Оглавление
Введение......................................................................4
Глава 1. Обзор современной литературы.........................................9
Раздел 1.1. Методы и технологии записи решеток Брэгга в оптическое волокно..9
Раздел 1.2. Обзор достижений современных работ по записи ВБР...............15
Выводы по главе 1..........................................................26
Глава 2. Физика процесса формирования ВБР под действием оптического излучения
.............................................................................27
Раздел 2.1. Поглощения германо-силикатного стекла в УФ диапазоне...........27
Раздел 2.2. Модель фоточувствительности германо-силикатного стекла.........37
Раздел 2.3. Электрострикционная модель формирование ВБР....................44
Раздел 2.4. Существующие модели формирования ВБР под действием оптического излучения и ВБР типа II..................................................46
Раздел 2.5. Методы повышения фоторефрактивности оптических волокон 48
Раздел 2.6. Анализ механизмов фотоиндуцирования ВБР лазерными импульсами фемтосекундной длительности..............................................50
Выводы по главе 2..........................................................55
Глава 3. Запись решеток Брэгга в оптические волокна..........................56
Раздел 3.1. Создание стенда для записи волоконных решеток Брэгга методом
фазовой маски................................................................56
Раздел 3.2. Методы измерения параметров записанных решеток.................66
Раздел 3.3. Оценка наведенной модуляции ПП одиночным импульсом и при многоимпульсной ЭКСПОЗИЦИИ....:..........................................70
Раздел 3.4. Исследование двулучепреломляющих волокон на основе спектральных характеристик записанных в них ВБР.......................................73
Раздел 3.5. Сопоставление экспериментальных данных роста ВБР с существующими теоретическими моделями....................................75
Раздел 3.6. Исследование фотохромизма ВБР..................................78
Раздел 3.7. Визуализация волоконных решеток Брэгга..........................80
Раздел 3.8. Наличие у решеток ПП брэгговских резонансов высших порядков 90
Раздел 3.9. Запись массивов ВБР в двулучепреломляющие волокна и исследование их характеристик.............................................92
Раздел 3.10. Волоконная брэгговская дифракционная структура с двумя резонансами...............................................................96
Выводы по главе 3...........................................................98
Глава 4. Исследование термического отжига ВБР................................100
Раздел 4.1. Термический отжиг ВБР..........................................100
Раздел 4.2. Зависимость сдвига длины волны волоконной решетки Брэгга от температуры..............................................................104
Раздел 4.3. Исследование термического воздействия на ВБР...................106
Выводы по главе 4..........................................................114
Глава 5. Анализ применения чувствительных элементов на основе ВБР для
построения распределенных волоконно-оптических фазовых интерферометрических
измерительных комплексов.....................................................115
Раздел 5.1. Оптимизация параметров ОВ для создания распределенных волоконно-
оптических фазовых интерферометрических датчиков на ВБР..................115
Раздел 5.2. Измерение углового распределения выходного излучения двулучепреломляющих ОВ с эллиптической напрягающей оболочкой.............121
Раздел 5.3. Распределенные волоконно-оптические измерительные комплексы на основе ВБР. Принцип действия.............................................125
Раздел 5.4. Математический метод выделения сигнала от фазового интерферометрического датчика на основе ВБР..............................127
Раздел 5.5. Исследование применимости массивов ВБР в волоконно-оптических измерительных системах...................................................133
Выводы по главе 5..........................................................136
Заключение...................................................................137
Литература...................................................................140
Введение
Актуальность темы. Брэгговские решетки в настоящее время широко используются в оптических волокнах (ОВ) и планарных световодах для уплотнения каналов по длине волны (так называемая П\УОМ-технология), оптической фильтрации сигналов, как резонаторные зеркала в волоконных и полупроводниковых лазерах, как сглаживающие фильтры в оптических усилителях, для компенсации дисперсии в магистральных каналах связи. Другой областью применения волоконных брэгговских решеток (ВБР) является использование их в различных измерительных системах, контролирующих параметры окружающей среды, такие как: температура, влажность, давление, деформация, содержание химических веществ.
Распределенные по длине световодов решетки Брэгга позволяют создавать акустические системы, выгодно отличающиеся от традиционных комплексов аналогичного назначения стоимостью и технологичностью производства.
Отработка технологии записи распределенных в световоде брэгговских решеток является ключевым звеном в создании нового поколения измерительных комплексов. Разрабатываемые на основе таких ОВ гидроакустические антенны, системы охраны протяженных объектов и системы мониторинга состояния магистральных трубопроводов находят все более широкое применение за рубежом. Отличительной особенностью этих систем является большая протяженность контролируемых зон, быстродействие и уникальные информационные возможности.
Повышение точности таких измерительных комплексов диктует необходимость использования анизотропных одномодовых волоконных световодов (АОВС), сохраняющих поляризацию излучения, сердцевина которых отличается от традиционных ОВ высоким уровнем двулучепреломления.
В настоящее время в России освоен выпуск АОВС, не уступающих по эксплуатационным параметрам лучшим образцам зарубежного производства.
4
Поэтому тема диссертационной работы, посвященная технологии записи в ОВ отечественного производства брэгговских решеток и изучению их свойств, является весьма актуальной.
Целью работы является комплексное исследование записи одиночным импульсом эксимерного лазера ВБР в АОВС с эллиптической напрягающей оболочкой, а так же создание методики формирования ВБР и массивов ВБР с требуемыми для интерферометрических волоконно-оптических измерительных систем характеристиками.
Для достижения цели необходимо решение следующих задач:
• выбор оптимальных параметров создаваемого стенда для записи ВБР, и разработка методики записи как отдельных ВБР, так и массивов ВБР;
• подбор АОВС с оптимальными для записи ВБР оптическими свойствами;
• исследование теплового воздействия на ВБР для направленного изменения их спектральных характеристик;
• анализ применимости получаемых ВБР и массивов ВБР в волоконно-оптических измерительных системах;
• разработка математического метода выделения сигнала от фазового интерферометрического датчика (ФИД) на основе ВБР.
Научая новизна работы заключается в том, что в ней впервые:
1. Показана возможность одноимпульсной записи в АОВС с эллиптической напрягающей оболочкой ВБР типа П, позволяющая регулировать дифракционную эффективность решеток в диапазоне 5-100% и ширину спектра отражения на полувысоте в пределах 0,5-1 нм.
2. Обнаружено, что отжиг решеток Брэгга типа II в АОВС с эллиптической напрягающей оболочкой позволяет направленно изменять коэффициент отражения решетки с точностью до 1%.
3. Представлена экспоненциальная зависимость, позволяющая определять влияние параметров тепловой обработки на коэффициент отражения ВБР.
4. На основе анализа фотографических изображений ВБР типа II, индуцированных в АОВС, установлено, что они обусловлены
образованием микропор, которые локализуются в области границ между сердцевиной и окружающей ее изолирующей оболочкой, а так же между изолирующей и напрягающей оболочками.
5. Разработан математический метод выделения сигнала от массива ФИД на основе ВБР, изготовленного по предложенной в работе методике. На основании математического моделирования реализован электронный модуль обработки сигнала от ФИД на основе ВБР.
Практическое значение работы состоит в следующем:
1. Отработана технология одноимпульсной записи в АОВС с эллиптической напрягающей оболочкой ВБР типа II, позволяющая регулировать дифракционную эффективность решеток в диапазоне 5-100% и ширину спектра отражения на полувысоте в пределах 0,5-1 нм.
2. Исследовано влияние концентрации веОг в АОВС на оптические характеристики волокон и дифракционных решеток на их основе, что позволяет изготавливать ОБ с требуемыми фоторефрактивными и механическими свойствами. Показано, что предварительное сжатие заготовки и травление внутреннего канала позволяет, не снижая фогорефрактивных свойств волокна, существенно снизить оптические потери световодов, изготавливаемых МСУО методом.
3. Разработана методика расчета эффективных показателей преломления (ПП) быстрой и медленной осей АОВС из спектральных характеристик записанных в них ВБР, что необходимо при изготовлении датчиков для конкретных длин волн используемых источников излучения.
4. Предложена методика изготовления чувствительных элементов фазовых интерферометрических датчиков, использующих несколько ВБР с требуемым соотношением коэффициентов отражения.
5. Результаты измерения углового распределения выходного излучения АОВС с 4, 12, 16 и 18 мол. % веОг позволяют прогнозировать потери на их стыковке между собой, а также со стандартными
6
телекоммуникационными ОВ, типа 8МР-28, другими двулучепреломляющими световодами и элементами интегральной оптики.
Защищаемые положения:
1. Технология одноимпульсной записи в анизотропные одномодовые волоконные световоды с эллиптической напрягающей оболочкой решеток Брэгга типа И, позволяющая регулировать дифракционную эффективность решеток в диапазоне 5-100% и ширину спектра отражения на полувысоте в пределах 0,5-1 нм.
2. Метод тепловой обработки решеток Брэгга типа II в анизотропных одномодовых волоконных световодах с эллиптической напрягающей оболочкой, позволяющий подстраивать коэффициент отражения решетки с точностью до 1%.
3. Методика записи брэгговских дифракционных структур с двумя резонансами. Такая структура, записанная на коротком участке (3-4 см) оптического волокна, позволяет, как увеличить возможное количество чувствительных элементов на единицу площади (длины), так и избежать дополнительных процедур снятия защитной оболочки световодов на коротких участках, обеспечивая тем самым упрощение процесса изготовления датчика.
4. Математическая модель описания изменений оптических свойств решеток Брэгга типа II, индуцированных в анизотропные одномодовые волоконные световоды с эллиптической напрягающей оболочкой, подвергнутых тепловой обработке.
5. Методика расчета места локализации оптического волокна относительно фазовой маски для получения брэгговских решеток с заданными параметрами на основе моделирования распределения интенсивности интерференционной картины, образованной фазовой маской.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и
обсуждались на VII и VIII Всероссийских межвузовских конференциях
молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2010, 2011), доклад на последней
7
был удостоен дипломом на секции «Оптотехника и оптические материалы»; на I Всероссийском конгрессе молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2012); на XXXIX, XL, XLI научных и учебно-методических конференциях НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2010, 2011, 2012); на VI международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики» (Санкт-Петербург, Россия, 2010); на VII международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика - 2011» (Санкт-Петербург, Россия, 2011); на X международной конференции «Прикладная оптика-2012» (Санкт-Петербург, Россия, 2012).
Внедрение результатов. Результаты настоящего исследования используются на кафедре физики и техники оптической связи Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики при создании рабочих макетов волоконно-оптических гидроакустических датчиков на брэгговских решетках при выполнении совместных работ с Инжиниринговым центром волоконной оптики АУ «Технопарк-Мордовия».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, 6 из которых в изданиях, входящих в «Перечень ведущих периодических изданий» ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти оригинальных глав и заключения, изложена на 154 страницах машинописного текста, содержит 102 рисунка и 7 таблиц, список цитированной литературы содержит 117 наименований.
8
Глава 1. Обзор современной литературы
Раздел 1.1. Методы и технологии записи решеток Брэгга е оптическое волокно
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 [I].
Лазеры, используемые для записи ВБР, 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 ВБР. Среди основных методов записи ВБР выделяют пошаговый метод, метод фазовой маски (ФМ) и интерферометрический метод.
Перечисленные выше методы записи решеток показателя преломления (ПП) широко представлены в современной литературе. Однако, впервые, образование постоянной во времени решетки ПП в сердцевине оптического волокна было продемонстрировано в 1978 году в Канадском Исследовательском Центре Связи (Communications Research Centre, Canada) [2, 3]. Волокна, использованные в том опыте, были на основе двуокиси кремния Si02 с добавлением двуокиси германия GeCb в сердцевину в качестве легирующей примеси. Модуляция ПГ1 была индуцирована стоячей волной в сердцевине волокна, образованной вследствие интерференции двух лучей от аргон-ионного лазера (488 нм), распространяющихся во встречных направлениях: световой волны, отраженной от торца волокна на границе раздела двух сред, и световой волны, распространяющейся в прямом направлении.
9
Полученная таким способом пространственная модуляция ПП в световедущей части волокна работает как резонансный отражатель той же длины волны, что использовалась при записи, в соответствие с условием Брэгга [3].
Только в 1989 году авторы работы [4] 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 ВБР, позволяют изготавливать брэгговские решетки с эффективностью 0,1-99,9% и шириной полосы отражения 0,01-10 нм.
Индуцирование решеток Брэгга в ОВ одиночным импульсом эксимерного лазера методом фазовой маски 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 ВБР методом фазовой маски (ФМ) представлена на рисунке 1.1.
Излучение
10
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 - I 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 ВБР, вследствие фиксированного значения периода фазовой маски. Также данный метод не позволяет производить запись решеток Брэгга в процессе вытяжки волокна, так как последнее требует отсутствия оптических элементов вблизи движущегося волокна [5].
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 волокна.
Хотя и существуют некоторые методы для записи решеток ГІП 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 эффективные с точки зрения требуемых затрат на производство.
В свою очередь, метод записи решеток Брэгга в интерферометре Тальбота, показанный на рисунке 1.2 позволяет производить запись решеток Брэгга в процессе вытяжки волокна, вследствие отсутствия оптических элементов вблизи движущегося волокна.
11
Излучение
Цилиндрическая I линза
ФМ
Зеркало
I Волокно
Рис. 1.2. Запись ВБР в схеме с интерферометром Тальбота
Кроме того, путем изменения угла между лучами в данной схеме может быть подстроен период интерференционной картины, а, следовательно, и решетки ПП, отражающей излучение в соответствие с условием Брэгга. Таким образом, данным способом решетки могут быть записаны на отражение любой длины волны, в отличие от метода фазовой маски. Также данный метод позволяет полностью убрать нулевой порядок дифракции от фазовой маски, за счет использования поглощающего экрана и не имеет зависимости видносги 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. 1.2), или светоделительной пластиной (кубиком). Существует также интерферометрическая схема записи ВБР с пространственным разделением пучка света, которая реализуется с помощью интерферометра Ллойда, представленная на рисунке 1.3.
12
излучение
У
Цк'ншдркчех'кая х линза
\
\
\
\
\
\
\
Световод /
/
Рис. 1.3. Запись ВБР в схеме с интерферометром Ллойда
Такой интерферометр (рис. 1.3) может быть создан, например, с использованием диэлектрического зеркала, которое делит фронт пучка на две равные части [6]. 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. Недостатком данной схемы являются высокие требования к пространственной когерентности оптического излучения, так как интерферируют лучи, вышедшие из разных точек пучка света.
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 [7]. 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 [6], то есть создавать чирпированные ВБР без использования ФМ с переменным по длине периодом. Принципиальная схема записи ВБР пошаговым методом продемонстрирована на рисунке 1.4.
13
- Киев+380960830922