УДК 621.37.39

Исследование особенностей брэговских волоконных решёток

Жанпейісова Айжан Орынбековна, магистр, Таразский гуманитарно-технический колледж,  Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Ключевые слова: брэговские решетки, волоконная оптика, фоточувствительность, фотоиндуцированные решетки, световоды.

АННОТАЦИЯ:Данная статья посвящена исследованию особенностей брэговских волоконных решеток, волоконной оптики, которая сумела разительно преобразить область телекоммуникаций. Свойства волоконных брэговских решеток есть базисом, на котором основана методика с перестраиваемой дисперсией.  Фазовый сдвиг в компенсаторах на волоконных решетках напрямую зависит от интервальной модуляции между зонами при повышенном показателе преломления в решетке. Кроме того, в статье рассматриваются преимущества волоконных решеток по сравнению с альтернативными технологиями.

Keywords: Brag lattices, fiber optics, photosensitivity, photoinduced gratings, light guides.

ABSTRACT:This article is devoted to studying the features of Bragg fiber grids, fiber optics, which have played an important role in transforming the telecommunications concept. The properties of fiber Bragg gratings are the basis on which the technique with tunable dispersion is based. The phase shift in the compensators on the fiber gratings directly depends on the interval modulation between the zones with an increased refractive index in the lattice. In addition, the article discusses the advantages of fiber grids in comparison with alternative technologies.

Введение. Фоточувствительность легированного кварцевого стекла, другими словами -  способность его к изменению показателя преломления (ПП) под воздействием излучения, активно исследуется на современном этапе и имеет довольно широкое применение в системах волоконно-оптической связи, в системах измерения разных физических величин в волоконных лазерах, и пр. По данной тематике опубликовано уже множество научных работ, проводятся постоянно международные научно-технические конференции, публикуются монографии и тематические выпуски журналов.

Создание стабильных и прочных во времени решеток в волоконных световодах обнаружено впервые было в 1978г. Излучение аргонового лазера введено было в сердцевину германо-силикатного световода, через несколько минут зафиксировано было интенсивное отраженное излучение, что возникло по причине модификации свойств свето-вода. Явление это объяснено было тем, что прифренелевском отражении от противоположного торца волоконного световода в нем образуется стоячая волна, в чьих максимумах изменяется ПП, таким образом образуя решетку, которая отражает излучение согласно условия Брэгга и усиливается при облучения. Позже показано было, что процесс фотоиндуцированного изменения ПП видимым излучением -двухфотонное. В 1989 г. предложена была запись решеток ПП в германо-силикатном световодепосредством ультрафиолетового излучения через его поверхность боковую, где используют однофотонное возбуждение поглощения германо-силикатного стекла. Тогда-то и была продемонстрирована возможность изменять спектральные параметры решеток в довольно широких пределах, что охватывает реальные перспективы развития волоконных решеток и их практического применения, стимулировав максимально активные исследования в сере формирования фотоиндуцированных структур в световодах волоконных.

Изложение основного материала. Волоконная оптика сумела разительно преобразить область телекоммуникаций, увеличив существенным образом пропускную способность каналов связи, что стало возможным благодаря грандиозным достижениям в формировании одномодовых световодов  волоконных при малых потерях в ближней инфракрасной области спектра. Одномодовый световод волоконный - это волокно из кварцевого стекла, на чьей оси сформирована сфера, имеющая повышенный показатель преломления – сердцевину. Ее параметры определяют реализацию одномодового режима при распространении излучения в определенном спектральном диапазоне. [2, С.1085]

Одной из самых развитых методик, имеющих перестраиваемую дисперсию, является методика, основанная на свойствах волоконных брэгговских решеток, которые ранее были разработаны в целях статической компенсации дисперсии. Фазовый сдвиг в компенсаторах на волоконных решетках напрямую зависит от интервальной модуляции между зонами при повышенном показателе преломления в решетке. Если интервалы эти увеличатся вдоль волоконной решетки, тогда длинноволновая часть сигнала будет проникать в решетку глубже, до полного отражения, что будет приводить к задержке длинноволновых составляющих. Так, если расстояние между длинноволновой и коротковолновой частями решетки - 1 мм, тогда длинные волновые длины задержаны будут где-то на 10 пс.[4, С.113]

Волоконная решетка ПП - это участок световода волоконного, в чьей сердцевине наведена периодическая структура ПП, имеющая период Λ ,совместно с определенным пространственным распределением, что схематически показано на рисунке 1. Формируется решетка, как правило, в фоточувствительной сердцевине световода 1, тогда как ПП кварцевой оболочки 2 будет оставаться неизменным. У подобного рода структуры есть уникальные спектральные характеристики, определяют ее широкое применение в разных устройствах оптикиволоконной. Самым важным свойством волоконных брэгговских решеток есть узкополосное отражение оптического излучения, чья относительная спектральная ширина составлять может 10^-6 или меньше. [4, С.114]

Рис.1. Волоконная решетка показателя преломления (схема)

Очевидны преимущества волоконных фотоиндуцированных решеток по сравнению с альтернативными технологиями (к примеру, объемные дифракционные решетки, интерференционные зеркала) :большое разнообразие получаемых дисперсионных и спектральных характеристик, при чем, многие из них реализованы могут быть лишь на основе волоконных решеток; исключительно волоконное выполнение; низкие оптические потери; простота в изготовлении и др..

Фазовый сдвиг, который вызывается волоконной решеткой, настраивать можно посредством изменения интервалов между зонами, имеющим повышенный показатель преломления, изменения показателя преломления непосредственно волокна и одновременного воздействия на данные факторы. Действуя одновременно или по очереди, мы будем изменять положение точки отражения для определенной длины волоконной волны. Требующиеся  изменения получить можно посредством нагревания, или же посредством  механического растяжения волокна.[1, С.5]

Еще одна сложность состоит в том, что линейное влияние вдоль решетки не способно обеспечить разный фазовый сдвиг, который необходим для последующей коррекции хроматической дисперсии. Такое влияние по длине решетки должно быть нелинейным. Необходимая неоднородность может быть получена или сразу, посредством использования волоконной решетки с нелинейными интервалами, или же посредством приложения неоднородных напряжений к решетке. Механические напряжения обычно вдоль волокна однородные, по причине его геометрической продольной однородности. Но  можно сформировать вдоль решетки требующийся нелинейный температурный профиль посредством регулирования температуры источников тепла.

Волоконными брэгговскими решетками и связывается основная мода световода с такой же модой, что распространяется в противоположном направлении, что значит, что волны, которые распространяются на определенной длине по световоду, дают излучение, что частично или полностью отражается от решетки. Свойства данного отражения полностью зависят от параметров решетки. Коэффициент отражения R для однородной решетки длины L на резонансной длине волныλ_BG будет выражаться как R = th²(kL), где k = π∆n_modη/λ_BG - коэффициент связи (∆n_mod –это амплитуда синусоидальной модуляции ПП, η –это часть мощности основной моды, распространяющейся по сердцевине световода). [5, С.138]

Спектральная ширина резонанса однородной решетки на полувысоте (FWHM) выражена может быть таким приближенным соотношением:    

где α - параметр порядка единицы для глубоких решеток (при коэффициенте отражения R -> 1), порядка 0.5 для решеток, имеющих небольшую глубину.

Как видим из формулы (1), спектральная ширина может зависеть не только от длины решетки, от периодаее, но и от амплитуды модуляции ПП ∆n_mod.

На рисунке 2 показаны спектральные зависимости коэффициента отражения R совместно с групповой задержкой τ, которые рассчитаны для однородных ВБР и имеют длину L = 5мм. Спектральные характеристики, которые приведены на рисунке 3(а) и 3(б), соответствуют решеткам,у которых амплитуда модуляции приведенного ПП ∆n_mod =5·10^-5 и 7.5·10^-4 . Несмотря на одинаковую длину решеток, соглано с формулы (1) спектральная ширина их различная, она составляет 0.18 нм и 0.64 нм. [5, С.141]

На врезках:схематический профиль ПП,наведенного в решетках

Рис.2. Спектр отражения R [сплошная кривая] и групповая задержка τ [штриховая кривая] однородных брэгговских решеток 
при разной амплитуде модуляции приведенного                   

       ПП: ∆n_mod =5·10^-5 (a) и 7.5·10^-4 (б).

Необходимо отметить, что ВБР изготовлена может быть не только при постоянном периоде, но также при изменяющемся по длине. С целью подавления боковых максимумов, что хорошо заметны в спектрах решеток на рисунке 3, ВБР сделана может быть со сглаженным распределением амплитуды модуляции индуцированного ПП вдоль оси.

Выводы. У всех волоконных решеток есть один неустранимый недостаток - сфера их влияния ограничена довольно узким диапазоном длин волн. На сегодняшний день диапазон этот охватывает 1-8 оптических каналов DWDM. Конечно, возможность перестройки отдельно взятых каналов, дает возможность добиться лучшей коррекции, но значительно увеличивает количество компонентов совместно со стоимостью системы передачи.

Библиографический список

1. Варжель, С. В. Метод устранения влияния сигнала помехи начувствительность приема гидроакустической антенны на основеволоконных Брэгговских решеток / С. В. Варжель, В. Е. Стригалев //Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. – 2010. – Т. 69. – № 5. –С. 5-8
2. Васильев C.A. и др. Волоконные решётки показателя преломления и их применения // Квантовая электроника, 2005, т. 35, № 12, с. 1085-1103.
3. Кульчин Ю.Н. Распределённые волоконно-оптические измерительные системы. М.:Физматлит, 2001.
4. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Дышлюк A.B., Шалагин A.M., Бабин С.А., Власов А.А. Рефлектометрический метод опроса и мультиплексирования датчиков на волоконных брэгговских решетках // Автометрия, 2008, т. 44, N2, с. 113-118.

Медведков О.И., Королёв И.Г., Васильев C.A. Запись волоконных брэгговских решёток в схеме с интерферометром Ллойда и моделирование их спектральных характеристик // Препринт №6, НЦВО ИОФ РАН, Москва, 2004.