Волоконно-кристаллический поляризатор

 

Использование: волоконно-оптические линии связи и волоконно-оптические датчики. Сущность изобретения: волоконно-кристаллический поляризатор содержит три двулучепреломляющих одноосных монокристалла, выполненных из одного материала, и отрезок оптического волокна, содержащий участок с уменьшенными поперечными размерами, выполненный в виде перетяжки. Первый монокристалл находится в оптическом контакте с утонченным участком оптического волокна, второй и третий монокристаллы установлены в контакте с участками оптического волокна, примыкающими к его перетяжке. Монокристаллы выполнены в виде оболочек соответствующих участков оптического волокна. Каждый монокристалл размещен на слюдяной пластине. Оптические оси монокристаллов ортогональны оси оптического волокна. 1 ил.

Изобретение относится к волоконной технике и может использоваться при разработке и изготовлении волоконно-оптических датчиков и волоконно-оптических линий связи.

Известен волоконно-кристаллический поляризатор, состоящий из асимметрично стравленного участка волокна и нанесенный на стравленный участок металлической пленки. Однако, для изготовления таких волоконных поляризаторов требуется производство специального волокна, позволяющего реализовать ассиметричное стравливание оболочки. Этот поляризатор характеризуется большими оптическими потерями сохраняемой поляризации ( ≈ 10 дБ) при коэффициенте подавления неосновной поляризации (коэффициенте экстинкции) ≈ 36 дБ. Увеличение коэффициента подавления связано с одновременным ростом потерь сохраняемой поляризации. Кроме того, этот поляризатор при указанных параметрах имеет размер ≈ 4 см, что для ряда задач неприемлемо.

Ряд недостатков описанного поляризатора, таких как большие потери сохраняемой поляризации, жесткую связь этих потерь с величиной коэффициента экстинкции, необходимость изготовления специального волокна устраняются в известном волоконно-кристаллическом поляризаторе. В этом поляризаторе на поверхности утонченного путем шлифовки участка волокна размещается двулучепреломляющий монокристалл, причем для обеспечения оптического контакта кристалла с волокном между контактирующими поверхностями вводится иммерсионная жидкость. В этом поляризаторе достигнут коэффициент экстинкции 60 дБ. Однако, характеристики такого поляризатора существенно изменяются при изменении окружающей температуры. Это связано с температурной зависимостью оптических характеристик иммерсионной жидкости. При изменении окружающей температуры на 100^оС коэффициент экстинкции и потери сохраняемой поляризации изменяются в 10 и более раз. Возможна также ситуация, когда показатель преломления иммерсионной жидкости превышает показатель преломления материала волокна, что приводит к высвечиванию излучения из волокна на утонченном участке. Кроме того, в этом поляризаторе взаимодействие излучения в волокне с кристаллом происходит только через сошлифованную поверхность волокна, что снижает эффективность подавления неосновной поляризации на единицу длины волокна.

Техническим результатом изобретения является повышение устойчивости оптических характеристик поляризатора к температуре и уменьшение его габаритов.

Поставленная цель достигается тем, что в известный волоконно-кристаллический поляризатор, состоящий из отрезка оптического волокна, содержащего участок с уменьшенными поперечными размерами, и первого двулучепреломляющего одноосного монокристалла, находящегося в оптическом контакте с утонченным участком оптического волокна, при этом показатели преломления оболочки волокна n, обыкновенного n_о и необыкновенного n_е лучей двулучепреломляющего одноосного монокристалла соответствуют условию n_o > n > n_o или n_е < n < n_е, дополнительно введены три слюдяные пластины, второй и третий двулучепреломляющие монокристаллы, при этом участок волокна с уменьшенными поперечными размерами выполнен в виде перетяжки, второй и третий двулучепреломляющие монокристаллы установлены в контакте с участками оптического волокна, примыкающими к его перетяжке, монокристаллы выполнены из одного материала в виде оболочек соответствующих участков оптического волокна, каждый монокристалл размещен на слюдяной пластине, причем оптические оси всех монокристаллов ортогональны оси оптического волокна.

На чертеже показан предлагаемый поляризатор.

Поляризатор содержит оптчическое волокно 1, участок волокна с уменьшенными поперечными размерами, выполненный в виде перетяжки 2, двулучепреломляющие монокристаллы 3 - 5, выполненные в виде оболочек соответствующих участков волокна и размещенных на слюдяных пластинах 6 - 8, расположенных на общей подложке 9.

В предлагаемом поляризаторе оптический контакт монокристалла 3 с перетяжкой волокна 2 осуществляется без использования иммерсии, например, за счет выращивания монокристалла из расплава при помещении перетяжки в область расплава, переходящую в монокристалл. За счет этого улучшается температурная стабильность оптических характеристик поляризатора. Аналогичным образом обеспечивается контакт боковых кристаллов 4 и 5 с участками волокна 1, примыкающими к перетяжке 2.

Выращивание монокристалла 3 на слюдяной пластине 7, изготовленной путем скола вдоль слоя спаянности и размещенной вблизи оптического волокна 1 параллельно плоскостью скола его оси необходимо для ориентации оптической оси монокристалла 3 ортогонально оси волокна при выращивании его из расплава, что обеспечивает выполнение поляризатором своих функций.

Выполнение утонченного участка волокна с уменьшенными поперечными размерами в виде перетяжки 2, сформированной за счет вытяжки волокна при его одновременном тепловом размягчении, позволяет обеспечить требуемую величину поля на всей поверхности утонченного участка, а не только на ее части, как в поляризаторе-прототипе. Это позволяет при заданном коэффициенте экстинкции уменьшить габариты поляризатора за счет увеличения эффективности взаимодействия излучения с монокристаллом на единицу длины утонченного участка.

Введение в состав поляризатора двух двулучепреломляющих монокристаллов 4 и 5, изготовленных из того же материала, что и центральный монокристалл 3, находящихся в контакте с участками волокна 1, примыкающими к перетяжке 2 и выращивание всех трех кристаллов, выполненных в виде оболочек соответствующих участков волокна, на слюдяных пластинах 6 - 8, изготовленных путем скола вдоль слоя спаянности и размещенных на общей подложке 9 вблизи оптического волокна 1 параллельно плоскости скола его оси, необходимо для повышения температурной стабильности оптических характеристик поляризатора. При изменении внешней температуры может возникать деформация утонченного участка волокна 2 в местах его выхода из монокристалла 3 за счет различия коэффициентов температурного расширения монокристалла и узлов фиксации неутонченных участков волокна, что приводит к возрастанию оптических потерь и ухудшению коэффициента экстинкции. При фиксации неутонченных участков волокна монокристаллами 4 и 5, выполненными в виде оболочек этих участков, изготовленных и ориентированных аналогично центральному монокристаллу 3 и размещенных на общем с ним основании, относительное положение утонченного участка волокна и участков, примыкающих к перетяжке 2, не изменяется при флуктуациях внешней температуры. Таким образом устраняются температурные деформации перетяжки.

Деформация неутонченных участков волокна 1, выходящих из боковых монокристаллов 4 и 5 в противоположную от центрального кристалла 3 сторону, существенно слабее влияет на оптические характеристики поляризатора, чем деформация перетяжки.

Выращивание боковых монокристаллов 4 и 5 на слюдяных пластинах 6 и 8, изготовленных и ориентированных аналогично пластине 7 под центральным монокристаллом 3, необходимо для обеспечения одинаковой ориентации всех трех монокристаллов при их выращивании из расплава, что устраняет при температурных воздействиях деформацию перетяжки 2. При различной ориентации кристаллов относительно оси волокна 1 величина температурной усадки для кристаллов различается, что приводит к различному смещению участков волокна, выходящего из центрального монокристалла 3, и участков волокна, выходящих из крайних кристаллов 4 и 5 в сторону центрального. За счет этого возникает деформация утонченного участка волокна, что снижает оптические характеристики поляризатора.

Новизна предлагаемого поляризатора состоит в том, что впервые задача улучшения оптических характеристик поляризатора решается за счет введения в состав поляризатора трех слюдяных пластин, второго и третьего двулучепреломляющих монокристаллов, при этом участок волокна с уменьшенными поперечными размерами выполнен в виде перетяжки, второй и третий двулучепреломляющие монокристаллы установлены в контакте с участками оптического волокна, примыкающими к его перетяжке, монокристаллы выполнены из одного материала в виде оболочек соответствующих участков оптического волокна, каждый монокристалл размещен на слюдяной пластине, причем оптические оси всех монокристаллов ортогональны оси оптического волокна.

Кроме того, новизна предлагаемого поляризатора состоит в том, что впервые задача уменьшения габаритов поляризатора решается за счет выполнения участка волокна с уменьшенными поперечными размерами в виде перетяжки, сформированной за счет вытяжки волокна при его одновременном тепловом размягчении.

В качестве материала для двулучепреломляющих монокристаллов используется нитрат натрия (NaNO₃). Выращивание монокристаллов проводится методом Штебера, заключающемся в охлаждении расплава при сохранении в нем фиксированного градиента температуры. Направление градиента температуры было ортогональным оси волокна и плоскости скола слюдяной пластинки. Поляризаторы изготавливаются на основе кварцевого одномодового волокна, сохраняющего поляризацию излучения, с диаметром оболочки 90 мкм и диаметром жилы 2 мкм. Изготовление перетяжки на волокне осуществляется путем локального разогрева волокна высокочастотным дуговым разрядом при одновременной вытяжке волокна.

Для определения характеристик изготовленных поляризаторов входной отрезок волокна возбуждается деполяризованным излучением полупроводникового светодиода ЗЛ136А5 на длине волны 0,8 мкм. На выходе поляризатора измеряются эллиптичность излучения с помощью стандартного кристаллического поляризатора (призмы Глана) и суммарная прошедшая мощность, по величине которых определяются коэффициент экстинкции и потери сохраняемой поляризации.

Для каждого из поляризаторов достигается коэффициент подавления неосновной поляризации (коэффициент экстинкции) - 60 дБ при потерях сохраняемой поляризации - 10% для прототипа и 5 % для предлагаемого поляризатора. Продольный размер поляризаторов составляет при этом: 5 см - для прототипа и 2 см - для предлагаемого поляризатора. При нагревании поляризатора-прототипа от комнатной температуры до 60^оС коэффициент экстинкции ухудшается в 7 раз, а при его охлаждении до -50^оС более, чем в десять раз возрастают потери сохраняемой поляризации. Для предлагаемого поляризатора изменения коэффициента экстинкции и оптических потерь составляет лишь несколько процентов в указанном диапазоне температур.

Таким образом, в предлагаемом поляризаторе уменьшены его габариты в 2,5 раза и более, чем в десять раз повышена устойчивость его оптических характеристик к температуре.

Формула изобретения

ВОЛОКОННО-КРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ПОЛЯРИЗАТОР, состоящий из отрезка оптического волокна, содержащего участок с уменьшенными поперечными размерами, и первого двулучепреломляющего одноосного монокристалла, находящегося в оптическом контакте с утонченным участком оптического волокна, при этом показатели преломления оболочки волокна n, обыкновенного n_о и необыкновенного n_е лучей двулучепреломляющего одноосного монокристалла соответствуют условию n_о > n > n_е, или n_о < n < n_e, отличающийся тем, что в него дополнительно введены три слюдяные пластины, второй и третий двулучепреломляющие монокристаллы, при этом участок волокна с уменьшенными поперечными размерами выполнен в виде перетяжки, второй и третий двулучепреломляющие монокристаллы установлены в контакте с участками оптического волокна, примыкающими в его перетяжке, монокристаллы выполнены из одного материала в виде оболочек соответствующих участков оптического волокна, каждый монокристалл размещен на слюдяной пластине, причем оптические оси монокристаллов ортогональны оси оптического волокна.

РИСУНКИ

Рисунок 1