RESULTS OF FIBER BRAGG GRATING WRITING ON SILICA GRADED-INDEX MULTIMODE OPTICAL FIBERS OF DIFFERENT GENERATIONS

Full Text

Введение В настоящее время вопрос создания высокоточных волоконно-оптических сенсоров выходит на новый уровень. Одним из часто встречающихся элементов в оптико-волоконных сенсорах является волоконная решетка Брэгга в разных ее проявлениях, в связи с чем вопросы о ее свойствах и характеристиках тщательно и непрерывно изучаются в последние десятилетия. Однако до сих пор вопрос об изготовлении ВРБ на многомодовых волокнах и применение таковых на практике остается малоизученным. Основной целью данной работы является рассмотрение основных технологий записи ВРБ, а так же изучение свойств ВРБ записанных на многомодовых волокнах ОМ2+/ОМ3 с различными, заранее измеренными, профилями коэффициента преломления. Полученные результаты позволят составить маршрутную технологию записи и внесут ясность в понимание возможности создания и применения высокочувствительных волоконно-оптических датчиков на основе ВРБ записанной на многомодовом волокне. Технологии производства ВРБ 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 ВРБ, 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 ВРБ. Среди основных методов записи ВРБ выделяют пошаговый метод, метод фазовой маски (ФМ) и интерферометрический метод. В 1989 году авторы работы [2] 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 ВРБ позволяют изготавливать брэгговские решетки с эффективностью 0,1-99,9% и шириной полосы отражения 0,01-10 нм. Запись ВРБ методом фазовой маски Запись решеток Брэгга в ОВ одиночным импульсом эксимерного лазера методом ФМ является наиболее простым и эффективным, так как позволяет исключить из схемы записи дорогостоящие виброизолирующие столы, развязанные фундаменты и основания, необходимые при многоимпульсной записи, и при этом получать решетки с требуемыми характеристиками. Принципиальная схема записи ВРБ методом фазовой маски представлена на рисунке 1. Рис. 1. Принципиальная схема записи ВРБ 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 ВРБ, 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 [3]. 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. Запись ВРБ 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 [4]. 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 [5], то есть создавать чирпированные ВРБ без использования ФМ с переменным по длине периодом. Принципиальная схема записи ВРБ пошаговым методом продемонстрирована на рисунке 2. Рис. 2. Принципиальная схема записи ВРБ пошаговым методом 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. Запись ВРБ итерферометрическим методом В свою очередь, метод записи решеток Брэгга в интерферометре Тальбота, показанный на рисунке 3, позволяет производить запись решеток Брэгга в процессе вытяжки ОВ, вследствие отсутствия оптических элементов вблизи движущегося световода. Рис. 3. Принципиальная схема записи ВРБ с помощью интерферометра Табольта 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. 3), или светоделительной пластиной (кубиком). Существует также интерферометрическая схема записи ВБР с пространственным разделением пучка света, которая реализуется с помощью интерферометра Ллойда, представленная на рисунке 4. Такой интерферометр (рис. 4) может быть создан, например, с использованием диэлектрического зеркала, которое делит фронт пучка на две равные части [5]. 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. Рис. 4. Принципиальная схема записи ВРБ с помощью интерферометра Ллойда Запись ВРБ на многомодовых волокнах с различным коэффициентом преломления Проведя сравнительный анализ всех параметров различных технологий записи приведенных выше, мы делаем упор на технологию записи при помощи интерферометра Ллойда, так как она объединяет некоторые и достоинств всех методов, такие как: позволяет записывать ВРБ на произвольную длину волны; относительная дешевизна, так как используются простые оптические элементы, а так же меньшая чувствительность схемы к пространственной когерентности пучка лазера, в отличии от схемы с фазовой маской. Для записи ВРБ будет использован аргоновый ионный лазер, предназначенный для генерации непрерывного излучения в диапазоне длин волн 458-514 нм в одномодовом режиме и схема записи, основанная на интерферометре Ллойда, изображенная на рисунке 5. Рис. 5. Схема записи основаная на интерферометре Ллойда Здесь: 1 - Регулировка наклона линзы; 2 - Фиксация наклона линзы; 3 - Регулировка наклона зеркала; 4 - Регулировка поперечного положения схемы записи (подвижное основание); 5 - Настройка линзы по фокусу 6 - Настройка поворота схемы(подвижное основание); 7 - Настройка линзы по вертикали; Для записи экспериментальных ВРБ были отобраны многомодовые волокна с заранее измеренными профилями показателя преломления 4 видов. Процесс измерения подробно описан в работах [6-12]. Характеристики профилей показателя преломления изображены на рисунках 6 - 9 рис. Рис. 6. Профиль показателя преломления с провалом (тип 1) Рис. 7. Профиль показателя преломления с широким пиком (тип 2) Рис. 8. Профиль показателя преломления без дефекта (тип 3) Рис. 9. Профиль показателя преломления с узким пиком (тип 4) После записи, для измерения спектра каждой решетки использовался широкополосный излучатель с гладким спектром, рис. 10. Рис. 10. Спектр излучателя В процессе эксперимента было записано 48 ВРБ (по 12 штук на каждом типе волокна). Все эксперименты показали высокую стабильность, т.к. все спектры были идентичны друг другу. Это позволяет сделать вывод, что используемая схема записи дает возможность производить ВРБ с заранее заданными, точными параметрами. Результаты сканирования спектра каждого типа волокна представлены на рисунках 11 - 14. Рис. 11. Спектр ВРБ записанной на волокне типа 1. Рис. 12. Спектр ВРБ записанной на волокне типа 2. Рис. 13. Спектр ВРБ записанной на волокне типа 3. Рис. 14. Спектр ВРБ записанной на волокне типа 4. Из полученных в ходе эксперимента данных можно сделать несколько основных выводов: 1 - ВРБ записанные на волокнах 1 типа (профиль ПП с провалом) более чувствительны к изгибу волокна; 2 - ВРБ записанные на волокнах типа 4 (профиль ПП с широким пиком) схожи по своим характеристикам с ВРБ записанными на одномодовом волокне; 3 - ВРБ записанные на волокнах типа 2 и 3 (профиль ПП без дефекта и с узким пиком) получаются более симметричные относительно максимума, чем в решетках, записанных на одномодовом волокне. Данное явление вызвано особенностью формирования интерференционной картины в схеме Ллойда и в других схемах не проявляется. Заключение В работе были рассмотрены наиболее распространенные технологии записи волоконных решеток Брэгга, проведены экспериментальные записи ВРБ на кварцевых градиентных многомодовых оптических волокнах разных поколений. Среди рассмотренных методов был выделен метод основанный на использовании интерферометра Ллойда. Целесообразность выбора данного метода была подтверждена в ходе эксперимента, так как было установлено, что ВРБ на волокнах с профилем ПП без дефектов и с узким пиком имеют более симметричный профиль относительно максимума нежели ВРБ записанные на одномодовых оптических волокнах, что может открыть новые возможности в их применении, т.к. было установлено что ВРБ на многомодовых волокнах так же более чувствительны к внешним воздействиям, чем ВРБ на одномодовых волокнах. Данные эффекты будут подробно рассмотрены в следующих работах.

About the authors

Anton Vladimirovich Bourdine

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: bourdine@psuti.ru

Alexander Alexandrovich Vasilets

Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev

Email: a.vasilets@mail.ru

Vladimir Alexandrovich Burdin

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: burdin@psati.ru

Oleg Gennadievich Morozov

Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev

Email: microoil@mail.ru

Artem Anatolievich Kuznetsov

Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev

Email: serius_91@mail.ru

Ilnur Ildarovich Nureev

Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev

Email: n2i2@mail.ru

Lenar Malikovioch Faskhutdinov

Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev

Email: serius_91@mail.ru

Anastasia Michailovna Kafarova

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: nastya59494@mail.ru

Alina Yurievna Minaeva

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: minaeva1993@mail.ru

Nikita Lvovich Sevruk

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: nikasevruk@mail.ru

References

Supplementary files