книги / Фотоника и оптоинформатика. Волоконные брэгговские решётки

Поместив поглощающий экран, можно путём экранирования прямопрошедших лучей убрать нулевой порядок дифракции от фазовой маски.

Недостатками схемы являются необходимость точной юстировки зеркал и гашения вибраций. Это существенно усложняет конструкцию за счёт использования точных юстировочных механизмов, а также дорогостоящих виброгасящих столов и развязанных фундаментов.

Рис. 1.24. Схема установки для записи брэгговской решётки интерферометром Ллойда

В интерферометре Ллойда отсутствует маска и имеется только одно зеркало, что существенно упрощает юстировку. В такой схеме записи используется диэлектрическое зеркало для деления волнового фронта пучка лазерного излучения на две равные части, как показано на рис. 1.24. За счёт разности хода падающего и отражённого от зеркала лучей в области сердцевины

31

оптического волокна возникает интерференционная картина. Изменение периода интерференционной картины производится поворотом зеркала вместе с закрепленным на нем оптическим волокном. Это позволяет изменять период брэгговской решётки. Фазовое разделение оптического излучения требует меньшего числа оптических элементов по сравнению с амплитудным разделением в интерферометре Тэлботта, поэтому конструкция интерферометра Ллойда проще и менее чувствительна к вибрациям.

Недостатками схемы являются высокие требования к пространственной когерентности оптического излучения, так как интерферируют лучи, вышедшие из разных точек пучка света, и ограниченная область образования интерференционной картины.

1.4.3. Пошаговый метод

Пошаговый метод не требует фазовой маски и позволяет записывать решётки с брэгговским резонансом наиболее широком по сравнению с другими методами интервале длин волн. Он позволяет формировать произвольные профили каждого отдельного штриха решётки как в продольном, так и в поперечном направлениях, а также изменять период по длине решётки. Это позволяет создавать чирпированные волоконные брэгговские решётки без использования фазовой маски с переменным по длине периодом. Принципиальная схема записи решётки пошаговым методом представлена на рис. 1.25. Она предполагает использование двух прецизионных механизмов: трёхкоординатного механизма точного совмещения фокуса лазерного луча с сердцевиной оптического волокна (на рисунке не показан) и механизма прецизионного перемещения оптического волокна вдоль сфокусированного излучения.

Однако данный метод имеет и ряд существенных недостатков: длительный пошаговый процесс записи решётки одиночным импульсом.

На рис. 1.26 представлен вариант записи решётки путём протягивания оптического волокна через феррулу с сошлифован-

32

ной верхней гранью. Преимуществом метода является запись штрихов без предварительного снятия защитного покрытия оптического волокна. Это стало возможным благодаря высокой плотности энергии лазерного луча, точно сфокусированного в сердцевине оптического волокна.

Рис. 1.25. Схема установки для записи брэгговской решётки пошаговым методом

Рис. 1.26. Запись решётки путём протягивания оптического волокна через феррулу с сошлифованной верхней гранью

33

Структуры волоконных брэгговских решёток, полученных при записи фемтосекундным гауссовым пучком, представлены на рис. 1.27, а–в. Наиболее простая поточечная запись создаёт решётку с близкой к цилиндрической форме штриха в центре сердцевины оптического волокна, более сложная с использованием поперечного сканирования позволяет получить штрихи близкие к прямолинейным, но требует большего времени и дополнительного механизма поперечного перемещения волокна или лазера. Компромиссным вариантом является применение растянутого в поперечном направлении астигматического пучка, что позволяет получить поперечные штрихи, но требует использования более мощных лазеров.

Рис. 1.27. Структура волоконной брэгговской решётки при записи фемтосекундным гауссовым пучком: а ‒ поточечная;

б– с поперечным сканированием; в – астигматическим

1.5.Порядок выполнения работы

1.5.1. Основные характеристики волоконной брэгговской решётки

Основными характеристиками волоконной брэгговской решётки являются:

1. Коэффициент отражения R, который увеличивается с увеличением глубины модуляции показателя преломления сердцевины оптического волокна (1.13) и числа штрихов N.

34

2.Резонансная длина волны λБр, которая согласно (1.10) зависит от эффективного показателя преломления сердцевины световода nэф и периода брэгговской решётки Λ.

3.Величина амплитуды модуляции показателя преломления сердцевины nБр.

4.Ширина спектра отражения на уровне половинной мощности Δλ.

Экспериментально полученные спектрограммы позволяют определить: коэффициент отражения R, резонансную длину волны λБр

иширину спектра отражения на уровне половинной мощности Δλ. С помощью инструментального микроскопа находят длину брэгговской решётки l. Это даёт возможность рассчитать величину амплитудымодуляциипоказателяпреломлениясердцевины

	nБр =	λБр		,	(1.16)
		πltanh (	Rmax )

где Rmax – коэффициент отражения на центральной длине волны брэгговского резонанса решётки. Так, например, для (ВБР), имеющей брэгговский резонанс на 1550 нм, с коэффициентом отражения 10 % и длиной решетки15 мм, величина амплитудымодуляции nБр всоответствиисформулой(1.11) составляетпримерно1,077·10−5.

Количество штрихов решётки рассчитывается по формуле

N =	2l nэф	.	(1.17)
	λБр

Ширинаспектраотражениянауровнеполовинноймощности

		n 2			1 2
λ = λБрα				+		.	(1.18)
		2nс			N

Параметр α изменяется от единицы для сильно-отражатель- ных решёток (R ~ 1) до 0,5 для слабо-отражательных решеток

(R ~ 0,1).

35

В настояшей и последующей работах будут измерены и математически смоделированы указанные выше основные характеристики волоконной брэгговской решётки с последующим сравнением полученных результатов.

1.5.2. Исследование основных характеристик волоконной брэгговской решётки с помощью поляризационного микроскопа

Цель работы: Исследование волоконной решётки Брэгга с помощью поляризационного микроскопа.

Оборудование и принадлежности:

		Наименование	Примечание	Коли-
				чество
	1.	Оптический поляриза-	Используется имеющийся в наличии	1
	ционный микроскоп		(Leica DMi 8)
	2.	Волоконные брэггов-	По заданию преподавателя выбирается одна	1
	ские решётки		или несколько из имеющихся в наличии

Порядок выполнения работы:

1.Изучить инструкцию по работе с поляризационным оптическим микроскопом.

2.Получитьисследуемуюволоконнуюбрэгговскуюрешетку.

3.Настроить поляризационный микроскоп в режиме темного поля (поляризатор и анализатор ориентированы перпендикулярно) согласно инструкции.

4.Установить исследуемую решётку на предметном столе.

5.Настроить изображение и получить картину, аналогичную рис. 1.20.

6.В зависимости от функциональных возможностей микроскопа сделать фотографию или сохранить полученное изображение в электронном виде.

7.С помощью масштабных меток или программных средств определить период брэгговской решётки Λ. Для повышения точно-

сти расчётов не менее пяти раз измерить расстояние х, на котором укладывается10 штриховизображения. РассчитатьΛ, мкм:

36

Λ =	x	,	(1.19)
	10
результаты занести в табл. 1.4.			Таблица 1.4

Результаты исследования волоконной решётки Брэгга

Номер опыта/	Период	Длина решётки	Количество
характеристика	решётки		штрихов
1
2
3
4
5
Среднее значение
Доверительный интервал

8. Пять раз измерить длину решётки l метрологически поверенным средством: линейкой, штангенциркулем или имеющимся в наличии. Расcчтиать количество штрихов

N =	l	.	(1.20)
	Λ

Результаты занести в табл. 1.4.

9.По результатам работы рассчитать среднее значение и доверительный интервал периода решётки, длины решётки и количества штрихов.

10.Из паспортных данных волоконной брэгговской решётки

взять величину λБр и с учётом полученных средних значений ко-

личества штрихов N и длины решётки рассчитать эффективный показатель преломления сердцевины оптического волокна

n =	λБрN	,	(1.21)
эф	2l

полученные результаты сравнить с типичным значением nc = 1,468 надлиневолныλ= 1550 нм, притемпературеТ= 300К.

37

11. Содержание отчета:

1)Краткая теоретическая часть;

2)Фотография решётки Брэгга;

3)Таблицы с результатами расчётов;

4)Сравнение полученных результатов с паспортными дан-

ными;

5)Выводы по работе.

1.6.Контрольные вопросы

1.Конструкция волоконно-оптических кабелей.

2.Окна прозрачности оптического волокна.

3.Распространение света в волоконно-оптических кабелях.

4.Потери света в волоконно-оптическом кабеле.

5.Структура плоской электромагнитной волны.

6.Основной тип волны в одномодовом оптическом волокне.

7.Высшие типы волн в многомодовых оптических волокнах.

8.Профили показателей преломления оптических волокон.

9.Волоконные брэгговские решетки.

10.Методы записи волоконных брэгговских решеток.

11.Представить фотографию волоконной брэговской решётки, записанную методом фазовой маски.

1.7.Список литературы

1.Варжель С.В. Волоконные брэгговские решетки: учебник / Университет ИТМО. – СПб., 2015. – 65 с.

2.Солимено С., Крозиньяни Б., Ди Порто П. Дифракция и волноводное распространение оптического излучения [Электрон-

ный ресурс]. – М.: Мир, 1989. – 664 с. – URL: https://scask.ru/k_ book_dfr.php?id=289 (дата обращения: 02.04.2023).

3.Комплекс для записи волоконных брэгговских решеток

[Электронный ресурс]. – URL: https://sphotonics.ru/solutions/ kompleks-dlya-zapisi-volokonnykh-breggovskikh-reshetok/ (дата обращения: 02.04.2023).

38

4.Молодцов В.В., Фукин И.И. Высокоточные оптоволоконные датчики [Электронный ресурс]. – М.: МФТИ, 2019. – 37 с. – URL: https://mipt.ru/upload/medialibrary/cbf/molodtsov_fokin_fiber_ optical_detectors.pdf#:~:text=Длина%20волны%20отсечки%20-%- 20минимальная,форму%2C%20являющуюся%20суперпозицией% 20различных%20мод (дата обращения: 02.04.2023).

5.Гончаренко А.М., Карпенко В.А. Основы теории оптических волноводов. – Изд. 2-е, испр. – М.: Едиториал УРСС, 2004. – 240 с.

6.Пименов Ю.В., Вольман В.И., Муравцов А.Д. Техническая электродинамика. Радио и связь. – М., 2000. – 536 с.

7.Волновая теория передачи по световодам [Электронный ресурс]. – URL: https://studfile.net/preview/7124441/page:26/ (дата обращения: 02.04.2023).

8.Свойства световода, основанные на законах электромаг-

нитного поля [Электронный ресурс]. – URL: http://foos.sfedu.ru/ glava1/1.3.html (дата обращения: 02.04.2023).

39

2. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СПЕКТРОВ ОТРАЖЕНИЯ ВОЛОКОНОЙ БРЭГГОВСКОЙ РЕШЁТКИ

2.1. Краткие теоретические сведения

Подробно теоретические основы распространения света в оптических волокнах и волоконных брэгговских решётках изложены в гл. 1.

В настоящей работе компьютерное моделирование спектров отражения волоконной брэгговской решётки проводится на основе модели, представленной на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Модель волоконной брэгговской решётки

При построении модели были сделаны следующие упрощающие предположения:

1.Сечение сердцевины оптического волокна имеет бесконечный радиус.

2.Длина сердцевины является бесконечной.

3.Сердцевина имеет постоянный показатель преломления. Поглощения и рассеяния излучения в сердцевине нет.

40