Závěr Byla realizována nová a jednoduchá spektrálně-interferenční metoda měření mezividové disperze v optických vláknech, která pracuje v bílém světle. V experimentální sestavě, zahrnující halogenovou žárovku, nedispezní Michelsonův interferometr, měřené optické vlákno a spektrometr s nízkým rozlišením, byly rozlišeny vyrovnávací vlnové délky. Závislost vyrovnávací vlnové délky na ROD nastaveném mezi svazky interferometru byla využita k přímému měření mezividové disperze v optickém vlákně. Měření mezividové disperze bylo provedeno na optických vláknech s eliptickým a kruhovým jádrem. Byl proveden teoretický popis mezividové disperze v optických vláknech s eliptickým a kruhovým jádrem. Byla potvrzena dobrá shoda mezi teorií a experimentem. Využití nové spektrálně-interferenční metody pracující v bílém světle může být rozšířeno na měření: polarizační vidové disperze (disperze dvojlomu) v jednovidových optických vláknech, chromatické disperse v jednovidových nebo mikrostrukturních optických vláknech. Petr Hlubina, Laboratoř optoelektroniky, Ústav fyziky, Slezská univerzita v Opavě, Česká republika hlu10uf/oelab p. 10/1