Bernier, M. Ultrabroadband fiber Bragg gratings written with a highly chirped phase mask and Infrared femtosecond pulses / M. Bernier, Y. Sheng,

18. Vallée // Optics Express. – 2009. – V. 17. – № 5. – P. 3285-3290.

25. Becker, M. Fiber Bragg grating inscription combining DUV sub-picosecond laser pulses and two-beam interferometry / M. Becker, J. Bergmann, S. Brückner, M. Franke, E. Lindner, M. Rothhardt, H. Bartelt // Optics Express.

– 2008. – V. 16. – № 23. – P. 19169-19178.

21

26. Fang, X. A new method for sampled fiber Bragg grating fabrication by use of both femtosecond laser and CO₂ laser / X. Fang, X. Y. He, C. R. Liao, M. Yang, D. N. Wang, Y. Wang // Optics Express. – 2010. – V. 18. – № 3. – P. 2646-2654.

26. Mihailov, S. J. Bragg grating writing through the polyimide coating of high NA optical fibres with femtosecond IR radiation / S. J. Mihailov, D. Grobnic, R. B. Walker, C. W. Smelser, G. Cuglietta, T. Graver, A. Mendes // Optics Communications. – 2008. – V. 281. – P. 5344-5348.

27. Kelleher, P. Inscription of narrow-band fibre Bragg gratings with 264 nm femtosecond pulses / P. Kelleher, D. N. Nikogosyan // Optical Fiber Technology. – 2010. – V. 16. – P. 212-216.

26. Варжель, С. В. Анализ механизмов фотоиндуцирования фемтосекундными лазерными импульсами Брэгговских дифракционных структур в оптическом волокне / С. В. Варжель, А. В. Куликов, В. Е. Стригалев // Сборник трудов конференции «Фундаментальные проблемы оптики 2010» – СПб.: СПбГУ ИТМО. – 2010. – C. 15-17.

27. Загорулько, К. А. Запись брэгговских решеток в одномодовых волоконных световодах с помощью УФ фемтосекундного излучения / К. А. Загорулько, П. Г. Крюков, Е. М. Дианов, А. Драгомир, Д. Н. Никогосян // Квантовая электроника. – 2003. – Т. 33. – № 8. – С. 728-730.

22

Глава 2. Волоконные брэгговские решетки и методы их записи

2.1. Методы и технологии записи волоконных брэгговских решеток

Запись волоконных решеток Брэгга, представленная в литературе, может быть классифицирована по типу используемого для записи лазера, длине волны излучения, методу записи, облучаемому материалу и типу решетки [1].

Лазеры, используемые для записи ВБР, могут быть как непрерывными, так и импульсными, с длиной волны излучения от инфракрасного (ИК) до ультрафиолетового (УФ) диапазона спектра. Данные различия определяют пространственную и временную когерентность используемых для записи источников оптического излучения, что, в свою очередь, определяет выбор соответствующего метода записи ВБР. Среди основных методов записи ВБР выделяют пошаговый метод, метод фазовой маски (ФМ) и интерферометрический метод.

Перечисленные выше методы записи решеток ПП широко представлены в современной литературе. Однако впервые образование постоянной во времени решетки ПП в сердцевине ОВ было продемонстрировано в 1978 году в Канадском исследовательском центре связи (Communications Research Centre, Canada) [2, 3]. Волокна,

использованные в том опыте, были на основе двуокиси кремния SiO₂ с добавлением двуокиси германия GeO₂ в сердцевину в качестве легирующей примеси. Модуляция ПП была индуцирована стоячей волной в сердцевине волокна, образованной вследствие интерференции двух лучей от аргон-ионного лазера (488 нм), распространяющихся во встречных направлениях: световой волны, отраженной от торца волокна на границе раздела двух сред, и световой волны, распространяющейся в прямом направлении.

Полученная таким способом пространственная модуляция ПП в световедущей части волокна работает как резонансный отражатель той же длины волны, что использовалась при записи, в соответствии с условием Брэгга [3].

Только в 1989 году авторы работы [4] продемонстрировали возможность формирования решеток ПП путем облучения волокна через боковую поверхность интерференционной картиной, создаваемой двумя пересекающимися лучами УФ света.

С этого момента началось активное исследование волоконных решеток Брэгга, и на сегодняшний день широко применяемые методы записи ВБР позволяют изготавливать брэгговские решетки с эффективностью 0,1–99,9% и шириной полосы отражения 0,01–10 нм.

1. Запись волоконных брэгговских решеток методом фазовой маски

Индуцирование решеток Брэгга в ОВ одиночным импульсом

эксимерного лазера методом ФМ является наиболее простым и эффективным, так как позволяет исключить из схемы записи дорогостоящие

23

виброизолирующие столы, развязанные фундаменты и основания, необходимые при многоимпульсной записи, и при этом получать решетки с требуемыми характеристиками. Принципиальная схема записи ВБР методом фазовой маски представлена на рисунке 2.1.

Излучение

Цилиндрическая

линза

ФМ

- 1 +1

Волокно

Рис. 2.1. Принципиальная схема записи ВБР методом фазовой маски

Цилиндрическая линза фокусирует излучение по одной из осей для достижения требуемой плотности энергии. Излучение, проходя через фазовую маску, дифрагирует на +1 и -1 порядки. Интерференционная картина +1 и -1 порядков осуществляет запись решетки ПП в сердцевине ОВ, закрепленного на расстоянии нескольких микрон от ФМ.

С другой стороны, такой метод не позволяет менять длину волны отражения ВБР, вследствие фиксированного значения периода ФМ. Также данный метод не позволяет производить запись решеток Брэгга в процессе вытяжки волокна, так как последнее требует отсутствия оптических элементов вблизи движущегося световода [5].

Кроме того , при использовании УФ света нужно производить процедуру снятия защитной полимерной оболочки волокна перед записью решетки. Эта процедура необходима, так как стандартные полимеры, используемые в качестве оболочки волокна, непрозрачны для УФ света. Снятие оболочки приводит к удлинению процесса изготовления волокна с записанной в нем дифракционной структурой и снижает прочность ОВ.

Хотя и существуют некоторые методы для записи решеток ПП с помощью УФ излучения через полимерное покрытие, но они имеют существенные недостатки. Один основан на факте, что стандартное полимерное покрытие более прозрачно в ближнем УФ диапазоне (300-364 нм), чем в традиционном для записи диапазоне (244-248 нм). Однако это требует увеличения дополнительного легирования такого волокна, чтобы скомпенсировать слабую фоточувствительность стекла на этих длинах волн. Другой способ основан на использовании специального покрытия, прозрачного для нужного диапазона УФ излучения, однако такой способ менее эффективный с точки зрения требуемых затрат на производство.

24

2.1.2. Запись волоконных брэгговских решеток интерферометрическим методом

В свою очередь, метод записи решеток Брэгга в интерферометре Тальбота, показанный на рисунке 2.2, позволяет производить запись решеток Брэгга в процессе вытяжки ОВ, вследствие отсутствия оптических элементов вблизи движущегося световода.

Излучение

Цилиндрическая

линза

ФМ

Зеркало

Зеркало

Волокно

Рис. 2.2. Запись ВБР в схеме с интерферометром Тальбота

Кроме того, путем изменения угла между лучами в данной схеме может быть подстроен период интерференционной картины, а, следовательно, и период решетки ПП, отражающей излучение в соответствие с условием Брэгга. Таким образом, данным способом решетки могут быть записаны на отражение любой длины волны в очень широком диапазоне. Также данный метод позволяет полностью убрать нулевой порядок дифракции от фазовой маски, за счет использования поглощающего экрана и не имеет зависимости видности интерференционной картины от распределения пространственной когерентности в пучке лазера, вследствие интерференции лучей света, вышедших из одной точки пучка.

Таким образом, интерферометр Тальбота реализует амплитудное разделение оптического излучения, которое может быть выполнено или ФМ, как в данной схеме (рис. 2.2), или светоделительной пластиной (кубиком). Существует также интерферометрическая схема записи ВБР с пространственным разделением пучка света , которая реализуется с помощью интерферометра Ллойда, представленная на рисунке 2.3.

Такой интерферометр (рис. 2.3) может быть создан, например, с использованием диэлектрического зеркала, которое делит фронт пучка на две равные части [6]. Как и в предыдущей схеме, здесь возможна перестройка угла между лучами путем поворота зеркала вместе с закрепленным на нем ОВ. Вследствие меньшего числа оптических элементов по сравнению с интерферометрическими схемами записи решеток ПП с амплитудным разделением оптического излучения данная схема обладает лучшей стабильностью.

25

Рис. 2.3. Запись ВБР в схеме с интерферометром Ллойда

Недостатком данной схемы являются высокие требования к пространственной когерентности оптического излучения, так как интерферируют лучи, вышедшие из разных точек пучка света.

2.1.3. Запись волоконных брэгговских решеток пошаговым методом

Еще один применяющийся на сегодняшний день метод записи – это пошаговый метод. Привлекательность данного метода в том, что он устраняет необходимость использования фазовой маски и позволяет записывать решетки с брэгговским резонансом на любой длине волны [7]. Кроме того данный метод позволяет формировать произвольные профили отдельного штриха решетки и всего распределения амплитуды наведенного ПП в целом, а также изменять период по длине решетки [6], то есть создавать чирпированные ВБР без использования ФМ с переменным по длине периодом. Принципиальная схема записи ВБР пошаговым методом продемонстрирована на рисунке 2.4.

Рис. 2.4. Принципиальная схема записи ВБР пошаговым методом

26

Однако данный метод имеет и ряд существенных недостатков: это и необходимость прецизионной механической трансляции ОВ вдоль сфокусированного излучения, и невозможность записи решетки ПП одиночным импульсом.

4. Специальные методы записи волоконных брэгговских решеток

• спектрах однородных ВБР обычно наблюдаются боковые максимумы

(рис. 1.2 ), положение которых определяется длиной решетки [6]. Аподизация решеток Брэгга может существенно подавить боковые максимумы, что допускает более близкое спектральное расположение оптических каналов в DWDM системах вследствие значительного уменьшения перекрестной помехи между ними [6]. Под аподизацией решеток подразумевается плавное изменение амплитуды модуляции наведенного ПП в решетке по ее длине [ 8]. Таким образом, применение гауссовой огибающей профиля наведенного ПП ВБР позволяет устранить боковые максимумы с длинноволновой стороны от основного резонанса. Наличие боковых максимумов с коротковолновой стороны вызвано изменением среднего наведенного ПП в решетке; их можно устранить, если обеспечить постоянство этой величины по всей длине решетки [6].

Для компенсации временной дисперсии световых импульсов в современных волоконно-оптических линиях связи значительный интерес представляют решетки, резонансная длина волны которых заданным образом меняется вдоль их длины непрерывно или ступенчато. Такие чирпированные решетки имеют широкий спектр отражения/пропускания (свыше 100 нм) или большую дисперсию (более 1000 пс/ нм). Запись решеток этого типа производится при изменении периода модуляции наведенного ПП или эффективного ПП основной моды по длине решетки [6].

Также в литературе выделяют несколько специальных структур ВБР. К наиболее важным из них следует отнести [6]:

• Решетки с фазовыми сдвигами в структуре (phase-shifted Bragg grating). Внесение фазового сдвига приводит к появлению внутри полосы отражения узкой области пропускания, ширина которой обычно составляет несколько десятков мегагерц. Фазовый сдвиг в решетке может быть сформирован как на стадии записи всей структуры, так и путем отдельного его наведения в предварительно записанной решетке. При увеличении фазового сдвига (обычно это реализуется путем записи двух пространственно разнесенных решеток с одинаковой λ_BG) число областей пропускания в полосе отражения увеличивается, и такая структура по аналогии с объемной оптикой обычно называется интерферометром (или фильтром) Фабри - Перо.

• Суперструктура на основе ВБР (superstructured/sampled Bragg grating).

Если параметры ВБР периодически изменяются по длине с периодом, много большим собственного периода решетки (обычно 0.1-10 мм), то в ее спектре возникают несколько узкополосных пиков, заполняющих определенный спектральный интервал. Такую суперструктуру, как правило, изготавливают

27

путем последовательной записи отдельных периодически расположенных ВБР.

• Суперпозиция нескольких ВБР (superimposed Bragg grating). При высокой фоточувствительности волоконного световода в одном и том же месте сердцевины может быть записано несколько последовательно наложенных друг на друга решеток с различными периодами. Наложение каждой следующей решетки приводит к уменьшению коэффициента отражения предыдущих, тем не менее, была продемонстрирована запись суперпозиции семи ВБР с коэффициентами отражения 50 % - 60 %.

• Брэгговские решетки с наклонными штрихами (tilted/blazed Bragg

grating). Наклон плоскости штриха ВБР по отношению к оси ОВ позволяет увеличить связь основной моды волоконного световода с модами оболочки или излучательными модами. На основе таких решеток удается реализовать волоконные неотражающие фильтры различной ширины, которые могут быть также использованы для модификации спектров усиления и люминесценции широкополосных источников оптического излучения.

2.2. Одноимпульсная и многоимпульсная запись волоконных брэгговских решеток

Хотя современные методы записи ВБР при длительной экспозиции позволяют создавать дифракционные структуры с практически любыми параметрами, многоимпульсное индуцирование решеток не позволяет создавать массивы ВБР в процессе вытяжки ОВ, где используется одноимпульсная запись.

Примеры одноимпульсного и многоимпульсного индуцирования ВБР продемонстрируем на схемах записи решеток методом фазовой маски (рис. 2.5) и интерферометрическим методом (рис. 2.6).

Волокно

Магнитный

держатель

Рис. 2.5. Схема записи ВБР методом ФМ

Эксимерный лазер (рис. 2.5) Coherent Compex 102 (газовая смесь KrF) генерирует 20 нс импульсы на длине волны 248 нм с частотой 1 Гц. Аттенюатор со встроенным затвором позволяет выделить одиночный импульс из их последовательности, когда лазер уже выведен в стационарный

28

режим работы. Цилиндрическая линза фокусирует лазерный пучок по одной из осей для достижения требуемой плотности энергии. Щель позволяет менять размер облучаемой области волокна, тем самым, позволяя варьировать длину ВБР, а, следовательно, и ее спектральные характеристики.

В схеме на рисунке 2.6 используется интерферометр Тальбота и эксимерный лазер Coherent Compex 150 T (у данной лазерной системы по сравнению с Compex 102 улучшены характеристики лазерного пучка, стабильность энергии от импульса к импульсу, также увеличены длины пространственной и временной когерентности [9]).

Волокно

Магнитный

держатель

Рис. 2.6. Схема записи ВБР интерферометрическим методом

Для записи решеток Брэгга применялось двулучепреломляющее ОВ с эллиптической напрягающей оболочкой, полученное по технологии [10, 11]. Конструкция двулучепреломляющего ОВ с эллиптической напрягающей оболочкой представлена на рисунке 2.7.

Рис. 2.7. Конструкция двулучепреломляющего ОВ с эллиптической напрягающей оболочкой

29

Для повышения фоторефрактивности волокна концентрация GeO₂ в его сердцевине была увеличена до 12, 16 и 18 мол. % для различных образцов анизотропных волокон. Метод легирования заготовок для вытяжки оптического волокна диоксидом германия (GeO₂) является наиболее простым, эффективным и дающим неизменяемый во времени коэффициент приращения фоточувствительности. Кроме того, увеличение фоторефрактивности на стадии формирования заготовок в перспективе позволяет осуществлять запись массивов ВБР в процессе вытяжки оптического волокна. К недостаткам выбранного метода относится увеличение линейных оптических потерь световода. Например, для используемого в работе двулучепреломляющего ОВ с напрягающей эллиптической оболочкой с содержанием GeO₂ 16 мол. % потери составляют около 18 дБ/км на длине волны 1550 нм. Притом, что потери в двулучепреломляющем ОВ с эллиптической напрягающей оболочкой с содержанием GeO₂ 4 мол. %, изготовленном по той же технологии [10, 11], не превышают 1 дБ/км на длине волны 1550 нм.

На рисунке 2.8 представлен спектр отражения ВБР типа I, записанной одиночным импульсом KrF эксимерного лазера методом фазовой маски (рис. 2.5). Решетка записана в двулучепреломляющем ОВ с эллиптической напрягающей оболочкой с содержанием GeO₂ 18 мол. %. Коэффициент отражения составляет ~ 2%, ширина пика отражения на полувысоте составляет около 0,1 нм. Представленная ВБР была записана при плотности энергии 20 нс импульса эксимерного лазера на волокне ~ 400 мДж/см².

Наличие двух пиков отражения на рис. 2.8 обусловлено тем, что решетка индуцирована в двулучепреломляющее ОВ. Так как эффективный ПП для каждой из выделенных осей анизотропного волокна различный, то и длина волны брэгговского резонанса будет отличаться для света распространяющегося по быстрой и медленной оси двулучепреломляющего световода.

Рис. 2.8. Спектр отражения ВБР типа I, записанной одиночным импульсом

30

На рисунке 2.9 представлен спектр отражения ВБР типа I, записанной при длительной экспозиции интерферометрическим методом (рис. 2.6) KrF эксимерным лазером. Решетка записана в двулучепреломляющее ОВ с эллиптической напрягающей оболочкой с содержанием GeO₂ 12 мол. %. Время экспозиции – 1 час. Коэффициент отражения составляет ~ 42%, ширина пика отражения на полувысоте составляет около 0,5 нм.

Рис. 2.9. Спектр отражения ВБР типа I, записанной при длительной экспозиции (линейная шкала)

На рисунке 2.10 представлен спектр отражения той же ВБР только в логарифмической шкале.

Рис. 2.10. Спектр отражения ВБР типа I, записанной при длительной экспозиции (логарифмическая шкала)

2.2.1. Волоконные брэгговские решетки типа I и типа II, записанные одиночным импульсом

На рисунке 2.11 представлен спектр отражения ВБР, записанной одиночным импульсом KrF эксимерного лазера в двулучепреломляющее ОВ

31

с эллиптической напрягающей оболочкой с 16 мол. % GeO₂. Представленная ВБР была записана с энергией 75,9 мДж на выходе аттенюатора (рис. 2.5). Данная ВБР это решетка типа I.

Рис. 2.11. Спектр ВБР типа I

При небольшом увеличении энергии на выходе аттенюатора (рис. 2.5) до 79,3 мДж, так что плотность энергии на ОВ близка к 1 Дж/см ², решетка типа II [6] была записана в тоже волокно одиночным импульсом эксимерного лазера. На рисунке 2.12 представлены спектры ВБР типа II: отражения (а), пропускания (б).

Рис. 2.12. Спектры ВБР типа II: а) отражения; б) пропускания

ВБР типа II имеют отражение до 100% и ширину спектра на полувысоте более 1 нм. Вследствие уширения спектров, произошло слияние пиков отражения двух ортогональных поляризаций.

32

Исследование термического воздействия на ВБР [12] и их визуализация [13] подтверждает, что это решетки типа II, которые могут выдерживать высокие температуры (до 1000 °C) по сравнению с ВБР типа I, которые могут быть полностью стерты из ОВ при 300 °C [6]. Как показано авторами в работе [12], отжиг ВБР типа II начинается только при температуре 900 °C, что соответствует данным представленным в работах [14, 15].

Также представленная зависимость типа индуцируемой решетки от энергии в импульсе соответствует экспериментальным данным, представленным в [15, 16].

На рис. 2.13 представлено изображение ВБР в двулучепреломляющем ОВ с содержанием GeO₂ 16 мол. %, полученное методом дифференциального интерференционного контраста (ДИК) с лазером 405 нм [17]. Изображения решеток получены на конфокальном сканирующем люминесцентном микроскопе Zeiss LSM-710 на основе прямого оптического микроскопа Axio Imager.Z1. Примечательно, что образующая ВБР система микропор в ОВ столь сильно рассеивает свет, что хорошо видна на изображениях, полученных методами как ДИК и темного поля, так и традиционной микроскопией светлого поля.

Рис. 2.13. Изображение ВБР в двулучепреломляющем ОВ с содержанием GeO2 16 мол. %,

полученное методом ДИК с лазером 405 нм, где : 1 – сердцевина, 2 – неоднородная периодическая структура, 3 – граница между изолирующей и напрягающей оболочками, 4 – внешняя граница оптического волокна

Микропоры, образованием которых обусловлены решетки типа II, локализуются в области границ между сердцевиной и изолирующей оболочкой, а так же между изолирующей и напрягающей оболочками.

33

Одноимпульсная запись ВБР типа II создает в ОВ с эллиптической напрягающей оболочкой неоднородную периодическую структуру, пространственный период которой равен периоду ФМ (Λ_ФМ = 1065,3 нм). Измеренный период ВБР (рис. 2.13) составляет 1,06 мкм. Хотя период интерференционной картины, создаваемой +1/-1 порядками дифракции ФМ, равен половине ее периода Λ_ФМ/2, решетки с таким периодом на снимках не наблюдаются. Однако отсутствие на фотографических изображениях решеток с периодом Λ_ФМ/2 может быть вызвано работой на пределе разрешающей способности оптического микроскопа.

Вследствие наличия 0-го и более высоких порядков дифракции и сложного пространственного распределения интерференционной картины максимумы интенсивности имеют период Λ_ФМ , что с учетом порогового механизма записи ВБР типа II создает в волокне периодическую структуру с пространственным периодом Λ_ФМ.

Индуцирование ВБР одиночным импульсом позволяет проводить их запись в процессе вытяжки ОВ. Башня вытяжки с установленным на ней интерферометром Тальбота представлена на рисунке 2.14.

Рис. 2.14. Технология записи брэгговских решеток в процессе вытяжки оптического волокна

34

В работе [9] авторы продемонстрировали результаты записи ВБР и массивов ВБР на башне вытяжки. Авторам удалось записать массивы ВБР в процессе вытяжки волокна. Достигнут коэффициент отражения решеток до 40% для ВБР типа I и около 100% для ВБР типа II. На рисунке 2.15 продемонстрирован спектр массива ВБР типа I, полученного в процессе вытяжки волокна. Подобные массивы можно использовать для построения распределенных датчиков температуры с мультиплексированием по длинам волн.

Рис. 2.15. Спектр отражения массива из 5 ВБР

Спектр отражения массива из 2 ВБР типа II представлен на рисунке

2.16.

Рис. 2.16 Спектр отражения массива из 2 ВБР типа II

2.2.2. Динамика роста волоконных решеток Брэгга типа I при многоимпульсной экспозиции

При многоимпульсной записи ВБР интересно наблюдать динамику изменения коэффициента отражения, ширины спектра на полувысоте и длины волны брэгговского резонанса решетки. На рисунках 2.17-2.19 представлена

35

такая динамика для решетки, представленной на рисунке 2.9, записанная интерферометрическим методом (рис. 2.6).

На рисунке 2.17 представлена зависимость отношения коэффициента отражения ВБР типа I к коэффициенту френелевского отражения (взятого за опорный уровень) в децибелах от длительности экспозиции.

Из рисунка видно, что основной рост отражения решетки наблюдается в первые минуты записи ВБР, который постепенно приходит в насыщение.

Рис. 2.17. Зависимость отношения коэффициента отражения ВБР типа I к коэффициенту френелевского отражения (взятого за опорный уровень) в децибелах от длительности экспозиции

На рисунке 2.18 представлена зависимость ширины спектра отражения ВБР типа I на полувысоте от длительности экспозиции.

Из рисунка видно, что ширина на полувысоте спектра отражения решетки в ходе экспозиции постепенно увеличивается, приходя в насыщение.

Рис. 2.18. Зависимость ширины спектра отражения ВБР на полувысоте от длительности экспозиции

36

На рисунке 2.19 представлена зависимость длины волны брэгговского резонанса ВБР типа I от длительности экспозиции.

Рис. 2.19. Зависимость длины волны брэгговского резонанса ВБР от длительности экспозиции

Как видно из рисунка 2.19 при многоимпульсной записи решетки ее резонансная длина волны смещается в длинноволновую область, что обусловлено увеличением среднего ПП при УФ облучении световода. Этот сдвиг зависит от контраста интерференционной картины и, как правило, при записи не превышает 1 нм [6].

2.2.3. Наличие у решеток показателя преломления брэгговских резонансов высших порядков

При длительных временах экспозиции, а также у ВБР типа II, индуцированных одиночным лазерным импульсом с плотностью энергии близкой к порогу разрушения германо-силикатного стекла, наведенная модуляция ПП приходит в насыщение, вследствие чего профиль периодических возмущения ПП приобретает прямоугольную форму [18].

Такая модуляция ПП прямоугольной формы образует гармонические компоненты. Как показано на рисунке 2.20 можно разложить модуляцию ПП прямоугольной формы в Фурье последовательность периодических составляющих [18]. Такое разложение дает возможность оценить влияние всех периодических компонент решетки ПП.

Рис. 2.20. Разложение модуляции ПП прямоугольной формы в Фурье последовательность

37

В соответствие с условием Брэгга каждая из данных компонент дает брэгговский резонанс в спектральной характеристике ВБР. Длины волн отражения брэгговских резонансов можно определить следующим образом

λ	= 2 ⋅n	⋅	Λ	;i =1,2,3,...	,	(11)
Брэгга,i	эфф		i

где λ_{Брэгга, i} – длина волны брэгговского резонанса i-го порядка; Λ – период ВБР [18].

Брэгговские резонансы высших порядков наблюдаются не только у ВБР, записанных при длительной экспозиции, а также у ВБР типа II, индуцированных одиночным лазерным импульсом с плотностью энергии близкой к порогу разрушения германо-силикатного стекла [16].

В разделе 2.2.1 были продемонстрированы фотографические изображения ВБР типа II. Период решетки ПП составил 1,06 мкм, следовательно , наблюдаемая нами длина волны отражения на 1550 нм соответствует брэгговскому резонансу 2-ого порядка, 1-ый порядок должен давать длину волны отражения около 3100 нм.

• статье [16] авторы наблюдали брэгговские резонансы для ВБР типа II

• периодом 1,06 мкм на 1535, 1030, 770 и 620 нм, соответствующих 2, 3, 4 и 5 порядку. 1-ый порядок соответствующий 3070 нм наблюдать невозможно вследствие очень высокого поглощения германо-силикатного стекла на данных длинах волн.

Интересно, что решетки с периодом, соответствующим периоду ФМ, а не интерференционной картины наблюдаются также при записи ИК фемтосекундными импульсами при длительной экспозиции [19]. Данный факт можно объяснить наличием 0-го порядка дифракции на ФМ и сложным пространственным распределением интерференционной картины на ОВ [20-22].

3. Запись волоконных брэгговских решеток фемтосекундными лазерными импульсами

Как уже было сказано в первой главе, вероятность многофотонного

поглощения намного выше в случае импульсов фемтосекундной длительности по сравнению с импульсами наносекундной длительности, вследствие большей на несколько порядков интенсивности излучения.

Несмотря на малую концентрацию дефектов стандартных волоконных световодов, высокая интенсивность фемтосекундных импульсов задействует собственные механизмы разрушения материала волоконного световода (ударная и многофотонная ионизация). Именно многофотонное поглощение дает возможность записи брэгговских дифракционных структур в ОВ без увеличения их фоторефрактивности.

Кроме того , образовавшиеся дефекты рекомбинируют в течение 10-30 нс [23], поэтому не получается создать большого числа стойких дефектов наносекундными лазерными импульсами в случае низкой концентрации

38

первичных дефектов, а, соответственно, и достаточную модуляцию ПП, так как необходимо, чтобы за время лазерного импульса появилось 3-5 смежных дефектов, чтобы расстояние между крайними было достаточно большим (> 30 Å) и они не могли рекомбинировать, что как раз достигается с помощью фемтосекундных лазерных импульсов [23]. Соревнование между образованием дефектов во время лазерного импульса и их последующей рекомбинацией можно наблюдать на рисунке 2.21 [23].

Рис. 2.21. Соревнование между образованием дефектов во время лазерного импульса и их последующей рекомбинацией

Данный рисунок демонстрирует сигнал пропускания от времени облучения лазерными импульсами с частотой 1 кГц. Каждая ступенька на данном рисунке соответствует лазерному импульсу. Подъем же данной ступеньки до следующего импульса соответствует рекомбинации дефектов. Таким образом, происходит соревнование между образованием дефектов во время лазерного импульса и последующей рекомбинацией данных дефектов. Из рисунка также видно, что с каждым импульсом рекомбинация увеличивается, в то время как высота ступеньки уменьшается. При продолжительном облучении сигнал пропускания приходит в насыщение. И без увеличения энергии в импульсе или уменьшения его длительности новообразованные дефекты будут полностью рекомбинировать.

Вследствие задействования собственных механизмов разрушения материала волоконного световода суммарная доза облучения необходимая для индуцирования аналогичных изменений ПП в случае фемтосекундных импульсов много меньше, чем в случае наносекундных.

На рисунке 2.22 продемонстрирована зависимость наведенного ПП от дозы облучения для волокна Nufern GF1, дополнительно легированного германием для увеличения фоточувствительности для случаев записи наносекундными и фемтосекундными импульсами [24].

39

Рис. 2.22. Зависимость наведенного показателя преломления от дозы облучения для волокна Nufern

GF1

На рисунке 2.23 продемонстрирована зависимость наведенного ПП от дозы облучения для волокна Fibercore PS1250/1500, дополнительно легированного германием совместно с бором для увеличения фоточувствительности для случаев записи наносекундными и фемтосекундными импульсами [25].

Рис. 2.23. Зависимость наведенного показателя преломления от дозы облучения для волокна

Fibercore PS1250/1500

На рисунке 2.24 продемонстрирована зависимость наведенного ПП от дозы облучения для волокна Corning SMF-28, подвергнутого водородной обработки для увеличения фоточувствительности для случаев записи наносекундными и фемтосекундными импульсами [26].

40

Рис. 2.24. Зависимость наведенного показателя преломления от дозы облучения для волокна

Corning SMF-28

В таблице 2.1 приведены данные для различных волокон, в которых были записаны аналогичные по силе решетки и с помощью фемтосекундных импульсов, и с помощью наносекундных импульсов. Из таблицы видно, что для всех случаев, запись при бóльшей интенсивности ведет к тому, что для достижения аналогичных результатов требуется намного меньшая (в 6 – 80 раз) суммарная доза облучения.

Таблица 2.1. Сравнение суммарной дозы облучения, требуемой для индуцирования аналогичных по силе ВБР для фемтосекундных и наносекундных импульсов

Таким образом, при использовании фемтосекундных лазеров в силу очень высокой интенсивности излучения в импульсе возрастает вероятность многофотонного поглощения. Также можно облучать волоконные световоды без их повреждения или пробоя излучением с интенсивностями на несколько порядков выше, чем при использовании наносекундных импульсов. Аналогичные изменения ПП по сравнению с импульсами наносекундной длительности могут быть достигнуты при существенно меньшей суммарной дозе облучения. Кроме того, при использовании инфракрасного излучения запись можно производить через полимерное покрытие световода. Последнее решает один из недостатков технологии записи брэгговских дифракционных структур в волокно УФ светом – это необходимость снятия защитной полимерной оболочки волокна перед записью решетки. Эта процедура необходима, так как стандартные полимеры, используемые в качестве оболочки волокна, непрозрачны для УФ света. Снятие оболочки приводит к удлинению процесса изготовления волокна с записанной в нем дифракционной структурой и снижает прочность волокна.

Данный метод применялся в работе [27], в которой энергия импульса, используемая для записи решетки через защитное покрытие составляет около 1 мкДж, что примерно в два раза больше энергии, требуемой для записи подобной решетки в волокно со снятой оболочкой, так как необходимо скомпенсировать потери энергии в полимерном покрытии.

При пошаговой записи решетки в волокно использовался лазер, работающий на длине волны 800 нм, генерирующий импульсы длительностью 150 фс, при частоте следования импульсов 1 кГц. Геометрия фокусировки проиллюстрирована на рисунке 2.25 . Луч фокусировался на сердцевину волокна 100 кратным микроскопным объективом с числовой апертурой NA = 0,55.

Рис. 2.25. Геометрия фокусировки

42

Короткофокусный объектив (рис. 2.25) позволял получить размер пучка лазера на поверхности ОВ достаточно большим (2ω) по сравнению с размером фокальной перетяжки (2ω₀) в области сердцевины волоконного световода на расстоянии (z) от его поверхности, что давало возможность добиться максимальной плотности мощности только в сердцевине волокна (2z_r, где z _r – радиус ОВ), при этом не повреждая внешнее защитное акрилатное покрытие световода.

Радиус пучка на покрытии ω составил примерно 30 мкм, в то время как размеры фокального пятна в сердцевине волокна, измеренные с помощью микроскопа, составили 0,5 мкм × 1 мкм. В результате, интенсивность на защитном покрытии более чем в 1000 раз слабее, чем интенсивность излучения в фокусе, что предотвращает разрушение покрытия вследствие относительно малого порога разрушения полимерного покрытия.

На рисунке 2.26 продемонстрированы спектры отражения и пропускания решетки Брэгга длиной 4 мм, записанной через оболочку в стандартное одномодовое волокно.

Рис. 2.26. Спектры отражения и пропускания решетки Брэгга длиной 4 мм, записанной через оболочку в стандартное одномодовое волокно

Путем увеличения длины решетки можно увеличивать ее коэффициент отражения . Если учесть, что скорость записи решетки составляет примерно 1,07 мм/с, соответствующая резонансному отражению второго порядка на 1550 нм (1,07 мкм период решетки), то время записи варьируется от 4 до 26 секунд, для решеток от 4 до 26 мм.

Спектр пропускания решетки длиной 26 мм, записанной через оболочку в стандартное волокно показан на рисунке 2.27, демонстрирующем потери на пропускание порядка -50 дБ на резонансной длине волны.

43

Рис. 2.27. Спектр пропускания решетки длиной 26 мм, записанной через оболочку в стандартное волокно

Как уже было сказано выше, решетки, записанные через оболочку, демонстрируют большую механическую прочность. Для определения данной характеристики были сравнены две аналогичные решетки: одна, записанная в непокрытом волокне, другая – в покрытом, напрямую через оболочку. Решетки растягивались до их повреждения, в то время как спектры решеток отслеживались. Сдвиг длины волны, индуцированный возрастающим растяжением для решетки, в (a) непокрытым волокне, (б) покрытом волокне продемонстрирован на рисунке 2.28.

Рис. 2.28. Сдвиг длины волны, индуцированный возрастающим растяжением для решетки, в (a) непокрытым волокне, (б) покрытом волокне

44

Как видно из рисунка сдвиг длины волны до повреждения находится в диапазоне 9-13 нм для непокрытого волокна и 21-22 нм для покрытого волокна. Это демонстрирует, что решетки, записанные в покрытое волокно, более прочные, чем непокрытые решетки и могут выдерживать большее растяжение до выхода из строя.

• итоге, можно сделать вывод, что запись брэгговских дифракционных структур ИК фс излучением через оболочку является очень привлекательным методом индуцирования таких структур в волокно.

• работе [28] авторы продемонстрировали возможность записи ВБР в стандартное ОВ SMF-28, не подвергнутое никаким процедурам увеличения его фоточувствительности, через его защитную акрилатную оболочку ИК фемтосекундными импульсами методом ФМ. Схема записи, использованная авторами, представлена на рисунке 2.29.

Рис. 2.29. Схема записи ВБР через защитную оболочку методом ФМ

Как и в случае пошаговой записи ВБР без снятия с ОВ защитного полимерного покрытия, в данном варианте также сохраняются все преимущества данного метода. Кроме того здесь снимается необходимость прецизионной механической трансляции ОВ вдоль сфокусированного излучения.

• работах [29-31] по индуцированию решеток Брэгга в ОВ, также как и

• вышеуказанных, помимо всех прочих преимуществ, есть одно – самое важное: это возможность записи ВБР в ОВ без процедур увеличения их фоторефрактивности, вследствие задействования внутренних механизмов фоточувстительности в фемтосекундном диапазоне длительности лазерного импульса [32]. Однако, существенным недостатком данных работ является невозможность записи достаточно сильных решеток одиночным лазерным импульсом фемтосекундной длительности, вследствие относительно малой энергии такого одиночного импульса по сравнению с импульсами УФ эксимерных лазеров.

45

Список использованной литературы (Глава 2)

1. Becker, M. Fiber Bragg Grating Inscription with UV Femtosecond Exposure and Two Beam Interference for Fiber Laser Applications / M. Becker, S. Bruckner, E. Lindner, M. Rothhardt, S. Unger, J. Kobelke, K. Schuster, H. Bartelt // Proc. of SPIE. – 2010. – V. 7750, 775015-1.

2. Hill, K. O. Photosensitivity in optical fiber waveguides: Application to reflection filter fabrication / K. O. Hill, Y. Fujii, D. C. Johnson, B. S. Kawasaki // Appl. Phys. Lett. – 1978. – V. 32. – № 10. – P. 647-649.

3. Kawasaki, B. S. Narrow-band Bragg reflectors in optical fibers / B. S. Kawasaki, K. O. Hill, D. C. Johnson, Y. Fujii // Opt. Lett. – 1978. – V. 3. – № 2. – P. 66-68.

4. Meltz, G. Formation of Bragg gratings in optical fibers by a transverse holographic method / G. Meltz, W. W. Morey, W. H. Glenn // Opt. Lett. – 1989. – V. 14. – № 15. – P. 823-825.

5. Варжель, С. В. Запись узкополосных волоконных брэгговских отражателей одиночным импульсом эксимерного лазера методом фазовой маски / С. В. Варжель, А. В. Куликов, В. А. Асеев, В. С. Брунов, В. Г. Калько, В. А. Артеев // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. – 2011. – Т. 75. – № 5. – С. 27-30.

6. 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.

7. Lai, Y. Point-by-point inscription of sub-micrometer period fiber Bragg gratings / Y. Lai, K. Zhou, K. Sugden, I. Bennon // OSA/CLEO/QELS. – 2008. – paper CTuU2.

8. Fröhlich, H.-G. Two methods of apodisation of fibre-Bragg-gratings / H.-G. Fröhlich, R. Kashyap // Optics Communications. – 1998. – V. 157. – P. 273-281.

9. Chojetzki, C. High-reflectivity draw-tower fiber Bragg gratings—arrays and single gratings of type II / C. Chojetzki, M. Rothhardt, J. Ommer, S. Unger, K. Schuster, H.-R. Mueller // Opt. Eng. Lett. – 2005. – V. 44. – № 6.

– P. 060503-1.

10. Ероньян, М. А. Способ изготовления волоконных световодов, сохраняющих поляризацию излучения // Патент Российской Федерации № 2 155 359 (2000).

11. Ероньян, М. А. Тонкие анизотропные одномодовые волоконные световоды с эллиптической напрягающей оболочкой / М. А. Ероньян, А. В. Комаров, Ю. Н. Кондратьев, Е. И. Ромашова, М. М. Серков, А. В. Хохлов // Оптический журнал. – 2000. – Т. 67. – № 10. – С. 104-105.

12. Varzhel’, S. V. Single excimer pulse writing of Bragg gratings in birefringent optical fiber with an elliptical stress cladding: visualization and thermal annealing of the gratings / S. V. Varzhel’, A. V. Kulikov, K. A.

46

Konnov, A. I. Gribaev // Materials of the V international research and practice conference. – 2013. – V. I. – Munich, October 3^rd-4^th. – P. 305-310.

13. Varzhel’, S. V. Visualization of Type II Fiber Bragg Gratings Induced in a Birefringent Fiber with an Elliptical Stress Cladding / S. V. Varzhel’, V. V. Zakharov, G. N. Vinogradova, A. V. Veniaminov, V. E. Strigalev // Optics and Spectroscopy. – 2013. – V. 114. – № 1. – P. 116-119.

14. Bartelt, H. Single-pulse fiber Bragg gratings and specific coatings for use at elevated temperatures / H. Bartelt, K. Schuster, S. Unger, C. Chojetzki, M. Rothhardt, I. Latka // Applied Optics. – 2007. – V. 46. – № 17. – P. 3417-3424.

15. 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.

16. Malo, B. Single-excimer-pulse writing of fiber gratings by use of a zero-order nulled phase mask: grating spectral response and visualization of index perturbations / B. Malo, D. C. Johnson, F. Bilodeau, J. Albert, K. O. Hill // Opt. Lett. – 1993. – V. 18. – № 15. – P. 1277-1279.

17. Meshkovskiy, I. K. Bragg Gratings Induced in Birefringent Optical Fiber with an Elliptical Stress Cladding / I. K. Meshkovskiy, V. E. Strigalev, A. V. Kulikov, S. V. Varzhel' // Journal of Photonics. – 2013. – V. 2013. – Article ID 936036. – 4 pages. – doi:10.1155/2013/936036.

18. 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.

19. 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, D. Grobnic, H. Ding, G. Henderson, J. Unruh // Opt. Lett. – 2003. – V. 28. – № 12. – P. 995-997.

20. Florea, C. Direct-write gratings in chalcogenide bulk glasses and fibers using a femtosecond laser / C. Florea, J. S. Sanghera, I. D. Aggarwal // Opt. Mat. – 2008. – V. 30. – P. 1603-1606.

21. Mills, J. D. Imaging of free-space interference patterns used to manufacture fiber Bragg gratings / J. D. Mills, W. J. Hillman, B. H. Blott, W. S. Brocklesby // Applied Optics. – 2000. – V. 39. – № 33. – P. 6128-6135.

22. Kouskousis, B. P. Quantitative investigation of the refractive-index modulation within the core of a fiber Bragg grating / B. P. Kouskousis, C. M. Rollinson, D. J. Kitcher, S. F. Collins, G. W. Baxter, S. A. Wade, N. M. Dragomir, A. Roberts // Optics Express. – 2006. – V. 14. – № 22. – P. 10332-10338.

23. Lonzaga, J. B. Color center formation in soda-lime glass with femtosecond laser pulses / J. B. Lonzaga, S. M. Avanesyan, S. C. Langford, J. T. Dickinson // J. Appl. Phys. – 2003. – V. 94. – № 7. – P. 4332-4340.

24. Варжель, С. В. Анализ механизмов фотоиндуцирования фемтосекундными лазерными импульсами Брэгговских

47

дифракционных структур в оптическом волокне / С. В. Варжель, А. В. Куликов, В. Е. Стригалев // Сборник трудов конференции «Фундаментальные проблемы оптики 2010» – СПб.: СПбГУ ИТМО. – 2010. – C. 15-17.

25. Slattery, S. A. Fiber Bragg grating inscription by high-intensity femtosecond UV laser light: comparison with other existing methods of fabrication / S. A. Slattery, D. N. Nikogosyan, G. Brambilla // J. Opt. Soc. Am. B. – 2005. – V. 22. – № 2. – P. 354-361.

26. Kelleher, P. Inscription of narrow-band fibre Bragg gratings with 264 nm femtosecond pulses / P. Kelleher, D. N. Nikogosyan // Optical Fiber Technology. – 2010. – V. 16. – P. 212-216.

27. Martinez, A. Direct inscription of Bragg gratings in coated fibers by an infrared femtosecond laser / A. Martinez, I. Y. Khrushchev, I. Bennion // Opt. Lett. – 2006. – V. 31. – № 11. – P. 1603-1605.

28. Smelser, C. W. Novel phase mask Apparatus for ‘Through the Jacket’ inscription of FBG’s in unloaded SMF-28 fiber / C. W. Smelser, F. Bilodeau, B. Malo, D. Grobnic, S. J. Mihailov // OSA/BGPP. – 2010. – paper BThD3.

29. Becker, M. Fiber Bragg Grating Inscription with DUV Femtosecond Exposure and Two Beam Interference / M. Becker, J. Bergmann, S. Bruckner, E. Lindner, M. Rothhardt, K. Schuster, J. Kobelke, S. Unger, H. Bartelt, L. A. Fernandes, P. V. S. Marques // Proc. of SPIE. – 2009. – V. 7386, 73862Y-1.

30. Fang, X. A new method for sampled fiber Bragg grating fabrication by use of both femtosecond laser and CO₂ laser / X. Fang, X. Y. He, C. R. Liao, M. Yang, D. N. Wang, Y. Wang // Opt. Express. – 2010. – V. 18. – № 3. – P. 2646-2654.

31. Mihailov, S. J. Bragg grating inscription in various optical fibers with femtosecond infrared lasers and a phase mask / S. J. Mihailov, D. Grobnic, C. W. Smelser, P. Lu, R. B. Walker, H. Ding // Optical Materials Express. – 2011. – V. 1. – № 4. – P. 754-765.

32. Nolte, S. Femtosecond Laser Induced Fiber Bragg Gratings – Status and Prospects / S. Nolte, J. Thomas, C. Voigtander, R. Becker, D. Richter, A. Tunnermann // OSA/BGPP. – 2010. – paper BWA2

48

Глава 3. Применение волоконных брэгговских решеток

3.1. Применение брэгговских решеток в телекоммуникациях

Необходимость увеличения скорости передачи информации, связанная с развитием средств телекоммуникаций, увеличением информационных потоков, ростом глобальных информационных систем и баз данных, расширением числа пользователей, привела к тому, что волоконно-оптические линии связи стали разрабатываться с применением спектрального мультиплексирования оптических каналов (WDM). В настоящее время уже разработаны соответствующие стандарты линий связи , устанавливающие интервал между соседними каналами 50 ГГц (около 0,4 нм в спектральном диапазоне вблизи 1,5 мкм). В экспериментальных линиях связи скорость передачи по одному каналу составляет 20 Гбит/с, в то время как общее их число достигает 200. Общая скорость передачи информации в такой линии связи составляет 8 Тбит/с, что является чрезвычайно большой величиной. Достаточно сказать, что все содержимое жесткого диска емкостью 100 Гбайт при такой скорости передачи информации будет передано всего за 100 миллисекунд. Естественно, что такой значительный прогресс основывается на постоянном совершенствовании систем волоконной оптики и их элементной базы. В частности, успешно осваиваются высокоскоростные системы передачи и приема информации, расширяются полосы пропускания световодов и спектральные диапазоны работы оптических усилителей . В связи с этим отметим наиболее важные приложения волоконных решеток ПП в работе описанных систем [1].

Для успешной работы таких линий связи требуются устройства ввода/вывода отдельных спектральных каналов, которые могут быть успешно реализованы на основе ВБР. Одна из возможных схем такого селектора оптического канала с длиной волны λ_N, построенная на основе брэгговской решетки с высоким коэффициентом отражения и двух оптических циркуляторов, приведена на рис. 3.1 [1].

Рис. 3.1. Оптическая схема устройства для ввода/вывода заданного спектрального канала в волоконно-оптической линии связи

49

Существуют и ограничивающие применение волоконных брэгговских решеток факторы, коими являются боковые максимумы в спектре решетки, а также оптические потери, вызванные возбуждением мод оболочки на структуре решетки. Для подавления боковых резонансов ВБР было предложено изменять амплитуду модуляции ПП в решетке по ее длине. Наилучшие спектральные характеристики имеют решетки со сглаженным по определенному закону профилем модуляции наведенного ПП при постоянном его среднем значении по длине решетки. Для подавления возбуждения оболочечных мод на ВБР был также предложен ряд подходов

[1].

Еще одним фактором, ограничивающим скорость передачи информации в современных линиях связи, является хроматическая дисперсия волоконных световодов. Дело в том, что при распространении в диспергирующей среде лазерные импульсы, несущие информацию, уширяются и начинают перекрываться друг с другом. Таким образом, расстояние, на которое можно передать информацию ограничивается не только затуханием, но и дисперсией. Для того чтобы увеличить это расстояние необходимо компенсировать дисперсию волоконных световодов

[1].

Это может быть сделано с использованием компактного волоконного элемента, каким является ВБР с переменным периодом (рис. 3.2 ). Такая решетка способна вносить определенную временную задержку между спектральными компонентами импульса и таким образом восстанавливать его исходную форму. Как правило, для компенсации дисперсии требуются решетки большой длины, которые записываются через фазовую маску. В настоящее время уже получены качественные решетки с длиной более 1 метра. Достигнутая величина дисперсии в решетках с переменным периодом более 1000 пс/нм позволяет компенсировать дисперсию 50-км отрезка стандартной волоконно-оптической линии на длине волны 1,55 мкм [1].

Рис. 3.2. Оптическая схема компенсатора дисперсии, построенного на основе волоконной брэгговской решетки с переменным периодом

50

Кроме того, при передачи информации на большие расстояния помимо компенсации дисперсионного уширения импульсов нужно время от времени усиливать оптический сигнал, который ослабляется несмотря на то, что современные волоконные световоды имеют весьма низкие оптические потери (~0,2 – 0,3 дБ/км). Как правило , через каждые 50 - 100 км линии связи для усиления сигнала используются эрбиевые волоконные усилители (для линий в диапазоне 1,55 мкм). Ясно, что для одновременного усиления нескольких оптических каналов усилитель должен иметь не слишком большие вариации коэффициента усиления по длине волны, то есть иметь близкий к постоянному коэффициент усиления в используемом спектральном диапазоне (как правило, вариации этой величины не должны превышать нескольких десятых децибела). К сожалению, эрбиевые усилители имеют значительные спектральные вариации коэффициента усиления, которые, вообще говоря, зависят от многих факторов, таких как концентрация ионов эрбия и его локальное окружение , длина волны и интенсивность оптической накачки, длина самого световода и др. Использование волоконных решеток позволяет модифицировать спектр усиления, сделав его более гладким, или исправить нежелательные спектральные искажения, возникшие после усиления сигналов. Отметим, что для выравнивания спектра усиления могут использоваться ВБР с перпендикулярными либо наклонными по отношении к оси световода штрихами, а также длиннопериодные волоконные решетки [1].

3.2. Спектрально-чувствительные датчики на волоконных брэгговских решетках

Резонансная длина волны волоконной брэгговской решетки зависит от эффективного ПП сердцевины световода и периода модуляции ПП. В свою очередь эти два параметра зависят от внешних деформирующих напряжений и температуры. Используя выражение (1) смещение центральной длины волны отражения под действием деформации и температуры можно записать так [2]:

(12)

Первое слагаемое в выражении (12) показывает воздействие деформации на волокно. Физический смысл его в изменении периода решётки и ПП, вызванного упругооптическим эффектом. Этот эффект можно описать следующим выражением:

(13)

где p_e – эффективная упругооптическая постоянная, определяется как:

(14)

где p₁₁ и p₁₂ – компоненты упругооптического тензора, n – ПП сердцевины, а ν – коэффициент Пуассона. Для стандартного одномодового ОВ с параметрами p₁₁ = 0,113, p₁₂ = 0,252, ν = 0,16 и n = 1,482 при длине волны

51

отражения ВБР λ_В0 ≈ 1550 нм расчётная чувствительность к деформации составляет 1,2 пм при относительном удлинении ε(z) = 10^-6. Экспериментальные результаты исследования смещения брэгговской длины волны отражения от деформации (растяжение/сжатие) представлены на рисунке 3.3 [2].

Рис. 3.3. Зависимость смещения брэгговской длины волны от приложенной деформации

Второе слагаемое в выражении (12) показывает температурное воздействие на брэгговскую решетку. Смещение брэгговской длины волны происходит из-за температурного расширения кварца, вызывающего изменение периода решётки, а также изменения ПП волокна. Подобное смещение λ_B при изменении температуры ΔT может быть записано как:

(15)

где α = (1/Λ )(δΛ/δT) - коэффициент термического расширения (для кварца α = 0,55 ×10^-6), ξ = (1 /n)(δn/δT) - термооптический коэффициент (для волокон с добавками германия примерно равный 8,6×10^-6). Видно, что изменение ПП является доминирующим эффектом. Из уравнения (15) можно рассчитать, что температурный сдвиг решетки Брэгга в одномодовом оптическом волокне составляет ~ 13,7 пм/° С. На рисунке 3.4 показана температурная зависимость резонансной длины волны волоконной брэгговской решетки [2].

Рис. 3.4. Зависимость длины волны резонанса ВБР от температуры

52

Существует множество различных способов построения сенсорных систем на основе брэгговских решеток. В простейшем случае сенсорная система представляет собой точечный датчик, соединенный через оптический разветвитель с источником светового сигнала и блоком анализатора (рис. 3.5). Сигнал от источника отражается чувствительным элементом. Длина волны отражения фиксируется блоком анализатора.

Рис. 3.5. Схема простейшего волоконно-оптического датчика на брэгговских решетках

Как правило, анализатор (Bragg grating interrogator) представляет собой узкополосный спектрометр. Существуют спектрометры различных типов: от стандартных дифракционных, где в качестве дисперсионного элемента используется дифракционная решетка, до анализаторов на основе интерферометра Фабри-Перо.

Одним из основополагающих достоинств волоконно-оптических датчиков является их относительно легкая возможность объединения в массивы (мультиплексирование). Наиболее часто в волоконных датчиках на брэгговских решетках используются два вида мультиплексирования – мультиплексирование по длине волны (Wavelength Division Multiplexing - WDM) и мультиплексирование по времени (Time Division Multiplexing - TDM).

Мультиплексирование по времени TDM основано на анализе скорости прохождения сигнала по системе. Каждый датчик разделен участком волоконного световода, для прохождения которого сигналу требуется определенное, и известное заранее, время. Источник посылает короткий импульс в систему. Сигнал на выходе представляет собой ряд импульсов,

53

дифференцированных по времени, каждый из которых несет информацию о состоянии каждого сенсора в отдельности. В чистом виде такая система мультиплексирования также редко используется для объединения брэгговских волоконных датчиков, однако как составная часть более сложной системы встречается довольно часто. Подробное описание данного типа мультиплексирования представлено в работе [3].

Принцип WDM мультиплексирования основывается на том, что каждый сенсорный элемент записывается со своим уникальным периодом решетки, что позволяет различать их по спектру при анализе и, соответственно, фиксировать показания каждого сенсора отдельно. Количество сенсоров в массиве, в основном, ограничивается спектральной шириной источника и динамическим диапазоном анализатора.

3.3. Интерферометрические датчики на волоконных брэгговских отражателях

В фазовых интерферометрических датчиках (ФИД) на основе массивов ВБР чувствительным элементом выступает само ОВ, что ведет к значительному снижению себестоимости.

Отрезок ОВ между двумя решетками представляет собой интерферометр Фабри-Перо. Под воздействием деформации и акустических колебаний меняется разность фаз сигналов от двух соседних брэгговских решеток. Интерферометрические датчики обладают наибольшей чувствительностью к изменению длины отрезка волокна под воздействием внешних факторов.

Принцип действия распределенных волоконно-оптических измерительных комплексов на основе ФИД в простейшем случае (в случае одного ФИД) показан на рисунке 3.6 и заключается в следующем [4]. Каждая из решеток Брэгга РБ1 и РБ2 датчика отражает импульс, поступающий на нее от импульсного лазера, на одной и той же длине волны Брэгга. При этом временная задержка между отраженными импульсами равна удвоенному времени распространения света в чувствительном элементе датчика – волокне, заключенном между решетками.

Отраженные импульсы поступают в компенсирующий интерферометр (КИ), который, в свою очередь, также раздваивает каждый из них. Задержка, вносимая в распространение импульсов плечом 2 КИ по отношению к плечу 1, обеспечивает перекрытие во времени импульса, отраженного от решетки РБ1, на выходе плеча 2 и импульса, отраженного от решетки РБ2, на

выходе плеча 1 и сдвиг их по фазе на ϕ₀ =π/2.

Изменение во времени деформации чувствительного элемента датчика в результате внешнего воздействия вызывают изменение разности фаз интерферирующих импульсов. Последнее преобразуется фотоприемником (ФП) в изменение величины тока.

Дополнительный сдвиг фаз ϕ₀ =π/2 между интерферирующими импульсами обеспечивает работу фотодетектора на участке максимальной

54

крутизны, а равенство интенсивностей интерферирующих импульсов позволяет получить максимальную амплитуду сигнала на выходе фотоприемника.

Рис. 3.6. Принцип действия волоконно-оптической системы вибро-акустического мониторинга на основе брэгговских решеток

Для создания массива датчиков на одном волокне используется временное (если ВБР имеют одинаковую длину волны отражения) и спектральное уплотнение (единичные датчики состоят из ВБР работающих на разных длинах волн отражения).

Использование волоконных решеток Брэгга для формирования ФИД позволяет объединять в одном кабеле большое количество сенсоров, различия сигналы от отдельных гидрофонов по длине волны [5] и временной задержке [6].

3.4. Математический метод выделения сигнала от фазового интерферометрического датчика на основе волоконных брэгговских решеток

В случае объединения в одном ОВ большого количества ФИД, появляется проблема достижения максимальной чувствительности фото-детектирования сигналов для всех датчиков волоконно-оптической системы вибро-акустического мониторинга [4]. Источниками этой проблемы являются

55

56

5

Помеховая составляющая

ψ (t)

t

Время, с

Рис. 3.8. Помеховая составляющая

то ток на выходе ФП будет иметь вот такой вид (рис. 3.9):

Ток на выходе ФП

1.8

1.6

1.4

1.2

I(t)

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0 0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

t

Время, с

Рис. 3.9. Ток на выходе ФП

Так как амплитуда сигнала на ФП меняется с течением времени, то для правильной регистрации полезного сигнала необходима дополнительная обработка. В случае одного ФИД можно обеспечить стабилизацию положения рабочей точки фотодетектора путем оперативной подстройки разбаланса плеч КИ. Однако в случае объединения в одном ОВ большого

57

количества ФИД обеспечить стабилизацию с требуемой точностью и быстродействием вряд ли возможно. Причиной тому не только низкое быстродействие известных элементов регулировки, которые являются пьезоэлектрическими , но и низкая точность, с которой могут быть определены внешние воздействия на каждый из датчиков.

Поэтому можно отказаться от идеи механической стабилизации рабочей точки фотодетектора и исследовать возможность решения проблемы с помощью следующего метода обработки сигнала.

Сущность метода заключается в следующем [4]. Используя задающий генератор (ЗГ), световой сигнал в одном из плеч КИ ( см. рис. 3.10) модулируется по фазе радиосигналом высокого уровня с частотой ω₀ ,

лежащей за пределами диапазона рабочих частот датчика, C ⋅cos(ω₀ ⋅t).

Рис. 3.10. Схема обработки сигнала ФП

В результате ток (17) на выходе ФП преобразуется к виду:

I (t)= A + B ⋅cos[C ⋅cos(ω0 ⋅t)+ϕ(t)],

(18)

при котором изменение разности фаз интерферирующих импульсов зависит не только от полезного сигнала и помеховой составляющей, но и от амплитуды и частоты сигнала фазового модулятора.

Или, после разложения в ряд по гармоникам частоты модулятора, коэффициентами которого являются функции Бесселя:

k

⋅t)]⋅cos[ϕ(t)]−

(C)+ 2

⋅

(−1) ⋅ J

(C)⋅cos(2 ⋅k ⋅ω

[J

0

∑

2k

0

(19)

I (t)= A + B ⋅

(−1)k ⋅ J

+ (C)⋅cos[(2 ⋅k +1)⋅ω

⋅t]]⋅sin[ϕ(t)]

[2 ⋅

∑

0

2k 1

Если умножить этот сигнал на первую и вторую гармоники модулирующего сигнала, а результаты умножения пропустить через фильтры нижних частот (ФНЧ), то на их выходах получим два квадратурных сигнала, изменение фаз которых уже не зависит от сигнала фазового модулятора

UФНЧ1 (t)= −B ⋅G ⋅ J1 (C)⋅sin[ϕ(t)]	,	(20)
UФНЧ 2 (t)= −B ⋅ H ⋅ J 2 (C)⋅cos[ϕ(t)]

где G и H - амплитуды первой и второй гармоник модулирующего сигнала.

58

Производные этих сигналов по времени имеют вид:

dU_ФНЧ1 (t)= −B ⋅G ⋅ J₁ (C)⋅ϕ'(t)⋅cos[ϕ(t)]

dU_{ФНЧ 2} (t)= B ⋅ Н ⋅J ₂ (C)⋅ϕ'(t)⋅sin[ϕ(t)]

Перекрестное перемножение сигналов (20) и их производных (21) дает:

U _вых1 (t)= B² ⋅G ⋅ H ⋅ J₁ (C)⋅ J ₂ (C)⋅ϕ'(t)⋅cos² [ϕ(t)] U _вых2 (t)= −B² ⋅G ⋅ H ⋅ J₁ (C)⋅ J ₂ (C)⋅ϕ'(t)⋅sin ² [ϕ(t)]

(21)

(22)

При этом перекрестное перемножение позволяет достичь полной идентичности амплитуд сигналов, исключив влияние не идентичности каналов обработки. Теперь, вычитая из первого сигнала (22) второй, получим:

U − (t)= B2 ⋅G ⋅ H ⋅ J1 (C)⋅ J 2 (C)⋅ϕ'(t),

(23)

Затем данный сигнал (23) пропустим через фильтр верхних частот (ФВЧ1), который служит для устранения постоянной составляющей перед интегрированием. А после интегрирования, получаем:

U вых (t)= B2 ⋅G ⋅ H ⋅ J1 (C)⋅ J 2 (C)⋅ϕ(t),

(24)

Как следует из полученного выражения (24), сигнал на выходе пропорционален сумме полезного сигнала и медленно меняющейся помеховой составляющей и не зависит от положения рабочей точки фотодетектора. Таким образом, в спектре выходного сигнала помеха присутствует в виде слагаемого и может быть отфильтрована, так как отличается от него по спектру.

На рисунке 3.11 мы можем видеть выходной сигнал до фильтра, в котором помимо полезного сигнала на частоте 500 Гц, присутствует и помеховая составляющая.

Рис. 3.11. Выходной сигнал до фильтра

А после фильтра (ФВЧ2) (рис. 3.12) мы видим, что помеха была отфильтрована.

59

60

Список использованной литературы (Глава 3)

1. 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.

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

– V. 68. – № 12. – P. 4309-4341.

3. Digonnet, M. J. F. Acoustic Fiber Sensor Arrays / M. J. F. Digonnet, B. J. Vakoca, C. W. Hodgson, G. S. Kino Edward L. // Second European Workshop on Optical Fibre Sensors. Proc. SPIE.– 2004.– №5502.

4. Варжель, С. В. Метод устранения влияния сигнала помехи на чувствительность приема гидроакустической антенны на основе волоконных Брэгговских решеток / С. В. Варжель, В. Е. Стригалев // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. – 2010. – Т. 69. – № 5. –

С. 5-8.

5. Okawara, C. Fiber optic interferometric hydrophone using fiber Bragg grating with wavelength division multiplexing / C. Okawara, K.Saijyou // Acoust. Sci. & Tech.– 2008.– №3(29).

6. Okawara, C. Fiber optic interferometric hydrophone using fiber Bragg grating with time division multiplexing / C. Okawara, K.Saijyou // Acoust. Sci. & Tech.– 2007.– №1(28).

61

Список сокращений

ВБР волоконная брэгговская решетка

ОВ оптическое волокно

• показатель преломления

ИК инфракрасный

УФ ультрафиолетовый

НКВ нейтральные кислородные вакансии

ГКДЦ германиевый кислородно-дефицитный центр

ФМ фазовая маска

ФИД фазовый интерферометрический датчик

КИ компенсирующий интерферометр

ФП фотоприемник

ЗГ задающий генератор

ФНЧ фильтр нижних частот

ФВЧ фильтр верхних частот

62

Миссия университета – генерация передовых знаний, внедрение инновационных разработок и подготовка элитных кадров, способных действовать в условиях быстро меняющегося мира и обеспечивать опережающее развитие науки, технологий и других областей для содействия решению актуальных задач.

КАФЕДРА СВЕТОВОДНОЙ ФОТОНИКИ

Кафедра световодной фотоники (раннее кафедра физики и техники оптической связи) вошла в состав инженерно -физического факультета в 1976 г. И в 2010 году была переведена на вновь созданный факультет инфокоммуникационных технологий. Заведующим кафедрой является д.т.н., профессор , заслуженный деятель науки РФ И.К. Мешковский . На кафедре развились два научно-технических направления: технология оптического волокна и создание новых композиционных оптических материалов. В 1982 году кафедра первой в стране стала осуществлять подготовку инженеров по специальности «Волоконная и интегральная оптика». На базе кафедры были проведены первые в Ро ссии разработки по технологии производства оптического волокна, оптических жгутов, различных волоконно -оптических приборов и систем. Возникла научная школа в области фотоники дисперсных и нелинейных сред. В 1998 году в связи с развитием систем телекоммуникации и высокими потребностями в специалистах по волоконно-оптической связи кафедра первой в Санкт-Петербурге стала осуществлять подготовку инженеров по специальности «Физика и техника оптической связи». С 2008 года – подготовку бакалавров и магистров по направлению «Телекоммуникации», а с 2011 года – подготовку бакалавров и магистров по направлению «Инфокоммуникационные технологии и системы связи». Кафедра осуществляет научные разработки совместно со многими зарубежными фирмами и университетами.

63

Варжель Сергей Владимирович

Волоконные брэгговские решетки

Учебное пособие

В авторской редакции Редакционно-издательский отдел Университета ИТМО

Зав. РИО Н.Ф. Гусарова Подписано к печати Заказ № Тираж

Отпечатано на ризографе

64

Редакционно-издательский отдел Университета ИТМО

197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49

65