5. Методы повышения фоторефрактивности оптических волокон

При записи брэгговских решеток в стандартном телекоммуникационном волокне SMF-28, возникает проблема, связанная с тем, что такое волокно с молярной концентрацией германия 3% - 5% имеет слабую фоточувствительность и низкий порог насыщения, недостаточный для эффективной записи решеток ПП [3].

В литературе предложен ряд методов увеличения фоторефрактивности германо-силикатных ОВ. Основной метод заключается в повышении концентрации диоксида германия в сердцевине [8].

Другие методы заключаются в легировании заготовок для вытяжки ОВ такими химическими элементами, как бор, олово, азот, фосфор, сурьма совместно с германием, что приводит к увеличению фоторефрактивности световодов [3].

16

• ряде работ исследовалась фоточувствительность волоконных световодов, не содержащих германия, а легированных другими элементами: азотом, фосфором, серой, сурьмой [3].

Изготовленные выше указанными способами волоконные световоды имеют материальные и волноводные характеристики, отличные от стандартных, что приводит к дополнительным потерям на стыковку и увеличению линейного затухания оптического сигнала.

• связи с указанными недостатками, представляет интерес увеличение фоточувствительности световодов без значительного изменения его волноводных характеристик. Например, способ насыщения стекла водородом

• пламени горелки, способно на порядок увеличить наведенный ПП стандартных световодов [19]. Вместе с тем это ведет к росту концентрации ОН групп в структуре кварцевого стекла, обладающих полосами поглощения

• области 1.4 мкм, вносящих дополнительные оптические потери и приводящие к уменьшению механической прочности световода.

Другой способ заключается в насыщении стекла молекулярным водородом при низких температурах и высоком давлении. В таком случае водород находится в стекле в физически растворенном состоянии. Световод, подвергнутый такой обработке, имеет повышенную фоточувствительность до тех пор, пока водород находится в структуре стекла. В ходе обратной диффузии водорода в окружающую среду фоточувствительность уменьшается, возвращаясь к своему исходному значению, поэтому световод, подвергнутый водородной обработке, следует хранить при пониженной температуре [3].

Таким образом, легирование и водородная обработка повышают фоточувствительность световода и позволяют осуществить запись брэгговской дифракционной структуры в оптическом волокне с

коэффициентом отражения до 40% для ВБР типа I [20] и до 100% для ВБР типа II [20] одиночным УФ лазерным импульсом наносекундной длительности.

1.7. Однофотонное и многофотонное поглощение в германо-силикатных стеклах

Способ записи решеток Брэгга типа II KrF эксимерными лазерами связан с эффектом разрушения УФ излучением силикатного стекла (особенно легированного германием), который широко исследуется с 1970-х годов с целью производства оптических устройств (например, оптические фильтры на основе брэгговских решеток) в волокнах и тонких пленках. Однако, разрушение стекла лазером видимого и ИК излучения получило мало внимания вследствие низкой энергии фотонов на этих длинах волн. Но благодаря развитию лазеров, способных создавать импульсы фемтосекундной длительности, а, следовательно, с высокой плотностью энергии, побудило ученых исследовать лазеры с энергией фотонов, соответствующей видимому и ИК излучению, для индуцирования

17

мультифотонных фото-химических реакций и, вследствие этого, оптических устройств в стекле [21].

За последнее время увеличилось число публикаций, например работы [22-28], посвященных записи решеток ПП с помощью лазерных импульсов фемтосекундной длительности. В силу очень высокой интенсивности излучения в импульсе малой длительности поглощение излучения в этом случае происходит в результате многофотонного процесса. Упрощенная схема фото-ионизации через однофотонное и многофотонное поглощение в германо -силикатном стекле представлена на рисунке 1.11. Электрон может перейти из валентной зоны на дефектный уровень, соответствующий германиевым кислородно-дефицитным центрам, как за счет поглощения кванта энергии примерно в 5 эВ, так при одновременном поглощении нескольких фотонов с меньшей энергией. При многофотонном поглощении, длина волны может не попадать в полосу поглощения, но при этом, энергия возбуждения может оказаться больше энергии требуемой для перехода электрона на дефектный уровень [29]. Однако, вероятность такого поглощения мала при сравнительно малых интенсивностях излучения 10-100 МВт/см², которая достигается в импульсах наносекундной длительности и быстро возрастает при переходе к интенсивностям порядка 10-100 и более ГВт/см², которую легко достигнуть в импульсах фемтосекундной длительности. Более подробно о механизмах фотоионизации, возникающих при облучении германо-силикатных ОВ импульсами фемтосекундной длительности рассказано во 2-ой главе данного пособия.

Рис. 1.11. Упрощенная схема фото-ионизации через однофотонное и многофотонное поглощение в германо-силикатном стекле

Также следует подчеркнуть, что фемтосекундными импульсами можно облучать волоконные световоды, без их повреждения или пробоя, излучением с интенсивностью на несколько порядков выше, чем при использовании наносекундных импульсов эксимерных лазеров [30]. Кроме того, использование ИК излучения совместно с фемтосекундными лазерами позволяет производить прямую запись ВБР через стандартное покрытие ОВ.

18

Данный метод не требует фазовой маски в случае пошагового способа записи ВБР и пригоден для использования стандартных коммерческих волокон без каких-либо дополнительных процедур. Сниженные требования для процесса производства, меньшее время изготовления и большая механическая стойкость решеток являются основными преимуществами, предлагаемыми данным методом.

19

Список использованной литературы (Глава 1)

1. Othonos, A. Fiber Bragg gratings / A. Othonos // Rev. Sci. Instrum. – 1997. –

22. 68. – № 12. – P. 4309-4341.

2. Kashyap, R. Fiber Bragg Gratings / R. Kashyap. – San Diego, CA: Academic Press. – 1999. – 478 p.

3. Васильев, С. А. Волоконные решетки показателя преломления и их применение / С. А. Васильев, О. И. Медведков, И. Г. Королев, А. С. Божков, А. С. Курков, Е. М. Дианов // Квантовая электроника. – 2005. –

Т. 35. – № 12. – С. 1085-1103.

4. Yuen, M. J. Ultraviolet absorption studies of germanium silicate glasses / M.

10. Yuen // Appl. Opt. – 1982. – V. 21. – № 1. – P. 136-140.

5. Jackson, J. M. Preparation effects on the UV optical properties of GeO₂ glasses / J. M. Jackson, M. E. Wells, G. Kordas, D. L. Kinser, R. A. Weeks,

18. H. Magruder // J. Appl. Phys. – 1985. – V. 58. – № 6. – P. 2308-2311.

5. Hosono, H. Nature and origin of the 5-eV band in SiO₂:GeO₂ glasses / H. Hosono, Y. Abe, D. L. Kinser, R. A. Weeks, K. Muta, H. Kawazoe // Phys. Rev. B. – 1992. – V. 46. – № 18. – P. 11445-11451.

5. Janer, C. Ge-doped silica fibers: modelling of photosensitivity / C. Janer, L.

13. Rivas, R. M. Rubio, J. L. Galo, L. Navarro, A. Carballar // Proc. of SPIE. – 2005. – V. 5971, 59710L-1.

8. Dong, L. Ultraviolet absorption in modified chemical vapor deposition performs / L. Dong, J. Pinkstone, P. St. J. Russell, D. N. Payne // J. Opt. Soc. Am. B. – 1994. – V. 11. – № 10. – P. 2106-2111.

9. Rivas, L. M. Growth of Second-Order Fiber Gratings based on a New Photosensitivity Model / L. M. Rivas, A. Carballar, C. Janer // Proc. of SPIE.

– 2005. – V. 5970, 597009-1.

8. Nishii, J. Ultraviolet-radiation-induced chemical reactions through one and two-photon absorption processes in GeO₂–SiO₂ glasses / J. Nishii, N. Kitamura, H. Yamanaka, H. Hosono, H. Kawazoe // Opt. Lett. – 1995. – V. 20. – № 10. – P. 1184-1186.

8. Nishii, J. Photochemical reactions in GeO₂–SiO₂ glasses induced by ultraviolet irradiation: Comparison between Hg lamp and excimer laser / J. Nishii, K. Fukumi, H. Yamanaka, K. Kawamura, H. Hosono, H. Kawazoe // Phys. Rev. B. – 1995. – V. 52. – № 3. – P. 1661-1665.

8. Nishii, J. Pair generation of Ge electron centers and self-trapped hole centers in GeO₂-SiO₂ glasses by KrF excimer-laser irradiation / J. Nishii, K. Kintaka,

8. Hosono, H. Kawazoe, M. Kato, K. Muta // Phys. Rev. B. – 1999. – V. 60. – № 10. – P. 7166-7169.

8. Неуструев, В. Б. Электрострикционный механизм образования брэгговской решетки в германосиликатных световодах / В. Б. Неуструев // Квантовая электроника. – 2001. – Т. 31. – № 11. – С. 1003-1006.

20

14. Hill, K. O. Photosensitivity in optical fibers / K. O. Hill, B. Malo, F. Bilodeau, D. C. Johnson // Annu. Rev. Mater. Sci. – 1993. – V. 23. – P. 125-157.

14. Кукушкин, С. А. Образование микропор в оптическом волокне под воздействием импульсного УФ света высокой интенсивности / С. А. Кукушкин, А. В. Осипов, М. Г. Шлягин // Журнал технической физики. –

2006. – Т. 76. – № 8. – С. 73–84.

14. Колдунов, М. Ф. Термоупругий и абляционный механизмы лазерного повреждения поверхности прозрачных твердых тел / М. Ф. Колдунов, А. А. Маненков, И. Л. Покотило // Квантовая электроника. – 1998. – Т. 25. –

• 3. – С. 277-281.

14. Колдунов, М. Ф. Формулировка критерия термоупругого лазерного разрушения прозрачных диэлектриков и зависимость порога разрушения от длительности импульса / М. Ф. Колдунов, А. А. Маненков, И. Л. Покотило // Квантовая электроника. – 1997. – Т. 24. – № 10. – С. 944-948.

14. Reekie, L. 100% reflectivity fibre gratings produced by a single excimer laser pulse / L. Reekie, J.-L. Archambault, P. St. J. Russell // OSA/OFC. – 1993. – paper PD14. – P. 327-330.

14. Bilodeau, F. Photosensitization of optical fiber and silica-on-silicon/silica waveguides / F. Bilodeau, B. Malo, A. Albert, D. C. Johnson, K. O. Hill, Y. Hibino, M. Abe, M. Kawachi // Opt. Lett. – 1993. – V. 18. – № 12. – P. 953-955.

14. Chojetzki, C. High-reflectivity draw-tower fiber Bragg gratings—arrays and single gratings of type II / C. Chojetzki, M. Rothhardt, J. Ommer, S. Unger,

11. Schuster, H.-R. Mueller // Opt. Eng. Lett. – 2005. – V. 44. – № 6. – P. 060503-1.

Davis, K. M. Writing waveguides in glass with a femtosecond laser / K. M. Davis, K. Miura, N. Sugimoto, K. Hirao // Opt. Lett. – 1996. – V. 21. – № 21.

– P. 1729-1731.

14. Mihailov, S. J. Fiber Bragg gratings made with a phase mask and 800-nm femtosecond radiation / S. J. Mihailov, C. W. Smelser, P. Lu, R. B. Walker,

4. Grobnic, H. Ding, G. Henderson, J. Unruh // Opt. Lett. – 2003. – V. 28. –

12. – P. 995-997.

23. Dragomir, A. Inscription of fiber Bragg gratings by ultraviolet femtosecond radiation / A. Dragomir, D. N. Nikogosyan, K. A. Zagorulko,

16. G. Kryukov, E. M. Dianov // Opt. Lett. – 2003. – V. 28. – № 22. – P. 2171-2173.