СПОСОБ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ МОДУЛЯЦИИ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ В ВОЛОКОННОМ СВЕТОВОДЕ Российский патент 1998 года по МПК G02B6/00 

Изобретение относится к области волоконной оптики и промышленно применимо при изготовлении различных элементов, таких как длиннопериодные решетки показателя преломления, компенсаторы дисперсии, спектральные фильтры, каскадные конвертеры на вынужденном комбинационном рассеянии, датчики физических величин (показателя преломления, температуры, напряжений и т.д.), элементов для подавления излучения на заданных длинах волн, например пика усиленной спонтанной люминесценции на длине волны 1,53 мкм в эрбиевых волоконных усилителях, спонтанной люминесценции в области 1,06 мкм в неодимовых усилителях и лазерах, работающих в других спектральных диапазонах, а также для сглаживания спектра усиления эрбиевых волоконных усилителей, используемых, в частности, в системах со спектральным уплотнением каналов.

Известен способ модуляции показателя преломления сердцевины волоконного световода с оболочкой по его длине, включающий внешнее воздействие на световод [К.О. Hill, Y. Fujii, D.С. Johnson and В.S. Kawasaki. Photosensitivity in optical fiber waveguides: application to reflection filter fabrication. Appl. Phys. Lett. Vol. 32 (10), 647-649 (1978)]. Изменение показателя преломления происходит вследствие фоторефрактивного эффекта и обусловлено наличием дефектов, приводящих к появлению характерных полос в спектре поглощения сердцевины световода. Для этой цели используют аргоновый лазер с длиной волны излучения 480 нм и мощностью около 20 Вт. При этом имеет место двухфотонное взаимодействие. В волоконном световоде происходит интерференция входящего и отраженного от торца лучен, вследствие чего в световоде возникает периодическое изменение показателя преломления.

Недостатком этого способа является малое изменение показателя преломления Δn (≈ 10^-6), невозможность варьирования периода формируемой решетки, высокая стоимость и сложность в эксплуатации устройства, реализующего данный способ.

Известен способ модуляции показателя преломления сердцевины волоконного световода с оболочкой по его длине, включающий внешнее воздействие на световод [G. Meltz, W.W. Merey, W.H. Glen. Formation of Bragg gratings in optical fibers by a transverse holographic method. Opt. Lett. 14 (15), 823-825 (1989)]. В данном способе на волоконный световод воздействуют лазерным излучением с длиной волны вблизи 240 нм, используя для этой цели излучение второй гармоники аргонового лазера, четвертой гармоники неодимового лазера, эксимерного лазера на основе KrF или лазера на красителе. 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 θ (тэта) к поверхности световода. Изменяя угол тэта, 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. Мощное излучение эксимерного лазера и лазера на красителе (>2 Вт) обеспечивает достаточно большое изменение показателя преломления (≈ 10^-3). Однако излучение этих лазеров имеет малую длину когерентности (<1 мм), что не позволяет использовать эффект интерференции при сформировании длиннопериодных решеток показателя преломления. Такие решетки формируют с помощью амплитудных масок, обеспечивающих периодическое изменение интенсивности лазерного излучения по длине световода.

Наиболее близким к заявляемому является известный способ модуляции показателя преломления сердцевины волоконного световода с оболочкой по его длине, включающий внешнее воздействие на световод, во время периодического прерывания которого осуществляют относительное перемещение области внешнего воздействия вдоль оси волоконного световода на расстояние, кратное пространственному периоду изменения показателя преломления [К.О. Hill, F. Bilodean, В. Malo, D.С. Malo, D.С. Johnson, I.S. Kinner, "Efficient mode conversion in telecommunication fibre using externally writing gratings", Electron. Lett. 26 1270-1272 (1990)]. В прототипе фоточувствительный волоконный световод засвечивают со стороны боковой поверхности излучением KrF лазера, прошедшим через узкую щель. В области воздействия происходит фотоиндуцированное локальное увеличение показателя преломления, соответствующее записи единичного штриха решетки. Далее излучение прерывают, а световод перемещают вдоль его оси относительно лазерного пучка на длину, равную периоду решетки, после чего записывают следующий штрих решетки. Путем периодического повторения процедур засвечивания и перемещения световода вдоль его оси формируют периодическую последовательность участков сердцевины с разным показателем преломления (решетку).

Недостатками прототипа является сложность модуляции показателя преломления из-за использования ультрафиолетового лазерного излучения, а также необходимость использования специальных типов волоконных световодов с материалом сердцевины, обладающим фоточувствительностью. Последнее обстоятельство сильно ограничивает выбор световодов, пригодных для модуляции показателя преломления по методу прототипа. Кроме того, используемые в прототипе ультрафиолетовые лазеры обладают относительно высокой стоимостью, сложностью в эксплуатации и недостаточно высокой надежностью, а их излучение опасно для человека.

С помощью заявляемого изобретения решается задача упрощения модуляции показателя преломления.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе модуляции показателя преломления сердцевины волоконного световода с оболочкой по его длине, включающем внешнее воздействие на световод, во время периодического прерывания которого осуществляют относительное перемещение области внешнего воздействия вдоль оси волоконного световода на расстояние, кратное пространственному периоду изменения показателя преломления, внешним воздействием вызывают изменение показателя преломления стекла за счет локальной термодиффузии в оболочку элементов, входящих в состав сердцевины, и/или локальную термодиффузию в сердцевину элементов, входящих в состав оболочки, причем воздействуют излучением электрической дуги или инфракрасного лазера.

В частности, воздействуют излучением СО-лазера, CO₂-лазера, эрбиевого лазера или гольмиевого лазера.

В частности, воздействуют на волоконный световод с сердцевиной на основе кварцевого стекла, легированного азотом SiO₂: N.

В частности, воздействуют на волоконный световод с сердцевиной, легированной фосфором, алюминием, натрием, калием, литием, цезием, германием и/или редкоземельными элементами.

В частности, воздействуют на волоконный световод с кварцевой сердцевиной И оболочкой, легированной фтором.

В частности, воздействуют на волоконный световод с сердцевиной, легированной германием и оболочкой, легированной фтором.

В частности, воздействуют на волоконный световод с оболочкой, легированной бором.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства для модуляции показателя преломления с помощью электрической дуги; на фиг. 2 -блок-схема устройства для модуляци показателя преломления с помощью лазера; на фиг. 3 - характерный спектр пропускания созданной с помощью термодиффузии длиннопериодной решетки длиной 20 мм.

В устройстве для модуляции показателя преломления с помощью электрической дуги (фиг. 1) электроды 1 расположены перпендикулярно оси волоконного световода с оболочкой 2 и сердцевиной 3. Световод закреплен фиксаторами 4. Электроды подключены к блоку питания 5, задающему ток электрической дуги 6. С помощью микрометрического микропозиционера 7 с шаговым двигателем 8, предназначенного для перемещения электродов 1 вдоль оси световода, создаются периодические локальные области 9, в которых из-за термодиффузии показатель преломления сердцевины отличается от его значения в областях, не подверженных термодиффузии, как показано на приведенной на фиг.1 зависимости показателя преломления сердцевины n от координаты Z вдоль оси световода. Для контроля модуляции показателя преломления устройство (фиг.1) содержит источник белого света 10 и оптический спектроанализатор 11 (Anritsu MS95A). Компьютер 12 управляет шаговым двигателем 8 микропозиционера 7 и задает режим электрической дуги 6, управляя блоком питания 5. Программа для управления шаговым двигателем 8 микропозиционера 7 и блоком питания 5 электрической дуги 6 разработана в НЦВО и выполнена на языке программирования Паскаль, автор Васильев С.А.

В устройстве для модуляции показателя преломления с помощью лазера 13 (фиг. 2) лазерное излучение фокусируют линзой 14 на сердцевину световода 3. Время воздействия задают оптическим затвором 15, а перемещение световода относительно лазерного пучка 16 - микрометрическим позиционером 7 с шаговым двигателем 8, управляемым компьютером 12.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в новом механизме модуляции показателя преломления сердцевины волоконного световода. Если в прототипе показатель преломления изменяется вследствие фоторефрактивного эффекта при воздействии ультрафиолетовым излучением, то в предлагаемом изобретении - из-за термодиффузии элементов, входящих в состав сердцевины и/или оболочки при прогреве локального участка световода дуговым электрическим разрядом (фиг. 1) или излучением инфракрасного лазера (фиг.2). Результатом диффузии является локальное изменение показателя преломления сердцевины (запись одного штриха решетки). Полностью решетка формируется путем последовательной записи отдельных штрихов при смещения области нагрева вдоль оси волоконного световода на длину, кратную периоду решетки. Штрихи решетки можно записывать, последовательно смещая волоконный световод относительно источника нагрева (или наоборот) на один период решетки, на два периода, проходя дважды по одному и тому же участку световода и т.д.

Оптимальная температура и время записи штрихов решетки зависят от химических составов сердцевины и оболочки волоконного световода и могут быть определены экспериментально. В кварцевых световодах с сердцевиной, легированной GeO₂, диффузия Ge протекает эффективно при температурах более 1400^oC [ К. Shiraishi, Y. Aizawa, S. Kawakami "Beam expanding fiber using thermal diffusion of the dopant", Journal Of Lightwave Technology 8. no.8 (1990)]. Медленное протекание диффузии приводит к большим временам записи, а высокая температура, близкая к температуре плавления SiO₂, может приводить к деформациям волоконного световода.

От этого недостатка свободны, в частности, кварцевые световоды с сердцевиной, легированной азотом или световоды с кварцевой сердцевиной и оболочкой, легированной фтором, поскольку коэффициенты диффузии N и F в Sio₂, как показывает наш опыт, значительно выше, чем для Ge. Как следствие, их диффузия эффективно протекает при значительно меньших температурах, а для записи одного штриха решетки требуется значительно меньшее время.

Локальный нагрев волоконного световода обеспечивается дуговым электрическим разрядом переменного тока, поддерживаемым между вольфрамовыми электродами (аналогичным применяемому в установках для сварки волоконных световодов [Бубнов М.М., Макаренко А.Ю., "Минимизация оптических потерь при сварке одномодовых световодов", Электросвязь, 8, 45-46, 1990]). Выбором расстояния между электродами и тока дуги можно изменять длину зоны прогрева и температуру. В частности, расстояние между электродами может находиться в интервале от D до 100 D и более, где D - внешний диаметр оболочки волоконного световода, а ток 5 - 50 мА и более.

Для локального нагрева может быть использован лазер с длиной волны излучения, на которой материал световода имеет значительное поглощение (порядка 0,1 - 10 см^-1). Для этой цели могут быть применены инфракрасные лазеры, например, СО-лазер (длина волны около 5 мкм), CO₂-лазер (длина волны около 10 мкм), эрбиевый лазер (длина волны 2,76 мкм) и гольмиевый лазер (длина волны 2,94 мкм) [Физические величины: Справочник / А.П. Бабичев и др. ; Под. ред. И.С. Григорьева, Е.3. Мейлихова. - М.: Энергоатомиздат, 1991, 1232 с.]. Хотя поглощение в чистом кварцевом стекле на длине волны излучения эрбиевого лазера составляет менее 5•10^-2 см^-1, оно может быть увеличено на несколько порядков за счет поглощения в колебательной линии ОН-связи в кварцевом стекле (2,76 мкм), содержащем гидроксильные группы.

С помощью электрической дуги может быть достигнут минимальный размер прогреваемой области, примерно равный внешнему диаметру волоконного световода (обычно 125 мкм). При воздействии излучением инфракрасных лазеров этот размер может составлять менее 10 мкм.

В длиннопериодных решетках из-за резонансной связи мод сердцевины с оболочки [А.М. Vengsarkar, Р.J. Lemaire, J.В. Judkins, V. Bhatia, J.E. Sipe, Т. Erdogan "Long-period fiber grating as band-rejection filters", in Proceedings of Conference on Optical Fiber Communications, OFC'95, OSA Technical Digest, vol. 8, postdeadline paper PD4-2, 1995] происходит селективная перекачка энергии из моды сердцевины в моду оболочки и ее быстрая диссипация, во внешнем полимерном покрытии, нанесенном поверх оболочки. Эти резонансные длины волн определяются периодом решетки и обычно составляют 200 - 400 мкм. Именно наличие этого эффекта служит доказательством существования модуляции показателя преломления волоконного световода.

По сравнению с прототипом заявляемое изобретение обладает следующими преимуществами:
- использование термодиффузии позволяет модулировать показатель преломления и в световодах со слабым фоторефрактивным эффектом;
- используется простой в изготовлении и эксплуатации, а значит, относительно дешевый источник нагрева - дуговой электрический разряд или инфракрасный лазер;
- излучение инфракрасного лазера и электрической дуги более безопасно для человека, чем излучение ультрафиолетового лазера.

Предлагаемый способ при использовании электрической дуги (фиг.1.) реализуется следующим образом. Волоконный световод со снятым полимерным защитным покрытием (фиксируется в зажимах 4, закрепленных неподвижно, далее, с помощью микрометрического позиционера 7 с шаговым двигателем 8 производят установку электродов 1 по оси z световода 2, соответствующую первой области изменения показателя преломления, после чего включают блок питания 5 электрической дуги 6 и производят прогрев световода в течение заданного времени, после чего блок питания дуги выключают. Далее с помощью микрометрического позиционера 7 с шаговым двигателем 8 производят смещение электродов 1 по оси z световода 2 на следующую область изменения показателя преломления, отстоящую от первой на период модуляции показателя преломления, после чего снова включают блок питания 5 электрической дуги 6 и производят прогрев световода в течение заданного времени, затем блок питания дуги выключают. Указанные операции повторяют периодически так, чтобы число их повторений соответствовало требуемому числу периодов модуляции показателя преломления сердцевины волоконного световода. Управление шаговым двигателем 8 микрометрического позиционера 7 и блоком питания 5 электрической дуги 6 с соблюдением требуемой последовательности и периодичности операций осуществляют компьютером 12 при выполнении соответствующей программы. Для контроля процесса формирования решетки показателя преломления регистрируют спектр пропускания волоконного световода, подверженного воздействию, с помощью оптического спектроанализатора 11 и источника белого света 10. Процесс может быть остановлен после достижения требуемой глубины пиков поглощения, соответствующих резонансному взаимодействию моды сердцевины с модами оболочки.

Для реализации предлагаемого способа с помощью инфракрасного лазера используют устройство (фиг. 2), где в отличие от устройства (фиг. 1) световод 2 фиксируют в зажимах 4, закрепленных на подвижной части микрометрического позиционера 7, который обеспечивает передвижение волоконного световода относительно пучка излучения 16 инфракрасного лазера 13, осуществляющего локальный прогрев световода. Пучок фокусируют линзой 14 и периодически прерывают оптическим затвором 15. Устройство (фиг. 2) работает по алгоритму, аналогичному описанному ранее для устройства (фиг. 1) и реализуемому компьютером 12.

С помощью заявляемого изобретения записывали длиннопериодные решетки в кварцевом волоконном световоде с сердцевиной из SiO₂ : N диаметром 4,5 мкм и оболочкой из SiO₂ диаметром 120 мкм, разницей показателей преломления сердцевины и оболочки Δn = 0,012, причем концентрация азота составляла 1 ат.%.

В первом варианте источником нагрева являлась дуговой электрический разряд 5 (фиг. 1). Дугу 5 перемещали вдоль оси световода с помощью микрометрического позиционера 6 на расстояние 250 мкм, контролируемое с точностью 10 мкм. Расстояние между электродами 1 и ток дуги 5 выбирали равными 150 мкм и 15 мА соответственно, так что размер области, где показатель преломления изменился, примерно равнялся диаметру световода. Этот размер контролировали с помощью микроскопа (по характерному размеру области свечения сердцевины ≈ 120 мкм). Время записи каждого штриха составляло 1 с. Шаг решетки 250 мкм, общее число штрихов - 80.

Спектр пропускания (фиг. 3) контролировали с помощью оптического спектроанализатора 13. На спектре видны семь пиков поглощения, соответствующие резонансной перекачке моды сердцевины в осесимметричные моды оболочки, имеющие разные поперечные индексы. Это однозначно свидетельствует о периодической модуляции показателя преломления сердцевины волоконного световода и формировании длиннопериодной решетки показателя преломления сердцевины.

Изобретение относится к области волоконной оптики и промышленно применимо при изготовлении длиннопериодных решеток показателя преломления, компенсаторов дисперсии, спектральных фильтров, каскадных конвертеров на вынужденном комбинационном рассеянии, датчиков физических величин и т.д. Для модуляции показателя преломления в волоконных световодах световод фиксируют в зажимах 4, с помощью микрометрического позиционера 7 с шаговым двигателем 8 устанавливают электроды 1, включают блок питания 5 электрической дуги 6 и прогревают световод в течение заданного времени, после чего блок питания дуги выключают. Далее смещают электроды 1 по оси Z световода 2 на период модуляции показателя преломления, после чего процесс повторяют. Управление шаговым двигателем 8 микрометрического позиционера 7 и блоком питания 5 электрической дуги 6 с соблюдением требуемой последовательности и периодичности операций осуществляется компьютером 12. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ модуляции показателя преломления сердцевины волоконного световода с оболочкой по его длине, включающий внешнее воздействие на световод, во время периодического прерывания которого осуществляют относительное перемещение области внешнего воздействия вдоль оси волоконного световода на расстояние, кратное пространственному периоду изменения показателя преломления, отличающийся тем, что внешним воздействием вызывают локальную термодиффузию в оболочку элементов, входящих в состав сердцевины, и/или локальную термодиффузию в сердцевину элементов, входящих в состав оболочки, причем воздействуют излучением инфракрасного лазера или электрической дуги. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при воздействии излучением инфракрасного лазера используют СО-лазер, СО₂-лазер, эрбиевый лазер или гольмиевый лазер. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что воздействуют на кварцевый волоконный световод с сердцевиной, легированной азотом. 4. Способ по любому из пп.1 3, отличающийся тем, что воздействуют на волоконный световод с сердцевиной, легированной фосфором, алюминием, натрием, калием, литием, цезием, германием и/или редкоземельными элементами. 5. Способ по любому из пп.1 4, отличающийся тем, что воздействуют на волоконный световод с оболочкой, легированной фтором и/или бором.