книги / Фотоника и оптоинформатика. Волоконные брэгговские решётки
.pdf
Рис. 1.15. Распространение электромагнитных волн: а – в сердцевине оптического волокна; б – отражение от идеального зеркала;
от брэгговской решётки: в – слабоотражающей; г – сильноотражающей
21
Энергия падающей волны перераспределится между отражённой и прошедшей волнами, а часть поглотится в неоднородностях. Отражённая и прошедшая волны по амплитуде будут меньше падающей. Длины волн падающей и прошедшей равны λпад = λпр. На этом принципе создаются слабоотражающие волоконнооптическиерешёткиБрэггаскоэффициентомотраженияR << 1.
При увеличении коэффициента отражения R до величин, близких к единице, брэгговская решётка становится сильноотражающей, а при R = 1 – идеальным отражателем (рис. 1.15, г).
Рис. 1.16. Конструкция брэгговской решётки и спектры сигналов: входящего, прошедшего и отражённого
Конструктивно брэгговские решётки представляют собой участок одномодового оптического волокна, в германо-силикатной сердцевине которого за счёт внешнего энергетического воздействия формируется периодическая структура дефектов в продольном направлении х. В простейшем случае она представляет собой дифракционную решётку с расстоянием между соседними штрихами Λ и скачкообразным изменением коэффициента преломления на величину nБр ~ 10‒4nс, для сильноотражающих и nБр ~ 10‒5nс для слабоотражающих решёток, как показано на рис. 1.16. Концентра-
22
ция дефектов на три-четыре порядка меньше концентрации молекул германиевого стекла в сердцевине, и скачок показателя преломления (амплитуда модуляции) nБр существенно (на один-три) порядка меньше разности показателей преломления сердцевины и оболочки n. Глубина модуляции скачка показателя преломления
M n = |
nБр |
обычно составляет порядка 0,1÷0,01, что ограничива- |
|
n |
|||
|
|
ет искажения, вносимые решёткой в распространяющийся сигнал при сохранении волноводных свойств волокна. Исключение составляют связанные моды падающего и отраженного сигналов на резонансной брэгговской длине волны
λБр = 2nэфΛ, |
(1.10) |
здесь nэф – эффективный показатель преломления, Λ – период брэгговской решётки.
Глубина модуляции показателя преломления сердцевины оптического волокна
Mn = |
nБр |
. |
(1.11) |
|
|||
|
nс |
|
|
Она обычно невелика и составляет порядка 10‒4, однако с учётом количества штрихов решётки N~104 и более приводит к появлению кабельных потерь на флуктуациях показателя преломления, что уменьшает интенсивности отраженного Iотр и прошедшего Iпр сигналов по сравнению с интенсивностью Iвх входящего сигнала.
Расчёт спектров отражённого и прошедшего сигналов обычно производится с использованием теории связанных мод. Согласно указанной теории свет, распространяющийся в сердцевине оптического волокна, рассеивается всеми гранями решётки. Если условие Брэгга (1.10) не выполняется, то отражённые волны при сложении имеют разные фазы и быстро затухают. При выполнении условия Брэгга, волны, отражённые от граней решётки, складываются в фазе
23
и формируют отражённую волну, распространяются по волокну в обратномнаправлении, какпоказано нарис. 1.15, в.
В [1] приведён расчёт спектра отражения однородной брэгговской решётки, сформированной в сердцевине одномодового оптического волокна со средним показателем преломления nс. Предположим, что показатель преломления решётки вдоль оси х изменяется по закону
n(x) = n + |
n |
cos |
|
2πx |
, |
(1.12) |
с |
Бр |
|
|
Λ |
|
|
где nБр – амплитуда модуляции показателя преломления, а Λ – период брэгговской решетки. Тогда спектр отражения брэгговской решётки R (λ, l) – как функция от длины волны λ и длины решетки l
R(λ,l ) = |
Ω2sinh2 (sl ) |
, |
(1.13) |
k 2 sinh2 (sl ) + s2cosh2 (sl ) |
|||
где Ω – коэффициент связи падающей и отражённой мод, |
k = k − |
||
π/λ – волновой вектор расстройки, здесь k = 2πnс/λ ‒ постоянная
распространения, а s2 = Ω2 – |
k2. |
|
|
||
Для синусоидальной функции распределения показателя |
|||||
преломления (3) коэффициент связи |
|
|
|||
|
|
Ω = |
π nБрη(V ) |
, |
(1.14) |
|
|
λ |
|||
|
|
|
|
|
|
где η(V ) ≈ 1− |
1 |
– функция, определяющая, какая часть интенсив- |
|||
|
|||||
V 2 |
|
|
|
|
|
ности основной моды излучения распространяется по сердцевине оптического волокна. Согласно (1.7) это отношение площади гауссовогопучкавсердцевинекегообщейплощадивсеченииволокна.
Величина V ≥ 2,4 при этом более 82 % излучения распространяется по сердцевине, и оптическое волокно работает в волноводномрежименадлинахволн, меньших, чемдлинаволныотсечки.
24
Для брэгговской длины волны k = 0, поэтому выражение (1.13) упрощается:
R(λ,l ) = tanh2 (Ωl ). |
(1.15) |
Рассчитанный спектр отражения решётки как функция длины волны, взятый из работы [1], показан на рис. 1.17.
Рис. 1.17. Расчётный спектр отражения волоконной брэгговской решётки из [1]
Рис. 1.18. Экспериментально найденный спектр отражения волоконной брэгговской решётки. Получен авторами
25
На рис. 1.18 представлен экспериментально полученный авторами спектр сильноотражающей брэгговской решётки.
1.4. Запись волоконных брэгговских решёток
1.4.1. Метод фазовой маски
Фазовая маска (фотошаблон) ‒ стеклянная или иная пластина либо полимерная плёнка со сформированным на её поверхности рисунком элементов схем из материала, не пропускающего актиничное излучение. Актиничный свет ‒ электромагнитное излучение, обладающее способностью оказывать воздействие на светочувствительный материал.
Фотошаблон является одним из основных инструментов при создании заданного рельефного защитного покрытия при проведении фотолитографии в планарной технологии. В зависимости от материала пленочного покрытия различают фотошаблоны на основе:
1.Фотографическойэмульсии(эмульсионныефотошаблоны).
2.Металлической плёнки (металлические фотошаблоны).
3.Окиси железа (цветные фотошаблоны).
Изготовление брэгговских решёток в сердцевине оптического волокна одиночным импульсом эксимерного лазера является наиболее простым методом. Схема записи нечувствительна к внешним вибрациям и может быть использована в обычных лабораторных условиях без применения виброгасящих столов и развязанных фундаментов. Схема установки для записи волоконной брэгговской решётки представлена на рис. 1.19.
Эксимерный лазер – газовый лазер ультрафиолетового диапазона. Термин «эксимер» (англ. excited dimer) означает «возбуждённый димер» и обозначает тип материала, используемого в качестве рабочего тела лазера. В табл. 1.3 приведены газовые составы рабочих тел эксимерных лазерах с указанием длин волн оптической генерации.
26
Рис. 1.19. Схема установки для записи брэгговской решётки методом фазовой маски
|
Таблица 1.3 |
Газовые составы эксимерных лазеров |
|
|
|
Формула |
Длина волны генерации, нм |
F2 |
157 |
ArF |
193 |
KrCl |
222 |
KrF |
248 |
XeBr |
282 |
XeCl |
308 |
XeF |
353 |
В традиционном для записи волоконных брэгговских решёток диапазоне 244÷248 нм используют KrF эксимерные лазеры. Наиболее эффективно их использование в режиме однократного фемтосекундного импульса. При этом достигается высокая плотность энергии в области засветки, что создаёт благоприятные условия для многофотонного (двухфотонного) поглощения квантов, наиболее эффективного для образования дефектов германосиликатного стекла сердцевины при сохранении структуры силикатного стекла оболочки. Однократный короткий мощный импульс
27
воздействует только на экспонируемый участок сердцевины, практически не изменяя структуру экранированных маской участков. Это позволяет создавать решётки с распределением профиля показателя преломления, близким к прямоугольному.
Метод фазовой маски позволяет изготавливать брэгговские решетки с коэффициентом отражения на центральной длине волны 0,1÷99,9 % и шириной полосы спектра отражения на уровне половинной мощности 0,01÷10 нм.
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.
В реальных установках (рис. 1.20 и 1.21) значительно более сложные оптические схемы формирования оптического луча, позволяющие создать в области фазовой маски луч постоянной интенсивности и подавить (существенно ослабить) интерференционные максимумы высших порядков.
Рис. 1.20. Оптическая |
Рис. 1.21. Фокусировка лазерного |
система формирования |
луча на фазовой маске |
пучка лазерного излучения |
|
28
Фотография изготовленной брэговской решётки представлена на рис. 1.22. Темные полоски – засвеченные участки сердцевины оптического волокна с увеличенным показателем преломления, светлые – незасвеченные.
Изменяя энергию лазерного излучения, можно изменять концентрацию возникающих дефектов и соответственно амплитуду модуляции показателя преломления. Однако нельзя менять центральную длину спектра отражения решётки, вследствие фиксированного значения периода фазовой маски. Также данный метод не позволяет производить запись решёток Брэгга в процессе вытяжки волокна, так как последнее требует отсутствия оптических элементов вблизи движущегося световода [5].
Готовое волокно имеет защитную оболочку. Стандартные полимеры оболочки непрозрачны для ультрафиолетового излучения. Поэтомуеёнеобходимоснятьивосстановитьпослезаписирешётки. Это удлиняет процесс изготовления брэгговской решётки и снижает прочностьоптическоговолокнавместееёизготовления.
Рис. 1.22. Фотография брэгговской решётки под микроскопом в поляризованном свете
29
В процессе старения оптические свойства брэгговских решёток могут изменяться. Для сокращения времени старения волокна отжигаютвтечениенескольких часовприповышеннойтемпературе.
1.4.2. Интерференционный метод
При интерферометрическом методе записи фазовая маска отодвинута от оптического волокна, что позволяет производить запись решёток Брэгга в процессе вытяжки оптического волокна, до нанесения на него защитного полимерного покрытия. Схема установки с использованием интерферометра Тэлботта показана на рис. 1.23. Интерферометр образован двумя плоскопараллельными зеркалами. Изменяя расстояние между зеркалами, можно изменять период интерференционной картины и соответственно период брэгговской решётки. Это, в свою очередь, позволяет варьировать положение центральногомаксимумаспектраотражениявширокоминтерваледлинволн.
Рис. 1.23. Схема установки для записи брэгговской решётки интерферометром Тэлботта
30