Введение
Тип распределенного рефлектора Брэгга, созданного в коротком сегменте оптического волокна.
Решетка Брэгга в оптическом волокне (FBG) – это тип распределенного рефлектора Брэгга, созданный в коротком сегменте оптического волокна, который отражает определенные длины волн света и пропускает все остальные. Это достигается путем создания периодического изменения показателя преломления сердцевины волокна, что формирует диэлектрическое зеркало, специфичное для определенной длины волны. Таким образом, решетка Брэгга в оптическом волокне может использоваться как встроенный оптический фильтр для блокировки определенных длин волн, в приложениях для сенсоров или как отражатель, специфичный для определенной длины волны.
История
Первая волоконная решетка Брэгга была продемонстрирована Кеном Хиллом в 1978 году. Изначально решетки создавались с помощью видимого лазера, распространяющегося вдоль сердцевины волокна. В 1989 году Джеральд Мелц и его коллеги продемонстрировали гораздо более гибкую технику поперечной голографической записи, при которой лазерное излучение направлялось на волокно сбоку. Эта техника использует интерференционную картину ультрафиолетового лазерного света для создания периодической структуры волоконной решетки Брэгга.
Типы решеток
Термин "тип" в данном контексте относится к базовому механизму фоточувствительности, посредством которого формируются интерференционные полосы в волокне. Различные методы создания этих полос оказывают существенное влияние на физические характеристики созданной решетки, особенно на температурную зависимость и устойчивость к высоким температурам. На сегодняшний день известно о пяти (или шести) типах FBG, основанных на различных механизмах фоточувствительности. Они приведены ниже:
Стандартные решетки типа I
Изготавливаемые как из гидрогенизированных, так и из негидрогенизированных волокон всех типов, решетки типа I обычно называют стандартными и производят из волокон всех типов в любых условиях гидрогенизации. Как правило, спектр отражения решетки типа I равен 1T, где T – спектр пропускания. Это означает, что спектры отражения и пропускания являются взаимодополняющими, и потери света вследствие отражения в оболочку или поглощения пренебрежимо малы. Решетки типа I – наиболее распространенный тип решеток, и на момент написания являются единственными, доступными в свободной продаже.
решетки типа IIA или типа In
Это решетки, которые формируются, когда отрицательная часть индуцированного изменения показателя преломления обгоняет положительную часть. Обычно это связано с постепенной релаксацией индуцированного напряжения вдоль оси и/или на границе раздела. Было предложено переклассифицировать эти решетки как тип In (для решеток типа 1 с отрицательным изменением показателя преломления; обозначение типа II можно зарезервировать для тех, которые явно создаются выше порога повреждения стекла). Последующие исследования, проведенные Xie et al., показали существование другого типа решетки с аналогичными свойствами термической стабильности, как у решетки типа II. Эта решетка демонстрировала отрицательное изменение среднего показателя преломления волокна и была обозначена как тип IIA. Решетки формировались в германосиликатных волокнах импульсами лазера на красителе, накачиваемого XeCl с удвоенной частотой. Было показано, что первоначальное воздействие формирует стандартную (тип I) решетку внутри волокна, которая претерпевает небольшое красное смещение перед стиранием. Дальнейшее воздействие показало, что решетка восстанавливается, при этом наблюдается устойчивое синее смещение при увеличении ее интенсивности.
Регенерированные решетки
Это решетки, которые восстанавливаются при более высоких температурах после стирания, обычно решетки типа I и, как правило, хотя и не всегда, в присутствии водорода. Их объясняли различными способами, включая диффузию примесей (наиболее распространенной современной интерпретацией является диффузия кислорода) и изменение структуры стекла. Недавние исследования показали, что существует режим регенерации, выходящий за рамки диффузии, при котором решетки могут функционировать при температурах выше 1295 °C, превосходя даже фемтосекундные решетки типа II. Это делает их особенно привлекательными для применений при сверхвысоких температурах.
Решетки типа II
Повреждение решеток, вписанных при многофотонном возбуждении с помощью лазеров высокой интенсивности, превышающих порог повреждения стекла. Для достижения таких интенсивностей обычно используются импульсные лазеры. К ним относятся последние разработки в области многофотонного возбуждения с использованием фемтосекундных импульсов, где короткие временные масштабы (сопоставимые с локальными временами релаксации) обеспечивают беспрецедентную пространственную локализацию индуцированных изменений. Аморфная сеть стекла обычно преобразуется посредством различных путей ионизации и плавления, что приводит либо к увеличению изменения показателя преломления, либо к образованию, в результате микроскопических взрывов, пустот, окруженных более плотным стеклом. Арчэмбо и соавторы показали, что можно вписать решетки с отражающей способностью ~100% (>99,8%) одним УФ-импульсом в волокна непосредственно на вытяжной башне. Полученные решетки оказались стабильными при температурах до 800 °C (в некоторых случаях до 1000 °C и выше при фемтосекундной лазерной надписи). Решетки вписывались с использованием единственного импульса 40 мДж от эксимерного лазера с длиной волны 248 нм. Было также показано, что отчетливый порог наблюдается при ~30 мДж; выше этого уровня модуляция показателя преломления увеличивалась более чем на два порядка величины, а ниже 30 мДж росла линейно с энергией импульса. Для упрощения идентификации и признания существенных различий в термической стабильности, решетки, изготовленные ниже порога, были обозначены как решетки типа I, а выше порога – как решетки типа II. Микроскопическое исследование этих решеток выявило периодический след повреждения в области решетки внутри волокна [10]; следовательно, решетки типа II также известны как решетки повреждения. Однако эти трещины могут быть настолько локализованными, что не оказывают существенного влияния на потери на рассеяние при надлежащей подготовке.
Решетки с аподизацией
Существует, по сути, два параметра, которые определяют свойства FBG. Это длина решетки, , заданная как
и сила решетки. Однако существует три свойства, которые необходимо контролировать в FBG: отражательная способность, ширина полосы и величина боковых лепестков. Как показано выше, в режиме сильной решетки (то есть при больших значениях ) ширина полосы зависит от силы решетки, а не от ее длины. Это означает, что силу решетки можно использовать для установки ширины полосы. Длина решетки, по сути, может затем использоваться для установки пиковой отражательной способности, которая зависит как от силы решетки, так и от ее длины. В результате этого контролировать величину боковых лепестков невозможно, и эта простая оптимизация приводит к значительным боковым лепесткам. Для подавления боковых лепестков можно изменить третий параметр – аподизацию изменения показателя преломления. Термин "аподизация" относится к градиентному изменению показателя преломления, стремящемуся к нулю на концах решетки. Аподизированные решетки обеспечивают значительное улучшение подавления боковых лепестков при сохранении отражательной способности и узкой ширины полосы. Обычно для аподизации FBG используются две функции: гауссова и с приподнятым косинусом.
Решетки из шлифованных волокон Bragg
Профиль показателя преломления дифракционной решетки может быть модифицирован для добавления других элементов, таких как линейное изменение периода решетки, называемое чирпом. Отражаемая длина волны изменяется с периодом решетки, что приводит к расширению отраженного спектра. Дифракционная решетка с чирпом обладает свойством добавления дисперсии – а именно, различные длины волн, отраженные от решетки, испытывают различные задержки. Это свойство также использовалось при разработке систем антенных решеток и компенсации поляризационно-модовой дисперсии.
Решетки из наклонных волокон Bragg
В стандартных FBG, градиент или изменение показателя преломления происходит вдоль длины волокна (оптической оси) и обычно однороден по ширине волокна. В наклонном FBG (TFBG) изменение показателя преломления происходит под углом к оптической оси. Угол наклона в TFBG влияет на отражаемую длину волны и ширину полосы.
Длиннопереносные решетки
Как правило, период решетки равен длине волны Брэгга, как показано выше. Для решетки, отражающей на 1500 нм, период решетки составляет 500 нм при показателе преломления 1,5. Использование более длинных периодов позволяет добиться гораздо более широкого спектрального отклика, чем у стандартной ФБГ. Такие решетки называются волоконными решетками с длинным периодом. Обычно они имеют период решетки порядка от 100 микрометров до миллиметра, что значительно упрощает их изготовление.
Решетки Брэгга с фазовым сдвигом
Фазосдвиговые волоконные решетки Брэгга (PS FBGs) являются важным классом решетчатых структур, которые находят интересные применения в оптической связи и сенсорике благодаря своим особым фильтрующим характеристикам. Эти типы решеток могут быть перенастраиваемыми благодаря специальной упаковке и системной разработке. Различные покрытия дифракционной структуры используются для волоконных решеток Брэгга с целью уменьшения механического воздействия на сдвиг длины волны Брэгга в 1,1–15 раз по сравнению с непокрытым волноводом.
Адресованные волокнистые структуры Брэгга
Адресованные волоконно-брагговские структуры (AFBS) – это новый класс FBG, разработанный для упрощения считывания и повышения эффективности датчиков на основе FBG. Оптический частотный отклик AFBS характеризуется двумя узкополосными провалами, частотное расстояние между которыми лежит в радиочастотном (RF) диапазоне. Это расстояние между частотами называется адресной частотой AFBS и является уникальным для каждой AFBS в системе. В отличие от обычных FBG, для которых требуется сканирование спектрального отклика при использовании оптоэлектронных интеррогаторов, центральная длина волны AFBS может быть определена без сканирования. Схема считывания AFBS значительно упрощена по сравнению с традиционными интеррогаторами и состоит из широкополосного оптического источника, оптического фильтра с заранее заданным линейно наклонным частотным откликом и фотодетектора.
Производство
Волоконные решетки Брэгга создаются путем "вписывания" или "записи" систематического (периодического или апериодического) изменения показателя преломления в сердцевину специального типа оптического волокна с использованием интенсивного ультрафиолетового (УФ) источника, такого как УФ-лазер. Используются два основных процесса: интерференция и маскирование. Выбор предпочтительного метода зависит от типа изготавливаемой решетки. Хотя полимерные оптические волокна стали привлекать исследовательский интерес в 2000-х годах, наиболее часто используется кварцевое волокно, легированное германием. Волокно, легированное германием, является фоточувствительным, то есть показатель преломления сердцевины изменяется под воздействием УФ-света. Степень изменения зависит от интенсивности и длительности воздействия, а также от фоточувствительности волокна. Для записи высокоотражающей волоконной решетки Брэгга непосредственно в волокно необходима высокая концентрация германиевой примеси. Однако можно использовать стандартные волокна, если их фоточувствительность повышается путем предварительной выдержки в водороде.
Вмешательство
Это был первый метод, широко применявшийся для создания волоконных решеток Брэгга, основанный на интерференции двух лучей. В этом методе ультрафиолетовый лазер разделяется на два луча, которые интерферируют друг с другом, формируя периодическое распределение интенсивности вдоль интерференционной картины. Показатель преломления фоточувствительного волокна изменяется в соответствии с интенсивностью падающего света. Этот метод позволяет быстро и легко изменять длину волны Брэгга, которая напрямую связана с периодом интерференции и является функцией угла падения лазерного излучения.
Последовательное письмо
Сложные профили дифракционных решеток могут быть изготовлены путем последовательного формирования большого количества небольших, частично перекрывающихся решеток. Продвинутые свойства, такие как фазовые сдвиги и изменение глубины модуляции, могут быть введены путем регулирования соответствующих свойств этих элементарных решеток. В первой версии метода элементарные решетки формировались экспонированием ультрафиолетовыми импульсами, однако этот подход имел ряд недостатков, включая большие флуктуации энергии в импульсах и низкую среднюю мощность. Последовательный метод записи с использованием непрерывного ультрафиолетового излучения, который решает эти проблемы, был продемонстрирован и в настоящее время используется в коммерческих целях. Фоточувствительное волокно перемещается с помощью платформы на воздушной подушке, управляемой интерферометрически. Интерферирующие ультрафиолетовые лучи фокусируются на волокне, и по мере движения волокна интерференционные полосы перемещаются вдоль волокна за счет перемещения зеркал в интерферометре. Поскольку диапазон перемещения зеркал ограничен, их необходимо периодически возвращать в исходное положение, в результате чего полосы перемещаются по пилообразной траектории. Все параметры решетки доступны в управляющем программном обеспечении, что позволяет изготавливать произвольные структуры решеток без каких-либо изменений в аппаратной части.
Фотомаска
Фотомаска с заданными дифракционными элементами также может использоваться при изготовлении волоконных решеток Брэгга. Фотомаска располагается между источником ультрафиолетового излучения и светочувствительным волокном. Тень фотомаски определяет структуру решетки в зависимости от интенсивности света, достигающего волокна. Фотомаски особенно применяются при изготовлении волоконных решеток Брэгга с переменным шагом, которые невозможно изготовить с помощью интерференционной картины.
Точка за точкой
Одно ультрафиолетовое лазерное излучение также может быть использовано для "записи" решетки в волокно точка за точкой. В этом случае лазер имеет узкий луч, равный периоду решетки. Главное отличие этого метода заключается в механизмах взаимодействия между инфракрасным лазерным излучением и диэлектрическим материалом – многофотонном поглощении и туннельной ионизации. Этот метод особенно подходит для создания волоконных решеток с большим периодом. Метод "точка за точкой" также применяется при изготовлении наклонных решеток.
Производство
Первоначально изготовление светочувствительного оптического волокна и запись решетки Брэгга осуществлялись раздельно. Сегодня на производственных линиях обычно вытягивают волокно из заготовки и записывают решетку в едином процессе. Это позволяет снизить связанные с этим затраты и время, а также обеспечивает массовое производство решеток Брэгга. Массовое производство, в частности, облегчает применение в интеллектуальных структурах, использующих большое количество (3000) встроенных решеток Брэгга вдоль единой длины волокна.
Сообщения
Основное применение волоконных решеток Брэгга – в системах оптической связи. Они специально используются в качестве полосовых фильтров. Они также применяются в оптических мультиплексорах и демультиплексорах с оптическим циркулятором или оптическим мультиплексором с добавлением и выделением (OADM). На рисунке 5 показано 4 канала, представленных 4 цветами, направляемых на FBG через оптический циркулятор. FBG настроена на отражение одного из каналов, в данном случае – канала 4. Сигнал отражается обратно в циркулятор, где он направляется вниз и исключается из системы. Поскольку канал был выделен, другой сигнал на этом канале может быть добавлен в той же точке сети. Демультиплексор может быть реализован путем последовательного соединения нескольких секций выделения OADM, где каждый элемент выделения использует FBG, настроенную на длину волны, которую необходимо демультиплексировать. И наоборот, мультиплексор может быть реализован путем последовательного соединения нескольких секций добавления OADM. Демультиплексоры FBG и OADM также могут быть перестраиваемыми. В перестраиваемом демультиплексоре или OADM длина волны Брэгга FBG может быть изменена путем приложения деформации с помощью пьезоэлектрического преобразователя. Чувствительность FBG к деформации обсуждается ниже в разделе, посвященном сенсорам на основе волоконных решеток Брэгга.
Решетки Bragg, используемые в волоконных лазерах
В последнее время развитие высокомощных волоконных лазеров привело к появлению новых областей применения для волоконных решеток Брэгга (FBG), работающих на уровнях мощности, которые ранее считались невозможными. В простом волоконном лазере FBG могут использоваться в качестве высокоотражающего зеркала (HR) и выходного отделителя (OC) для формирования лазерного резонатора. Усиление в лазере обеспечивается участком оптического волокна, легированного редкоземельными элементами, при этом наиболее распространенной формой является использование ионов Yb3+ в качестве активного лазерного иона в кремниевом волокне. Эти лазеры на основе волокна, легированного Yb, впервые достигли мощности 1 кВт в непрерывном режиме (CW) в 2004 году, используя резонаторы с воздушным зазором, но работа с резонаторами на основе волоконных решеток Брэгга была продемонстрирована значительно позже. Такие монолитные, полностью волоконные устройства производятся многими компаниями по всему миру и достигают мощности более 1 кВт. Основным преимуществом этих полностью волоконных систем, в которых зеркала с воздушным зазором заменены парой волоконных решеток Брэгга (FBG), является отсутствие необходимости в повторной юстировке в течение всего срока службы системы, поскольку FBG сращиваются непосредственно с легированным волокном и не требуют регулировки. Задача состоит в том, чтобы обеспечить работу этих монолитных резонаторов на уровне мощности кВт в непрерывном режиме (CW) в волокнах с большой эффективной площадью моды (LMA), таких как 20/400 (ядро диаметром 20 мкм и внутренняя оболочка диаметром 400 мкм), без преждевременных отказов в точках сращивания внутри резонатора и в самих решетках. После оптимизации эти монолитные резонаторы не требуют юстировки в течение всего срока службы устройства, что исключает очистку и деградацию поверхности волокна из графика технического обслуживания лазера. Однако, компоновка и оптимизация самих сращиваний и FBG являются непростой задачей при таких уровнях мощности, как и подбор различных волокон, поскольку состав волокна, легированного Yb, и различных пассивных и фоточувствительных волокон должен быть тщательно согласован по всей цепочке волоконного лазера. Хотя способность волокна к рассеиванию мощности значительно превышает этот уровень и может достигать >30 кВт в непрерывном режиме (CW), практический предел намного ниже из-за надежности компонентов и потерь при сращивании.
Процесс сочетания активных и пассивных волокон
В волокне с двойным покрытием присутствуют два волновода – ядро, легированное иттербием, формирующее сигнальный волновод, и внутренний волновод оболочки для накачки. Внутренняя оболочка активного волокна часто имеет специальную форму для перемешивания модальных составляющих оболочки и увеличения перекрытия накачки с легированным ядром. Согласование активных и пассивных волокон для повышения целостности сигнала требует оптимизации эксцентриситета ядра/оболочки, а также эффективной модовой площади (МФП) через диаметр ядра и числовую апертуру (NA), что снижает потери при сращивании. Это достигается главным образом за счет ужесточения всех соответствующих спецификаций волокна. Согласование волокон для улучшения связи накачки требует оптимизации диаметра оболочки как для пассивного, так и для активного волокна. Для максимизации количества мощности накачки, сопрягаемой с активным волокном, активное волокно проектируется с немного большим диаметром оболочки, чем пассивные волокна, подающие мощность накачки. Например, пассивные волокна с диаметром оболочки 395 мкм, сращенные с активным восьмиугольным волокном с диаметром оболочки 400 мкм, улучшают сопряжение мощности накачки с активным волокном. На рисунке показано изображение такого сращивания, демонстрирующее профилированную оболочку легированного волокна с двойным покрытием. Согласование активных и пассивных волокон можно оптимизировать несколькими способами. Самый простой способ согласования светонесущего сигнала – обеспечить идентичные значения NA и диаметры ядра для каждого волокна. Однако это не учитывает все особенности профиля показателя преломления. Согласование МФП также является методом, используемым для создания согласованных светонесущих волокон. Показано, что согласование всех этих компонентов обеспечивает оптимальный набор волокон для создания мощных усилителей и лазеров. По сути, МФП моделируется, а затем определяются целевые значения NA и диаметра ядра. Изготавливается стержень сердцевины, и перед вытягиванием в волокно проверяются его диаметр и NA. На основе измерений показателя преломления определяется окончательное соотношение ядро/оболочка и корректируется в соответствии с целевой МФП. Этот подход учитывает детали профиля показателя преломления, которые можно легко и с высокой точностью измерить на заготовке, прежде чем она будет вытянута в волокно.