книги / Фотоника и оптоинформатика. Волоконные брэгговские решётки
.pdfМинистерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
ФОТОНИКА И ОПТОИНФОРМАТИКА. ВОЛОКОННЫЕ БРЭГГОВСКИЕ РЕШЁТКИ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебно-методического пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2023
1
Авторы: И.С. Азанова, И.Л. Вольхин, А.С. Луценко, Н.А Мальков, Д.И. Шевцов
УДК 681.7.068+621.383+681.7.063](076.5) ББК 32.86я73
Ф81
Рецензенты:
д-р физ.-мат. наук, доцент А.В. Перминов (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);
д-р физ.-мат. наук, профессор А.Б. Волынцев (Пермский государственный национальный исследовательский университет)
Ф81 Фотоника и оптоинформатика. Волоконные брэгговские решётки : учеб.-метод. пособие / И.С. Азанова, И.Л. Вольхин, А.С. Луценко [и др.]. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. поли-
техн. ун-та, 2023. – 94 с. ISBN 978-5-398-02979-6
Рассмотрены принципы работы волоконных брэгговских решёток. Даны описания макетов, методика выполнения лабораторных работ и обработки полученных результатов.
Предназначено для студентов вузов, обучающихся по направлению 12.04.03 магистратуры «Фотоника и оптоинформатика». Практикум может быть использован в Пермской научно-производственной приборостроительной компании для обучения студентов Пермского государственного национального исследовательского университета по направлениям «Радиофизика», «Нанотехнологии и микросистемная техника», а также смежным специальностям, в магистратуре Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ», а также других высших учебных заведений консорциума «Фотоника».
|
УДК 681.7.068+621.383+681.7.063](076.5) |
|
ББК 32.86я73 |
ISBN 978-5-398-02979-6 |
© И.С. Азанова, И.Л. Вольхин, |
|
А.С. Луценко, Н.А. Мальков, |
|
Д.И. Шевцов, 2023 |
|
© ПНИПУ, 2023 |
|
© ПГНИУ, 2023 |
|
© ПАО ПНППК, 2023 |
2
СОДЕРЖАНИЕ |
|
Предисловие ...................................................................................... |
5 |
1. Распространение света в оптических волокнах |
|
и волоконных брэгговских решётках........................................... |
8 |
1.1. Конструкция волоконно-оптических кабелей...................... |
8 |
1.2. Распространение света в волоконно- |
|
оптических кабелях............................................................... |
10 |
1.3. Волоконные брэгговские решётки....................................... |
20 |
1.4. Запись волоконных брэгговских решёток........................... |
26 |
1.4.1. Метод фазовой маски...................................................... |
26 |
1.4.2. Интерференционный метод............................................ |
30 |
1.4.3. Пошаговый метод............................................................ |
32 |
1.5. Порядок выполнения работы ............................................... |
34 |
1.5.1. Основные характеристики волоконной |
|
брэгговской решётки....................................................... |
34 |
1.5.2.Исследование основных характеристик волоконной брэгговской решётки с помощью
поляризационного микроскопа...................................... |
36 |
1.6. Контрольные вопросы........................................................... |
38 |
1.7. Список литературы................................................................ |
38 |
2. Компьютерное моделирование спектров |
|
отражения волоконой брэгговской решётки ............................ |
40 |
2.1. Краткие теоретические сведения......................................... |
40 |
2.2. Порядок выполнения работы ............................................... |
43 |
2.3. Контрольные вопросы........................................................... |
47 |
2.4. Список литературы................................................................ |
48 |
3. Исследование деформационных изменений основных |
|
характеристик волоконной брэгговской решётки................... |
49 |
3.1. Краткие теоретические сведения......................................... |
49 |
3.2. Порядок выполнения работы ............................................... |
51 |
3.3. Контрольные вопросы........................................................... |
65 |
3.4. Список литературы................................................................ |
66 |
3
4. Исследование температурных изменений основных |
|
характеристик волоконной брэгговской решётки................... |
67 |
4.1. Краткие теоретические сведения......................................... |
67 |
4.2. Порядок выполнения работы ............................................... |
69 |
4.3. Контрольные вопросы........................................................... |
81 |
4.4. Список литературы................................................................ |
82 |
Приложение 1. Работа с источником излучения...................... |
83 |
Приложение 2. Работа со спектроанализатором |
|
Yokogawa AQ6370D ........................................................................ |
86 |
4
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебно-методическое пособие «Фотоника и оптоинформатика. Волоконные брэгговские решётки: лабораторный практикум» содержит описание физических процессов распространения света в оптических волокнах и брэгговских решётках, созданных на их основе. Приведены сведения по основным методам производства волоконных брэгговских решёток (ВБР) и их использованию в оптоволоконных линиях связи и в датчиках давления и температуры. Подробно описаны экспериментальные установки для исследования их основных параметров, методики выполнения лабораторных работ и обработки полученных результатов.
Целью лабораторного практикума является закрепление знаний, полученных студентами в ходе изучения материалов по курсу «Фотоника и оптоинформатика», приобретение навыков экспериментального исследования и практического использования элементов электронных оптических устройств.
При подготовке к проведению лабораторных работ и защите отчётов следует ознакомиться с рекомендуемой литературой, списком вопросов для самоконтроля и требованиями к оформлению отчёта.
В методических указаниях даны теоретические основы работы оптоволоконных брэгговских решёток, приведены основные характеристики исследуемых приборов, представлены основные схемы экспериментальных установок и приведено описание работы с измерительными приборами. Сборку установок, выбор измерительных приборов, определение диапазона измерений предлагается выполнить студенту самостоятельно под руководством инженеров.
Практикум представляет собой законченное исследование основных характеристик волоконных брэгговских решёток, выполненное различными методами: измерением геометрических параметров с помощью поляризационного микроскопа, компьютерный расчёт на их основе спектров отражения, исследование
5
изменения реальных спектров отражения при внешних деформационных и температурных воздействиях.
Отчет о выполненной лабораторной работе представляется каждым студентом индивидуально на текущем или следующем занятии. Отчёт должен содержать:
1)краткие теоретические сведения о физических процессах в изучаемых приборах;
2)схему экспериментальной установки;
3)тип и основные параметры исследованных приборов;
4)полученные экспериментальные данные (в виде таблиц и графиков);
5)результаты проведенных расчётов, сравнение полученных параметров приборов с их номинальными значениями.
Авторы выражают благодарность:
Перминову Анатолию Викторовичу профессору заведующему кафедрой общей физики Пермского национального исследовательского политехнического университета за советы авторам и поддержку издания настоящего лабораторного практикума;
Ажегенову Александру Сергеевичу за фрагменты текста и отдельные рисунки, использованные в теоретической части работы, написанные совместно и опубликованные в соавторстве в работах: Квантовая и оптическая электроника: лабораторный практикум. Часть1. КвантоваяэлектроникаиЧасть2. Оптическаяэлектроника;
Гаркушину Алексею Алексеевичу за обсуждение содержания пособия и ценные советы по его структуре, а также участие в планированииразработкииизготовлениямакетовлабораторныхработ; Булатову Максиму Игоревичу за руководство процессом изготовления макетов лабораторных работ и их испытанием, а также рекомендации авторам по совершенствованию структуры и
текста лабораторного практикума; Солдатову Павлу Николаевичу за помощь в разработке кон-
цепции лабораторного практикума и структуры макетов лабораторных работ;
6
Максименко Виталию Александровичу за обсуждение содержания пособия и ценные советы по его структуре, а также участие в планировании разработки и изготовления макетов лабораторных работ;
Саромотину Алексею Александровичу за консультации по методам измерений основных характеристик волоконных брэгговских решёток;
Шиловой Олесе Дмитриевне за помощь в комплектации оборудованием лаборатории фотоники ПАО «Пермская научно-произ- водственнаяпроборостроительнаякомпания» (ПАО«ПНППК»);
Криштопу Виктору Владимировичу за консультацию; студентам физического факультета Пермского государственно-
го национального исследовательского университета (ПГНИУ) магистрам 1-го и 2-го года обучения направления «Нанотехнологии и микросистемная техника» за апробацию прототипов макетов лабораторныхработисоветыпо его совершенствованию;
студентам физического факультета ПГНИУ магистрам 1-го года обучения направления «Радиофизика» за первое выполнение лабораторного практикума по методическим рекомендациям и описаниям настоящего лабораторного практикума, а также советы по совершенствованию текста методик выполнения работ и содержанию графиков использованных при подготовке рисунков.
Авторы выражают благодарность всем сотрудникам ПАО «ПНППК», принимавшим участие в закупке лабораторного оборудования и изготовлении макетов лабораторных работ.
Отдельная благодарность генеральному директору ПАО «ПНППК» Андрееву Алексею Гурьевичу за моральную и финансовую поддержку, а также личное присутствие на занятиях при апробацииработлабораторногопрактикума.
7
1.РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА
ВОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКНАХ И ВОЛОКОННЫХ БРЭГГОВСКИХ РЕШЁТКАХ
1.1.Конструкция волоконно-оптических кабелей
Оптические волноводы – это пространственно неоднородные структуры для направления света. Они ограничивают область пространства, в которой может распространяться свет. Большинство волноводов имеют область с увеличенным по сравнению с окружающей средой показателем преломления, по которой распространяется свет. В большинстве волноводов возможно распространения света только по одной координате. Оптические волноводы используются для изготовления волоконно-оптических кабелей и канальныхволноводовфотонных интегральных схем.
В современных волоконно-оптических линиях связи в качестве физической среды для передачи информации на большие расстояния используют оптические кабели. Их преимуществами являются низкие потери, большая информационная пропускная способность, высокий уровень помехозащищенности, отсутствие металлических частей, малая погонная масса и небольшая площадь сечения кабеля. Обычно для передачи информации используют инфракрасный диапазон длин волн 0,8÷1,6 мкм, что соответствует частотному диапазону 3,7÷1,9·1014 Гц. Конструкции стандартных оптических волокон одномодового и многомодового приведены на рис. 1.1, а и б соответственно. Волокно состоит из сердцевины, оболочки и защитного покрытия. Материалом сердцевины и оболочки, как правило, является кварцевое стекло. Спектральная характеристика кварцевого стекла приведена на рис. 1.2. На ней имеется три участка с минимальным затуханием оптического сигнала. Эти участки называются окнами прозрачности кварцевого волокна. В табл. 1.1 приведены их основные характеристики и области применения.
8
а |
б |
Рис. 1.1. Конструкция оптического волокна: а – одномодового; б – многомодового
1 |
|
2 |
|
|
|
3 |
Рис. 1.2. Спектральная характеристика коэффициента затухания сигнала при прохождении 1 км кварцевого одномодового оптического волокна; 1, 2, 3 – диапазоны длин волн окон прозрачности
Оболочка состоит из чистого кварцевого стекла SiO2 с кон-
центрацией ионов кремния порядка |
10 |
22 |
|
1 |
|
|
, |
а в сердцевину |
|
|
|
|
|
||||
|
см |
3 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
добавлены молекулы германиевого стекла GeO2 с концентраци-
ей ионов германия |
18 |
19 |
|
1 |
|
|
Введение примесей повы- |
10 |
10 |
|
|
|
. |
||
см |
3 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
шает показатель преломления (ПП) сердцевины на величину 0,1÷1 %. Типичные значения показателей преломления на длине волны λ = 1550 нм, при температуре Т = 300 К: оболочки ‒ nоб = 1,467 сердцевины ‒ nc = 1,468, таким образом, их отличие
имеет величину |
n = 0,001. |
|
Таблица 1.1 |
||
|
|
|
|
|
|
|
Основные характеристики кварцевых |
||||
|
|
волоконно-оптических кабелей |
|||
|
|
|
|
|
|
№ |
Окно |
|
Центральная |
Затухание, |
Области применения |
п/п |
прозрачности, нм |
длина волны, нм |
дБ/км |
|
|
1 |
820÷880 |
|
850 |
1,5÷1,9 |
Передача сигналов |
|
|
на короткие расстояния |
|||
2 |
1250÷1330 |
|
1300 |
0,32÷0,35 |
Телекоммуникации |
3 |
1525÷1575 |
|
1550 |
0,2 |
Специальные области |
|
|
применения, гироскопы |
|||
|
|
|
|
|
Типичные значения скачка показателя преломления, достаточные для создания волноводного эффекта, лежат в пределах 0,001 ≤ n ≤ 0,02. При этом числовая аппретура
NA = n2 |
− n2 |
, |
(1.1) |
с |
об |
|
|
находится в интервале от 0,054 до 0,24. Её величина обычно составляет примерно 0,1.
Защитное покрытие изготавливается из поливинилхлорида, полиэтилена, полиуретана или полиамида с существенно меньшим показателем преломления nзп ≈ 1,3.
1.2.Распространение света
вволоконно-оптических кабелях
Распространение светового излучения в оптических волокнах рассматривается в двух приближениях: геометрической (лучевой) и волновой оптики. Приближение геометрической оптики основано на использовании явления полного внутреннего отражения. При падении оптического луча на границу раздела двух
10