Волоконные брэгговские решетки

Современный мир так же сложно представить без сети Интернет, как и системы связи без оптического волокна. Большинство сетей коммуникаций в настоящее время используют волоконные световоды как среду для передачи информации. Во второй половине прошлого века произошла настоящая революция в представлениях о будущем телекоммуникационных систем. Такой переворот стал возможным благодаря началу нового этапа в развитии волоконной оптики. Были найдены решения, позволившие использовать оптическое волокно для передачи информации.

На первый взгляд может показаться, что основным применением волоконных световодов является их использование в системах связи. В определенный момент времени, это стало правдой лишь отчасти.

Волоконные световоды условно можно разделить на две категории: специальные и телекоммуникационные. Как понятно из названия, телекоммуникационные световоды применяются в различных системах связи. Специальные оптические волокна нашли иное применение. В настоящее время активно развивается направление создания устройств и приборов на основе спецволокон. Оптические волокна применяются в датчиках различных физических параметров (температуры, давления, механических напряжений и т.д), системах мониторинга протяженных объектов, волоконных лазерах, навигационных устройствах, медицинских приборах и пр.

Эти устройства делятся на различные типы в зависимости от принципа их действия и особенностей конструкции. Довольно часто, для создания приборов на основе специальных оптических волокон применяются волоконные решетки Брэгга. Как правило, на их основе реализуются чувствительные элементы датчиков физических параметров и систем мониторинга, резонаторы волоконных лазеров, спектральные фильтры телекоммуникационных систем с уплотнением каналов (WDM системы) и т.д.

Волоконная решетка Брэгга (ВБР) - дифракционная решетка, локализованная в сердцевине оптического волокна, которая образована за счет периодического изменения показателя преломления кварцевого стекла под воздействием электромагнитного излучения (Рис. 1). При прохождении излучения через оптическое волокно с записанной в него ВБР, происходит его частичное или полное отражение от решетки в определенном спектральном диапазоне. Условно можно сказать, что ВБР работает как зеркало, которое отражает свет с определенным спектром, а излучение, не попавшее в этот диапазон, продолжает свое распространение в первоначальном направлении. Таким образом, определенную ВБР можно характеризовать с помощью ее спектров отражения и пропускания.

Рис.1 Фотографические изображения волоконных решеток Брэгга, полученные с помощью оптического микроскопа

Основным параметром ВБР является длина волны брэгговского резонанса λB, которая также является центральной длиной волны спектров отражения и пропускания решетки. Эта величина определяется выражением (1):

λ_B=2n_effΛ, (1)

где n_eff- эффективный показатель преломления для длины волны брэгговского резонанса, Λ- период решетки.

Кроме того, важнейшей характеристикой ВБР является коэффициент отражения. Он показывает, какой процент мощности излучения, попадающего в спектральный диапазон решетки, отражается в обратном направлении в оптическом волокне.

Можно определить три основных метода записи ВБР: метод фазовой маски, запись в интерферометре Тальбота и метод пошаговой записи. На сегодняшний день на кафедре Световодной фотоники реализованы два первых способа получения волоконных брэгговских решеток.

УФ излучение, генерируемое лазерной системой Coherent COMPexPro 102, попадает на фазовую маску ФМ, за которой образуется интерференционная картина пучков +1 и -1 порядков дифракции. Оптическое волокно с удаленным защитным покрытием находится непосредственно за фазовой маской. Интерференционная картина осуществляет модуляцию показателя преломления в сердцевине световода. Цилиндрическая линза в схеме позволяет регулировать плотность записывающего излучения на оптическом волокне, что позволяет изменять коэффициент записываемой ВБР.

Рис.2 Принципиальная схема и фотографические изображения стенда записи ВБР методом фазовой маски

Излучение, генерируемое эксимерной лазерной системой Optosystems CL-7500, фокусируется цилиндрической линзой и падает на фазовую маску. Излучение +1 и -1 порядков дифракции отражается от зеркал, закрепленных на поворотных подвижках, которые сводят пучки в область расположения оптического волокна, где образуется интерференционная картина, которая осуществляет запись ВБР. Цилиндрическая линза, как и в предыдущем случае, позволяет изменять коэффициент отражения записываемой решетки, а поворот зеркал, выбирать необходимую длину волны брэгговского резонанса. Особенностью стенда записи ВБР в интерферометре Тальбота реализованного на кафедре Светводной фотоники является применение высококогерентного лазера Optosystems CL-7550 отечественного производства, имеющего уникальные характеристики генерируемого УФ излучения.

Рис. 3. Принципиальная схема и фотографическое изображение стенда записи ВБР в интерферометре Тальбота

Принимая в рассмотрение описанные выше характеристики, можно понять основные принципы работы волоконных решеток Брэгга в конструкции различных устройств.

Если говорить о системах WDM в сетях связи и коммуникаций, то возможность разделения излучения по спектральным диапазонам объясняет применение ВБР в конструкции спектральных фильтров. Данные системы успешно работают в телекоммуникационных сетях и позволяют существенно увеличить их пропускную способность.

Наличие способов получения волоконных решеток с необходимым коэффициентом и спектром отражения позволяют реализовать на их основе резонаторы для волоконных лазеров, которые находят все более широкое применение в различных областях науки и техники и используются для резки, гравировки и маркировки материалов, диагностики заболеваний и т.д.

Как известно, изменение внешних воздействий на материал (температуры, механический напряжений, давления и т.д.) приводит к изменению его геометрических параметров. Данное явление справедливо и для оптического волокна. Но кроме этого, изменение его геометрических характеристик приводит к изменению параметров записанных в него ВБР, в частности их периода. Как видно из выражения (1) это влечет за собой сдвиг длины волны брэгговского резонанса, а как следствие изменение спектров отражения и пропускания решеток. Анализируя данные изменения можно судить о характере внешних воздействий на оптическое волокно. Данные явления положены в основу многих приборов и устройств на основе специальных волоконных световодов.

Выше приведена лишь часть из существующих применений волоконных решеток Брэгга. Системы, реализованные на их основе, продолжают свое активное развитие.

Студенты и аспиранты кафедры Световодной фотоники имеют уникальную возможность осуществлять свои научно-исследовательские работы в области записи волоконных решеток Брэгга и создания устройств на их основе на самом современном оборудовании, под руководством заслуженных преподавателей с огромным опытом и знаниями в данной области.

В нижеследующей таблице приведены возможности кафедры по записи волоконных брэгговских решеток:

Параметр	Значение
Центральная длина волны при комнатной температуре, нм	1450 ÷ 1620
Отклонение от центральной длины волны, нм	± 0,3
Коэффициент отражения R, %	1 ÷ 99
Спектральная ширина резонанса на полувысоте (-3 дБ, FWHM), нм	0,08 ÷ 7 (Для ВБР с постоянным периодом 0,08 ÷ 0,7)
Подавление боковых пиков, дБ	> 10
Длина выходных концов оптического волокна, м	стандарт: 0,7 возможно изменение по договоренности с заказчиком
Восстановление акрилатного покрытия оптического волокна	возможно, по договоренности с заказчиком
Упаковка	по договоренности с заказчиком
Запись через покрытие	возможно
Запись массивов ВБР	возможно

На рисунке 4 приведен спектр отражения массива ВБР из 16-ти решеток со спектральным интервалом 2,4 нм, изготовленный в нашей лаборатории. В нижеследующей таблице приведены подробные характеристики массива.

Рис. 4. Спектр отражения массива ВБР из 16-ти решеток

Паспорт массива из 16-ти ВБР.

Параметр	Значение
Тип волокна:	одномодовое изотропное оптическое волокно с повышенной концентрацией германия
Количество ВБР на одном волокне:	16 шт.;
Длина каждой ВБР:	10 мм;
Расстояние между центрами ВБР:	50 мм;
Длины волн и коэффициенты отражения отдельных ВБР массива:	№	Длина волны, нм	R, %
	ВБР1	1527,96	92
	ВБР2	1530,42	82
	ВБР3	1532,80	89
	ВБР4	1535,20	95
	ВБР5	1537,62	86
	ВБР6	1540,00	89
	ВБР7	1542,46	82
	ВБР8	1544,80	98
	ВБР9	1547,29	84
	ВБР10	1549,65	78
	ВБР11	1551,95	99
	ВБР12	1554,48	87
	ВБР13	1556,77	95
	ВБР14	1559,26	93
	ВБР15	1561,64	88
	ВБР16	1563,99	99
Погрешность центральной длины волны каждой ВБР:	не более ±0,1 нм;
Перепокрытие зачищенной зоны для каждой ВБР:	есть, акрилат;
Длина хвостов оптического волокна (с каждой стороны):	не менее 1000 мм.

На рисунке 5 представлен спектр отражения чирпированной ВБР, записанной в нашей лаборатории. Спектральная ширина резонанса на полувысоте 4,7 нм.

Рис. 5. Пример спектра чирпированной ВБР

Специальные структуры волоконных брэгговских решеток

Суперпозиции волоконных брэгговских решеток

Суперпозиция брэгговских решеток представляет собой запись нескольких ВБР с различными резонансными длинами волн в одну область оптического волокна таким образом, что каждая новая решетка суперпозиции записывается поверх уже существующих. На рисунке 6 представлены спектры суперпозиций ВБР со спектральным интервалом между отдельными решетками 0,4 нм (а) и 40 нм (б).

(а)

(б)

Рис. 6. Примеры спектров суперпозиций ВБР со спектральным интервалом между отдельными решетками 0,4 нм (а) и 40 нм (б)

Наклонные волоконные брэгговские решеток

Наклонные волоконные брэгговские решетки (НВБР) обладают периодической модуляцией показателя преломления вдоль оси волокна, однако отличаются от ВБР тем, что имеют определенный угол наклона между плоскостью решетки и поперечным сечением волокна, что приводит к возникновению более сложного модового взаимодействия. На рисунке 7 представлены спектры пропускания и отражения наклонной ВБР.

Рис. 7. Пример спектров пропускания и отражения наклонной ВБР

Волоконные брэгговские решетки с фазовым сдвигом

Внесение фазового сдвига в решётку показателя преломления приводит к появлению внутри полосы отражения узкой области пропускания, ширина которой может варьироваться в диапазоне от нескольких единиц до сотен пикометров. На рисунках 8(а,б) приведены примеры спектров отражения ВБР с фазовым сдвигом.

Рис. 8(а). Пример спектра отражения ВБР с фазовым сдвигом.

Длина решётки – 2*2,5 мм, ширина области пропускания в пике отражения

на полувысоте – 84 пм

Рис. 8(б). Пример спектра отражения ВБР с фазовым сдвигом.

Длина решётки – 2*5 мм, ширина области пропускания в пике отражения

на полувысоте - 42 пм

На рисунке 9 представлена зависимость ширины области пропускания в полосе отражения ВБР с фазовым сдвигом от длины решетки.

Рис. 9. Зависимость ширины области пропускания в полосе отражения ВБР с фазовым сдвигом от длины решетки

Волоконные брэгговские решетки в двулучепреломляющих оптических волокнах

На нашей установке по записи ВБР возможна запись решеток в анизотропном оптическом волокне любого типа (PANDA, Bow-tie, с эллиптической напрягающей оболочкой) с предварительной ориентацией оси двулучепреломления световода.

Во-первых, запись волоконных решеток Брэгга эффективнее при позиционировании оси двулучепреломления анизотропного оптического волокна определенным образом по отношению к штрихам интерференционной картины. Во-вторых, предварительная ориентация оси двулучепреломления анизотропного волоконного световода при записи ВБР позволяет снизить поляризационные преобразования на решетке.

Используемый нами метод выставления оси двулучепреломления анизотропного оптического волокна заключается в наблюдении за интерференционной картиной рассеивания вперёд при освещении боковой поверхности световода излучением когерентного источника (рис. 10).

(а)

(б)

Рис. 10. а - схематичное изображение двулучепреломляющего оптического волокна с эллиптической напрягающей оболочкой, где 1 - сердцевина, 2 - изолирующая оболочка, 3 - напрягающая оболочка, 4 - защитная оболочка, 5 - конструктивная оболочка, φ - угол между направлением распространения пучка He-Ne лазера и медленной осью двулучепреломления световода, 6 - направление распространения пучка He-Ne лазера; б - коллаж из интерференционных картин рассеивания вперёд, каждая из которых представляет вертикально ориентированный набор минимумов и максимумов, значение угла φ соответствует ориентации волокна на рис. 10(а)

Волоконные брэгговские решетки типа II

Применение ВБР типа II позволяет получать высокоэффективные брэгговские зеркала, используя метод одноимпульсной записи. При этом глубина модуляции показателя преломления у ВБР типа II, индуцированная одиночным импульсом, может превосходить её у ВБР типа I более чем в 100 раз. Это позволяет осуществить технологию одноимпульсной записи брэгговских зеркал с коэффициентом отражения близким к 100% и сравнительно большой шириной пика отражения решетки на полувысоте (около 1 нм) без использования чирпированной фазовой маски.

Кроме того, ВБР типа II характеризуются высокой термостойкостью. Они стабильны и не деградируют при длительном воздействии температур до 900 °С.

На рисунке 11 представлен спектр отражения ВБР типа II, записанной одиночным импульсом эксимерного лазера.

Рис. 11. Спектр отражения ВБР типа II, записанной одиночным импульсом эксимерного лазера