СИСТЕМА И СПОСОБ ЗАПИСИ БРЭГГОВСКОЙ РЕШЕТКИ Российский патент 2007 года по МПК G02F1/00 

Изобретение относится к области лазерной и волоконной оптики и предназначено для записи брэгговских решеток в оптических волноводах (оптических волокнах и планарных волноводах).

Данное изобретение, в частности, может быть использовано в производстве оптических лазеров, волоконных датчиков физических величин (датчиков напряжений, температуры, ускорений и др.) и других оптоволоконных устройств.

В настоящее время существует несколько основных систем и способов записи брэгговских решеток в оптических волноводах, которые основаны на облучении сердцевины оптического волновода (волноведущего слоя) ультрафиолетовым излучением через оптическую систему, создающую определенную интерференционную картину на волноведущем слое.

Так, в патенте Японии №71403311, G 02 F 1/01 описан способ для записи брэгговских решеток, в котором на сердцевину оптического волновода воздействуют когерентным источником ультрафиолетового излучения через оптическую систему, содержащую фазовую маску.

Недостатком данного способа записи является низкая термическая стабильность записанных брэгговских решеток, что затрудняет использование данных решеток в мощных волоконных лазерах и практически исключает использование данных решеток при изготовлении датчиков температуры, так как при температурах выше 100°С брэгговские решетки, записанные данным способом, деградируют (распадаются, плывут параметры).

Кроме того, в качестве материала сердцевины оптического волновода в данном способе записи можно использовать только определенный набор фоточувствительных материалов, которые позволяют получить брэгговскую решетку при воздействии на них ультрафиолетового излучения. При этом набор таких фоточувствительных материалов достаточно ограничен.

Наиболее близким к заявленному изобретению по своей технической сущности и достигаемому результату является способ и система записи брэгговских решеток, описанные в патенте US 4807950, G 02 F 1/01, которые выбраны в качестве прототипа.

В данном патенте система для записи брэгговской решетки в опическом волноводе содержит когерентный источник ультрафиолетового излучения, оптическую систему для создания интерференционной картины и подложку для крепления оптического волновода, при этом в качестве оптической системы для создания интерференционной картины используют систему с двумя пересекающимися когерентными лучами, которые получают от одного источника ультрафиолетового излучения.

В данном патенте способ записи брэгговской решетки в оптическом волноводе состоит из следующих операций:

- устанавливают оптический волновод на подложке;

- направляют луч от источника ультрафиолетового излучения через оптическую систему на сердцевину оптического волновода;

- формируют посредством оптической системы интерференционную картину на оптическом волноводе, в результате чего записывают брэгговскую решетку.

Недостатками данного способа и системы записи являются низкая термическая стабильность записанных брэгговских решеток, что затрудняет использование решеток в мощных волоконных лазерах и практически исключает использование данных решеток при изготовлении датчиков температуры, а также узкий набор фоточувствительных материалов, которые могут быть использованы в качестве материала сердцевины оптического волновода.

Брэгговские решетки, записанные данным методом, образуются за счет образования стабильных дефектов в атомарной решетке стекла (разрыва химических связей между атомами вещества сердцевины), что приводит к росту поглощения и, следовательно, показателя преломления материала в облучаемой зоне. Также в волноведущих системах (световодах, волноводах) присутствуют напряжения между сердцевиной и оболочкой, которые снимаются в зонах ультрафиолетового облучения, что также приводит к образованию периодической структуры. В литературе данные решетки называются тип 1 и тип 2а соответственно. При повышенной температуре происходит распад наведенных дефектов и релаксация напряжений, что приводит к распаду решетки.

Задачей настоящего изобретения является создание системы и способа записи брэгговских решеток в оптических волноводах, позволяющих расширить спектр материалов волноведущей сердцевины оптического волновода, пригодных для записи при одновременном значительном увеличении термической стабильности записанных брэгговских решеток.

Поставленная задача решена путем создания системы записи брэгговской решетки, которая содержит когерентный источник ультрафиолетового излучения, оптическую систему для создания интерференционной картины, оптический волновод, подложку для крепления оптического волновода, а также нагревательный элемент, который выполнен с возможностью нагрева оптического волновода до температуры записи брэгговской решетки, которую выбирают не ниже 100°С и не выше температуры размягчения материала оптического волновода, при этом оптическая система расположена между источником ультрафиолетового излучения и оптическим волноводом.

Для функционирования системы существенно, чтобы в качестве оптического волновода она содержала оптическое волокно, планарный волновод или любой аналогичный волновод.

Для функционирования системы важно, чтобы в качестве когерентного источника ультрафиолетового излучения она содержала источник, выбранный из группы, включающей импульсный лазер ультрафиолетового диапазона, постоянный лазер ультрафиолетового диапазона

Для реализации системы важно, что для получения интерференционной картины в оптической системе может быть использована фазовая маска.

В качестве оптической системы для создания интерференционной картины система записи брэгговской решетки может содержать делитель лазерного пучка, набор зеркал или интерферометр Лойда.

Важно отметить, что существует множество вариантов реализации оптической системы, основной задачей которой является получение интерференционной картины. Система может содержать также набор линз, основной задачей которых является увеличение плотности мощности излучения.

Для реализации системы важно, что подложка и нагревательный элемент могут быть объединены в единый элемент.

Для лучшего функционирования системы существенно, что она может содержать стабилизатор температуры нагревательного элемента.

Для контроля функционирования системы существенно, что она может содержать спектрометр, подключенный к оптическому волноводу, для контроля качества записи брэгговской решетки в оптическом волноводе.

Поставленная задача решена также путем создания способа записи брэгговской решетки, при котором формируют поток когерентного ультрафиолетового излучения, модифицируют его в соответствии с задаваемой оптической системой, формируют интерференционную картину на оптическом волноводе, производят запись брэгговской решетки с периодом, равным периоду интерференционной картины, при этом запись брэгговской решетки производят в предварительно термически обработанный оптический волновод, который нагревают перед записью посредством нагревательного элемента до определенной температуры записи брэгговской решетки, которую определяют в зависимости от материала оптического волновода и которая для каждого материала оптического волновода находится в пределах не ниже 100°С и не выше температуры размягчения материала оптического волновода, при этом в течение времени, необходимого для записи брэгговской решетки, температуру оптического волновода поддерживают в пределах не ниже 100°С и не выше температуры размягчения материала оптического волновода.

Для функционирования способа существенно, чтобы в качестве оптического волновода выбирали оптическое волокно, планарный волновод или любой аналогичный волновод.

Для реализации способа важно, что интерференционная картина может быть создана при помощи оптической системы, содержащей фазовую маску.

Для функционирования способа важно, что интерференционная картина может быть создана при помощи оптической системы с делителем лазерного пучка и зеркалами или с помощью интерферометра Лойда.

Для реализации способа желательно, чтобы нагрев оптического волновода был произведен контактным методом.

Возможно также производить нагрев оптического волновода бесконтактным конвекционным методом.

Для функционирования способа существенно, что значение температуры записи брэгговской решетки может быть стабилизировано на период записи брэгговской решетки.

Для реализации способа предпочтительно, что температуру записи брэгговской решетки устанавливают в пределах от 200 до 800°С для волноводов, сердцевина или оболочка которых выполнена на основе кварцевого стекла с добавлением веществ, выбранных из группы, включающей, по меньшей мере, одно из следующих веществ: оксид германия, оксид алюминия, оксид фосфора, оксид бора, оксид олова, фтор, оксид мышьяка, оксид галлия.

Для реализации способа важно, что температуру записи брэгговской решетки устанавливают в пределах от 200 до 600°С для волноводов, сердцевина или оболочка которых выполнена на основе силикатного стекла с добавлением веществ, выбранных из группы, включающей, по меньшей мере, одно из следующих веществ: оксид лития, оксид натрия, оксид калия, оксид рубидия.

Техническим результатом изобретения является расширение спектра материалов волноведущей сердцевины оптического волновода, пригодных для записи при одновременном значительном увеличении термической стабильности записанных брэгговских решеток, за счет нагрева оптического волновода перед записью посредством нагревательного элемента до определенной температуры записи брэгговской решетки.

Для лучшего понимания настоящего изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими чертежами.

Фиг.1 - схема образования брэгговской решетки в волноводе за счет диффузии волноведущего материала (например: SiO₂+GeO₂) в оболочку (например SiO₂).

Фиг.2 - блок-схема системы записи брэгговской решетки в оптическом волноводе при помощи фазовой маски согласно изобретению.

Фиг.3 - блок-схема системы для записи брэгговской решетки в оптическом волноводе при помощи интерференции пересекающихся пучков согласно изобретению.

Введение элемента, осуществляющего нагрев образца во время облучения, приводит к другим механизмам образования брэгговской решетки. Образование решетки происходит за счет более сильной диффузии материала сердцевины волновода (волноведущий слой 1) в оболочку 2 в зоне максимума интерференционной картины 3, чем в зоне минимума 4 (Фиг.1). Это возможно благодаря снижению вязкости материала, а также благодаря тому, что ультрафиолетовое излучение в этом случае является активатором диффузии благодаря способности разрывать химические связи. Основным эффектом, возникающим во время записи брэгговской решетки заявленным способом, является усиление диффузии на границе раздела двух сред, подвергающейся облучению, с ростом температуры этих сред.

В твердых телах диффузия связана с частотой разрыва и восстановления связей под действием температуры, излучения и др. Частоты разрыва и восстановления химической связи в единице объема можно записать выражением:

ν_разр=С₁n₀+n₀α₀ехр(σ(hν_лаз-E)/kT}I_лаз, ν_восст=С_-1n_своб - в облученной зоне;

ν^* _разр=С₁n₀, ν^* _восст=C_-1n_своб - в необлученной зоне,

где C₁, С_-1 - константы скорости прямой и обратной реакций, зависящие от температуры по закону Аррениуса, n₀, n_своб - концентрации целых и оборванных связей, ν_лаз, I_лаз - частота и интенсивность лазерного излучения, Е - энергия запрещенной зоны, α₀exp(σ(hν_лаз-E)/kT) - коэффициент поглощения на краю зоны фундаментального поглощения (правило Урбаха для кристаллических сред, α₁exp(hν_лаз/E+T/T₀) - для стеклообразных).

В стационарном случае равновесия ν_разр=ν_восст и для разности частот в облученной и необлученной областях получаем:

ν-ν^*=n₀α₀exp(σ(hν_лаз-E)/kT)I_лаз.

Как можно видеть, эта разность экспоненциально растет с ростом температуры материала. Данное выражение справедливо для случая однофотонного поглощения при постоянном облучении, но нетрудно убедиться, что полученная закономерность от температуры не меняется с переходом, например, к многофотонному процессу и импульсному лазерному излучению.

Расширение спектра пригодных для записи решеток материалов происходит благодаря фундаментальному механизму их образования. Все материалы, используемые в оптических волноводах, являются диэлектриками и имеют запрещенную зону (область прозрачности), которая ограничивается в коротковолновой области областью электронного фундаментального поглощения и областью фононного поглощения в длинноволновой области. При облучении такого материала излучением с длинной волны, попадающей в зону фундаментального электронного поглощения, в материале наблюдается обрыв связей.

Нагрев волновода имеет следующие преимущества:

a). Нагрев волновода при записи решеток позволяет безболезненно значительно поднимать интенсивность облучения. Увеличение интенсивности облучения для поднятия частоты разрыва в облученной без нагрева облучаемой структуры приведет лишь к разрушению материала. Большинство используемых в волноводной оптике материалов имеют низкую при комнатной температуре константу скорости обратной реакции C_-1. Это приводит к тому, что при интенсивном облучении концентрация n_своб может превысить критическое значение, после которого наступает необратимое разрушение атомарной сетки материала. Все сказанное можно отнести и для случая уменьшения длины волны облучающего излучения.

b). Нагрев волновода при записи приводит к снижению вязкости оболочки и увеличению ее поглощения. Рассмотрим конкретную структуру: германо-силикатный световод с оболочкой из чистого кварцевого стекла. Германо-силикатная сердцевина обладает гораздо большим поглощением в ультрафиолетовом диапазоне, чем чисто кварцевая оболочка. Облучение при комнатной температуре приводит к интенсивным процессам в сердцевине, но к слабому эффекту в оболочке, т.е. граница между сердцевиной и оболочкой остается слабопроницаемой для атомов германия. Нагрев структуры при облучении приводит к снижению вязкости оболочки за счет непосредственно нагрева, увеличению поглощения оболочки из-за сдвига края электронного фундаментального поглощения.

c). Увеличивается коэффициент полезного использования облучающего излучения благодаря сдвигу края электронного фундаментального поглощения.

Для случая волноведущих систем, основанных на кварцевом стекле, применение нагрева должно приводить к еще большему эффекту, так как при комнатной температуре при облучении в объеме стекла образуются стабильные разорванные связи (вакансии) как в сердцевине, так и в оболочке (ν_разр≠ν_восст), которые не участвуют в диффузионном процессе. При облучении жестким ультрафиолетом высокой интенсивности возможно даже разрушение облучаемой структуры.

Рассмотренная частота разрыва и восстановления связей является лишь одним из факторов, влияющих на коэффициент диффузии. Другим фактором является координационное число атома. При равных условиях атом, имеющий большее координационное число, обладает меньшим коэффициентом диффузии, но записанные на нем решетки обладают лучшей термической стабильностью.

Настоящее изобретение предназначено в первую очередь для световодов и волноводов, основанных на силикатном стекле и многокомпонентных оксидных стеклах. Изобретение также может применяться для записи решеток и в оптических волноводах на основе халькогенидных стекол (BaF₂, CaF₂, ...). Температура нагрева оптического волновода для записи брэгговской решетки зависит от состава волновода и лежит выше температуры образования стабильных дефектов под действием излучения и ниже температуры размягчения T_g основного материала. Для каждого состава волновода и условий облучения температура может определяться экспериментально один раз. Для волноводов на основе кварцевого стекла с германо-силикатной сердцевиной оптимальным является диапазон 200-600°С.

Большая, чем при облучении без нагрева, доза и интенсивность облучения, необходимая для записи решеток, компенсируется за счет преимуществ нагрева, описанных выше в пункте а).

В изобретении используется дополнительный нагревательный элемент 5, осуществляющий нагрев волноведущей структуры (волоконный световод, планарный волновод) в системе для записи брэгговских решеток как с помощью фазовых масок (Фиг.2), так и с помощью интерференции пересекающихся когерентных пучков (Фиг.3).

Запись брэгговской решетки осуществляют с помощью ультрафиолетового излучения лазера 6 (Фиг.2, 3). Излучение от источника проходит через фазовую маску 7, на выходе которой формируют интерференционную картину. Интерференционную картину накладывают на подложку 8 с волноводом 9, которая находится в физическом контакте с нагревательным элементом 5 (Фиг.2). Важно отметить, что при расчете параметров фазовой маски 7 необходимо учитывать ее нагрев и изменение показателя преломления от температуры. Важно, чтобы температуру нагревательного элемента 5 стабилизировали, например, при помощи стабилизатора 10 температуры для лучшего оптического качества записываемых брэгговских решеток.

На Фиг.3 представлена блок-схема системы, в которой интерференционную картину формируют с помощью двух пересекающихся когерентных пучков, которые образуются на выходе делителя 12 и один из которых направляется зеркалом 13. Для контроля записи в оптическом волокне используют спектрометр 11.

Каждая из приведенных выше схем может быть использована для записи как в планарных волноводах, так и в оптических волокнах.

Рассмотрим конкретный пример применения способа для записи брэгговской решетки в оптическом волокне на основе кварцевого стекла с сердцевиной легированной 10 мол.% германия на длине волны 1,55 мкм. Для записи используют импульсный ArF лазер с длиной волны излучения 193 нм, попадающей в край фундаментального поглощения. Плотность излучения в импульсе 500 мДж/см² в зоне нахождения волокна. Общая доза облучения составляет более 50 кДж/см².

Фазовую маску 7 прижимают к очищенному от полимера волокну 9, который, в свою очередь, прижимают к нагревательному элементу, служащему также подложкой. Нагревательный элемент 5 имеет температуру 300±1°С, поддерживаемую стабилизатором температуры 10, имеющим обратную связь. Процесс записи брэгговской решетки контролируется с помощью спектрометра 11.

Хотя указанный выше вариант выполнения изобретения был изложен с целью иллюстрации настоящего изобретения, специалистам ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла настоящего изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.

Изобретение относится к области лазерной и волоконной оптики. Суть изобретения заключается в нагреве оптического волновода во время записи брэгговской решетки до температуры, которая зависит от материала оптического волновода и которую выбирают не ниже 100°С и не выше температуры размягчения материала оптического волновода, при этом в течение времени, необходимого для записи брэгговской решетки, поддерживают установленную температуру. Техническим результатом изобретения является увеличение термической стабильности записанных брэгговских решеток. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система записи брэгговской решетки, содержащая когерентный источник ультрафиолетового излучения, оптическую систему для создания интерференционной картины, оптический волновод, подложку для крепления оптического волновода, а также нагревательный элемент, который выполнен с возможностью нагрева оптического волновода до температуры записи брэгговской решетки, которая выбрана не ниже 100°С, и не выше температуры размягчения материала оптического волновода, при этом оптическая система расположена между источником ультрафиолетового излучения и оптическим волноводом.2. Система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве оптического волновода она содержит оптическое волокно, планарный волновод или любой аналогичный волновод.3. Система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве когерентного источника ультрафиолетового излучения она содержит источник, выбранный из группы, включающей импульсный лазер ультрафиолетового диапазона, постоянный лазер ультрафиолетового диапазона4. Система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве оптической системы для создания интерференционной картины она содержит фазовую маску.5. Система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве оптической системы для создания интерференционной картины она содержит делитель лазерного пучка и набор зеркал или интерферометр Лойда.6. Система по п.1, отличающаяся тем, что подложка и нагревательный элемент объединены в единый элемент.7. Система по п.1, отличающаяся тем, что она содержит стабилизатор температуры нагревательного элемента.8. Система по п.1, отличающаяся тем, что она содержит спектрометр, подключенный к оптическому волноводу, для контроля качества записи брэгговской решетки в оптическом волноводе.9. Способ записи брэгговской решетки, при котором формируют поток когерентного ультрафиолетового излучения, модифицируют его в соответствии с задаваемой оптической системой, формируют интерференционную картину на оптическом волноводе, производят запись брэгговской решетки с периодом, равным периоду интерференционной картины, при этом запись брэгговской решетки производят в предварительно термически обработанный оптический волновод, который нагревают перед записью посредством нагревательного элемента до определенной температуры записи брэгговской решетки, которую определяют в зависимости от материала оптического волновода и которая для каждого материала оптического волновода находится в пределах не ниже 100°С и не выше температуры размягчения материала оптического волновода, при этом в течение времени, необходимого для записи брэгговской решетки, температуру оптического волновода поддерживают в пределах не ниже 100°С и не выше температуры размягчения материала оптического волновода.10. Способ записи брэгговской решетки по п.9, отличающийся тем, что в качестве оптического волновода выбирают оптическое волокно, планарный волновод или любой аналогичный волновод.11. Способ записи брэгговской решетки по п.9, отличающийся тем, что интерференционную картину создают при помощи оптической системы, содержащей фазовую маску.12. Способ записи брэгговской решетки по п.9, отличающийся тем, что интерференционную картину создают при помощи оптической системы с делителем лазерного пучка и зеркалами, в том числе с помощью интерферометра Лойда.13. Способ записи брэгговской решетки по п.9, отличающийся тем, что нагрев оптического волновода производят контактным методом.14. Способ записи брэгговской решетки по п.9, отличающийся тем, что нагрев оптического волновода производят бесконтактным конвенционным методом.15. Способ записи брэгговской решетки по п.9, отличающийся тем, что стабилизируют значение температуры записи брэгговской решетки на период записи брэгговской решетки.16. Способ записи брэгговской решетки по п.9, отличающийся тем, что температуру записи брэгговской решетки устанавливают в пределах от 200 до 800°С для волноводов, сердцевина или оболочка которых выполнена на основе кварцевого стекла с добавлением веществ, выбранных из группы, включающей по меньшей мере одно из следующих веществ: оксид германия, оксид алюминия, оксид фосфора, оксид бора, оксид олова, фтор, оксид мышьяка, оксид галлия.17. Способ записи брэгговской решетки по п.9, отличающийся тем, что температуру записи брэгговской решетки устанавливают в пределах от 200 до 600°С для волноводов, сердцевина или оболочка которых выполнена на основе силикатного стекла с добавлением веществ, выбранных из группы, включающей по меньшей мере одно из следующих веществ: оксид лития, оксид натрия, оксид калия, оксид рубидия.