Волоконно-оптические элементы на основе дифракционных структур показателя преломления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Коннов, Кирилл Александрович

• Коннов, Кирилл Александрович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Коннов, Кирилл Александрович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Волоконные дифракционные решетки показателя преломления

1.2. Методы записи волоконных дифракционных решеток показателя преломления

1.3. Специальные структуры волоконных дифракционных решеток показателя преломления

Выводы по Главе 1

Глава 2. Методы исследования

2.1. Методика записи волоконных дифракционных структур показателя преломления

2.2. Модернизация интерферометрической установки для записи волоконных дифракционных структур показателя преломления

2.3. Методика повышения фоторефрактивности оптического волокна

Выводы по Главе 2

Глава 3. Волоконные наклонные дифракционные структуры показателя преломления

3.1. Волоконные наклонные дифракционные структуры показателя преломления. Особенности спектральных характеристик

3.2. Методика записи волоконных наклонных дифракционных структур показателя преломления

3.3. Методика увеличения эффективности связи сердцевинных и оболочечных мод оптического волокна

3.4. Методика определения эффективного показателя преломления основной моды сердцевины волоконного световода

Выводы по Главе 3

Глава 4. Волоконные дифракционные структуры с градиентом глубины модуляции показателя преломления

4.1. Волоконные дифракционные структуры с градиентом глубины модуляции показателя преломления

4.2. Моделирование спектра отражения волоконных дифракционных структур с

градиентом глубины модуляции показателя преломления

4.3. Методика записи волоконных дифракционных структур с градиентом глубины модуляции показателя преломления

4.4. Запись волоконных дифракционных структур с градиентом глубины модуляции показателя преломления

Выводы по Главе 4

Глава 5. Волоконные дифракционные структуры показателя преломления с фазовым сдвигом

5.1. Волоконные дифракционные структуры показателя преломления с фазовым сдвигом. Особенности спектральных характеристик

5.2. Методы создания волоконных дифракционных структур с фазовым сдвигом

5.3. Разработка способа создания волоконных дифракционных структур с фазовым сдвигом

5.4. Запись волоконных дифракционных структур показателя преломления с фазовым сдвигом

Выводы по Главе 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Волоконно-оптические элементы на основе дифракционных структур показателя преломления»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

Элементы на основе дифракционных решеток показателя преломления находят обширное применение в области волоконно-оптического приборостроения при создании телекоммуникационного оборудования, измерительных приборов, систем мониторинга, лазерной техники и т.д. В настоящее время, особый интерес представляют наклонные дифракционные решетки, структуры с фазовым сдвигом и структуры с градиентом модуляции показателя преломления. Повышенный интерес к таким элементам связан с особенностями их спектральных характеристик, которые позволяют расширить возможности применения дифракционных решеток показателя преломления при разработке различных устройств.

В процессе создания дифракционных решеток указанных выше типов возникает ряд существенных трудностей. Данная работа посвящена разработке и исследованию методик их создания, позволяющих преодолеть эти трудности, а также поиску закономерностей изменения спектральных характеристик волоконных дифракционных структур показателя преломления различных типов. В связи с вышесказанным, диссертационная работа имеет большую практическую значимость и актуальность.

Целью настоящей работы являлись разработка и исследование методик создания волоконно-оптических элементов на основе дифракционных структур показателя преломления.

Для достижения поставленной цели в ходе исследования решались следующие основные задачи:

1. Проведение анализа существующих методик создания волоконно-оптических элементов на основе дифракционных решеток показателя преломления (наклонных, с градиентом глубины модуляции показателя преломления, с фазовым сдвигом) и выявление основной проблематики выбранного направления исследования.

2. Разработка методик создания волоконно-оптических элементов на основе дифракционных структур показателя преломления (наклонных, с градиентом глубины модуляции показателя преломления, с фазовым сдвигом), позволяющих исключить трудности и недостатки существующих методик.

3. Проведение теоретического расчета и анализа особенностей спектральных характеристик исследуемых волоконно-оптических элементов на основе дифракционных структур показателя преломления.

4. Проведение экспериментальных работ по исследованию разработанных методик создания волоконно-оптических элементов на основе дифракционных структур показателя преломления с целью подтверждения их эффективности и выявления возможностей их практического применения.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней:

1. Впервые предложена методика записи суперпозиций дифракционных структур показателя преломления с равными периодами и противоположными углами наклона штрихов относительно поперечного сечения оптического волокна для изменения эффективности связи мод сердцевины между собой и с модами оболочки световода.

2. Впервые предложена методика экспериментального определения дисперсионной зависимости эффективного показателя преломления основной моды сердцевины оптического волокна, основанная на анализе спектральных характеристик дифракционных структур с идентичными параметрами, но различными углами наклона штрихов относительно поперечного сечения исследуемого световода.

3. Впервые установлено, что применение подвижного экрана в качестве пространственного оптомеханического модулятора, изменяющего степень перекрытия пучка записывающего излучения в процессе создания дифракционной решетки с переменным периодом, дает возможность получения структуры с заданным градиентом глубины модуляции показателя преломления по ее длине.

4. Впервые предложен способ изменения величины фазового сдвига между двумя волоконными дифракционными решетками показателя преломления путем воздействия электрического дугового разряда на область световода между ними.

Практическое значение работы состоит в следующем:

1. Предложенная методика записи суперпозиций наклонных дифракционных решеток показателя преломления с равными периодами и противоположными углами наклона штрихов относительно поперечного сечения оптического волокна позволяет повысить эффективность связи мод сердцевины между собой и с модами оболочки световода.

2. Дисперсионная зависимость эффективного показателя преломления основной моды сердцевины оптического волокна определяет резонансные длины волн записываемых в него дифракционных решеток. Предложенная в работе методика, основанная на записи дифракционных структур с идентичными параметрами, но различными углами наклона штрихов относительно поперечного сечения световода, с последующим анализом их спектральных характеристик, позволяет определять указанную выше дисперсионную зависимость.

3. Предложенный способ пространственной модуляции излучения, воздействующего на оптическое волокно в процессе записи дифракционных структур с переменным периодом, приводит к возникновению градиента глубины модуляции показателя преломления по длине решетки. Данный факт обуславливает возможность создания структур с заданной формой спектра отражения.

4. Предложенный способ изменения величины фазового сдвига между двумя волоконными дифракционными решетками показателя преломления, основанный на воздействии электрического дугового разряда на область световода между ними, в совокупности с интерферометрическим методом записи дифракционных решеток, упрощает процесс создания структур с фазовым сдвигом, при этом сохраняя возможность гибкого подбора их спектральных характеристик.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Запись двух дифракционных решеток показателя преломления с равными периодами и противоположными углами наклона штрихов относительно поперечного сечения оптического волокна в одну область световода приводит к повышению эффективности связи мод сердцевины между собой и с модами оболочки световода.

2. Анализ спектральных характеристик волоконных дифракционных структур, имеющих идентичные параметры, но различные углы наклона штрихов относительно поперечного сечения исследуемого световода, дает возможность на основании изменений резонансных длин волн отражения, определить дисперсионную зависимость эффективного показателя преломления основной моды сердцевины световода.

3. Пространственная модуляция излучения, воздействующего на волоконный световод в процессе записи дифракционной структуры с переменным периодом, приводит к возникновению градиента глубины модуляции показателя преломления по длине элемента. Для реализации модуляции используется оптомеханический модулятор в виде подвижного экрана, перекрывающего ход излучения. Установлено, что при выборе функции изменения положения экрана относительно пучка в процессе записи в виде = М2 + Ьt + с возможен подбор коэффициентов а, Ь и с, который обеспечит линейный рост коэффициента отражения в спектре структуры с увеличением длины волны.

4. Воздействие электрического дугового разряда на область волоконного световода между двумя дифракционными решетками приводит к изменению величины фазового сдвига между ними и дает возможность модифицировать параметры узкополосного провала в спектре отражения таких структур.

Личный вклад автора

Диссертационная работа является оригинальным, самостоятельным и законченным научным исследованием. Все результаты, представленные в работе, получены при непосредственном участии соискателя. Автор диссертации

принимал личное участие при проведении всех теоретических и экспериментальных исследовательских работ.

Достоверность полученных результатов подтверждается применением современного комплекса оборудования при проведении исследования, воспроизводимостью полученных результатов записи дифракционных структур показателя преломления, а также высокой степенью согласования теоретических расчетов и результатов, полученных экспериментальным путем.

Апробация результатов

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международной конференции «Fundamentals of Laser Assisted Micro and Nanotechnologies» (FLAMN) (Пушкин, Россия, 2013); на международной научно-практических конференции «Sensorica - 2014» (Санкт-Петербург, РФ, 2014); IV, V, VI, VII Всероссийских конгрессах молодых ученых (Санкт-Петербург, РФ, 2015-2018); на международной конференции молодых ученых и специалистов «0птика-2015, 2017» (Санкт-Петербург, 2015, 2017); на IX международной конференция «Фундаментальные проблемы оптики-2016» (Санкт-Петербург, РФ, 2016) на XLV, XLVI научных и учебно-методических конференциях Университета ИТМО (Санкт-Петербург, РФ, 2016-2017) и т.д. Автор диссертационной работы является победителем трех конкурсов грантов для студентов вузов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, аспирантов вузов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга в 2015, 2017 и 2018 годах, проводимых Комитетом по науке и высшей школе правительства Санкт-Петербурга.

Внедрение результатов

Результаты настоящего исследования находят свое применение при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ проводимых на базе ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский национальный

исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики».

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 15 статьях, из них 5 публикаций в изданиях, рецензируемых Web of Science и Scopus, 3 публикации в журналах из перечня ВАК. По результатам диссертационного исследования оформлен 1 патент, получена справка о приоритете.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложена на 111 страницах машинописного текста, содержит 73 рисунка и 20 таблиц, список цитированной литературы представлен 81 наименованием.

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Волоконные дифракционные решетки показателя преломления

Волоконная дифракционная решетка показателя преломления -периодическая структура, сформированная в сердцевине оптического волокна (ОВ) за счет модуляции ее показателя преломления (ПП) (Рисунок 1.1) [1].

Рисунок 1.1 - Схематическое изображение волоконной дифракционной решетки: 1 - области с измененным показателем преломления, Л - период структуры

Дифракционные решетки ПП являются спектрально-селективными отражательными элементами. Они отражают излучение с определенной длиной волны, распространяющее в сердцевине ОВ, в обратном направлении. Иными словами, такие элементы связывают основные моды сердцевины световода, распространяющиеся во встречных направлениях. Одной из основных характеристик таких структур является центральная резонансная длина волны, которая также называется длиной волны брэгговского резонанса Хь и определяется в соответствии с Соотношением 1.1 [2]:

Хь = 2пеГГА, (1.1)

где пе^ - эффективный ПП основной моды сердцевины ОВ для длины волны Хь, Л - период дифракционной структуры (период модуляции ПП сердцевины оптического волокна) [2].

Кроме центральной резонансной длины волны и периода дифракционной решетки ПП, к ее основным характеристикам относятся коэффициент отражения и спектр отражения (пропускания). Коэффициент отражения Я позволяет определить эффективность дифракционной структуры, ее отражательную способность на резонансной длине волны Ль. Величина коэффициента отражения зависит от глубины модуляции ПП Ап и длины решетки Ь. Взаимосвязь этих параметров может быть представлена в виде [3]:

где Ятах - коэффициент отражения решетки на центральной резонансной длине волны [3].

Спектр отражения (пропускания) позволяет оценить спектральные изменения излучения распространяющегося в сердцевине ОВ после прохождения решетки. На Рисунке 1.2 приведена модель спектра отражения дифракционной структуры ПП [3].

пЬ

тах>

(1.2)

1,0

0.0

V

аз о.е

(и

ей

а о.4

О

0.2 -

0.0 . . - , . . - I , , . ^

1549.6 1549.8 1550.0 1550.2 1 550,4

Длина волны (нм)

Рисунок 1.2 - Спектр отражения волоконной дифракционной решетки

Еще одним параметром, характеризующим волоконную дифракционную решетку, является ширина ее спектра отражения на полувысоте АЛ. Этот параметр определяется в соответствии с Соотношением 1.3 [1].

АХ = Xha

N

©2+fi)2'

(1.3)

где п0 - эффективный ПП основной моды сердцевины ОВ без модуляции; N -количество штрихов структуры; а - числовой коэффициент, принимаемый за 1 в случае решетки с высокой отражательной эффективностью (R приближается к 99,9%), и за 0,5 в случае решетки с небольшим коэффициентом отражения [1].

Впервые, волоконная дифракционная решетка ПП получена в 1978 году в Канадском исследовательском центре связи (Communications Research Centre, Canada). Для записи структуры применялся световод с повышенным содержанием диоксида германия GeO2 в его сердцевине. В ОВ вводилось непрерывное излучение аргон-ионного лазера с длиной волны 488 нм. После прохождения световода, часть излучения отражалась от границы раздела двух сред на торце волокна, и продолжала распространение в противоположном направлении. В результате интерференции двух лучей, идущих в прямом и обратном направлении, реализована модуляция ПП, которая привела к образованию дифракционной решетки. Такая структура отражает излучение с длиной волны равной длине волны записывающего излучения [4].

В настоящее время наиболее распространена запись дифракционных решеток ПП через боковую поверхность ОВ. В 1989 году группа исследователей впервые реализовала такой способ записи структуры ультрафиолетовым (УФ) излучением, используя его интерференционную картину, полученную в двухлучевом интерферометре [5].

С этого момента начинается активное исследование процессов записи волоконных дифракционных решеток ПП. Предложено большое количество различных способов создания таких структур, но наибольшую популярность получили метод фазовой маски (ФМ), интерферометрический методом и пошаговый метод записи (подробнее в п.2 Главы 1). Применяемые в настоящее время технологии позволяют получать структуры с коэффициентом отражения в

диапазоне от 0,1 до 99,9% и шириной спектра отражения от 0,01 до нескольких нм, осуществляя при этом точный подбор резонансных длин волн [6-7].

По мере развития направления создания волоконных дифракционных решеток ПП разработано большое количество их различных типов, отличающихся особенностями спектральных характеристик и строением периодической структуры. К ним относятся чирпированные решетки, наклонные решетки, структуры с фазовым сдвигом и т.д. [1] Некоторые из таких структур будут подробно рассмотрены далее в п.3 данной главы.

В настоящее время дифракционные решетки ПП находят обширное применение в волоконно-оптическом приборостроении при создании телекоммуникационного оборудования, датчиков физических параметров, систем мониторинга, навигационных устройств, волоконных лазеров и усилителей и др. [8-11].

1.2. Методы записи волоконных дифракционных решеток показателя преломления

Как говорилось ранее, в настоящее время применяются три наиболее распространенных метода записи дифракционных решеток 1111 в ОВ: метод фазовой маски, интерферометрический способ и метод пошаговой записи. Чаще всего, в схемах создания волоконных дифракционных структур применяются эксимерные лазерные системы, генерирующие излучение с длинами волн УФ диапазона, хотя это не является обязательным условием [1].

Метод фазовой маски, за счет малого количества оптических и оптомеханических элементов, необходимых для сборки установки, является самым простым в реализации. Упрощенная схема записи волоконных дифракционных решеток ПП указанным методом представлена на Рисунке 1.3. Излучение, генерируемое лазерной системой Л, попадает на фазовую маску ФМ, за которой образуется интерференционная картина пучков +1 и -1 порядков дифракции. ОВ с удаленным акрилатным покрытием располагается за фазовой маской в непосредственном контакте с ней. Интерференционная картина

осуществляет модуляцию ПП материала световода. ФМ представляет собой пластину из плавленого кварца, на одной из сторон которой сформирована периодическая структура, адаптированная под подавление всех порядков дифракции, кроме +1 и -1. При необходимости увеличения плотности энергии излучения в импульсе, попадающего на ОВ, в схеме перед ФМ устанавливается цилиндрическая линза ЦЛ, закрепленная на линейной подвижке, которая осуществляет фокусировку пучка в необходимой плоскости [12].

Рисунок 1.3 - Схема записи дифракционных решеток ПП методом фазовой маски

Запись дифракционных структур методом ФМ находит большое количество практический применений и достаточно широко освещена в современной литературе. В работе [13] представлены результаты записи решеток ПП указанным методом. В схеме применен эксимерный лазер с длиной волны генерируемого излучения 248 нм и ФМ с периодом 1060 нм. Запись решеток производилась в оптическом волокне Э-типа. В работе реализована одноимпульсная запись структур типа II (подробнее в [1]). В ходе проведения эксперимента получены решетки с центральной резонансной длиной волны 1535 нм и коэффициентами отражения в диапазоне от 5 до 99,5%. Спектр пропускания структуры с отражательной эффективностью 80% и длиной 4 мм изображен на Рисунке 1.4.

1525 1530 1535 1548 1545

ННУЕ1_ЕЫСТН (пш)

Рисунок 1.4 - Спектр пропускания дифракционной решетки ПП

В следующей работе авторы осуществляли запись дифракционных структур ПП методом ФМ в ОВ Э-типа, используя эксимерный лазер с длиной волны 248 нм при частоте следования импульсов излучения 50 Гц. Период применяемой ФМ 1060 нм. На Рисунке 1.5 представлен спектр отражения структуры типа I (подробнее в [1]) запись которой осуществлялась в течение 20 мин при плотности

л

энергии излучения в импульсе на световоде около 200 мДж/см . Коэффициент отражения решетки составляет порядка 16%, а центральная резонансная длина волны равна 1531,7 нм. Длина структуры - 0,95 мм [14].

- -

4 т ■п.естгу ТУ

ИИАСО Г.НА 1 (МО А-ЧСЯЕ* С-ТУРЕ Е1В ЕЯ I. ж 0.1 ПИ) % Е - :эа 1—гч '/р/и Т * 20 »тип а! 5С рр*

---

} 1

РАВЯСАПОМ ВУСОМТАСТ гнотоита ос парит и&1пя 1 э<ит РИсЬ мни ата кгР Ехе1т*г 1амг <24* пт;

1525 1527 1529 1531 1533 1535

М¥АУЕ!.ЕМОТН (та)

Для выполнения исследований, описанных в работе [15], авторы использовали эксимерный лазер с длиной волны излучения 193 нм и ОВ, сердцевина которого дополнительно легирована диоксидом германия 0е02. На Рисунке 1.6 представлен спектр пропускания волоконной дифракционной решетки, полученной в ходе экспериментальной записи. После многоимпульсного облучения волокна с частотой 50 Гц в течение 4 минут коэффициент отражения структуры составил 80 %. Резонансная длины волны - 1536,6 нм. Длина решетки 3 мм, плотность энергии в импульсе излучения на световоде составляла порядка 120 мДж/см2.

Рисунок 1.6 - Спектр пропускания дифракционной решетки ПП

В одной из работ продемонстрирована запись дифракционных решеток ПП методом ФМ с применением фемтосекундного лазера, генерирующего излучение с длиной волны 264 нм. Энергия в импульсе излучения составляла порядка 300 мкДж при частоте следования импульсов 27 Гц и их длительности 220 фс. Период ФМ составлял 1,07 мкм. Длина полученных решеток - 3 мм. На Рисунках 1.7 представлены спектры пропускания дифракционных структур, записанных в

стандартном телекоммуникационном волокне 8МР-28, подвергнутом предварительной водородной обработке [16].

Рисунок 1.7 - Спектры пропускания волоконных дифракционных структур:

2

а - решетка ПП, записанная при дозе облучения 0,68 кДж/см ,

2

б - при дозе облучения 0,63 кДж/см

В статье [17] представлены результаты серии экспериментов по записи решеток ПП методом ФМ, с использованием аргон-ионного лазера с длиной волны излучения 244 нм. В ходе проведения работ использовалась ФМ с периодом 1072 нм. На Рисунке 1.8 представлены спектры пропускания полученных дифракционных структур при различном времени экспозиции ОВ. Запись решеток ПП производилась в стандартном телекоммуникационном волокне 8МБ-28, подвергнутом предварительной водородной обработке.

0,00

-5,00

| -15,00

-20,00

-25,00

1532 1534 1536 1538 1540 1542 1544 \Л/ауе1епд111 [пт]

Рисунок 1.8 - Спектры пропускания дифракционных решеток, записанных при

различном времени экспозиции ОВ

Особенностью одной из работ является применение для записи дифракционных структур ПП Не-№ лазера мощностью 20 мВт. В разработанной авторами установке предусмотрена возможность перемещения пучка излучения относительно неподвижных ФМ и ОВ. Кроме того, в работе для записи структур применялись световоды, сердцевина которых легирована сульфидом мышьяка. На Рисунке 1.9 представлены спектры пропускания дифракционных решеток с различными длинами. Плотность мощности излучения на ОВ в процессе записи

л

составляла порядка 170 Вт/см [18].

-12

4

5

-16

V

1289.5

1290.0

1290.5 Длина волны (нм)

1291.0

Рисунок 1.9 - Спектры пропускания дифракционных решеток ПП различной длины (1- 3 мм, 2- 4,5 мм, 3- 6,5 мм, 4- 8 мм, 5- 20 мм)

Как показывают рассмотренные выше исследования, запись волоконных дифракционных решеток ПП методом ФМ позволяет создавать структуры с коэффициентом отражения от 0,1 до 99,9%. Возможность применения различных источников излучения и дополнительные модификации методики позволяют применять указанную схему записи при решении большого числа задач.

Как говорилось ранее, основным преимуществом записи дифракционных структур методом ФМ является относительная простота ее реализации, не требующая сложной настройки и юстировки схемы.

Основным недостатком данной схемы является необходимость подбора ФМ для изменения центральных резонансных длин записываемых решеток ПП (период записываемой структуры определяется в том числе, и периодом ФМ). Кроме того, непосредственный контакт световода и маски приводит к невозможности использования данной схемы для создания дифракционных структур в процессе вытяжки ОВ.

Запись волоконных дифракционных решеток ПП интерферометрическим методом исключает недостатки метода фазовой маски, приведенные выше. Наиболее часто, установки для создания дифракционных структур реализованы на основе интерферометра Тальбота. Упрощенная схема такого метода записи представлена на Рисунке 1.10.

в интерферометре Тальбота

Излучение, генерируемое лазерной системой Л, попадает на фазовую маску ФМ, применяемую в схеме для его амплитудного деления. Далее, излучение +1 и -1 порядков дифракции попадают на зеркала З1 и З2, которые сводят пучки в область расположения ОВ, где и образуется интерференционная картина, которая реализует периодическую модуляцию ПП материала сердцевины световода. Для увеличения плотности энергии записывающего излучения в схему перед фазовой маской вносят цилиндрическую линзу ЦЛ, сводящую пучок в необходимой плоскости. Синхронный поворот зеркал позволяет изменять период интерференционной картины, а как следствие и период записываемой дифракционной решетки ПП [19].

Большое число исследовательских работ, выполненных с применением указанной схемы записи решеток ПП, подтверждает интерес к получению периодических структур таким методом. Запись решеток в интерферометре Тальбота в процессе вытяжки волокна описана в работе [20]. Для проведения экспериментальных работ использовался эксимерный лазер с длинной волны генерируемого излучения 248 нм, энергией излучения в импульсе порядка 200 мДж и ОВ с повышенным содержанием диоксида германия в сердцевине световода. Авторы продемонстрировали возможность записи решеток типа I с коэффициентом отражения до 40 % и решеток типа II с коэффициентом отражения до 100 % . На Рисунке 1.11 приведен спектр отражения массива из 5 структур типа I [20].

40-

а?

О) 30-

8

LL 20-

О

С

о V 10-

о

1С

& 0-

1 ■ -1—"—г ■ 1 ■ 1 ■

1 L 1

1540 1542 1544 1546 1548 1550 1552

Wavelength (nm)

В работе [21] авторы производили запись дифракционных структур в интерферометре Тальбота в процессе вытяжки оптического волокна одиночным импульсом эксимерного лазера с длиной волны 248 нм. Исследователями разработана методика и подобраны оптимальные параметры создания дифракционных структур типов I и II. Как показано в публикации, при плотности

л

энергии около 1 Дж/см происходит запись решеток типа II с коэффициентом отражения до 99,9 %. На Рисунке 1.12 изображен спектр отражения массива из двух решеток ПП типа II [21].

100% 90% 80% 70% 60% 50%

о ш

8 40%

30%

20%

10%

0%

П

1 япну о! 1/ре II .

п

III Л. 1 .. 1». Л 1ЛЛ.

1520

1525

1530 1535

\лгауе!епд№ [пгп]

1540

1545

Рисунок 1.12 - Спектр отражения массива из двух дифракционных решеток

Запись дифракционных структур в интерферометре Тальбота с применением ОВ с высоким содержанием 0е02 в сердцевине световода и эксимерного лазера с длиной волны 248 нм производилась в работе [22]. При

л

плотности энергии излучения в импульсе 330 мДж/см после 3000 импульсов получена решетка ПП с коэффициентом отражения 90% длиной 5 мм. На Рисунке 1.13 приведен ее спектр отражения.

15F.fi 1557 155Я 1559 15КЛ 15R1 15R? 15R.T 15R4

wavelength [nm]

Рисунок 1.13 - Спектр отражения дифракционной решетки ПП

В исследовании [23] авторы использовали ArF эксимерный лазер с длиной волны 193 нм. Производилась многоимпульсная запись дифракционных решеток ПП с применением интерферометра Тальбота и ОВ с повышенным содержанием диоксида германия в его сердцевине. В результате эксперимента получена структура длиной 2 мм с коэффициентом отражения ~5 % после облучения световода 2 000 импульсов при плотности энергии лазерного излучения в

л

импульсе порядка 230 мДж/см . Спектр отражения решетки представлен на Рисунке 1.14.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Коннов, Кирилл Александрович, 2018 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Васильев С.А., и др. Волоконные решетки показателя преломления и их применение // Квантовая электроника. 2005. Т. 35. № 12. С. 1085-1103.

2. Othonos A. Fiber Bragg gratings // Rev. Sci. Instrum. 1997. V. 68. № 12. P. 43094341.

3. Варжель С.В. Волоконные брэгговские решетки // СПб: Университет ИТМО. 2015. 65 с.

4. Kawasaki B. S., et al. Narrow-band Bragg reflectors in optical fibers // Opt. Lett. 1978. V. 3. № 2. P. 66-68.

5. Meltz G., et al. Formation of Bragg gratings in optical fibers by a transverse holographic method // Opt. Lett. 1989. V. 14. № 15. P. 823-825.

6. Kashyap R. Fiber Bragg Gratings 2nd Edition //Academic Press. 2009. 632 p.

7. Kristensen M. Bragg Gratings White Paper // Ibsen Photonics. 2005. P. 15-19.

8. Grattan K.T.V., Sun Dr. T. Fiber optic sensor technology: an overview // Sensors and Actuators. 2000. V 82. P. 40-61.

9. Hill K.O, Meltz G. Fiber Bragg Grating Technology Fundamentals and Overview // J. Lightwave Technol. 1997. V. 15. №. 8. P. 1271-1274.

10. Lee B. Review of the present status of optical fiber sensors // Optical fiber technology. 2003. V 9. P.57-79.

11. Rao Y.-J. In-fibre Bragg grating sensors // Meas. Sci. Technol. 1997. V. 8. P. 355375.

12. Varzhel' S.V., et al. Recording Bragg gratings in a birefringent optical fiber with a single 20-ns pulse of an excimer laser // Journal of Optical Technology. 2012. V. 79. № 4. P. 257-259.

13. Malo B., et al. Single-excimer-pulse writing of fiber gratings by use of a zero-order nulled phase mask: grating spectral response and visualization of index perturbations // Opt. Lett. 1993. V. 18. № 15. P. 1277-1279.

14. Hill K.O., et al. Bragg gratings fabricated in monomode photosensitive optical fiber by UV exposure through a phase mask // Appl. Phys. Lett. 1993. V. 62. № 10. P. 1035 -1037.

15. Albert J., et al. Photosensitivity in Ge-doped silica optical waveguides and fibers with 193-nm light from an ArF excimer laser // Opt. Lett. 1994. V. 19. № 6. P. 387-389.

16. Загорулько К.А., и др. Запись брэгговских решеток в одномодовых волоконных световодах с помощью УФ фемтосекундного излучения // Квантовая электроника. 2003. Т. 33. № 8. С. 728-730.

17. J^drzejewski K., et al. Bragg gratings in optical fibers made by the phase mask method // Proc. of SPIE. 2004. V. 5576. P. 45-49.

18. Беренье М., et al. Брэгговские решетки второго порядка в одномодовых халькогенидных световодах // Квантовая электроника. 2011. Т. 33 № 5. С. 465-468.

19. Грибаев А.И., Варжель С.В., Куликов А.В. Интерферометрические методы записи волоконных решеток Брэгга // СПб: Университет ИТМО. 2018. 43 с.

20. Chojetzki C., et al. High-reflectivity draw-tower fiber Bragg gratings—arrays and single gratings of type II // Proc. of SPIE. 2005. V. 44. № 6 (060503). P. 1-2.

21. Bartelt H., et al. Single-pulse fiber Bragg gratings and specific coatings for use at elevated temperatures // Applied Optics. 2007. V. 46. № 17. P. 3417-3424.

22. Lindner E., et al. Thermal regeneration of fiber Bragg gratings in photosensitive fibers // Optics Express. 2009. V.17. № 15. P. 12523-12531.

23. Dyer P.E., et al. Analysis and application of a 0/ 1 order Talbot interferometer for 193 m-n laser grating formation // Optics Communication. 1996. V.98. № 106. P. 98108.

24. Pissadakis S., Reekie L. An elliptical Talbot interferometer for fiber Bragg grating fabrication // Rev. Sci. Instrum. 2005. V. 76. № 066101. P. 1-3.

25. Becker M., et al. Fiber Bragg grating inscription combining DUV sub-picosecond laser pulses and two-beam interferometry // Optics Express. 2008. V. 16. № 23. P. 19169-19178.

26. Martinez A., Khrushchev I.Y., Bennion I. Direct inscription of Bragg gratings in coated fibers by an infrared femtosecond laser // Opt. Lett. 2006. V. 31. № 11. P. 16031605.

27. Дианов Е.М., и др. Запись решеток показателя преломления в германосиликатных световодах излучением ближнего УФ диапазона // Квантовая электроника. 1997. Т. 24. № 2. С. 160-162.

28. Meltz G., Morey W.W., Glenn W.H. In-fibre Bragg grating tap // Optical fiber Communication Conference. 1990.

29. Erdogan T., Sipe J. E. Tilted fiber phase gratings // Journal of the Optical Society of America A. 1996. V. 13. №. 2. P. 296-313.

30. Erdogan T. Fiber Grating Spectra // J. Lightwave Technol. 1997. V. 15. №. 8. P. 1277-1294.

31. Albert J., Shao L.-Y., Caucheteur C. Tilted fiber Bragg grating sensors // Laser Photonics Rev. 2012. P. 1-26.

32. Dong X., et al. Tilted Fiber Bragg Gratings: Principle and Sensing Applications // Photonic Sensors. 2011. V. 1. № 1. P. 6-30.

33. Zhao Z., et al. Fabrication of a tilted fiber Bragg grating with a designed reflection spectrum profile // Optics Letters. 2004. V. 29. № 3. P. 244-246.

34. Chehura E., et al. Temperature and strain discrimination using a single tilted fibre Bragg grating // Optics Communications. 2007. V. 275. P. 344-347.

35. Grant J., Wang Y., Sharma A. Fabrication of a Fiber-Optic Tilted Bragg Grating Filter in 40 nm Range with a Single Phase Mask // Proc. of SPIE. 2002. V. 4833 P. 1038-1044.

36. Westbrook P.S., Strasser T.A., Erdogan T. In-Line Polarimeter Using Blazed Fiber Gratings // IEEE Photonics Technology Letters. 2000. V. 12. № 10. P. 1352-1354.

37. Yan Z., et al. UV-Inscription, Polarization-Dependant Loss Characteristics and Applications of 45 Tilted Fiber Gratings // J. Lightwave Technol. 2011. V. 29. № 18. P 2715-2724.

38. Коннов К.А., и др. Запись и визуализация волоконных решеток показателя преломления с наклонными штрихами // Оптика и спектроскопия. 2018. T. 125. № 1. С. 52-56.

39. Kashyap R., Wyatt R., Campbell R.J. Wideband gain flattened erbium fibre amplifier using a photosensitive fibre blazed grating // Electronics Letters.1993. V. 29. № 2. P.154-156.

40. Wagener J.L., et al. Fiber grating optical spectrum analyzer tap // European Conference on Optical Communications. IET. 1997. V. 5. № 448. P. 65-68.

41. Castro J. M., et al. Fabrication and comprehensive modeling of ion-exchanged Bragg optical add-drop multiplexers //Applied optics. 2004. V. 43. № 33. P. 6166-6173.

42. Caucheteur C., Mégret P. Demodulation technique for weakly tilted fiber Bragg grating refractometer // IEEE Photonics Technology Letters. 2005. V. 17. № 12. P. 2703-2705.

43. Laffont G., Ferdinand P. Tilted short-period fibre-Bragg-grating-induced coupling to cladding modes for accurate refractometry // Meas. Sci. Technol. 2001. V. 12. № 7. P. 765-770.

44. Chan C.F., et al. Optical fiber refractometer using narrowband cladding-mode resonance shifts //Applied optics. 2007. V. 46. № 7. P. 1142-1149.

45. Zhou K., et al. Optical chemsensors based on etched fibre Bragg gratings in D-shape and multimode fibres // International Society for Optics and Photonics. 2005. P. 158161.

46. Zhou K., et al. Implementation of optical chemsensors based on HF-etched fibre Bragg grating structures // Measurement Science and Technology. 2006. V. 17. № 5. P. 1140.

47. Peupelmann J., et al. Fibre-polarimeter based on grating taps // Electronics Letters. 2002. V. 38. № 21. P. 1248-1250.

48. Bouzid A., et al. Fiber-optic four-detector polarimeter // Optics Communications. 1995. V. 118. № 3. P. 329-334.

49. Chen X., et al. In-Fiber Twist Sensor Based on a Fiber Bragg Grating With 81° Tilted Structure // IEEE Photonics Technology Letters. 2006. V. 18. № 24. P. 2596-2598.

50. Mihailov S. L., et al. Fabrication of tilted fibre-grating polarisation-dependent loss equaliser // Electronics Letters. 2001. V. 37. № 5. P. 284-286.

51. Novikova V.A., et al. Phase-shifted fiber Bragg gratings fabrication method. IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series. 2018. V. 1038. № 012095. P. 1-6.

52. Kashyap R., Mckee P.F., Armes D. UV written reflection grating structures in photosensitive optical fibres using phaseshifted phase masks // Electronics Letters. 1994. V. 30. № 23. P. 1977-1978.

53. Liu Y., Lee S.B., Choi S. S. Phase-Shifted Fiber Bragg Grating Transmission Filters Based on the Fabry-Perot Effect // Journal of the Optical Society of Korea. 1998. V. 2. № 1. P. 30-33.

54. Martinez C., Ferdinand P. Phase-shifted fibre Bragg grating photowriting using UV phase plate in modified Lloyd mirror configuration // Electronics Letters. 1998. V. 34. № 17. P. 1687-1688.

55. Chehura E., James S.W., Tatam R.P. A simple method for fabricating phase-shifted fibre Bragg gratings with flexible choice of centre wavelength // Proc. of SPIE. 2009. V. 7503. № 750379. P. 1-4.

56. Li S.Y., Ngo N.Q., Zhang Z.R. Tunable fiber laser with ultra-narrow linewidth using a tunable phase-shifted chirped fiber grating // IEEE Photon. Technol. Lett. 2008. V. 20. № 17. P. 1482-1484.

57. Agrawal G.P., Radic S. Phase-shifted fiber Bragg gratings and their application for wavelength demultiplexing // IEEE Photon. Technol. Lett. 1994. V. 6. № 8. P. 995-997.

58. Gatti D., et al. Fiber strain sensor based on a n-phase-shifted Bragg grating and the Pound- Drever-Hall technique // Opt. Exp. 2008. V. 16. № 3. P. 1945-1950.

59. Mohammad N., et al. Analysis and development of a tunable fiber Bragg grating filter based on axial tension/compression // J. Lightw. Technol. 2004. V. 22. № 8. P. 2001-2013.

60. Farries M.C., et al. Very broad reflection bandwidth (44nm) chirped fibre gratings and narrow bandpass filters produced by the use of an amplitude mask. Electronics Letters. 1994. V. 30. № 11. P. 891-892.

61. Szel^g M., et al. Investigation of the strain induced effect on a linear shape fiber Bragg grating embedded in a composite material // Photonics Letters Of Poland. 2016. V. 8. № 3. P. 88-90.

62. Gribaev A.I., et al. Laboratory setup for fiber Bragg gratings inscription based on Talbot interferometer // Opt Quant Electron. 2016. V. 48. № 540. P. 1-7.

63. Вартапетов С.К., и др. Исследование формирования микрорельефа на поверхностях кристаллов ZnSe и CdSe при абляции излучением эксимерного KrF-лазера // Квантовая электроника. 2016. T. 46. № 10.

64. Hill K. O., et al. Photosensitivity in optical fiber waveguides: application to reflection filter fabrication //Appl. Phys. Lett. 1978. 32. P. 647-649.

65. Atkins R. M., et al. Observation of changes in UV absorption bands of single mode germanosilicate core optical fibers on writing and thermally erasing reflective index gratings // Electron. Lett. 1992. 28. P. 1743-1744.

66. Williams D. L., et al. Direct observation of UV induced bleaching of 240-nm absorption band in photosensitive germanosilicate glass fibers // Electron. Lett. 1992. 28. P. 369-370

67. Williams D. L., et al. Enhanced UV photosensitivity in boroncodoped germanosilicate fibers // Electron. Lett. 1993. 29. P. 45-47.

68. Dong L.. Ultraviolet absorption in modified chemical vapor deposition preforms // J. Opt. Soc. Am. B. 1994. Vol. 11. No. 10. P. 2106-2111.

69. Atkins R. M., et al. Enhanced photo-induced refractive index changes in optical fibers via low temperature hydrogen loading // Conference on Lasers and Electro-Optics. 1993. Vol. 11. Paper CPD20.

70. Lemaire P.J. Reliability of optical fibers exposed to hydrogen: Prediction of long-term loss increases // Opt. Eng. 1991. Vol.30. P. 780.

71. Варжель С.В., и др. Запись решёток Брэгга в двулучепреломляющем ОВ с эллиптической напрягающей оболочкой, подвергнутом водородной обработке // Оптический журнал. 2016. Т. 83. № 10 С. 74-78.

72. Canning J. Ultraviolet-induced birefringence in hydrogen-loaded optical fiber / J. Canning, H.J. Deyerl, H.R. S0rensen and M. Kristensen // Journal of Applied Physics 97. 2005. Article 053104 (2005).

73. Frolov E.A, et al. Inscription and visualization of tilted fiber Bragg gratings // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 1038. No 012077. P. 1-5.

74. Chen XOptical Chemsensor Based on Etched Tilted Bragg Grating Structures in Multimode Fiber // IEEE Photonics Technology Letters. 2005. Vol. 17. No. 4. P. 864866.

75. Alonso J., et al. A method for the measurement of the refractive index of dielectric cylinders // Pure Appl. Opt. 1997. No 6. P 147-152.

76. Chen X. Optical Fibre Gratings for Chemical and Bio - Sensing // Chapter 8. P. 205-235

77. Idrisov R.F., et al. Inscription of superimposed fiber Bragg gratings using a Talbot interferometer // Journal of Optical Technology. 2017, Vol. 84. No. 10. P. 694-697.

78. Othonos A., et al. Superimposed multiple Bragg gratings // Electronics Letters. 1994. V. 30. № 23. P. 1972-1974.

79. Arigiris A., et al. Fabrication of high-reflectivity superimposed multiple-fiber Bragg gratings with unequal wavelength spacing // Opt. Lett. 2002. V. 27. № 15. P. 13061308.

80. Abe I., et al. Superimposed Bragg gratings in high-birefringence fibre optics: three-parameter simultaneous measurements // Meas. Sci. Technol. 2004. V. 15. P. 14531457.

81. Novikova V.A., et al. Phase-shifted fiber Bragg gratings fabrication method // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 1038. No 012095. P. 1-6.