Волоконно-оптические устройства технологического назначения.-1

121

6. ДАТЧИКИ НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ БРЭГГОВСКИХ РЕШЕТОК

6.1. Методы формирования волоконно-оптических брэгговских решеток

В последнее время в качестве чувствительных элементов, реагирующих на внешнее воздействие, широко используются волоконно-оптические брэгговские решетки (ВОБР) [8, 13, 14, 18–20]. Интерес к ним в большой степени связан с возможностью голографического формирования ВОБР непосредственно в процессе вытягивания ВС и с полностью волоконной конфигурацией таких чувствительных элементов. Волоконные решетки с неизменными во времени характеристиками впервые реализованы в 1978 году. В одном из экспериментов излучение Ar-лазера вводилось в ВС с сердцевиной из германосиликатного стекла, и через несколько минут после начала процесса экспонирования в световоде возникало интенсивное излучение

вобратном направлении. Было установлено, что при отражении излучения от выходного торца ВС в результате интерференции прямой и обратной волн в нем возникает стоячая световая волна, в максимумах интенсивности которой показатель преломления материала изменяется, формируя решетку с пространственным периодом, равным половине длины волны света для волноводной моды. Такая решетка отражает излучение

всоответствии с условием Брэгга, а ее амплитуда возрастает в процессе экспонирования до некоторой предельной величины. Методика формирования брэгговских решеток при торцевом возбуждении ВС не нашла практического применения, поскольку период формируемой структуры жестко связан с постоянной распространения волноводной моды и не может варьироваться.

Позднее (в 1989 году) реализован процесс формирования ВОБР в германосиликатном ВС ультрафиолетовым (УФ) излучением через боковую поверхность. Полученная геометрия позволяет изменять пространственный период ВОБР в широком

122

диапазоне, что делает их перспективными для всевозможных практических приложений.

ВОБР представляет собой участок сердцевины ВС (как правило, одномодового), в области которого показатель преломления (ПП) имеет периодическую модуляцию в направлении оси световода. В кварцевой оболочке ПП остается практически неизменным. Такая структура может обладать очень высокой

спектральной селективностью, т.е. высокой отражательной способностью в узкой полосе частот, что и определяет возможности широкого применения ВОБР в волоконнооптических элементах и устройствах. Относительная спектральная ширина полосы ВОБР может составлять 10–6 и менее. К их существенным достоинствам относятся возможности варьирования спектральных и дисперсионных характеристик, полностью волоконное исполнение, низкие оптические потери, возможность формирования решеток с

моды световода. Соответственно величина Λ составляет от 0,2 до 0,5 мкм для света с длинами волн от 0,63 (излучение He-Ne- лазера) до 1,5 мкм (телекоммуникационный диапазон). Подобные структуры формируют с использованием голографических методик. Рассмотрим несколько схем, используемых для этого.

Классическая схема двухлучевой голографической записи представляет собой интерферометр, в котором когерентное излучение УФ диапазона расщепляется на два пучка, пересекающихся затем в области расположения ВС с углом θ между ними (рис. 6.1, а). Угол θ между интерферирующими пучками определяет период интерференционной картины: Λ = λ / 2sin(θ / 2) и, следовательно, период ВОБР.

Для формирования ВОБР используется и более простая схема с меньшим числом оптических элементов,

123

обеспечивающая более высокую стабильность работы. Это интерферометр Ллойда [2, 8], в котором с помощью одного диэлектрического зеркала фронт пучка делится на две части, формирующие интерференционную картину (рис. 6.1, б). Изменение угла пересечения световых пучков в такой схеме достигается поворотом зеркала вместе с закрепленным на нем световодом. Для увеличения интенсивности света в ВС используются цилиндрические линзы (ЦЛ). Обе рассмотренные схемы требуют высокой пространственной и временной когерентности УФ-излучения.

УФ

ЦЛ

З

СД

З

З

с фазовой маской (рис. 6.2, а). В этом случае в качестве источников излучения используются сравнительно недорогие эксимерные лазеры. В данном методе реализуется интерференция между первым и минус первым дифракционными порядками излучения, прошедшего через фазовую маску (ФМ). Маска из кварцевого стекла прозрачна для УФ-излучения и имеет рельеф, позволяющий подавить нулевой и другие порядки дифракции, обеспечивая высокий контраст интерференционной картины. Недостатком метода является отсутствие возможности

124

варьирования периода решетки Λ при заданной маске. Изменение периода ВОБР предусмотрено в интерферометре Тальбота с двумя вспомогательными зеркалами (З1, З2), путем поворота

которых можно изменять период интерференционной картины и, следовательно, период решетки Λ (рис. 6.2, б).

Рис. 6.2. Формирование волоконных брэгговских решеток в схемах с фазовой маской: непосредственная запись (а); запись с возможностью варьирования периода решетки в интерферометре Тальбота (б)

ВОБР связывают фундаментальную моду ВС с такой же модой, но распространяющейся в обратном направлении. Соответственно на заданной длине волны излучение частично или полностью отражается от ВОБР. Для решетки длиной L, с неизменными параметрами в направлении распространения света коэффициент отражения R на резонансной длине волны

λБР

определяется соотношением R = th2 (κL) , где κ = πΔnБРPэ / λБР —

коэффициент связи; nБР — величина максимального изменения показателя преломления в области решетки; Pэ — доля мощности моды, локализованная в сердцевине ВС.

6.2. Длиннопериодные волоконные решетки

иметоды их изготовления

Кдлиннопериодным волоконным решеткам (ДПВР)

125

относятся структуры, у которых пространственный период во много раз превышает величину, необходимую для брэгговского отражения распространяющейся волноводной моды. Соответственно их период может составлять десятки и даже сотни микрометров, а методы формирования существенно отличаются от таковых для ВОБР. Требования к механической стабильности оптических схем их формирования и когерентности УФ-излучения оказываются не столь жесткими из-за большого периода световых картин.

Одним из наиболее простых и распространенных методов формирования ДПВР является метод амплитудной маски (АМ). В такой схеме УФ-излучение освещает АМ на подложке из кварцевого стекла, расположенную на достаточно малом расстоянии от световода (рис. 6.3, а). Сравнительно большой период структуры АМ и малое расстояние между ней и ВС сводят до минимума влияние дифракционных эффектов на распределение интенсивности света в области сердцевины ВС. Вся решетка формируется одновременно, поэтому время ее записи равно времени записи каждого отдельного штриха.

а б

Рис. 6.3. Формирование длиннопериодных решеток в ВС в схемах с амплитудной маской (а) и с пошаговой записью (б)

Другой, пошаговый, метод (рис. 6.3, б) состоит в последовательном формировании отдельных штрихов решетки при смещении ВС относительно сфокусированного на его сердцевину лазерного излучения. Пошаговый метод обладает большей

126

гибкостью, позволяя формировать структуры с произвольными профилями отдельных штрихов и нужным распределением параметров решетки по ее длине. Вместо цилиндрической линзы излучение здесь фокусируется на сердцевину ВС сферической линзой.

Один из вариантов пошагового метода основан на локальном нагреве ВС до температуры около 1000 ºC. При этом изменение показателя преломления материала может происходить вследствие механических деформаций ВС, перераспределения имеющихся в них упругих напряжений из-за фотоупругого эффекта, пространственного перераспределения химического

состава стекла в результате термоиндуцированной диффузии. Тепловое воздействие может быть вызвано инфракрасным излучением (CO2-лазер, CO-лазер) или локализованным электрическим разрядом. Достоинством этого способа является возможность формирования решеток в нефоточувствительных ВС, например в ВС с чисто кварцевой сердцевиной.

6.3. Источники излучения, используемые для индуцирования волоконных решеток

Механизмы изменения показателя преломления материала сердцевины ВС при воздействии УФ-излучения исследованы недостаточно даже для германосиликатного стекла, на основе которого впервые получены ВОБР. Однако известно, что при фотовозбуждении германиевых кислородно-дефицитных центров возможна последующая трансформация сетки стекла, сопровождаемая изменением его показателя преломления. В спектре поглощения данного стекла имеются две ярко выраженные полосы с максимумами в области длин волн 242 и 330 нм, приписываемые соответственно синглет-синглетному и синглет-

триплетному поглощению германиевых кислородно-дефицитных центров.

127

Второй возможный механизм изменения показателя преломления германосиликатного стекла под действием УФизлучения обусловлен тем, что разрыв связей Ge-SiO2 УФизлучением приводит к изменению характеристик поглощения света в материале. А изменение поглощения вызывает изменение показателя преломления материала n для всех длин волн вне полосы поглощения, что является следствием соотношений Крамерса — Кронига [2, 4]. Поскольку Ge находится в основном в сердцевине ВС, то и показатель преломления изменяется в сердцевине.

Фотовозбуждение синглетной полосы может осуществляться мощным коротковолновым излучением, источниками которого являются:

– KrFэксимерный лазер с длиной волны λ=248 нм;

– ионный аргоновый лазер (вторая гармоника, линии

сλ =244 и 257 нм);

–Nd 3+:YAG-лазер (четвертая гармоника, λ=266 нм);

–лазеры на красителях (вторая гармоника).

В последнее время появились также сообщения о формировании ВОБР лазерными импульсами фемтосекундной длительности с высокой энергией.

6.4. Фоточувствительные стекла

Наведенное в сердцевине ВС изменение показателя преломления зависит от методов и условий их изготовления, типа и концентрации легирующих примесей, длины волны,

интенсивности и типа индуцирующего излучения (импульсное или непрерывное). Стандартные телекоммуникационные световоды не обладают достаточной фоточувствительностью для формирования в них ВОБР. Исследования показали, что чувствительность германосиликатных ВС может возрастать с ростом концентрации GeO2 в сердцевине [8]. Обычно величина поглощения при λ=242 нм пропорциональна концентрации

128

германия. Повышение чувствительности к УФ-излучению может быть также достигнуто при синтезе заготовки ВС в условиях дефицита кислорода, например при замене его азотом или инертными газами.

К числу элементов, увеличивающих фоточувствительность световодов при совместном легировании с германием, относятся бор, олово, азот, фосфор, сурьма. Обнаружено также, что при облучении светом с λ=193 нм высокую фоточувствительность демонстрируют ВС, легированные азотом, фосфором, серой, сурьмой.

Для увеличения фоточувствительности ВС, в том числе стандартных, используется также процесс насыщения стекла водородом при высокой температуре, например в пламени горелки с высоким содержанием водорода, что позволяет увеличить изменение показателя преломления стандартных световодов практически на порядок. Таким образом, фоточувствительность может быть повышена в локальных областях ВС без изменения суммарных потерь всего световода.

Волоконные решетки, как ВОБР, так и ДПВР, в настоящее время выпускаются целым рядом компаний за рубежом и в России. Параметры производимых элементов отвечают требованиям разных областей их применения, в число которых кроме ВОД входят рамановские лазеры, стабилизация длины волны излучения полупроводниковых лазеров, спектральное уплотнение каналов в волоконно-оптических системах связи. В качестве

примера в табл. 6.1 и 6.2 представлена информация о характеристиках ВОБР для применения в ВОД и характеристиках ДПВР производства ООО ИП «НЦВОФотоника» (г. Москва).

Таблица 6.1 Характеристики волоконно-оптических брэгговских решеток

6.5. Информативные параметры отклика волоконно-оптических брэгговских решеток

Основной эффект при взаимодействии света с ВОБР связан с брэгговским отражением световой волны, если ее длина λ удовлетворяет условию Брэгга λ = 2Λnmn , где nmn — эффективный показатель преломления волноводной моды.

УДПВР, как отмечалось, величина Λ намного больше, чем

уВОБР, поэтому такие решетки могут связывать попутно распространяющиеся моды световода разного порядка или разной поляризации. Эти различия иллюстрируют векторные диаграммы, выражающие закон сохранения квазиимпульса для взаимодействия волноводных мод с решеткой (рис. 6.4) [3, 4, 12].

а б

Рис. 6.4. Векторные диаграммы для дифракции света в ВОБР (а) и ДПВР (б): K – вектор решетки; kд , kп — волновые векторы дифрагированной и падающей световых волн

130

Очевидно, что при использовании ВОБР в качестве чувствительных элементов ВОД информация об изменении их характеристик при наличии физических воздействий содержится в спектральных характеристиках светового поля, прошедшего

через ВОБР или отраженного ею. В этом случае световой сигнал, излучаемый источником, представляет собой импульс, ширина спектра которого превышает ширину спектральной характеристики ВОБР. Тогда в спектре прошедшего через ВОБР светового поля должен наблюдаться провал, соответствующий интервалу частот, эффективно отражаемому решеткой. Отраженный сигнал является узкополосным, его положение в спектральной области определяется брэгговским условием. Качественно картина изменения спектра светового импульса при его взаимодействии с ВОБР изображена на рис. 6.5.

t

Рис. 6.5. Изменения спектра зондирующего светового сигнала (Пад.) при его прохождении через ВОБР (Прош.) и отражении ею (Отр.)

6.6. Отклик волоконно-оптических брэгговских решеток на воздействия

Физические воздействия (изменение температуры, упругие деформации) возмущают среду в области ВОБР и изменяют положение брэгговского максимума в спектрах прошедшего ее или отраженного от нее оптического излучения. Этот эффект является основой для использования ВОБР в качестве чувствительных элементов ВОД.

Рассмотрим воздействие упругих деформаций, которые приводят к изменениям физической длины (и соответственно периода ВОБР) и показателя преломления материала в области