Устройство формирования волоконной решетки Брэгга с возможностью перестройки длины волны отражения Российский патент 2024 года по МПК G02B5/18 G02B6/34 B29D11/00 

Изобретение относится к волоконно-оптическим технологиям, в частности к способу формирования в сердцевине оптического волокна структуры волоконной брэгговской решетки (ВБР) с возможностью перестройки длины волны отражения.

Известен способ формирования волоконной решетки Брэгга с возможностью перестройки длины волны отражения [Патент RU 2690230 С1, 31.05.2019], в котором описано устройство формирования ВБР, состоящее из эксимерной лазерной системы, фазовой маски, поглощающего экрана и оптического комплекса на основе интерферометра Тальбота, содержащего одну пару зеркал. Все элементы устройства расположены по пути распространения излучения последовательно, при этом зеркала интерферометра установлены симметрично относительно главной оптической оси. Ультрафиолетовое излучение длиной волны 248,3 нм дифрагирует на +1/-1 дифракционные порядки, попадая на фазовую маску, и распространяется на зеркала интерферометра, которые повернуты на угол, рассчитанный для получения необходимого периода интерференционной картины в результате пересечения лазерных пучков, отраженных от зеркал интерферометра. Оптическое волокно размещается в области пересечения +1/-1 дифракционных порядков, где возникает интерференционная картина, которая формирует ВБР в сердцевине оптического волокна. Для данного устройства максимальная длина формируемых ВБР равна 15 мм при диаметре зеркал 64,8 мм, таким образом, соотношение длины решетки к диаметру зеркал равно около 0,23.

Недостатком данного устройства является то, что диаметр зеркал интерферометра должен значительно превышать длину формируемых решеток Брэгга, ввиду большого угла падения пучков на зеркала, что приводит к низкому соотношению длины решетки к диаметру зеркал.

Известно устройство формирования дифракционной структуры в оптическом волокне с возможностью перестройки длины волны отражения, выбранный в качестве прототипа [Chuan Li et al. Changing photo-written Bragg wavelengths of fiber gratings via one phase mask and four mirrors // Opt. Laser Technol., 2004. Vol. 36, № 6. P. 459-461], реализация которого осуществляется с помощью фазовой маски и оптического комплекса с интерферометром на 4-х зеркалах. Ультрафиолетовое излучение длиной волны 193 нм, распространяясь через фазовую маску, дифрагирует на несколько порядков, из которых +1/-1 дифракционные порядки попадают на первую пару зеркал, расположенных под углом к нормали, проведенной от главной оптической оси системы, на 45°, и жестко закрепленных. Далее излучение отражается на пару зеркал, установленных с возможностью поворота в плоскости падения луча, угол поворота которых определяет период записываемой ВБР, а следовательно, и длину волны брэгговского резонанса решетки. Отражаясь от указанных зеркал, лазерные пучки создают интерференционную картину, в центре которой располагают оптическое волокно, в котором формируется волоконная решетка Брэгга. Во избежание воздействия остаточного излучения на оптическое волокно в систему встроен поглощающий экран, установленный после фазовой маски по ходу распространения излучения нулевого порядка. Жестко закрепленные зеркала и зеркала, установленные с возможностью поворота в плоскости падения луча, разнесены по оси симметрии интерферометра. Данное устройство позволяет формировать в оптическом волокне ВБР с различными длинами волн брэгговского резонанса, имеющих физическую длину не более 30 мм при диаметре зеркал равным не менее 45 мм, получая соотношение длины решетки к диаметру зеркал равным около 0,7.

Недостатком вышеописанного устройства формирования ВБР с возможностью перестройки длины волны отражения является узкий диапазон возможных физических длин решеток, а также относительно низкий коэффициент соотношения максимальной длины сформированной дифракционной структуры к диаметру зеркал, используемых в оптической системе. Для расширения диапазона возможных физических длин ВБР необходимо использовать зеркала большего размера, что увеличит габариты устройства.

Изобретение решает задачу увеличения верхней границы диапазона возможных физических длин решеток при использовании зеркал аналогичного размера, как в прототипе, сохраняя при этом возможность перестройки длины волны брэгговского резонанса.

Поставленная задача решается следующим способом.

Устройство формирования волоконной решетки Брэгга в сердцевине оптического волокна с возможностью перестройки длины волны отражения содержит эксимерную лазерную систему и размещенные по ходу излучения фазовую маску, поглощающий экран, а также интерферометр на 4-х зеркалах, который представляет собой две пары оптически сопряженных зеркал, расположенных симметрично относительно оси симметрии интерферометра. При этом первая по ходу излучения пара зеркал расположена под углом к нормали, проведенной от оси симметрии интерферометра, и жестко закреплена, а вторая по ходу излучения пара зеркал интерферометра установлена с возможностью поворота в плоскости падения луча и размещена по оси симметрии интерферометра после фазовой маски. Вышеуказанные пары зеркал интерферометра разнесены между собой на расстояние, определяемое как расстояние между нормалями, проведенными от оси симметрии интерферометра до центров отражающих поверхностей зеркал в каждой паре, и составляет не более 228 мм, при этом жестко закрепленные зеркала расположены под углом к нормали, проведенной от оси симметрии интерферометра, рассчитанным по формуле:

где λ_УФ - длина волны излучения источника, Λ_ФМ - период фазовой маски, а угол поворота второй пары зеркал определяется из выражения:

где n_eff - эффективный показатель преломления сердцевины оптического волокна для основной моды, λ_B - длина волны отражения ВБР, Плоскость установки оптического волокна для записи ВБР расположена на расстоянии L_B, определяемом от точки пересечения нормали, проведенной от оси симметрии интерферометра, до центров отражающих поверхностей зеркал, установленных с возможностью поворота в плоскости падения луча и рассчитанным по формуле:

L_B=h*ctg(θ),

где h - высота, проведенная от оси симметрии до центров отражающих поверхностей зеркал, установленных с возможностью поворота в плоскости падения луча, θ - угол падения лазерных пучков на сердцевину оптического волокна.

Сущность заявляемого способа поясняется следующим.

Устройство формирования ВБР с возможностью перестройки длины волны отражения содержит оптический комплекс на основе интерферометра Тальбота с использованием 4-х зеркал, расположенных симметрично относительно оси симметрии интерферометра. Для настройки длины волны отражения, а также для решения задачи увеличения верхней границы диапазона возможных физических длин решеток при использовании зеркал аналогичного размера, как в прототипе, пары зеркал интерферометра, установленные с возможностью поворота в плоскости падения луча, размещают после фазовой маски по оси симметрии интерферометра, при этом зеркала располагают под углом, величина которого играет ключевую роль в перестройке длины волны брэгговского резонанса формируемых ВБР в сердцевине оптического волокна. Длина волны отражения ВБР при записи рассчитывается по формуле:

где λ_УФ - длина волны излучения источника, n_eff - эффективный показатель преломления сердцевины оптического волокна для основной моды, α - угол поворота зеркал, установленных с возможностью поворота в плоскости падения луча, относительно нормали, проведенной от оси симметрии интерферометра.

За парой вышеуказанных зеркал по оси симметрии интерферометра, первой по ходу излучения располагается пара жестко закрепленных зеркал, расположенных под углом к нормали, проведенной от оси симметрии интерферометра, зависящей от угла распространения +1/-1 порядков, полученных в результате дифракции излучения на фазовой маске, и определяющегося следующим выражением:

где Λ_ФМ - период фазовой маски, для обеспечения малого угла падения излучения на поверхность зеркал, для параллельного распространения излучения между жестко закрепленными зеркалами и зеркалами, установленными с возможностью поворота в плоскости падения луча, при сохранении симметричности системы и упрощения юстировки.

В устройстве первую по ходу излучения пару жестко закрепленных зеркал и вторую пару зеркал, установленных с возможностью поворота в плоскости падения луча, размещают на расстоянии не более 228 мм для осуществления беспрепятственного поворота второй пары зеркал, установленных с возможностью поворота в плоскости падения луча, и уменьшения габаритов устройства.

Данное конструкторское решение взаимного расположения зеркал интерферометра позволяет получать угол падения излучения на зеркало, при котором высота светового пятна на поверхности зеркал удовлетворяет условию:

где D - диаметр зеркал, d - высота падающего пучка, совпадающая с длиной формируемых ВБР, β - угол падения пучка на поверхность зеркала, d_cв.пят. - высота светового пятна на поверхности зеркал.

Для формирования дифракционной структуры с необходимой длиной волны отражения и физической длиной в сердцевине оптического волокна вышеуказанный элемент размещают в области высококонтрастной интерференционной картины, возникающей при пространственном и временном пересечении лазерных пучков, отраженных от зеркал интерферометра, установленных с возможностью поворота в плоскости падения луча. При расчете расположения области высококонтрастной интерференционной картины, то есть плоскости установки оптического волокна, учитывается расстояние, определяемое от точки пересечения нормали, проведенной от оси симметрии интерферометра до центров отражающих поверхностей зеркал, установленных с возможностью поворота в плоскости падения луча, до плоскости установки, которое зависит от высоты, проведенной от оси симметрии интерферометра до центров отражающих поверхностей зеркал, установленных с возможностью поворота в плоскости падения луча, и угла падения лазерных пучков на сердцевину оптического волокна. Следовательно, для получения ВБР с заданной длиной волны отражения, физической длиной и высокой дифракционной эффективностью необходимо устанавливать оптическое волокно в плоскости, расположение которой определяется по заявленной формуле.

Таким образом, преимуществом предлагаемого устройства является возможность увеличения верхней границы физических длин сформированных дифракционных структур с использованием зеркал аналогичных размеров, как в прототипе, при выполнении данного условия, а также сохранение габаритов устройства.

Кроме того, угол поворота зеркал, установленных с возможностью поворота в плоскости падения луча, определяемый по заявленной формуле, зависит от необходимой длины волны отражения ВБР, что позволяет производить точную настройку спектральных параметров решетки Брэгга в широком диапазоне, а угол, под которым размещены жестко закрепленные зеркала, зависящий от угла распространения +1/-1 порядков, полученных в результате дифракции излучения на фазовой маске, обеспечивает симметричность системы и упрощение юстировки.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами (фиг. 1, фиг. 2).

Принятые обозначения на фигурах:

1 - эксимерная лазерная система;

2 - фазовая маска;

3 - поглощающий экран;

4 - жестко закрепленные зеркала;

5 - зеркала, установленные с возможностью поворота в плоскости падения луча;

6 - плоскость установки оптического волокна.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, состоящего из эксимерной лазерной системы 1, фазовой маски 2, поглощающего экрана 3, интерферометра на 4-х зеркалах, включающего пару жестко закрепленных зеркал 4 интерферометра и пару зеркал 5 интерферометра, установленных с возможностью поворота в плоскости падения луча, где оптическое волокно, в сердцевине которого формируется ВБР, устанавливается в плоскости 6.

На фиг. 2 приведена схема устройства для формирования ВБР с возможностью перестройки длины волны отражения, на которой проиллюстрированы заявляемые конструктивные параметры, где γ - угол, под которым размещены жестко закрепленные зеркала 4, относительно нормали, проведенной от оси симметрии интерферометра, β - угол падения пучка на поверхность зеркала, α - угол поворота относительно нормали, проведенной от оси симметрии интерферометра, зеркал 5, установленных с возможностью поворота в плоскости падения луча, d - высота падающего пучка, совпадающая с длиной формируемых ВБР, Λ_ФМ - период фазовой маски 2, ϕ - угол распространения порядков +1/-1, полученных в результате дифракции излучения на фазовой маске 2, D - диаметр зеркал 4 и 5, L_B - расстояние, определяемое от точки пересечения нормали, проведенной от оси симметрии интерферометра до центров отражающих поверхностей зеркал 5, установленных с возможностью поворота в плоскости падения луча, до плоскости установки оптического волокна 6, L - расстояние, на которое разнесены зеркала 4 и 5, определяемое как расстояние между нормалями, проведенными от оси симметрии интерферометра до центров отражающих поверхностей зеркал в каждой паре, h - высота, проведенная от оси симметрии интерферометра до центров отражающих поверхностей зеркал 5, установленных с возможностью поворота в плоскости падения луча, θ - угол падения лазерных пучков на сердцевину оптического волокна.

Устройство работает следующим образом. Эксимерная лазерная система 1 генерирует пучки, которые попадают на фазовую маску 2, разделяющую энергию пучка на несколько дифракционных порядков, из которых +1/-1 дифракционные порядки попадают на жестко закрепленные зеркала 4, отражаются на зеркала 5, установленные с возможностью поворота в плоскости падения луча, таким образом, создавая высококонтрастную интерференционную картину в плоскости установки оптического волокна 6 при пространственном и временном пересечении лазерных пучков и формируя волоконную решетку Брэгга в сердцевине оптического волокна. Воздействие нулевого дифракционного порядка нивелируется при использовании поглощающего экрана 3.

В качестве конкретного примера выполнения предлагается устройство для формирования ВБР с возможностью перестройки длины волны отражения в сердцевине оптического волокна с коэффициентом отражения 30%, с длиной волны брэгговского резонанса 1550,121 нм, шириной спектра отражения на полувысоте 0,047 нм и физической длиной равной 40 мм.

При юстировке оптической системы интерферометра на 4-х зеркалах рассчитывают угол поворота относительно нормали, проведенной от оси симметрии интерферометра, жестко закрепленных зеркал 4, а также рассчитывают высота светового пятна на поверхности зеркал. В расчете применялось значение периода фазовой маски 700 нм, высоты пучка 40 мм и длины волны излучения 248,3 нм, сгенерированного эксимерной лазерной системой. Следовательно, рассчитанный угол установки жестко закрепленных зеркал 4 относительно нормали, проведенной от оси симметрии интерферометра равен 10,38°, а высота светового пятна на поверхности зеркал равен 40,6 мм. Таким образом, соотношение длины решетки к диаметру зеркал равно 0,98.

Перед записью ВБР рассчитывают период интерференционной картины для угла поворота относительно нормали, проведенной от оси симметрии интерферометра, зеркал 5, установленных с возможностью поворота в плоскости падения луча, и расстояние от зеркал 5, установленных с возможностью поворота в плоскости падения луча, до области пересечения дифракционных порядков, то есть плоскости установки оптического волокна 6. При расчете применялось значение эффективного показателя преломления основной моды оптического волокна, равного 1,4594 на длине волны 1550 нм. Таким образом, рассчитанный период равен 531,07 нм, а угол поворота относительно нормали, проведенной от оси симметрии интерферометра, зеркал 5, установленных с возможностью поворота в плоскости падения луча, равен 6,76° для получения соответствующего периода. Расстояние, определяемое от точки пересечения нормали, проведенной от оси симметрии интерферометра до центров отражающих зеркал 5, установленных с возможностью поворота в плоскости падения луча, до плоскости установки оптического волокна 6 равно 407 мм. Расстояние между нормалями, проведенными от оси симметрии интерферометра до центров отражающих поверхностей зеркал в каждой паре, составляет 228 мм.

Таким образом, заявленное устройство обеспечивает возможность записи ВБР на отрезке оптического волокна со следующими преимуществами: расширенный диапазон длин формируемых ВБР, то есть увеличение соотношения максимальной физической длины ВБР к диаметру зеркал по сравнению с прототипом от 0,7 до 0,98 с сохранением габаритов устройства и диаметра зеркал, а также возможности точной настройки спектральных параметров решетки Брэгга в широком диапазоне.

Изобретение относится к волоконно-оптическим технологиям, в частности к устройствам формирования в сердцевине оптического волокна структуры волоконной брэгговской решетки с возможностью перестройки длины волны отражения. Устройство, содержащее эксимерную лазерную систему и размещенные по ходу излучения фазовую маску, поглощающий экран, интерферометр на четырех зеркалах, который представляет собой две пары оптически сопряженных зеркал, расположенных симметрично относительно оси симметрии интерферометра. Первая по ходу излучения пара зеркал расположена под углом к нормали, проведенной от оси симметрии интерферометра, и жестко закреплена, вторая по ходу излучения пара зеркал установлена с возможностью поворота в плоскости падения луча. Пара зеркал, установленных с возможностью поворота в плоскости падения луча, размещена по оси симметрии интерферометра после фазовой маски, при этом указанные пары зеркал интерферометра разнесены между собой на расстояние, определяемое как расстояние между нормалями, проведенными от оси симметрии интерферометра, до центров отражающих поверхностей зеркал в каждой паре, и составляет не более 228 мм, а жестко закрепленные зеркала расположены под углом к нормали. Изобретение обеспечивает увеличение верхней границы диапазона возможных физических длин решеток. 2 ил.

Устройство формирования волоконной решетки Брэгга (ВБР) в сердцевине оптического волокна с возможностью перестройки длины волны отражения, содержащее эксимерную лазерную систему и размещенные по ходу излучения фазовую маску, поглощающий экран, а также интерферометр на 4-х зеркалах, который представляет собой две пары оптически сопряженных зеркал, расположенных симметрично относительно оси симметрии интерферометра, при этом первая по ходу излучения пара зеркал расположена под углом к нормали, проведенной от оси симметрии интерферометра, и жестко закреплена, а вторая по ходу излучения пара зеркал интерферометра установлена с возможностью поворота в плоскости падения луча, отличающееся тем, что пара зеркал интерферометра, установленных с возможностью поворота в плоскости падения луча, размещена по оси симметрии интерферометра после фазовой маски, при этом вышеуказанные пары зеркал интерферометра разнесены между собой на расстояние, определяемое как расстояние между нормалями, проведенными от оси симметрии интерферометра до центров отражающих поверхностей зеркал в каждой паре, и составляет не более 228 мм, при этом жестко закрепленные зеркала расположены под углом к нормали, проведенной от оси симметрии интерферометра, рассчитанным по формуле:

где – длина волны излучения источника, – период фазовой маски, а угол поворота второй пары зеркал определяется из выражения:

где – эффективный показатель преломления сердцевины оптического волокна для основной моды, – длина волны отражения ВБР, при этом плоскость установки оптического волокна для записи ВБР расположена на расстоянии L_В, определяемом от точки пересечения нормали, проведенной от оси симметрии интерферометра, до центров отражающих поверхностей зеркал, установленных с возможностью поворота в плоскости падения луча, и рассчитанном по формуле:

где h – высота, проведенная от оси симметрии до центров отражающих поверхностей зеркал, установленных с возможностью поворота в плоскости падения луча, – угол падения лазерных пучков на сердцевину оптического волокна.