Волоконная решетка Брэгга

Тип распределенного брэгговского отражателя, построенного на коротком отрезке оптического волокна

Волоконная решетка Брэгга ( FBG ) — это тип распределенного отражателя Брэгга, сконструированного в коротком сегменте оптического волокна , который отражает определенные длины волн света и пропускает все остальные. Это достигается путем создания периодического изменения показателя преломления сердцевины волокна, которое генерирует диэлектрическое зеркало, специфичное для определенной длины волны . Таким образом, волоконная решетка Брэгга может использоваться как встроенный оптический фильтр для блокировки определенных длин волн, может использоваться для сенсорных приложений ^[1] или может использоваться как отражатель, специфичный для определенной длины волны.

Рисунок 1: Структура волоконной брэгговской решетки с профилем показателя преломления и спектральной характеристикой

История

Первая внутриволоконная решетка Брэгга была продемонстрирована Кеном Хиллом в 1978 году. ^[2] Первоначально решетки изготавливались с использованием видимого лазера, распространяющегося вдоль сердцевины волокна. В 1989 году Джеральд Мельц и его коллеги продемонстрировали гораздо более гибкую технику поперечной голографической надписи, при которой лазерное освещение поступало со стороны волокна. Эта техника использует интерференционную картину ультрафиолетового лазерного света ^[3] для создания периодической структуры волоконной решетки Брэгга.

Теория

Рисунок 2: Отраженная мощность ВБР как функция длины волны

Основополагающим принципом работы ВБР является френелевское отражение , при котором свет, проходящий между средами с различными показателями преломления, может как отражаться , так и преломляться на границе раздела.

Показатель преломления обычно будет изменяться на определенной длине. Отраженная длина волны ( ), называемая длиной волны Брэгга, определяется соотношением, ${\displaystyle \lambda _{B}}$

${\displaystyle \lambda _{B}=2n_{e}\Lambda }$

где — эффективный показатель преломления сердцевины волокна, — период решетки. Эффективный показатель преломления количественно характеризует скорость распространения света по сравнению с его скоростью в вакууме. зависит не только от длины волны, но и (для многомодовых волноводов) от моды , в которой распространяется свет. По этой причине его также называют модальным показателем. ${\displaystyle n_{e}}$ ${\displaystyle \Lambda }$ ${\displaystyle n_{e}}$

Расстояние между длинами волн между первыми минимумами (нулями, см. рис. 2) или ширина полосы пропускания ( ) (в пределе сильной решетки) определяется выражением: ${\displaystyle \Delta \lambda }$

${\displaystyle \Delta \lambda =\left[{\frac {2\delta n_{0}\eta }{\pi }}\right]\lambda _{B}}$

где — изменение показателя преломления ( ), а — доля мощности в ядре. Обратите внимание, что это приближение не применимо к слабым решеткам, где длина решетки, , невелика по сравнению с \ . ${\displaystyle \delta n_{0}}$ ${\displaystyle n_{3}-n_{2}}$ ${\displaystyle \eta }$ ${\displaystyle L_{g}}$ ${\displaystyle \lambda _{B}}$ ${\displaystyle \delta n_{0}}$

Пиковое отражение ( ) приблизительно определяется выражением: ${\displaystyle P_{B}(\lambda _{B})}$

${\displaystyle P_{B}(\lambda _{B})\approx \tanh ^{2}\left[{\frac {N\eta (V)\delta n_{0}}{n}}\right]}$

где - число периодических изменений. Полное уравнение для отраженной мощности ( ) имеет вид, ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle P_{B}(\lambda )}$

${\displaystyle P_{B}(\lambda )={\frac {\sinh ^{2}\left[\eta (V)\delta n_{0}{\sqrt {1-\Gamma ^{2}}}{\frac {N\Lambda }{\lambda }}\right]}{\cosh ^{2}\left[\eta (V)\delta n_{0}{\sqrt {1-\Gamma ^{2}}}{\frac {N\Lambda }{\lambda }}\right]-\Gamma ^{2}}}}$

где,

${\displaystyle \Gamma (\lambda )={\frac {1}{\eta (V)\delta n_{0}}}\left[{\frac {\lambda }{\lambda _{B}}}-1\right]}$

Типы решеток

Термин тип в этом контексте относится к базовому механизму фоточувствительности , посредством которого в волокне образуются полосы решетки. Различные методы создания этих полос оказывают значительное влияние на физические свойства полученной решетки, в частности, на температурную реакцию и способность выдерживать повышенные температуры. До сих пор сообщалось о пяти (или шести) типах FBG с различными базовыми механизмами фоточувствительности. ^[4] Они суммированы ниже:

Стандартные решетки или решетки типа I

Написанные как на гидрогенизированном, так и на негидрогенизированном волокне всех типов, решетки типа I обычно известны как стандартные решетки и изготавливаются из волокон всех типов при всех условиях гидрогенизации. Обычно спектры отражения решетки типа I равны 1-T, где T — спектры пропускания. Это означает, что спектры отражения и пропускания являются дополнительными, и существует незначительная потеря света из-за отражения в оболочку или поглощения. Решетки типа I являются наиболее часто используемыми из всех типов решеток и единственными типами решеток, доступными в готовом виде на момент написания статьи.

Решетки типа IA

Регенерированная решетка, записанная после стирания решетки типа I в гидрогенизированном германосиликатном волокне всех типов

Решетки типа IA впервые были обнаружены в 2001 году ^[5] во время экспериментов, направленных на определение влияния загрузки водорода на формирование решеток IIA в германосиликатном волокне. В отличие от ожидаемого уменьшения (или «синего смещения») длины волны Брэгга решеток, наблюдалось большое увеличение (или «красное смещение»).

Более поздние работы показали, что увеличение длины волны Брэгга началось после того, как исходная решетка типа I достигла пика отражательной способности и начала ослабевать. По этой причине ее назвали регенерированной решеткой.

Определение температурного коэффициента решеток типа IA показало, что он ниже, чем у стандартной решетки, записанной в аналогичных условиях.

Ключевое различие между записью решеток типа IA и IIA заключается в том, что решетки IA записаны на гидрогенизированных волокнах, тогда как решетки типа IIA записаны на негидрогенизированных волокнах. ^{[6] [7]}

Решетки типа IIA или типа In

Это решетки, которые формируются, когда отрицательная часть индуцированного изменения индекса обгоняет положительную часть. Обычно это связано с постепенной релаксацией индуцированного напряжения вдоль оси и/или на границе раздела. Было предложено, что эти решетки можно переименовать в тип In (для решеток типа 1 с отрицательным изменением индекса; метка типа II может быть зарезервирована для тех, которые отчетливо сделаны выше порога повреждения стекла). ^[8]

Более поздние исследования Xie et al. показали существование другого типа решетки с аналогичными свойствами термостабильности, что и решетка типа II. Эта решетка показала отрицательное изменение среднего индекса волокна и была названа типом IIA. Решетки были сформированы в германосиликатных волокнах с помощью импульсов от лазера на красителе с удвоенной частотой XeCl. Было показано, что первоначальное воздействие сформировало стандартную решетку (типа I) внутри волокна, которая претерпела небольшое красное смещение перед тем, как стереться. Дальнейшее воздействие показало, что решетка преобразовалась, претерпев устойчивое синее смещение при увеличении прочности. ^{[9] [10]}

Регенерированные решетки

Это решетки, которые возрождаются при более высоких температурах после стирания решеток, обычно решетки типа I и обычно, хотя и не всегда, в присутствии водорода. Они интерпретировались по-разному, включая диффузию легирующей примеси (кислород является наиболее популярной текущей интерпретацией) и изменение структуры стекла. Недавние работы показали, что существует режим регенерации за пределами диффузии, где решетки могут работать при температурах свыше 1295 °C, превосходя даже фемтосекундные решетки типа II. ^[11] Они чрезвычайно привлекательны для сверхвысокотемпературных применений.

Решетки типа II

Повреждение записанных решеток, записанных многофотонным возбуждением с помощью лазеров с более высокой интенсивностью, которые превышают порог повреждения стекла. Используемые лазеры обычно импульсные, чтобы достичь этих интенсивностей. Они включают недавние разработки в области многофотонного возбуждения с использованием фемтосекундных импульсов, где короткие временные масштабы (соизмеримые по временной шкале с локальными временами релаксации) предлагают беспрецедентную пространственную локализацию индуцированного изменения. Аморфная сеть стекла обычно трансформируется посредством другого пути ионизации и плавления, чтобы дать либо более высокие изменения индекса, либо создать, посредством микровзрывов, пустоты, окруженные более плотным стеклом.

Арчамбо и др. показали, что возможно записать решетки с ~100% (>99,8%) отражением с помощью одного УФ-импульса в волокнах на вытяжной башне. Было показано, что полученные решетки стабильны при температурах до 800 °C (в некоторых случаях до 1000 °C и выше при фемтосекундной лазерной записи). Решетки были записаны с помощью одного импульса 40 мДж от эксимерного лазера на 248 нм. Далее было показано, что резкий порог был очевиден при ~30 мДж; выше этого уровня модуляция индекса увеличивалась более чем на два порядка, тогда как ниже 30 мДж модуляция индекса росла линейно с энергией импульса. Для простоты идентификации и в знак признания явных различий в термической стабильности они обозначили решетки, изготовленные ниже порога, как решетки типа I, а выше порога — как решетки типа II. Микроскопическое исследование этих решеток показало периодический след повреждения в месте решетки внутри волокна [10]; поэтому решетки типа II также известны как решетки повреждения. Однако эти трещины могут быть очень локализованы, чтобы не играть большой роли в потерях на рассеяние, если они правильно подготовлены. ^{[12] [13]}

Решетчатая структура

Рисунок 3: Структура изменения показателя преломления в однородной ВБР (1), чирпированной ВБР (2), наклонной ВБР (3) и сверхструктурной ВБР (4).

Рисунок 4: Профиль показателя преломления в ядре: 1) однородной ВБР с положительным зарядом, 2) аподизированной по Гауссу ВБР, 3) аподизированной по приподнятому косинусу ВБР с нулевым изменением постоянного тока и 4) дискретной фазовой сдвиговой ВБР.

Структура FBG может изменяться через показатель преломления или период решетки. Период решетки может быть равномерным или градуированным, а также локализованным или распределенным в суперструктуре. Показатель преломления имеет две основные характеристики: профиль показателя преломления и смещение. Как правило, профиль показателя преломления может быть равномерным или аподизированным, а смещение показателя преломления положительно или равно нулю.

Существует шесть общих структур для FBG; ^[14]

1. равномерное изменение индекса только в положительную сторону,
2. Гауссов аподизированный ,
3. приподнятый косинус аподизированный,
4. щебетал,
5. дискретный фазовый сдвиг, и
6. надстройка.

Первая сложная решетка была создана Дж. Каннингом в 1994 году. ^{[15] [ необходима цитата ]} Это способствовало разработке первых волоконных лазеров с распределенной обратной связью (DFB) , а также заложило основу для большинства последующих сложных решеток, включая выборочные решетки, впервые созданные Питером Хиллом и его коллегами в Австралии. ^{[ необходима цитата ]}

Аподизированные решетки

В основном существуют две величины, которые управляют свойствами FBG. Это длина решетки, , заданная как ${\displaystyle L_{g}}$

${\displaystyle L_{g}=N\Lambda }$

и сила решетки, . Однако есть три свойства, которые необходимо контролировать в FBG. Это отражательная способность, полоса пропускания и сила боковых лепестков. Как показано выше, в пределе сильной решетки (т. е. для больших ) полоса пропускания зависит от силы решетки, а не от длины решетки. Это означает, что сила решетки может использоваться для установки полосы пропускания. Длина решетки, фактически , затем может использоваться для установки пиковой отражательной способности, которая зависит как от силы решетки, так и от длины решетки. Результатом этого является то, что сила боковых лепестков не может контролироваться, и эта простая оптимизация приводит к значительным боковым лепесткам. Третью величину можно изменять, чтобы помочь с подавлением боковых лепестков. Это аподизация изменения показателя преломления. Термин аподизация относится к градуировке показателя преломления для приближения к нулю в конце решетки. Аподизированные решетки обеспечивают значительное улучшение подавления боковых лепестков, сохраняя при этом отражательную способность и узкую полосу пропускания. Для аподизации ВБР обычно используются две функции: гауссова и приподнятого косинуса. ${\displaystyle \delta n_{0}\eta }$ ${\displaystyle \delta n_{0}}$ ${\displaystyle \scriptstyle N}$

Решетки Брэгга с чирпированным волокном

Профиль показателя преломления решетки может быть изменен для добавления других функций, таких как линейное изменение периода решетки, называемое чирпом . Отраженная длина волны изменяется с периодом решетки, расширяя отраженный спектр. Решетка, обладающая чирпом, имеет свойство добавлять дисперсию — а именно, различные длины волн, отраженные от решетки, будут подвергаться различным задержкам. Это свойство также использовалось при разработке фазированных антенных систем и компенсации дисперсии поляризационной моды.

Наклонные волоконные решетки Брэгга

В стандартных FBG градация или изменение показателя преломления происходит вдоль длины волокна (оптической оси) и обычно равномерно по ширине волокна. В наклонном FBG (TFBG) изменение показателя преломления происходит под углом к ​​оптической оси. Угол наклона в TFBG влияет на отраженную длину волны и ширину полосы пропускания. ^{[ требуется пояснение ]}

Длиннопериодные решетки

Обычно период решетки имеет тот же размер, что и длина волны Брэгга, как показано выше. Для решетки, которая отражает на 1500 нм, период решетки составляет 500 нм, используя показатель преломления 1,5. Более длинные периоды могут использоваться для достижения гораздо более широких ответов, чем это возможно со стандартной FBG. Эти решетки называются длиннопериодными волоконными решетками . Обычно они имеют периоды решетки порядка 100 микрометров, до миллиметра, и поэтому их гораздо проще изготавливать. ^{[16] [17] [18]}

Фазовращающиеся волоконные решетки Брэгга

Фазово-смещенные волоконные решетки Брэгга (PS-FBG) представляют собой важный класс решетчатых структур, которые имеют интересные применения в оптической связи и зондировании благодаря своим особым фильтрующим характеристикам. ^[19] Эти типы решеток могут быть реконфигурируемыми с помощью специальной упаковки и конструкции системы. ^[20]

Для волоконных брэгговских решеток используются различные покрытия дифракционной структуры, позволяющие снизить механическое воздействие на смещение длины волны Брэгга в 1,1–15 раз по сравнению с непокрытым волноводом. ^[21]

Адресованные волоконные структуры Брэгга

Адресные волоконные брэгговские структуры (AFBS) — это новый класс FBG, разработанный для упрощения опроса и повышения производительности датчиков на основе FBG. Оптическая частотная характеристика AFBS имеет две узкополосные выемки с частотным интервалом между ними, находящимся в диапазоне радиочастот (РЧ) . Частотный интервал называется адресной частотой AFBS и является уникальным для каждой AFBS в системе. Центральную длину волны AFBS можно определить без сканирования ее спектрального отклика, в отличие от обычных FBG, которые зондируются оптоэлектронными запросчиками. Схема опроса AFBS значительно упрощена по сравнению с обычными запросчиками и состоит из широкополосного оптического источника, оптического фильтра с предопределенной линейной наклонной частотной характеристикой и фотодетектора. ^{[22] [23]}

Производство

Волоконные брэгговские решетки создаются путем «вписывания» или «записи» систематического (периодического или апериодического) изменения показателя преломления в сердцевину специального типа оптического волокна с использованием источника интенсивного ультрафиолетового (УФ) излучения, такого как УФ- лазер . Используются два основных процесса: интерференция и маскирование . Метод, который является предпочтительным, зависит от типа изготавливаемой решетки. Хотя полимерные оптические волокна начали получать исследовательский интерес в 2000-х годах, наиболее часто используется германий -легированное кварцевое волокно. ^[24] Волокно, легированное германием, является светочувствительным , что означает, что показатель преломления сердцевины изменяется под воздействием УФ-излучения. Величина изменения зависит от интенсивности и продолжительности воздействия, а также от светочувствительности волокна. Чтобы записать высокоотражательную волоконную брэгговскую решетку непосредственно в волокне, уровень легирования германием должен быть высоким. Однако можно использовать стандартные волокна, если светочувствительность повысить путем предварительного замачивания волокна в водороде.

Вмешательство

Это был первый метод, широко используемый для изготовления волоконных брэгговских решеток, и он использует двухлучевую интерференцию . Здесь УФ- лазер разделяется на два луча, которые интерферируют друг с другом, создавая периодическое распределение интенсивности вдоль интерференционной картины. Показатель преломления светочувствительного волокна изменяется в зависимости от интенсивности света, которому оно подвергается. Этот метод позволяет быстро и легко изменять длину волны Брэгга, которая напрямую связана с периодом интерференции и функцией угла падения лазерного света .

Последовательное письмо

Сложные профили решеток могут быть изготовлены путем последовательного экспонирования большого количества небольших, частично перекрывающихся решеток. Расширенные свойства, такие как фазовые сдвиги и изменяющаяся глубина модуляции, могут быть введены путем регулировки соответствующих свойств подрешеток. ^[25] В первой версии метода подрешетки формировались путем экспонирования с помощью УФ-импульсов, но этот подход имел несколько недостатков, таких как большие колебания энергии в импульсах и низкая средняя мощность. Последовательный метод записи с непрерывным УФ-излучением, который преодолевает эти проблемы, был продемонстрирован и теперь используется в коммерческих целях. ^[26] Фоточувствительное волокно транслируется интерферометрически управляемой воздушной кареткой. Интерферирующие УФ-лучи фокусируются на волокне, и по мере перемещения волокна полосы перемещаются вдоль волокна с помощью перемещающих зеркал в интерферометре. Поскольку зеркала имеют ограниченный диапазон, их необходимо переустанавливать каждый период, и полосы перемещаются по пилообразной схеме. Все параметры решетки доступны в управляющем программном обеспечении, что позволяет изготавливать произвольные структуры решеток без каких-либо изменений в аппаратном обеспечении.

Фотошаблон

Фотошаблон , имеющий предполагаемые характеристики решетки, также может использоваться при изготовлении волоконных брэгговских решеток. Фотошаблон помещается между источником УФ-излучения и светочувствительным волокном. Затем тень фотошаблона определяет структуру решетки на основе интенсивности прошедшего света, падающего на волокно. Фотошаблоны специально используются при изготовлении чирпированных волоконных брэгговских решеток, которые невозможно изготовить с использованием интерференционной картины.

По пунктам

Одиночный УФ- лазерный луч также может быть использован для «записи» решетки в волокно по точкам. Здесь лазер имеет узкий луч, который равен периоду решетки. Основное отличие этого метода заключается в механизмах взаимодействия между инфракрасным лазерным излучением и диэлектрическим материалом — многофотонное поглощение и туннельная ионизация. ^[27] Этот метод особенно применим для изготовления волоконных решеток с большим периодом . Метод «по точкам» также используется при изготовлении наклонных решеток.

Производство

Первоначально изготовление светочувствительного оптического волокна и «запись» волоконной брэгговской решетки выполнялись отдельно. Сегодня производственные линии обычно вытягивают волокно из заготовки и «записывают» решетку, все за один этап. Помимо сокращения сопутствующих затрат и времени, это также позволяет производить волоконные брэгговские решетки в массовом порядке. Массовое производство, в частности, облегчает применение в интеллектуальных структурах, использующих большое количество (3000) встроенных волоконных брэгговских решеток вдоль одной длины волокна.

Приложения

Коммуникации

Рисунок 5: Оптический мультиплексор ввода-вывода.

Основное применение волоконных брэгговских решеток — в оптических системах связи. Они используются в качестве режекторных фильтров . Они также используются в оптических мультиплексорах и демультиплексорах с оптическим циркулятором или оптическим мультиплексором с добавлением-выпадением (OADM). На рисунке 5 показаны 4 канала, изображенные в виде 4 цветов, попадающие на FBG через оптический циркулятор. FBG настроена на отражение одного из каналов, в данном случае канала 4. Сигнал отражается обратно в циркулятор, где он направляется вниз и выбрасывается из системы. Поскольку канал был выброшен, другой сигнал на этом канале может быть добавлен в той же точке сети.

Демультиплексор может быть получен путем каскадирования нескольких секций отвода OADM, где каждый элемент отвода использует FBG, установленную на длину волны, которая должна быть демультиплексирована. И наоборот, мультиплексор может быть получен путем каскадирования нескольких секций добавления OADM. FBG-демультиплексоры и OADM также могут быть настраиваемыми. В настраиваемом демультиплексоре или OADM длина волны Брэгга FBG может быть настроена с помощью деформации, приложенной пьезоэлектрическим преобразователем . Чувствительность FBG к деформации обсуждается ниже в датчиках с волоконной решеткой Брэгга.

Датчики на основе волоконно-оптической брэгговской решетки

Помимо чувствительности к деформации , длина волны Брэгга также чувствительна к температуре . Это означает, что волоконные решетки Брэгга могут использоваться в качестве чувствительных элементов в оптоволоконных датчиках . В датчике FBG измеряемая величина вызывает сдвиг длины волны Брэгга, . Относительный сдвиг длины волны Брэгга, , из-за приложенной деформации ( ) и изменения температуры ( ) приблизительно определяется как, ${\displaystyle \Delta \lambda _{B}}$ ${\displaystyle \Delta \lambda _{B}/\lambda _{B}}$ ${\displaystyle \epsilon }$ ${\displaystyle \Delta T}$

${\displaystyle \left[{\frac {\Delta \lambda _{B}}{\lambda _{B}}}\right]=C_{S}\epsilon +C_{T}\Delta T}$

или,

${\displaystyle \left[{\frac {\Delta \lambda _{B}}{\lambda _{B}}}\right]=(1-p_{e})\epsilon +(\alpha _{\Lambda }+\alpha _{n})\Delta T}$

Здесь, - коэффициент деформации , который связан с оптическим коэффициентом деформации . Также, - коэффициент температуры , который состоит из коэффициента теплового расширения оптического волокна, , и термооптического коэффициента , . ^[28] ${\displaystyle C_{S}}$ ${\displaystyle p_{e}}$ ${\displaystyle C_{T}}$ ${\displaystyle \alpha _{\Lambda }}$ ${\displaystyle \alpha _{n}}$

Волоконные решетки Брэгга могут затем использоваться как прямые чувствительные элементы для деформации и температуры. Их также можно использовать как элементы преобразования, преобразуя выход другого датчика, который генерирует изменение деформации или температуры из измеряемой величины, например, газовые датчики на основе волоконной решетки Брэгга используют абсорбирующее покрытие, которое в присутствии газа расширяется, создавая деформацию, которая измеряется решеткой. Технически, абсорбирующий материал является чувствительным элементом, преобразующим количество газа в деформацию. Затем решетка Брэгга преобразует деформацию в изменение длины волны.

В частности, волоконные брэгговские решетки находят применение в таких инструментальных приложениях, как сейсмология , ^[29] датчики давления для чрезвычайно суровых условий, а также в качестве скважинных датчиков в нефтяных и газовых скважинах для измерения эффектов внешнего давления, температуры, сейсмических колебаний и измерения потока в линии. Как таковые, они предлагают значительное преимущество по сравнению с традиционными электронными датчиками, используемыми для этих приложений, в том, что они менее чувствительны к вибрации или теплу и, следовательно, гораздо более надежны. В 1990-х годах были проведены исследования по измерению деформации и температуры в композитных материалах для конструкций самолетов и вертолетов . ^{[30] [31]}

Волоконные брэгговские решетки, используемые в волоконных лазерах

Недавно разработка высокомощных волоконных лазеров породила новый набор приложений для волоконных брэгговских решеток (FBG), работающих на уровнях мощности, которые ранее считались невозможными. В случае простого волоконного лазера FBG могут использоваться в качестве высокоотражающего (HR) и выходного соединителя (OC) для формирования лазерного резонатора. Усиление для лазера обеспечивается длиной оптического волокна, легированного редкоземельными элементами, с наиболее распространенной формой, использующей ионы Yb ³⁺ в качестве активного лазерного иона в кварцевом волокне. Эти волоконные лазеры, легированные Yb, впервые заработали на уровне мощности 1 кВт в непрерывном режиме в 2004 году ^[32] на основе полостей свободного пространства, но не были показаны для работы с полостями волоконных брэгговских решеток до гораздо более позднего времени. ^[33]

Такие монолитные, полностью волоконные устройства производятся многими компаниями по всему миру и с уровнями мощности, превышающими 1 кВт. Главным преимуществом этих полностью волоконных систем, где зеркала свободного пространства заменены парой волоконных брэгговских решеток (FBG), является устранение необходимости повторной настройки в течение срока службы системы, поскольку FBG напрямую соединяется с легированным волокном и никогда не нуждается в настройке. Задача состоит в том, чтобы эксплуатировать эти монолитные полости на уровне мощности CW в кВт в волокнах с большой площадью моды (LMA), таких как 20/400 (диаметр сердцевины 20 мкм и диаметр внутренней оболочки 400 мкм) без преждевременных отказов в точках соединения внутри полости и решетках. После оптимизации эти монолитные полости не нуждаются в повторной настройке в течение срока службы устройства, что исключает любую очистку и деградацию поверхности волокна из графика технического обслуживания лазера. Однако упаковка и оптимизация сращиваний и FBG сами по себе нетривиальны на этих уровнях мощности, как и согласование различных волокон, поскольку состав легированного Yb волокна и различных пассивных и фоточувствительных волокон должен быть тщательно согласован по всей цепочке волоконного лазера. Хотя мощность, передаваемая по волокну, намного превышает этот уровень и, возможно, достигает >30 кВт CW, практический предел намного ниже из-за надежности компонентов и потерь в сращивании. ^[34]

Процесс сопоставления активных и пассивных волокон

В волокне с двойной оболочкой есть два волновода — легированный Yb сердечник, который образует волновод сигнала, и внутренний волновод оболочки для света накачки. Внутренняя оболочка активного волокна часто имеет форму, которая перемешивает моды оболочки и увеличивает перекрытие накачки с легированным сердечником. Соответствие активных и пассивных волокон для улучшения целостности сигнала требует оптимизации концентричности сердечника/оболочки и MFD через диаметр сердечника и NA, что снижает потери в сращивании. Это в основном достигается за счет ужесточения всех соответствующих спецификаций волокна. ^[35]

Соответствие волокон для улучшенного сопряжения насоса требует оптимизации диаметра оболочки как для пассивного, так и для активного волокна. Чтобы максимизировать количество мощности накачки, сопряженной с активным волокном, активное волокно спроектировано с немного большим диаметром оболочки, чем пассивные волокна, передающие мощность накачки. Например, пассивные волокна с диаметром оболочки 395 мкм, соединенные с активным волокном восьмиугольной формы с диаметром оболочки 400 мкм, улучшают сопряжение мощности накачки с активным волокном. Показано изображение такого сращивания, показывающее фасонную оболочку легированного волокна с двойной оболочкой. ^[36]

Соответствие активных и пассивных волокон может быть оптимизировано несколькими способами. Самый простой способ соответствия сигнального света — иметь идентичные NA и диаметры сердцевины для каждого волокна. Однако это не учитывает все особенности профиля показателя преломления. Соответствие MFD также является методом, используемым для создания согласованных волокон, передающих сигнал. Было показано, что соответствие всех этих компонентов обеспечивает наилучший набор волокон для создания высокомощных усилителей и лазеров. По сути, MFD моделируется и разрабатываются результирующие целевые NA и диаметр сердцевины. Изготавливается стержень-сердечник, и перед тем, как втянуть его в волокно, проверяются его диаметр сердцевины и NA. На основе измерений показателя преломления определяется окончательное соотношение сердцевины и оболочки и регулируется в соответствии с целевым MFD. Этот подход учитывает детали профиля показателя преломления, которые можно легко и с высокой точностью измерить на заготовке, прежде чем она будет втянута в волокно. ^[36]

Смотрите также

• закон Брэгга
• Диэлектрическое зеркало
• Дифракция
  • Дифракционная решетка
• Распределенное измерение температуры с помощью волоконной оптики
• Датчик водорода
• Длиннопериодная волоконная решетка
• Проект PHOSFOS – внедрение FBG в гибкие оболочки
• Фотонно-кристаллическое волокно

Ссылки

1. Гао, Вэньцзин; Лю, Цзянься; Го, Хуэйонг; Цзян, Синь; Сан, Шаофа; Юй, Хайху (1 июня 2022 г.). «Многоволновые сверхслабые волоконные решетки Брэгга для квазираспределенного зондирования на больших расстояниях». Фотонные датчики . 12 (2): 185–195. Bibcode : 2022PhSen..12..185G. doi : 10.1007/s13320-021-0635-4 . ISSN  2190-7439. S2CID  237744822.
2. Хилл, КО; Фудзии, И.; Джонсон, Д.К.; Кавасаки, Б.С. (1978). «Фоточувствительность в оптоволоконных волноводах: применение к изготовлению отражательного волокна». Appl. Phys. Lett . 32 (10): 647. Bibcode : 1978ApPhL..32..647H. doi : 10.1063/1.89881.
3. Мельц, Г.; и др. (1989). «Формирование решеток Брэгга в оптических волокнах методом поперечной голографии». Opt. Lett . 14 (15): 823–5. Bibcode :1989OptL...14..823M. doi :10.1364/OL.14.000823. PMID  19752980.
4. Дж. Каннинг, Волоконные решетки и устройства для датчиков и лазеров, Laser and Photonics Reviews, 2 (4), 275-289, Wiley, США (2008)
5. Лю, И. (2001). Современные волоконные решетки и их применение (диссертация). Университет Астон. S2CID  107311300.
6. Симпсон, АГ (2005). Оптоволоконные датчики и их опрос (диссертация). Университет Астон. S2CID  137254600.
7. Симпсон, АГ; Калли, К.; Чжоу, К.; Чжан, Л.; Беннион, И. (2003). «Метод изготовления датчиков деформации IA-I с температурной компенсацией». OFS16 . Нара, Япония. стр. статья после крайнего срока PD4.
8. Современный обзор см. в J. Canning (2008). «Волоконные решетки и устройства для датчиков и лазеров». Laser and Photonics Reviews . 2 (4). Wiley: 275–289. Bibcode : 2008LPRv....2..275C. doi : 10.1002/lpor.200810010. S2CID  120508715.
9. Xie, WX; Niay, P.; Bernage, P.; Douay, M.; Bayon, JF; Georges, T.; Monerie, M.; Poumellec, B. (1993). «Экспериментальное доказательство двух типов фоторефрактивных эффектов, возникающих во время фотозаписей брэгговских решеток в германосиликатных волокнах». Optics Communications . 104 (1–3): 185–195. Bibcode : 1993OptCo.104..185X. doi : 10.1016/0030-4018(93)90127-Q.
10. Niay, P.; Bernage, P.; Legoubin, S.; Douay, M.; Xie, WX; Bayon, JF; Georges, T.; Monerie, M.; Poumellec, B. (1994). «Поведение спектральных передач брэгговских решеток, записанных в волокнах, легированных германием — эксперименты по записи и стиранию с использованием импульсного или непрерывного УФ-облучения». Optics Communications . 113 (1–3): 176–192. Bibcode : 1994OptCo.113..176N. doi : 10.1016/0030-4018(94)90606-8.
11. Canning, J.; Stevenson, M.; Bandyopadhyay, S.; Cook, K. (2008). «Экстремальные кварцевые оптоволоконные решетки». Датчики . 8 (10): 6448–6452. Bibcode : 2008Senso...8.6448C. CiteSeerX 10.1.1.412.2022 . doi : 10.3390 /s8106448 . PMC 3707460. PMID  27873879.  
12. Донг, Л.; Арчамбо, Дж. Л.; Рики, Л.; Рассел, П. С. Дж.; Пэйн, Д. Н. (1993). «Одноимпульсные брэгговские решетки, записанные во время вытяжки волокна» (PDF) . Electronics Letters . 29 (17): 1577–1578. Bibcode : 1993ElL....29.1577D. doi : 10.1049/el:19931051.
13. Archambault, JL; Reekie, L.; Russell, PSJ (1993). "100-процентные отражательные отражатели Брэгга, созданные в оптических волокнах с помощью одиночных импульсов эксимерного лазера" (PDF) . Electronics Letters . 29 (5): 453–455. Bibcode :1993ElL....29..453A. doi :10.1049/el:19930303.
14. Эрдоган, Туран (август 1997 г.). «Спектры волоконной решетки». Журнал Lightwave Technology . 15 (8): 1277–1294. Bibcode : 1997JLwT...15.1277E. doi : 10.1109/50.618322.
15. J. Canning, MG Sceats, "периодические распределенные структуры со сдвигом p-фазы в германосиликатном волокне с помощью УФ-постобработки", Electron. Lett., 30, (16), 1344-1345, (1994)
16. Т. Эрдоган, «Резонансы мод оболочки в фильтрах на основе волоконных решеток с коротким и длинным периодом», J. Opt. Soc. Am. A, 14, стр. 1760–1773, 1997
17. S Bandyopadhyay, P Biswas, F Chiavaioli, TK Dey, N Basumallick, «Длиннопериодная волоконная решетка: специальная конструкция для биосенсорных приложений», Applied Optics 56 (35), 9846-9853
18. S. Ghosh, K. Dissanayake, S. Asokan, T. Sun, BMA Rahman, Kenneth TV Grattan; «Разработка датчика ионов свинца (Pb2+) с использованием оптоволоконных решеток и нанокомпозитных материалов», Sensors and Actuators B: Chemical, 2022, 364, стр. 131818
19. Агравал, ГП; Радич, С. (1994). «Фазово-смещенные волоконные брэгговские решетки и их применение для демультиплексирования длин волн». IEEE Photonics Technology Letters . 6 (8): 995–997. Bibcode : 1994IPTL....6..995A. doi : 10.1109/68.313074. ISSN  1041-1135. S2CID  44014971.
20. Falah, AAS; Mokhtar, MR; Yusoff, Z.; Ibsen, M. (2016). «Реконфигурируемая фазосмещенная волоконная брэгговская решетка с использованием локализованной микродеформации». IEEE Photonics Technology Letters . 28 (9): 951–954. doi :10.1109/LPT.2016.2519249. ISSN  1041-1135. S2CID  2247089.
21. Мунько А.С.; Варжель С.В.; Архипов С.В.; Забиякин А.Н. (2015). «Защитные покрытия волоконной брэгговской решетки для минимизации механического воздействия на ее волновые характеристики». Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики . 15 (2).
22. Аглиуллин, ТА; Губайдуллин, РР; Морозов, ОГ; Ж. Сахабутдинов, А.; Иванов, В. (март 2019). «Система измерения деформации шин на основе адресных ВБР-структур». 2019 Системы формирования и обработки сигналов в области бортовой связи . Москва, Россия: IEEE. С. 1–5. doi :10.1109/SOSG.2019.8706815. ISBN 978-1-7281-0606-9. S2CID  146118643.
23. Морозов, ОГ; Сахабутдинов, АЖ; Нуреев, ИИ; Мисбахов, РШ (ноябрь 2019). «Моделирование и технологии записи адресных волоконных брэгговских структур на основе двух идентичных сверхузких решеток с разными центральными длинами волн». Journal of Physics: Conference Series . 1368 (2): 022049. Bibcode : 2019JPhCS1368b2049M. doi : 10.1088/1742-6596/1368/2/022049 . ISSN  1742-6588.
24. Zhifeng, Zhang (2015), Tao, Xiaoming (ред.), «Полимерная оптоволоконная брэгговская решетка», Справочник по интеллектуальному текстилю , Сингапур: Springer, стр. 597–613, doi :10.1007/978-981-4451-45-1_27, ISBN 978-981-4451-45-1
25. Р. Штуббе, Б. Сальгрен, С. Сандгрен и А. Асех, «Новая технология записи длинных сверхструктурированных волоконных решеток Брэгга», в Postdeadlin Papers, Photosensitivity and Quadratic Nonlinearity in Glass Waveguides: Fundamentals and Applications, Vol. 22 of 1995 Technical Digest Series (Optical Society of America, Вашингтон, округ Колумбия, 1995), стр. PD 1.
26. Петерманн, И.; Сальгрен, Б.; Хельмфрид, С.; Фриберг, А.Т. (2002). «Изготовление усовершенствованных волоконных брэгговских решеток с использованием последовательной записи с использованием источника ультрафиолетового лазера непрерывного действия». Прикладная оптика . 41 (6): 1051–1056. Bibcode : 2002ApOpt..41.1051P. doi : 10.1364/ao.41.001051. PMID  11900123.
27. Архипов С.В.; Грэн М.; Варжель С.В.; Стригалев В.Е.; Грига Н.; Эйхлер Х.Дж. (2015). «Point-by-point inscription of fiber Bragg gratings into bifringent optical fiber through protection acrylate coat by Ti:Sa femtosecond laser». Научно-технический журнал информационных технологий, механики и оптики . 15 (3): 373–377. doi : 10.17586/2226-1494-2015-15-3-373-377 .
28. Отонос, Андреас; Калли, Кириакос (1999). Волоконные брэгговские решетки: основы и применение в телекоммуникациях и зондировании . Artech House. ISBN 978-0-89006-344-6.
29. P. Ferraro; G. De Natale (2002). «О возможном использовании оптоволоконных брэгговских решеток в качестве датчиков деформации для геодинамического мониторинга». Оптика и лазеры в машиностроении . 37 (2–3): 115–130. Bibcode : 2002OptLE..37..115F. doi : 10.1016/S0143-8166(01)00141-5.
30. Патент США 5493390, «Интегрированная оптическая аппаратура для диагностики деталей с помощью встроенных или прикрепленных к поверхности оптических датчиков», выдан 20 февраля 1996 г. 
31. Патент США 5399854, JR Dunphy & et al. , «Встроенный оптический датчик, способный измерять деформацию и температуру с использованием одной дифракционной решетки», выдан 21 марта 1995 г. 
32. Jeong, Y.; Sahu, JK; Payne, DN; Nilsson, J. (2004). «Иттербиевый волоконный лазер с большой сердцевиной и выходной мощностью непрерывной волны 1 кВт». Electronics Letters . 40 (8): 470–472. doi :10.1049/el:20040298. PMID  19488250.
33. Xiao, Y.; Brunet, F.; Kanskar, M.; Faucher, M.; Wetter, A.; Holehouse, N. (2012). "1-киловаттный непрерывно-волоконный лазерный генератор с накачкой с помощью диодных стеков с комбинированным пучком длин волн". Optics Express . 20 (3): 3296–3301. Bibcode : 2012OExpr..20.3296X. doi : 10.1364/oe.20.003296 . PMID  22330567.
34. Dawson, JW; Messerly, MJ; Beach, RJ; Shverdin, MY; Stappaerts, EA; Sridharan, AK; Pax, PH; Heebner, JE; Siders, CW; Barty, CJP (2008). «Анализ масштабируемости волоконных лазеров и усилителей с дифракционным ограничением до высокой средней мощности». Optics Express . 16 (17): 13240–13260. Bibcode : 2008OExpr..1613240D. doi : 10.1364/oe.16.013240 . PMID  18711562.
35. Оулундсен, Г., Фарли, К., Абрамчик, Дж. и Вэй, К. «Волокно для волоконных лазеров: Сочетание активных и пассивных волокон улучшает производительность волоконного лазера», Laser Focus World, том 48, январь 2012 г. http://www.nufern.com/library/item/id/391/
36. Сэмсон, Б.; Картер, А.; Танкала, К. (2011). «Редкоземельные волокна повышают мощность». Nature Photonics . 5 (8): 466–467. Bibcode : 2011NaPho...5..466S. doi : 10.1038/nphoton.2011.170.

Внешние ссылки

• FOSNE Архивировано 25 августа 2009 г. в Wayback Machine - Fibre Optic Sensing Network Europe
• Решетки Брэгга в мониторинге подводной инфраструктуры