СПОСОБ ИЗМЕНЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ В ГЕРМАНОСИЛИКАТНОМ СТЕКЛЕ Российский патент 1997 года по МПК G02B6/124 G02F1/00 

Изобретение относится к области волоконной и интегральной оптики и промышленно применимо в элементах волоконной и волноводной оптики, выполненных из германосиликатного стекла, в частности в волоконнооптических брегговских и длиннопериодных решетках, компенсаторах дисперсии, интегральнооптических волноводах и т.п.

Изменение показателя преломления в германосиликатном стекле происходит вследствие фотоиндуцированного эффекта и связывается с наличием дефектов, приводящих к появлению характерных полос в спектре поглощения германосиликатного стекла.

Известен способ изменения показателя преломления в оптическом волноводе из германосиликатного стекла, включающий воздействие на волоконный световод вдоль оптической оси лазерным излучением с длиной волны λ вблизи 480 нм [K. O. Hill, Y. Fujii, D.C. Johnson and B.S. Kawasaki. Photosensitivity in optical fider waveguides: application to reflection filter fabrication. Appl. Phys. Lett. Vol. 32 (10), 647 649 (1978)] Использовался аргоновый лазер мощностью около 1 Вт и длиной волны когерентности около 30 см. При этом имело место двухфотонное взаимодействие, то есть изменение показателя преломления осуществлялось при возбуждении полосы 240 нм. В волоконном световоде происходила интерференция входящего и отраженного от торца лучей, вследствие чего в световоде формируется решетка показателя преломления.

Недостатком этого способа является малое изменение показателя преломления Dn (≈10^-6) и невозможность варьирования периода формируемой решетки.

Наиболее близким решением к заявляемому является известный способ изменения показателя преломления в оптическом волноводе из германосиликатного стекла, включающий воздействие на волоконный световод под углом к поверхности волновода лазерным излучением с длиной волны λ вблизи 240 нм (G. Meltz, W. W. Morey, W.H. Glen. Formation of Bragg gratings in optical fibers by a transverse holographic method. Opt. Lett. Vol. 14 (15), 823 825 (1989)] В частности, в указанном прототипе изменение показателя преломления может быть осуществлено при воздействии излучения второй гармоники аргонового лазера l 244 нм), четвертой гармоники неодимового лазера l 266 нм), эксимерного лазера на основе KrF l 248 нм) или второй гармоники лазера на красителе l 240 нм). На практике обычно используют эксимерный лазер, самый ненадежный, сложный и дорогостоящий из перечисленных.

Излучение второй гармоники аргонового лазера обладает достаточно большой мощностью (≈ 0,2 Вт) и длиной когерентности (≈ 5 см), поэтому с его помощью решетку в волоконном световоде формируют с использованием эффекта интерференции, направляя два пучка под углом v к поверхности световода. Однако средняя мощность недостаточна, чтобы сформировать решетку в случае, когда излучение направляется вдоль оси волоконного световода из-за недопустимо высокого поглощения. Изменяя угол v, можно варьировать период формируемой решетки. Аналогичным способом изменение показателя преломления может быть осуществлено при воздействии излучения четвертой гармоники неодимового лазера (мощность ≈ 1 Вт), длина когерентности которого составляет 2 3 см. К сожалению, использование этого лазера недостаточно эффективно, поскольку попадает в край полосы поглощения германосиликатного стекла. Мощное излучение эксимерного лазера и лазера на красителе (> 2 Вт), попадающее в центр полосы поглощения германосиликатного стекла, обеспечивает достаточно большое изменение показателя преломления (≈10^-3). Однако излучение этих лазеров имеет малую длину когерентности (< 1 мм), что сильно затрудняет использование эффекта интерференции при формировании решеток (решетки формируют при использовании специальных дорогостоящих и недолговечных кварцевых масок, через которые проходит лазерное излучение).

Основным недостатком прототипа является использование слишком коротковолнового лазерного излучения, приводящего к деградации оптических элементов (возрастающей при повышении мощности) и дополнительным наводимым в оптических элементах потерям (в частности, широкой полосы поглощения с максимумом около 290 нм), также препятствующим формированию протяженных или нескольких решеток. Такое излучение не пропускается полимерными оболочками стандартных волоконных световодов, что затрудняет формирование в них решеток (световоды необходимо освобождать от оболочек). Кроме того, используемые в прототипе лазерные источники излучения обладают недостаточно высокой надежностью.

С помощью заявляемого изобретения решается задача повышения длины волны лазерного излучения, используемого для изменения показателя преломления в германосиликатном стекле.

Задача решается тем, что в известном способе изменения показателя преломления в германосиликатном стекле, включающем воздействие на стекло лазерным излучением, воздействие осуществляют излучением с длиной волны в диапазоне от 275 до 390 нм.

В частности, лазерное излучение направляют вдоль оптической оси элемента, выполненного из германосиликатного стекла.

В частности, лазерное излучение направляют под углом к поверхности элемента, выполненного из германосиликатного стекла.

В частности, лазерное излучение направляют одновременно вдоль оптической оси и под углом к поверхности элемента, выполненного из германосиликатного стекла.

В частности, элемент может быть выполнен в виде отрезка волоконного световода. При этом на него может быть нанесена защитная полимерная оболочка.

В частности, элемент может быть выполнен в виде пластины.

В частности, воздействие на стекло может быть осуществлено ультрафиолетовым излучением аргонового лазера.

В частности, воздействие на стекло может быть осуществлено третьей гармоникой излучения неодимового лазера.

В частности, неодимовый лазер может быть выполнен на основе иттрий-алюминиевого граната.

В частности, воздействие на стекло может быть осуществлено излучением азотного лазера.

В частности, воздействие на стекло может быть осуществлено излучением криптонового лазера.

В частности, воздействие на стекло может быть осуществлено ультрафиолетовым излучением гелий-кадмиевого лазера.

На фиг. 1 приведен характерный спектр поглощения германосиликатного стекла, а на фиг. 2, 3 и 4 схематически изображено взаимное расположение отрезка волоконного световода 1 и пучка лазерного излучения 2 при продольной геометрии, когда лазерное излучение направляют вдоль оптической оси световода (фиг. 2), при поперечной геометрии, когда лазерное излучение направляют под углом v к его поверхности (фиг. 3), и при продольно-поперечной геометрии, когда лазерное излучение направляют одновременно вдоль оптической оси световода и под углом к его поверхности (фиг. 4). Показана также область 3, где сформирована решетка (на фиг. 2 она занимает весь отрезок волоконного световода). Направление лазерного пучка показано стрелкой.

Сущность изобретения заключается в том, что, как показано авторами данного изобретения, необходимое для промышленного применения изменение показателя преломления германосиликатного стекла может быть обеспечено при воздействии лазерного излучения с длиной волны, попадающей не только в традиционно используемые мощные полосы поглощения вблизи длин волн 185 и 240 нм, но и в более слабую полосу поглощения с длиной волны вблизи 330 нм (фиг. 1).

Такое излучение пропускается защитной полимерной оболочкой волоконных световодов. Для получения длины волны излучения в диапазоне от 275 до 390 нм можно использовать более надежные и долговечные лазеры, чем в прототипе. В частности, ясно, что более надежным источником излучения является неодимовый лазер, когда используется третья гармоника его излучения (как в заявляемом изобретении), а не четвертая (как в прототипе). То же самое относится и к аргоновому лазеру: в заявляемом изобретении используется одна из основных линий излучения, тогда как в прототипе вторая гармоника.

Как показал наш опыт, меньшее поглощение германосиликатного стекла в указанном диапазоне нисколько не препятствует созданию заданного изменения показателя преломления. При этом обнаружено, что полностью отсутствуют наведенные потери с максимумом полосы поглощения вблизи 290 нм. Малые потери в указанном диапазоне позволяют формировать решетки не только при поперечной (фиг. 3), но и при продольной (фиг. 2) и продольно-поперечной (фиг. 4) геометрии. При продольной геометрии (фиг. 2) период решетки неизменен, а при поперечной (фиг. 3) и продольно-поперечной (фиг. 4) геометрии его можно варьировать, изменяя угол v.

По сравнению с прототипом более длинноволновое излучение (с меньшей энергией фотонов), используемое в заявляемом изобретении, не приводит к заметной деградации оптических элементов.

В устройстве, реализующем заявляемый способ, использовали один из лазеров: 1) аргоновый лазер (ультрафиолетовое излучение с длиной волны 333, 350 и/или 364 нм); 2) неодимовый лазер на основе иттрий-алюминиевого граната (третья гармоника с длиной волны 355 нм); 3) азотный лазер (длина волны 330 нм); 4) криптоновый лазер (длина волны 350 нм); 5) гелий-кадмиевый лазер (ультрафиолетовое излучение с длиной волны 330 и/или 350 нм). Все эти лазеры обладают существенно более высокой надежностью и долговечностью, чем традиционно используемый эксимерный лазер. Сложнее получить достаточно мощное для записи решеток ультрафиолетовое излучение второй гармоники аргонового лазера с длиной волны 244 нм, чем излучение его основной частоты. Аналогично труднее получить четвертую гармонику неодимового лазера, чем его третью гармонику. Параметры используемых лазеров и геометрия эксперимента приведены в таблице.

Создавали длиннопериодную решетку в волоконном световоде, выполненном из германосиликатного стекла. Волоконный световод получали как с использованием атмосферы водорода, так и без обработки водородом. Обычно германосиликатное стекло содержало 12 мол. GeO₂ и 88 мол. SiO₂. В некоторых случаях в состав стекла вводили добавки B, Sn и/или P, а также примеси редкоземельных элементов.

Запись осуществляли как интерференционным способом (как на фиг. 2 4), так и с использованием одного сфокусированного лазерного пучка (режим "точка за точкой").

Испытание решеток с периодом 200 мкм, изготовленных с помощью заявляемого способа, показало, что они столь же работоспособны, как и изготовленные с помощью прототипа, при этом изменение показателя преломления составляет Dn ≈ 10^-4. При этом отсутствовали характерные для прототипа дополнительные потери. Более того, при использовании германосиликатного стекла, обработанного в присутствии водорода, наблюдалось обесцвечивание стекла (снижение наведенных потерь).

Примеры конкретного выполнения приведены в таблице.

Изобретение относится к области волоконной и интегральной оптики и применимо в элементах волоконной и волноводной оптики, выполненных из германосиликатного стекла, в частности в волоконно-оптических брегговских и длиннопериодных решетках, компенсаторах дисперсии, интегрально-оптических волноводах. Сущность изобретения: для изменения показателя преломления в отрезке волоконного световода на него направляют лазерное излучение с длиной волны от 275 до 380 нм, проходящее через защитную полимерную оболочку волоконного световода. 12 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Способ изменения показателя преломления в германосиликатном стекле, включающий воздействие на стекло лазерным излучением, отличающийся тем, что воздействие осуществляют излучением с длиной волны в диапазоне от 275 до 390 нм. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что лазерное излучение направляют вдоль оптической оси элемента, выполненного из германосиликатного стекла. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что лазерное излучение направляют под углом к поверхности элемента, выполненного из германосиликатного стекла. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что лазерное излучение одновременно направляют вдоль оптической оси и под углом к поверхности элемента, выполненного из германосиликатного стекла. 5. Способ по пп. 2 4, отличающийся тем, что элемент выполнен в виде отрезка волоконного световода. 6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что на элемент, выполненный в виде отрезка волоконного световода, нанесена защитная полимерная оболочка. 7. Способ по пп. 2 4, отличающийся тем, что элемент выполнен в виде пластины. 8. Способ по пп. 1 7, отличающийся тем, что воздействие на стекло осуществляют ультрафиолетовым излучением аргонового лазера. 9. Способ по пп. 1 7, отличающийся тем, что воздействие на стекло осуществляют третьей гармоникой излучения неодимового лазера. 10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что неодимовый лазер выполнен на основе иттрий-алюминиевого граната. 11. Способ по пп. 1 7, отличающийся тем, что воздействие на стекло осуществляют излучением азотного лазера. 12. Способ по пп. 1 7, отличающийся тем, что воздействие на стекло осуществляют излучением криптонового лазера. 13. Способ по пп. 1 7, отличающийся тем, что воздействие на стекло осуществляют ультрафиолетовым излучением гелий-кадмиевого лазера.