Лекции по Физико-технологическим основам волоконно-оптической техники   

6. Специальные ОВ

6.2.2. Волоконные брэгговские решетки ПП.

Волоконная брэгговская решетка (ВБР) ПП представляет собой участок ОВ (как правило, одномодового), в сердцевине которого наведена периодическая структура ПП с периодом L, имеющая определенное пространственное распределение. На рис. 6.18. приведена схема такой решетки. Возможность создания такой решетки обусловлена фоточувствительностью легированного кварцевого стекла, т.е. его способностью изменять ПП (на 10-4 – 10-2) под действием УФ-излучения. Важнейшим свойством ВБР является узкополосное отражение оптического излучения. Поэтому данные решетки используются в волоконно-оптических лазерах в качестве селективных зеркал.

Рис. 6. 18. Схематическое изображение волоконной решетки ПП в сердцевине волокна: 1 – сердцевина, 2 - оболочка

ВБР связывают основную моду ОВ с той же модой, распространяющейся в противоположном направлении. Эта связь возникает на определенной (резонансной) длине волны lбр., задаваемой соотношением:

         2 nэфф.´L = lбр.                                          (6.12),

где nэфф. –эффективный ПП моды, L - период решетки (обычно менее 1 микм) . В результате на длине волны lбр возникает полное или частичное отражение излучения. Свойства этого отражения зависят от параметров решетки. Коэффициент отражения R выражается как

R = th2 (k´L)                                             (6.13),

где L – длина решетки, k- коэффициент связи решетки, равный

k = Dnмод.´h/lбр.                                                 (6.14)

Dnмод – амплитуда синусоидальной модуляции ПП, h = часть мощности основной моды, которая распространяется по сердцевине световода. Спектральная ширина резонанса однородной решетки на полувысоте может быть выражена следующим приближенным уравнением:

Dlбр. = 2lбр.´a´[(nбр.´Dnмод. /2 nэфф.)2 + (L/L)2]1/2            (6.15),

где a - параметр порядка единицы для глубоких решеток (с коэффициентом отражения R~1) и порядка 0,5 для решеток небольшой глубины. На рис. 6.19 представлен типичный спектр пропускания ВБР, из которого видно. что имеется резонансная длина волны (~ 1135,7 нм) на которой решетка не пропускает свет. Резонансная длина волны ВБР зависит также от температуры световода и от приложенных к нему механических напряжений.

Рис. 6.19. Спектр пропускания брэгговской решетки с параметрами: L = 5 мм, Δn = 8×10-4

                   Фотоиндуцированные длиннопериодные волоконные решетки (ДПВР) имеют относительно больший период (L=100…500 мкм) и связывают основную моду с модами оболочки, которые распространяются в том же направлении. Энергия, перешедшая в оболочную моду, затем поглощается в защитном покрытии на неочищенном участке ОВ, что приводит к появлению полосы поглощения в спектре пропускания волокна с записанной в нем решеткой. Интенсивность оболочной моды на однородной решетке выражается как

S = Sin2 (k´L)                                                     (6.16),

где обозначения аналогичные (6.12) и (6.13). Для иллюстрации на рис. 6.20 представлен спектр пропускания ДПВР длиной 25 мм с периодом 230 мкм, рассчитанный для ОВ со ступенчатым профилем ПП в сердцевине (разность ПП между сердцевиной и оболочкой Dn = 0,01) и длиной волны отсечки первой высшей моды lс = 1,0 мкм. Характерной особенностью является монотонное возрастание интенсивности межмодового взаимодействия с ростом радиального модового числа m оболочных НЕ1m мод.

Рис. 6.20. Спектр пропускания однородной длиннопериодной решетки длиной 25 мм и с периодом 230 мкм (Δn = 0,01; λc = 1,0 мкм).

В силу малого периода ВБР (менее 1 мкм) их, как правило, формируют при УФ-облучении (l = 242 нм) ОВ с использованием интерференционных методов. Для иллюстрации на рис. 6.21 приведены схемы записи ВБР в интерферометрах с амплитудным (а) и пространственным (б) разделением пучка УФ-излучения. Указанные методы обладают гибкостью в выборе параметров (период, длина) записываемых решеток, однако требуют высокую пространственную и временную когерентность записывающего излучения.

Запись через фазовую маску (рис. 6.22) значительно снижает требования к когерентности УФ-излучения, поэтому часто применяется с использованием недорогих эксимерных лазеров. В этом методе реализуется интерференция между первым и минус первым дифракционными порядками излучения, прошедшего через фазовую маску. Маска, как правило, изготовляется из прозрачного в УФ-части спектра кварцевого стекла и имеет определенный рельеф поверхности, обращенной к световоду. Рельеф выполнен таким образом, чтобы подавить нулевой и другие порядки дифракции, кроме первого и минус первого. Недостатком записи через фазовую маску является высокая стоимость маски и возможность записи ВБР с конкретными параметрами.

Рис. 6.21. Схемы записи брэгговских решеток в интерферометрах с амплитудным (а) и пространственным (б) разделением пучка УФ-излучения: 1 – делительная пластина, 2 – цилиндрическая линза, 3 – зеркала, 4 - волокно

Поскольку значения периода ДПВР на 2…3 порядка больше в сравнении с ВБР, то методы их записи отличаются от методов записи ВБР. Среди наиболее распространенных способов записи фотоиндуцированных ДПВР следует отметить метод с использованием амплитудной маски и пошаговый метод, приведенные на рис. 6.23. В первом случае вся структура решетки формируется одновременно, а во втором случае последовательно при помощи механической трансляции ОВ относительно сфокусированного на сердцевину лазерного излучения.

Рис. 6.22. Схема записи брэгговских решеток с помощью фазовой маски: а) прямая запись, б) запись в интерферометре Тальбота; 1- фазовая маска, 2- оптическое волокно.

Механизм фотоиндуцированного изменения ПП в кварцевом стекле до сих пор недостаточно прояснен, хотя известно, что для германосиликатного стекла фотовозбуждение германиевых кислородо-дефицитных центров (ГКДЦ) играет инициирующую роль для последующей трансформации сетки стекла, которая сопровождается изменением его ПП. К сожалению, фоточувствительность стандартных телекоммуникационных ОВ с концентрацией GeO2 3…5мол. % недостаточна для эффективной записи решеток. Было показано, что фоточувствительность германосиликатных ОВ увеличивается с ростом концентрации оксида германия в сердцевине (соответственно с ростом ГКДЦ), а также при насыщении сетки стекла молекулярным водородом при относительно низкой температуре (~ 1000С) и высоком давлении водорода (до ~ 100 атм) в течение ~ 12 часов. Концентрация молекулярного водорода при такой обработке достигает 2…3 мол. %. Однако температурная стойкость решеток, записанных в ОВ с водородом невысокая, в связи с чем требуется отжиг решеток перед их использованием. Кроме того, насыщение водородом увеличивает потери, обусловленные ОН-группами. 

Рис. 6.23. Схема записи длиннопериодной решетки УФ-излучением: а) с помощью амплитудной маски, б) пошаговым методом: 1 – цилиндрическая линза, амплитудная маска, 3 – сферическая линза, 4 - волокно



*****
Новосибирск © 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.