Длиннопериодные волоконные решетки. Определение. Описание

Волоконные решетки Брэгга со специальной формой спектра. Виды. Описание.

В литературе выделяют несколько специальных структур ВБР. К наиболее важным из них следует отнести:

-Решетки с фазовыми сдвигами в структуре. Внесение фазового сдвига приводит к появлению внутри полосы отражения узкой области пропускания, ширина которой обычно составляет несколько десятков мегагерц. Для примера на рис.6 приведен расчетный спектр пропускания такой решетки. Фазовый сдвиг в решетке может быть сформирован как на стадиизаписи всей структуры [23], так и путем отдельного его наведения в предварительно записанной решетке [24]. При увеличении фазового сдвига (обычно это реализуется путем записи двух пространственно разнесенных решеток с одинаковой Х_во) число областей пропускания в полосе отражения увеличивается, и такая структура по аналогии с объемной оптикой обычно называется интерферометром (или фильтром) Фабри-Перо.

-Суперструктура на основе ВБР. Если параметры ВБР периодически изменяются по длине с периодом, много большим собственного периода решетки (обычно 0.1-10 мм), то в ее спектре возникают несколько узкополосных пиков, заполняющих определенный спектральный интервал. Такую суперструктуру, как правило, изготавливают путем последовательной записи отдельных периодически расположенных ВБР.

-Суперпозиция нескольких ВБР. При высокой фоточувствительности ВС в одном и том же месте сердцевины может быть записано несколько последовательно наложенных друг на друга решеток с различными периодами. Наложение каждой следующей решетки приводит к уменьшению коэффициента отражения предыдущих, тем не менее была продемонстрирована запись суперпозиции семи ВБР с коэффициентами отражения 50 % -60 %.

-Брэгговские решетки с наклонными штрихами. Наклон плоскости штриха ВБР по отношению к оси ВС позволяет увеличить связь основной моды ВС с модами оболочки или излучательными модами. На основе таких решеток удается реализовать волоконные неотражающие фильтры различной ширины, которые могут быть также использованы для модификации спектров усиления и люминесценции широкополосных источников оптического излучения.

-Брэгговские решетки, записанные в многомодовых ВС.В указанной работе была рассмотрена возможность записи ВБР в нескольких типах стандартных многомодовых или маломодовых ВС. В частности было показано, что в многомодовом ВС с градиентным профилем ПП спектр отражения ВБР состоит примерно из 20 спектрально разрешенных пиков, соответствующих резонансам различных мод и расположенных на длине волны ~ 1550 нм внутри области шириной ~ 10 нм. Естественно, что спектр многомодовых ВБР в значительной степени зависит от модо вого состава распространяющегося по ВС излучения, что открывает возможность анализа степени возбуждения тех или иных волноводных мод.

Длиннопериодные волоконные решетки. Определение. Описание.

Фотоиндуцированные длиннопериодные волоконные решетки были впервые предложены в работе [31]. Этот тип решеток имеет относительно большой период = 100 — 500 мкм и связывает моду сердцевины ВС с модами оболочки, которые распространяются в том же направлении. Как правило, моды оболочки направляются границей кварцевое стекло-воздух, которая образуется после удаления защитного покрытия с облучаемого участка ВС. Энергия, перешедшая в оболочечную моду, затем поглощается в защитном покрытии на неочищенном участке ВС, что приводит к появлению в спектре пропускания световода с записанной в нем решеткой полосы поглощения с резонансной длиной волны, которая в соответствии с (1) выражается соотношением

Оболочка в случае стандартного ВС (диаметр 125 мкм) может направлять большое количество мод (~ 10⁴), однако лишь небольшое их число (а именно моды и , где т и n - радиальные модовые числа) имеет значительный интеграл перекрытия с полем моды сердцевины, взятый по области, в которой наведена модуляция ПП (для фотоиндуцированных решеток такой областью является германосиликатная сердцевина ВС):

где - амплитуда электрического поля соответствующей моды оболочки. Такие моды имеют аксиальную симметрию и число осцилляций вдоль радиуса ВС, равное радиальному модовому числу. Отметим, что во многих работах используется последовательная (по мере уменьшения постоянной распространения) нумерация оболочечных мод, возбуждаемых на ДПВР [9]. При таком обозначении моды имеют нечетный номер р, а моды - четный, причем справедливы следующие соотношения: р=2(m-1)-1 и р=2n. Значение интеграла перекрытия для мод возрастает с увеличением т до т 10 и уменьшается, осциллируя, при дальнейшем росте радиального модового числа. Возрастание для мод при небольших п происходит значительно более медленно, поэтому, как правило, доминирующими пиками поглощения в спектрах ДПВР являются резонансы, связанные с модами не очень высокого порядка (т 20).

Глубина пика поглощения ДПВР в отличие от ВБР является осциллирующей функцией , где - коэффициент связи, который, как и в случае ВБР, выражается соотношением - резонансная длина волны ДПВР. При на длине волны происходит полная передача энергии из моды сердцевины в соответствующую моду оболочки, поэтому для практических целей наиболее часто используются ДПВР с

Полная спектральная ширина пика ДПВР в области первой осцилляции , измеренная по первым нулям коэффициента отражения, выражается следующим соотношением:

где - коэффициент, корректирующий ширину пика который может быть как больше, так и меньше единицы. Введение этого дополнительного коэффициента необходимо для учета спектральной зависимости величины (λ).

Для иллюстрации особенностей ДПВР на рис.7 представлен спектр пропускания решетки длиной 10 мм с периодом 122 мкм, рассчитанный для ВС с диаметром оболочки 80 мкм и ступенчатым профилем ПП в сердцевине (разность ПП сердцевины и оболочки =0.02) и длиной волны отсечки первой высшей моды = 0.9 мкм. При расчете индуцированный ПП был выбран равным 5 х 10^—4.

Приведенный спектр соответствует ситуации, схематически изображенной на рис.2 (кривая 2). Участок спектра при λ < 1500 нм является типичным для ДПВР: в этой области происходит монотонное возрастание интенсивности межмодового взаимодействия с ростом радиального модового числа т оболочечных -мод. Отметим также особенности приведенной ДПВР, обсуждавшиеся при анализе рис.2: наличие в длинноволновой области второго резонанса меньшей интенсивности для моды НЕ₁₈ и значительное уширение пика связи с модой .

Спектральные характеристики ДПВР зависят от таких параметров, как температура, натяжение и изгиб ВС, а также ПП среды, окружающей световод с решеткой. Детальное экспериментальное и теоретическое исследование этих вопросов представлено в опубликованной недавно работе.

Влияние температуры Т на спектр ДПВР проявляется главным образом в изменении резонансной длины волны . Температурная чувствительность резонансной длины волны для ДПВР зависит от номера связываемой оболочечной моды и обычно составляет 0.05-0.1 нм/К. Соотношение, описывающее температурную чувствительность решетки, имеет вид

Вторым слагаемым в числителе этого уравнения, представляющим собой коэффициент теплового расширения кварцевого стекла, как правило, можно пренебречь в сравнении с первым. Таким образом, основными факторами, определяющими температурную чувствительность ДПВР, являются термооптические коэффициенты сердцевины и оболочки ВС, а также спектральные зависимости эффективных ПП связываемых мод на рассматриваемой длине волны (второй член в знаменателе выражения (7)). Отметим, что именно уменьшение знаменателя с ростом номера оболочечной моды приводит к увеличению температурной чувствительности пиков ДПВР, наблюдаемой в эксперименте.

Было обнаружено, что в зависимости от типа ВС чувствительность пика поглощения может варьироваться в широком диапазоне - от 15 до —7 нм на 1% относительного удлинения решетки. Величина и знак этого коэффициента определяются разностью упругооптических коэффициентов областей сердцевины и оболочки ВС.

Чувствительность положения резонансной длины волны по отношению к изменению внешнего ПП / может достигать ~ 10⁴ нм, если ПП внешней среды немного меньше ПП кварцевой оболочки ВС. Когда > , резонансная длина волны становится нечувствительной к ПП внешней среды [37].

Спектр пропускания ДПВР имеет довольно высокую чувствительность к изгибу решетки. С одной стороны, это влечет за собой повышенное внимание к фиксации решетки при работе с ней, с другой - открывает перспективу использования таких решеток в качестве датчиков изгиба и деформации. Спектральные изменения, происходящие при изгибе решетки, зависят от геометрии ВС, его профиля ПП, профиля упругих напряжений и некоторых других факторов. Как правило, они проявляются в уменьшении глубины резонансного пика и его смещении в длинноволновую область спектра, а также в возникновении дополнительных резонансных пиков, вызванных взаимодействием с модами . Изменения в спектрах ДПВР при их изгибе столь велики, что относительно легко может быть зарегистрирован изгиб ВС с ра диусом ~ 1 м. Если световод, в котором записана решетка, не имеет осевой симметрии или асимметрия создана каким-либо образом в процессе или после изготовления ДПВР, изменение спектра решеток зависит от направления изгиба.

Постоянная распространения оболочечных мод зависит от диаметра оболочки ВС. Этот факт позволяет относительно легко осуществить необратимое смещение резонансной длины волны решетки. Диаметр оболочки может быть уменьшен, например, путем химического травления ВС в растворе плавиковой кислоты HF. Такая процедура позволяет сместить резонансную длину волны на довольно большое расстояние, практически не изменяя коэффициент связи решетки. Величина смещения длины волны увеличивается с ростом номера оболочечной моды и для мод высокого порядка может составлять 100 нм и более .

Как и в случае ВБР, для подавления боковых максимумов в спектрах ДПВР используется аподизация профиля наведенного ПП. Продемонстрирована запись ДПВР с переменным по длине периодом , а также с фазовым сдвигом в структуре решетки. В силу относительно большого периода таких решеток в них удается формировать желаемый профиль отдельного штриха, что позволяет, например, исключить возбуждение резонансов более высоких порядков. Наконец, использование двух разнесенных в пространстве ДПВР позволяет формировать волоконный интерферометр Маха-Цендера, оптическими плечами которого являются моды сердцевины и оболочки в пространстве между решетками [46]. Такой интерферометр, обладая высокой температурной стабильностью, дает возможность, например, измерять наведенный ПП в сердцевине ВС с точностью лучше

9. Отличия ВРБ и ДПВР.

Длиннопериодные внутриволоконные решетки, в отличие от брэгговских, не отражают сигнал, однако также имеют свой уникальный спектр пропускания за счет спектрально-селективного рассеяния, зависящего от периода решетки и структуры световода. В длиннопериодной решетке расстояние между штрихами много больше длины волны, а ее спектр определяется интерференцией основной и оболочечных мод. Интересно, что зависимость спектра пропускания от температуры длиннопериодной решетки по сравнению с брэгговской носит принципиально другой характер. Более того, в зависимости от структуры световода изменения в спектре с ростом температуры может быть как положительным, так и отрицательным. На основе этого явления была разработана относительно простая сенсорная система, позволяющая разделить вклады деформационной составляющей и тем- пературы (рис.2). Спектр отражения такой системы показан на этом же рисунке. Пунктирная огибающая пред- ставляет собой спектр пропускания длиннопериодной решетки. При механических воздействиях на систему из- меняется только длина волны отражения брэгговских пиков при слабом изменении их интенсивности, поскольку спектры брэгговских и длиннопериодной решеток сдвигаются синхронно. Однако с изменением температуры мы можем наблюдать значительные изменения относительных интенсивностей пиков отражения брэгговских реше- ток за счет разницы в воздействии температуры на спектры различных по периоду структур. Пики брэгговского отражения «плывут» вдоль огибающей. Таким образом, имея заранее калиброванную систему, можно уверенно разделить вклады температуры и механического воздействия на сенсоры, что затруднительно с использованием только брэгговских внутриволоконных решеток.

В отличие отбрэгговских решеток ДПВР связывают моды, распространяющиеся в одном и том же направлении, разница постоянных распространения которых невелика, и поэтому период такой решетки может значительно превышать длину волны излучения, распространяющегося в волокне. В связи с тем, что ДПВР обладают периодом, значительно превышающим длину волны, они достаточно просты в изготовлении. Так как ДПВР связывают однонаправленные моды, их резонансы можно наблюдать только в спектрах пропускания. Прошедший сигнал имеет провалы на длинах волн, соответствующих резонансам с различными модами оболочки (в одномодовом волокне).

В зависимости от симметрии возмущения, на основе которого создана ДПВР, связь может реализовываться между модами различных симметрий. Так, цилиндрически симметричные решетки осуществляют связь между симметричными LP0m модами волокна. Микроизгибные решетки, антисимметричные относительно оси волокна, создают резонанс между модой сердцевины и асимметричными LP1m модами сердцевины и оболочки.