Исследование влияния наведенного периодического механического напряжения на величину связи поляризационных мод в двулучепреломляющем оптическом волокне

Введение. Одним из применений двулучепреломляющих оптических волокон является создание различных сенсоров, в том числе датчиков уровня и гидростатического давления. Внешнее механическое воздействие на двулучепреломляющее оптическое волокно приводит к перекачке части оптического излучения между ортогональными модами. В датчиках давления на микро- и макроизгибах затухание оптического сигнала растет при увеличении внешнего давления. Совмещение двух физических принципов в одном датчике позволяет создавать волоконно-оптические датчики высокой чувствительности для работы при давлении более 18 кПа. При этом существенно упрощается схема регистрации. Метод. В качестве опытного образца использовано оптическое волокно с эллиптической напрягающей оболочкой ESC-4. В исследовании применен широкополосный источник излучения ThorLabs S5FC1005SXL с центральной длиной волны 1560 нм и полушириной спектра 45 нм. Рассмотрено влияние наведенного периодического механического напряжения на величину связи поляризационных мод в двулучепреломляющем оптическом волокне с эллиптической напрягающей оболочкой. Наведенное периодическое напряжение создавалось предложенной и специально изготовленной периодической структурой из отрезков оптического волокна, приклеенных к стеклянной подложке. Давление на опытный образец волокна изменялось грузами известной массы, а также путем поворота волокна вокруг своей оси с шагом 5°. Гидростатическое давление создавалось с помощью резервуара с водой, помещенного в барокамеру. Мощность излучения, перекачиваемая между поляризационными модами, регистрировалась при помощи двух фотоприемных устройств с использованием поляризационного делителя. Основные результаты. Показано, что наибольшая величина относительной перекачиваемой мощности достигнута при периоде механического воздействия, равного длине биений двулучепреломляющего оптического волокна. Для опытного образца датчика получена зависимость относительной перекаченной мощности от гидростатического давления. Обнаружено, что наибольшее значение относительной перекаченной мощности — при давлении 80 кПа, а пороговой чувствительности — 20 кПа. Снижение перекачиваемой мощности при давлении более 80 кПа объясняется наведенными оптическими потерями, а при давлении менее 20 кПа заметен гистерезис показателей до 0,006 отн. ед. Обсуждение. Получен образец датчика для измерения гидростатического давления до 80 кПа со среднеквадратичным отклонением результатов измерения до 7 %. Пороговая чувствительность ограничена величиной 20 кПа. Выполненное исследование может найти применение при разработке волоконно-оптических датчиков давления.

1. Kaminow I.P. Polarization-maintaining fibers // Applied Scientific Research. 1984. V. 41. N 3-4. P. 257–270. https://doi.org/10.1007/BF00382456

2. Hui R. Introducing to Fiber-Optic Communications. Academic Press, 2020. 659 p.

3. Волоконно-оптические датчики. Вводный курс для инженеров и научных работников / под ред. Э Удда. М.: Техносфера, 2008. 520 с.

4. Окоси Т., Окамото К., Оцу М., Нисихара Х., Кюма К., Хататэ К. Волоконно-оптические датчики: пер. с яп. Л.: Энергоатомиздат, 1991. 255 c.

5. Fraden J. Handbook of Modern Sensors / 3rd ed. Springer New-York, 2006. 589 p.

6. Lefèvre H. The Fiber-optic gyroscopes / 2nd ed. Artech House Publ., 2014. P. 317–331.

7. Rashleigh S. Origins and control of polarization effects in singlemode fibers // Journal of Lightwave Technology. 1983. V. 1. N 2. P. 312–331. https://doi.org/10.1109/jlt.1983.1072121

8. Skai J.I., Kimura T. Birefringence and polarization characteristics of single-mode fibers under elastic deformations // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1981. V. 17. N 6. P. 1041–1051. https://doi.org/10.1109/jqe.1981.1071213

9. Carrara S.L.A., Kim B.Y., Shaw H.J. Elasto-optic alignment of birefringent axes in polarization-holding optical fiber // Optics Letters. 1986. V. 11. N 7. P. 470–472. https://doi.org/10.1364/ol.11.000470

10. Chinone N., Ulrich R. Elasto-optic polarization measurement in optical fiber // Optics Letters. 1981. V. 6. N 1. P. 16–18. https://doi.org/10.1364/ol.6.000016

11. Лиокумович Л.Б. Поляризационные эффекты в волоконных интерферометрах на основе двулучепреломляющих световодов: диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук / СПбПУ. СПб., 2008. 333 с.

12. Мухтубаев А.Б. Влияние поляризационных преобразований на сдвиг фазы Саньяка в волоконно-оптическом гироскопе: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Университет ИТМО. СПб., 2020. 199 с.

13. Yao X.S. Measurements of strain, stress and temperature by using 1-dimensional and 2-dimensional distributed fiber-optic sensors based on sensing by polarization maintaining fiber of distributed polarization crosstalk distribution. Patent US9476699. 2016.

14. He Z., Zhang Z., Feng T., Li Q., Yao X.S. Liquid pressure sensing system based on distributed polarization crosstalk analysis in polarization maintaining fiber // Optoelectronic Letters. 2022. V. 18. N 11. P. 651–657. https://doi.org/10.1007/s11801-022-2072-z

15. Буреев С.В., Дукельский К.В., Ероньян М.А. Способ изготовления одномодовых волоконных световодов, сохраняющих поляризацию излучения. Патент RU2396580C1. Бюл. 2010. № 22.

16. Аксарин С.М. Исследование поляризационных методов и технологий согласования волоконно-оптических и интегрально-оптических волноводов: диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук / Университет ИТМО. СПб., 2014. 116 с.