ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ВОЛОКОННЫЙ СВЕТОВОД И ФОТОИНДУЦИРОВАННАЯ СТРУКТУРА Российский патент 2000 года по МПК G02B6/16 

Изобретение относится к области волоконной оптики и промышленно применимо, в частности, в волоконных лазерах различных конфигураций, в том числе лазерах с накачкой в оболочку световода, каскадных лазерах и конвертерах на вынужденном комбинационном рассеянии, спектральных фильтрах, компенсаторах дисперсии, датчиках физических величин (показателя преломления, температуры, механических напряжений и т.д.), элементах 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 волоконный световод, содержащий оболочку и сердцевину [P.J. Lemaire, R. М. Atkins, V. Mizrahi, W.A. Reed, "High pressure H₂ loading as a technique for achieving ultrahigh UV photosensitivity and thermal sensitivity in GeO₂ doped optical fibres", Electron. Lett., vol. 29, N.13, pp.1191-1193, 1993]. Фоточувствительность этого световода обеспечивается дополнительной его обработкой в атмосфере молекулярного водорода при высоком давлении.

Недостатком этого световода является необходимость дополнительной сложной водородной обработки, а также то, что после проведения такой обработки повышенная фоточувствительность не является долговременной.

Наиболее близким к заявляемому является известный волоконный световод, содержащий оболочку и сердцевину [J.Albert, B.Malo, K.O.Hill, F.Bilodeau, D. C. Johnson, "Comparison of one-photon and two-photon effects in the photosensitivity of germanium-doped silica optical fibers exposed to intense ArF excimer laser pulses", Appl. Phys. Lett., Vol.67, N 24, pp. 3529-3531, 1995] . В данном случае фотоиндуцированное изменение показателя преломления производится излучением с длиной волны 193 нм при высокой плотностью энергии (500 - 600 мДж/см²).

Недостатком этого прототипа является низкая фоточувствительность, вследствие чего требуется высокая плотность энергии для достижения требуемой величины фотоиндуцированного изменения показателя преломления (~ 10^-3), что значительно усложняет процесс записи фотоиндуцированной структуры, делает его менее воспроизводимым. Кроме того, такая фотоиндуцированная структура обладает низкой механической прочностью в силу повреждения поверхности кварцевого стекла, возникающего при ее облучении высокоинтенсивными световыми потоками.

Известна фотоиндуцированная структура, созданная в волоконном световоде, содержащем оболочку и сердцевину [P.J. Lemaire, R.М. Atkins, V. Mizrahi, W A. Reed, "High pressure H₂ loading as a technique for achieving ultrahigh UV photosensitivity and thermal sensitivity in GeO₂ doped optical fibres". Electron. Lett., vol.29, N 13, pp. 1191- 1193, 1993]. Возможность создания этой структуры обеспечивается дополнительной обработкой световода в атмосфере молекулярного водорода при высоком давлении.

Недостатком этой структуры является необходимость дополнительной сложной водородной обработки, а также то, что после проведения такой обработки повышенная фоточувствительность не является долговременной.

Наиболее близким к заявляемой является фотоиндуцированная структура, созданная в волоконном световоде, содержащем оболочку и сердцевину [J.Albert, B. Malo, K. O. Hill, F.Bilodeau, D.C.Johnson, "Comparison of one-photon and two-photon effects in the photosensitivity of germanium-doped silica optical fibers exposed to intense ArF excimer laser pulses", Appl. Phys. Lett., vol. 67, N 24, pp. 3529-3531, 1995]. В данном случае фотоиндуцированное изменение показателя преломления производится излучением с длиной волны 193 нм при высокой плотностью энергии (500 - 600 мДж/см²).

Недостатком этого прототипа является низкая фоточувствительность, вследствие чего требуется высокая плотность энергии для достижения требуемой величины фотоиндуцированного изменения показателя преломления ( Δn ~ 10^-3), что значительно усложняет процесс записи фотоиндуцированной структуры, делает его менее воспроизводимым. Кроме того, такая фотоиндуцированная структура обладает низкой механической прочностью в силу повреждения поверхности кварцевого стекла, возникающего при ее облучении высокоинтенсивными световыми потоками.

С помощью заявляемого изобретения решается техническая задача повышения фоточувствительности волоконного световода и упрощение технологии изготовления фотоиндуцированных структур в нем.

Поставленная задача решается тем, что в волоконном световоде, содержащем оболочку и сердцевину, сердцевина содержит от 0,01 до 5 вес.% атомов серы.

В частности, сердцевина и/или оболочка могут быть выполнены на основе SiO₂.

В частности, оболочка и/или сердцевина могут дополнительно содержать по меньшей мере один химический элемент из группы N, Ga, Al, Fe, F, Ti, В, Sn, Ba, Ta, Zr, Ge, P, Bi.

В частности, химический элемент может входить в составе окисла.

Поставленная задача решается также тем, что в фотоиндуцированной структуре, выполненной в волоконном световоде, содержащем оболочку и сердцевину, сердцевина содержит от 0,01 до 5 вес.% атомов серы.

В частности, показатель преломления в структуре может изменяться от 10^-8 до 10^-2.

В частности, длина структуры вдоль оси волоконного световода может составлять от 0,1 до 10000 мм.

В частности, максимумы показателя преломления в структуре могут быть расположены на расстоянии от 0,05 до 100000 мкм.

В частности, максимумы показателя преломления в структуре могут быть расположены на одинаковом расстоянии друг от друга.

В частности, максимумы показателя преломления в структуре могут быть расположены на расстоянии друг от друга, монотонно изменяющемся вдоль оси волоконного световода.

Заявляемые изобретения, представляющие собой фоточувствительный волоконный световод и выполненную в этом световоде фотоиндуцированную структуру, связаны единым изобретательским замыслом.

Суть изобретений состоит в следующем. Фоточувствительный волоконный световод, сердцевина которого согласно изобретению легирована серой, обладает по сравнению с прототипом следующими преимуществами. Малая концентрация легирующего элемента обеспечивает малые оптические потери в инфракрасном диапазоне спектра. Волноводные свойства волоконного световода, выполненного согласно изобретению, близки к свойствам стандартного световода, что не создает трудностей при их соединении. Кроме того, заявляемый световод, как показал опыт, обладает высокой фоточувствительностью на длине волны 193 нм без проведения дополнительной водородной обработки, осложняющей процесс записи фотоиндуцированных структур и ухудшающей их температурную стабильность. Достаточно большое индуцированное изменение показателя преломления ( Δn ~ 1 • 10^-3) достигается при относительно небольших дозе (D ~ 1 кДж/см²) и плотности энергии (I ~ 100 мДж/см²) ультрафиолетового облучения. Процесс изменения показателя преломления инициируется однофотонным поглощением на указанной длине волны, поэтому требования к пространственной однородности пучка возбуждающего лазерного излучения при записи фотоиндуцированной структуры не столь высоки, как в случае процесса, основанного на двухфотонном поглощении.

Изобретения поясняются чертежами, на которых:
фиг. 1 изображает конструкцию волоконного световода 1, содержащего защитное полимерное покрытие 2, кварцевую отражающую оболочку 3 и сердцевину 4;
фиг.2 изображает блок-схему устройства для модуляции показателя преломления с помощью лазерного ультрафиолетового излучения. Устройство для записи фотоиндуцированной структуры содержит ультрафиолетовый эксимерный ArF лазер 5, излучение которого попадает на фазовую маску 6, причем дополнительная фокусировка излучения для повышения его плотности на поверхности маски 6 может осуществляться с помощью цилиндрической линзы 7. Фоточувствительный волоконный световод 1 располагается за маской 6 в области интерференции пучков +1 и -1 порядков дифракции. Время записи в зависимости от требуемых параметров фотоиндуцированной структуры может варьироваться в диапазоне от нескольких секунд до нескольких минут;
фиг. 3 изображает характерный спектр пропускания созданной с помощью заявляемых изобретений брегговской решетки с периодом 535 нм и длиной 3 мм. Запись решетки производилась при плотности энергии 100 мДж/см², частоте повторения импульсов лазерного излучения 10 Гц и временем облучения 15 мин;
фиг. 4 изображает зависимость наведенного показателя преломления от дозы излучения эксимерного ArF лазера. Эта зависимость получена путем анализа спектра пропускания решетки (фиг. 3).

При изготовлении заготовки для фоточувствительного волоконного световода с оболочкой из нелегированного кварцевого стекла, сердцевиной из стекла, легированного серой, использовался известный метод SPCVD [D.Pavy, M.Moisan, S. Saada, P. Chollet, P. Leprince, J.Marec: "Fabrication of optical fiber preforms by a new surface-plasma CVD process", ECOC'86, pp. 19-22, 1986]. Применяли плазменный разряд пониженного давления. Опорную кварцевую трубку диаметром 20 мм и толщиной стенок 2 мм нагревали до температуры 1300^oC. В опорную трубку подавали смесь состава SiCl₄ + SO₂ при полном давлении 1 мм рт. ст. СВЧ-мощность изменяли в диапазоне 1 - 5 кВт. Количество поступающего в реактор диоксида серы в единицу времени составляло 2,5 • 10^-3 моль/мин.

Используя полученную заготовку, был изготовлен фоточувствительный волоконный световод стандартных размеров, содержащий 0.4 вес.% серы. Под действием излучения эксимерного ArF лазера с длиной волны 193 нм и плотностью энергии в импульсе 100 мДж/см² создавали стабильный индуцированный показатель преломления Δn ≈ 1•10^-3. Условия облучения: длительность облучения 15 мин, длительность импульсов 20 нс, частота импульсов f = 10 Гц, доза облучения D = 1 кДж/см². В этом световоде была записана брегговская решетка с использованием фазовой маски с периодом 1070 мкм и подавленным нулевым порядком по методу [K.О. Hill, В. Malo, F. Bilodeau, D.C.Johnson, J. Albert, "Bragg grating fabricated in monomode photosensitive optical fiber by UV exposure through a phase mask", Appl. Phys. Lett., vol.62, N 10, pp.1035-1037, 1993] . Экспериментально измеренный спектр пропускания решетки длиной 3 мм (фиг. 3) подтверждает, что величина индуцированного показателя преломления составляет 1•10^-3. Его величину можно варьировать, изменяя дозу облучения (фиг. 4).

Изобретение используется в волоконных лазерах различных конфигураций, в том числе в лазерах с накачкой в оболочку световода, каскадных лазерах и конвертерах на вынужденном комбинационном рассеянии, спектральных фильтрах, компенсаторах дисперсии, датчиках физических величин (показателя преломления, температуры, механических напряжений), элементах для подавления излучения на заданных длинах волн, эрбиевых волоконных усилителях спонтанной люминесценции в области 1,06 мкм, неодимовых усилителях, для сглаживания спектра усиления эрбиевых волоконных усилителей, используемых, в частности, в системах со спектральным уплотнением каналов. Сердцевина волоконного световода содержит 0,01 - 5 вес.% атомов серы. На световод воздействуют излучением лазера с длиной волны короче 240 нм, причем плотность лазерного излучения не превышает 100 мДж/см². Повышена фоточувствительность волоконного световода, упрощена технология изготовления фотоиндуцированных структур в нем. 2 c. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Фоточувствительный волоконный световод, содержащий оболочку и сердцевину, отличающийся тем, что сердцевина содержит 0,01 - 5 вес.% атомов серы. 2. Световод по п.1, отличающийся тем, что сердцевина выполнена на основе SiO₂. 3. Световод по п.1, отличающийся тем, что оболочка выполнена на основе SiO₂. 4. Световод по п. 1, отличающийся тем, что оболочка и/или сердцевина дополнительно содержат по меньшей мере один химический элемент из группы N, Ga, Al, Fe, F, Ti, B, Sn, Ba, Ta, Zr, Ge, P, Bi. 5. Фотоиндуцированная структура, выполненная в волоконном световоде, содержащем оболочку и сердцевину, отличающаяся тем, что сердцевина содержит 0,01 - 5 вес.% атомов серы. 6. Структура по п.5, отличающаяся тем, что показатель преломления в ней изменяется от 10^-8 до 10^-2. 7. Структура по п.5, отличающаяся тем, что ее длина вдоль оси световода составляет 0,1 - 10000 мм. 8. Структура по п.5, отличающаяся тем, что максимумы показателя преломления в ней расположены на расстоянии 0,05 - 100000 мкм. 9. Структура по п.5, отличающаяся тем, что максимумы показателя преломления расположены на одинаковом расстоянии друг от друга. 10. Структура по п.5, отличающаяся тем, что максимумы показателя преломления расположены на расстоянии друг от друга, монотонно изменяющемся вдоль оси волоконного световода.