Волоконная решетка Брэгга

Тип распределенного брэгговского отражателя, построенного на коротком отрезке оптического волокна.

Волоконная брэгговская решетка ( ВБР ) представляет собой тип распределенного брэгговского отражателя , построенного в коротком сегменте оптического волокна , который отражает определенные длины волн света и пропускает все остальные. Это достигается за счет периодического изменения показателя преломления сердцевины волокна, которое создает диэлектрическое зеркало, зависящее от длины волны . Следовательно, волоконная брэгговская решетка может использоваться в качестве встроенного оптического фильтра для блокировки определенных длин волн, может использоваться в сенсорных приложениях ^[1] или в качестве отражателя, зависящего от длины волны.

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

История

Первая решетка Брэгга внутри волокна была продемонстрирована Кеном Хиллом в 1978 году. ^[2] Первоначально решетки были изготовлены 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 исходило со стороны волокна. Этот метод использует интерференционную картину ультрафиолетового лазерного света ^[3] для создания периодической структуры волоконной брэгговской решетки.

Теория

Рисунок 2: Отраженная мощность ВБР как функция длины волны

Фундаментальным принципом работы ВБР является отражение Френеля , при котором свет, путешествующий между средами с разными показателями преломления, может как отражаться , так и преломляться на границе раздела.

Показатель преломления обычно меняется 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 определяет 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 еще называют модальным индексом. ${\displaystyle n_{e}}$ ${\displaystyle \Lambda }$ ${\displaystyle n_{e}}$

Расстояние между длинами волн между первыми минимумами (нулевые значения, см. рис. 2) или полоса 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 ( ), – доля мощности в ядре. Заметим, что это приближение неприменимо к слабым решеткам, где длина решетки не велика 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,

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

Виды решеток

Термин « тип» в этом контексте относится к основному механизму фоточувствительности , с помощью которого в волокне образуются решетчатые полосы. Различные методы создания этих полос оказывают существенное влияние на физические характеристики производимой решетки, в частности, на температурный отклик и способность выдерживать повышенные температуры. На данный момент сообщалось о пяти (или шести) типах ВБР с различными механизмами фоточувствительности. ^[4] Они кратко изложены ниже:

Стандартные решетки или решетки типа I.

Решетки типа I, изготовленные как из гидрогенизированных, так и из негидрированных волокон всех типов, обычно известны как стандартные решетки и изготавливаются из волокон всех типов при всех условиях гидрирования. Обычно спектр отражения решетки типа I равен 1-T, где T — спектр пропускания. Это означает, что спектры отражения и пропускания дополняют друг друга и потери света из-за отражения в оболочку или поглощения незначительны. Решетки типа I являются наиболее часто используемыми из всех типов решеток и единственными типами решеток, доступными в продаже на момент написания статьи.

Решетки типа IA

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

Решетки типа IA впервые наблюдались в 2001 г. ^[5] в ходе экспериментов по определению влияния водородной нагрузки 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 первоначальная решетка типа I достигла максимальной 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, написанной в аналогичных условиях.

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

Решетки типа IIA или типа В

Это решетки, которые образуются, когда отрицательная часть индуцированного изменения индекса превышает положительную часть. Обычно это связано с постепенной релаксацией наведенного напряжения вдоль оси и/или на границе раздела. Было предложено перемаркировать эти решетки как тип In (для решеток типа 1 с отрицательным изменением индекса; маркировку типа II можно зарезервировать для тех, которые явно изготовлены выше порога повреждения стекла). ^[8]

Более поздние исследования Xie et al. показали существование другого типа решетки со свойствами термостабильности, аналогичными решетке типа II. Эта решетка демонстрировала отрицательное изменение среднего показателя волокна и была названа типом IIA. Решетки формировались в германосиликатных волокнах импульсами XeCl-лазера на красителе с удвоенной частотой. Было показано, что при первоначальном воздействии внутри волокна образуется стандартная (тип I) решетка, которая перед стиранием претерпевает небольшое красное смещение. Дальнейшее воздействие показало, что решетка реформировалась, претерпела устойчивый синий сдвиг и набрала силу. ^{[9] [10]}

Регенерированные решетки

Это решетки, возрождающиеся при более высоких температурах после стирания решеток, обычно решетки I типа и обычно, хотя и не всегда, в присутствии водорода. Их интерпретировали по-разному, включая диффузию легирующих примесей (самой популярной современной интерпретацией является кислород) и структурные изменения стекла. Недавние работы показали, что существует режим регенерации помимо диффузии, при котором решетки можно заставить работать при температурах, превышающих 1295 ° C, превосходя даже фемтосекундные решетки типа II. ^[11] Они чрезвычайно привлекательны для применения при сверхвысоких температурах.

Решетки II типа

Повреждения написанных решеток наносятся путем многофотонного возбуждения лазерами более высокой интенсивности, превышающими порог повреждения стекла. Для достижения такой интенсивности используемые лазеры обычно являются импульсными. К ним относятся недавние разработки в области многофотонного возбуждения с использованием фемтосекундных импульсов, где короткие временные рамки (соизмеримые с временами локальной релаксации) обеспечивают беспрецедентную пространственную локализацию индуцированных изменений. Аморфная сетка стекла обычно трансформируется с помощью другого пути ионизации и плавления, что приводит либо к более высоким изменениям индекса, либо к созданию посредством микровзрывов пустот, окруженных более плотным стеклом.

Аршамбо и др. показали, что можно вписать решетки с коэффициентом отражения ~ 100% (>99,8%) с помощью одного УФ-импульса в волокна на вытяжной башне. Показано, что полученные решетки устойчивы при температурах до 800 °C (в некоторых случаях до 1000 °C и выше при фемтосекундной лазерной записи). Для записи решеток использовался одиночный импульс эксимерного лазера мощностью 40 мДж на длине волны 248 нм. Далее было показано, что резкий порог 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 облегчения идентификации и 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 выявило следы периодических повреждений в месте расположения решетки внутри волокна [10]; поэтому решетки типа II также известны как решетки повреждения. Однако эти трещины могут быть очень локализованными и при правильной подготовке не играть существенной роли в потерях от рассеяния. ^{[12] [13]}

Решётчатая 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, имеющей только положительные значения, 2) ВБР с аподизацией по Гауссу, 3) ВБР с аподизацией приподнятого косинуса и нулевым изменением постоянного тока и 4) дискретного фазового сдвига ВБР.

Структура ВБР может варьироваться в зависимости от показателя преломления или периода решетки. Период решетки может быть равномерным или ступенчатым, локализованным или распределенным в надстройке. Показатель преломления имеет две основные характеристики: профиль показателя преломления и смещение. Обычно профиль показателя преломления может быть однородным или аподизированным, а смещение показателя преломления является положительным или нулевым.

Существует шесть общих структур ВБР; ^[14]

1. равномерное только положительное изменение индекса,
2. Гауссов аподизированный ,
3. аподизированный с приподнятым косинусом ,
4. щебетал,
5. дискретный фазовый сдвиг и
6. надстройка.

Первая сложная решетка была изготовлена ​​Дж ^{. Каннингом} в ^{1994 году} . решетки, впервые изготовленные Питером Хиллом и его коллегами в Австралии. ^{[ нужна цитата ]}

Аподизированные решетки

В основном есть две величины, которые управляют свойствами ВБР. Это длина решетки, выраженная как ${\displaystyle L_{g}}$

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

и сила решетки, . Однако есть три свойства, которыми необходимо управлять в ВБР. Это отражательная способность, полоса пропускания и сила боковых лепестков. Как показано выше, в пределе сильной решетки (т.е. при больших ) ширина полосы зависит от прочности решетки, а не от ее длины. Это означает, что силу решетки можно использовать для настройки полосы пропускания. Фактически длину решетки можно использовать для установки пиковой отражательной способности, которая зависит как от прочности решетки, так и от ее длины. В результате силу боковых лепестков невозможно контролировать, и эта простая оптимизация приводит к значительным боковым лепесткам. Третью величину можно изменить, чтобы помочь с подавлением боковых лепестков. Это аподизация изменения показателя преломления. Термин «аподизация» означает приближение показателя преломления к нулю на конце решетки. Аподизированные решетки обеспечивают значительное улучшение подавления боковых лепестков при сохранении отражательной способности и узкой полосы пропускания. Две функции, обычно используемые для аподизации ВБР, — это функция Гаусса и приподнятый косинус. ${\displaystyle \delta n_{0}\eta }$ ${\displaystyle \delta n_{0}}$ ${\displaystyle \scriptstyle N}$

Чирпированные волоконные решетки Брэгга

Профиль показателя преломления решетки может быть изменен, чтобы добавить другие функции, такие как линейное изменение периода решетки, называемое чирпом . Отраженная длина волны изменяется в зависимости от периода решетки, расширяя отраженный спектр. Решетка, обладающая чирпом, обладает свойством добавлять дисперсию , а именно, разные длины волн, отраженные от решетки, будут подвергаться разным задержкам. Это свойство также использовалось при разработке антенных систем с фазированной решеткой и компенсации поляризационной модовой дисперсии.

Наклонные волоконные решетки Брэгга

В стандартных ВБР градация или изменение показателя преломления происходит по длине волокна (оптической оси) и обычно равномерно по ширине волокна. В наклонной ВБР (TFBG) изменение показателя преломления происходит под углом к ​​оптической оси. Угол наклона TFBG влияет на длину волны отражения и полосу пропускания. ^{[ нужны разъяснения ]}

Длиннопериодические решетки

Обычно период решетки имеет тот же размер, что и длина волны Брэгга, как показано выше. Для решетки, отражающей длину волны 1500 нм, период решетки составляет 500 нм при показателе преломления 1,5. Более длительные периоды можно использовать для достижения гораздо более широкого ответа, чем это возможно при использовании стандартной ВБР. Эти решетки называются длиннопериодными волоконными решетками . Обычно они имеют период решетки порядка 100 микрометров до миллиметра, и поэтому их гораздо проще изготовить. ^{[16] [17] [18]}

Фазово-сдвинутые волоконные брэгговские решетки

Фазово-сдвинутые волоконные брэгговские решетки (PS-FBG) представляют собой важный класс решеточных структур, которые имеют интересные применения в оптической связи и зондировании благодаря своим особым фильтрующим характеристикам. ^[19] Эти типы решеток можно реконфигурировать за счет специальной упаковки и конструкции системы. ^[20]

Для волоконных брэгговских решеток используются различные покрытия дифракционной структуры, чтобы уменьшить механическое воздействие на брэгговский сдвиг длины волны в 1,1–15 раз по сравнению с волноводом без покрытия. ^[21]

Адресованные волоконные брэгговские структуры

Адресные волоконные брэгговские структуры (AFBS) — это новый класс ВБР, разработанный для упрощения опроса и повышения производительности датчиков на основе ВБР. Оптическая частотная характеристика AFBS имеет два узкополосных провала, частотный интервал между которыми находится в радиочастотном (РЧ) диапазоне. Разнос частот называется адресной частотой AFBS и уникален для каждой AFBS в системе. Центральную длину волны AFBS можно определить без сканирования ее спектрального отклика, в отличие от обычных ВБР, которые исследуются оптоэлектронными запросчиками. Схема опроса АФБС существенно упрощена по сравнению с традиционными запросчиками и состоит из широкополосного оптического источника, оптического фильтра с заданной линейной наклонной частотной характеристикой и фотоприемника. ^{[22] [23]}

Производство

Волоконные брэгговские решетки создаются путем «вписывания» или «записи» систематических (периодических или апериодических) изменений показателя преломления в сердцевину специального типа оптического волокна с использованием источника интенсивного ультрафиолета (УФ), такого как УФ- лазер . Используются два основных процесса: интерференция и маскирование . Предпочтительный метод зависит от типа изготавливаемой решетки. Хотя полимерные оптические волокна начали вызывать исследовательский интерес в 2000-х годах, чаще всего используется кварцевое волокно, легированное германием . ^[24] Волокно, легированное германием, является светочувствительным , а это означает, что показатель преломления сердцевины изменяется под воздействием УФ-излучения. Степень изменения зависит от интенсивности и продолжительности воздействия, а также от фоточувствительности волокна. Чтобы записать брэгговскую решетку в волокне с высокой отражательной способностью непосредственно в волокне, уровень легирования германием должен быть высоким. Однако можно использовать стандартные волокна, если фоточувствительность повышается за счет предварительного замачивания волокна в водороде.

Помехи

Это был первый метод, широко используемый для изготовления волоконных решеток Брэгга и использующий 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 луча .

Последовательное письмо

Сложные профили решеток можно изготовить путем последовательного обнажения большого количества мелких, частично перекрывающихся решеток. Расширенные свойства, такие как фазовые сдвиги и различная глубина модуляции, можно ввести путем настройки соответствующих свойств подрешеток. ^[25] В первой версии метода подрешетки формировались путем воздействия УФ-импульсами, но этот подход имел ряд недостатков, таких как большие флуктуации энергии в импульсах и низкая средняя мощность. Был продемонстрирован метод последовательного письма с непрерывным УФ-излучением, который преодолевает эти проблемы и в настоящее время используется коммерчески. ^[26] Светочувствительное волокно перемещается с помощью интерферометрически управляемой тележки на воздушном подшипнике. Интерферирующие УФ-лучи фокусируются на волокне, и по мере движения волокна полосы перемещаются вдоль волокна, перемещая зеркала в интерферометре. Поскольку зеркала имеют ограниченный диапазон, их необходимо сбрасывать каждый период, а полосы движутся по пилообразной схеме. Все параметры решеток доступны в управляющем программном обеспечении, поэтому можно изготавливать произвольные конструкции решеток без каких-либо изменений в аппаратном обеспечении.

Фотомаска

Фотошаблон , обладающий заданными решеточными свойствами, также может быть использован при изготовлении волоконных решеток Брэгга. Фотомаска размещается между источником УФ-излучения и светочувствительным волокном. Затем тень фотомаски определяет структуру решетки на основе интенсивности передаваемого света, падающего на волокно. Фотошаблоны специально используются при изготовлении чирпированных волоконных решеток Брэгга, которые невозможно изготовить с использованием интерференционной картины.

По пунктам

Одиночный УФ- лазерный луч также можно использовать для «записывания» решетки в волокно точка за точкой. Здесь лазер имеет узкий луч, равный периоду решетки. Основное отличие этого метода заключается в механизмах взаимодействия инфракрасного лазерного излучения с диэлектрическим материалом – многофотонном поглощении и туннельной ионизации. ^[27] Этот метод особенно применим для изготовления волоконных решеток с большим периодом действия . Поточечная также используется при изготовлении наклонных решеток.

Производство

Первоначально производство светочувствительного оптического волокна и «написание» волоконной брэгговской решетки осуществлялись отдельно. Сегодня производственные линии обычно вытягивают волокно из заготовки и «пишут» решетку, и все это за один этап. Помимо сокращения связанных с этим затрат и времени, это также позволяет осуществлять массовое производство волоконных решеток Брэгга. Массовое производство, в частности, облегчает применение в интеллектуальных структурах, в которых используется большое количество (3000) встроенных волоконных решеток Брэгга на одной длине волокна.

Приложения

Коммуникации

Рисунок 5: Оптический мультиплексор ввода-вывода.

Основное применение волоконных решеток Брэгга — в системах оптической связи. Они специально используются в качестве режекторных фильтров . Они также используются в оптических мультиплексорах и демультиплексорах с оптическим циркулятором или оптическом мультиплексоре ввода-вывода (OADM). На рисунке 5 показаны 4 канала, изображенные в 4 цветах, поступающие на ВБР через оптический циркулятор. ВБР настроен на отражение одного из каналов, здесь канала 4. Сигнал отражается обратно в циркуляционный насос, где он направляется вниз и выводится из системы. Поскольку канал был удален, в той же точке сети можно добавить еще один сигнал на этом канале.

Демультиплексор может быть создан путем каскадного соединения нескольких секций отвода OADM, где каждый элемент отвода использует ВБР, настроенную на длину волны, подлежащую демультиплексированию. И наоборот, мультиплексор может быть создан путем каскадирования нескольких секций добавления OADM. Демультиплексоры FBG и OADM также могут быть настраиваемыми. В настраиваемом демультиплексоре или OADM длина волны Брэгга ВБР может быть настроена путем напряжения, приложенного пьезоэлектрическим преобразователем . Чувствительность ВБР к деформации обсуждается ниже для датчиков с волоконной брэгговской решеткой.

Датчики с волоконной брэгговской решеткой

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

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

или,

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

Здесь – коэффициент деформации , связанный с оптическим коэффициентом деформации . Кроме того, - температурный коэффициент , 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 брэгговские решетки затем можно использовать в качестве прямых чувствительных элементов деформации и температуры. Их также можно использовать в качестве элементов преобразования, преобразуя выходной сигнал другого датчика, который генерирует деформацию или изменение температуры от измеряемой величины, например, в датчиках газа с волоконной решеткой Брэгга используется абсорбирующее покрытие, которое в присутствии газа расширяется, создавая деформацию. , измеряемую решеткой. Технически абсорбирующий материал является чувствительным элементом, преобразующим количество газа в напряжение. Затем решетка Брэгга преобразует деформацию в изменение длины волны.

В частности, волоконные брэгговские решетки находят применение в таких приборных приложениях, как сейсмология , ^[29] датчики давления для чрезвычайно суровых условий, а также в качестве скважинных датчиков в нефтяных и газовых скважинах для измерения воздействия внешнего давления, температуры, сейсмических вибраций и линейного потока. измерение. По существу, они предлагают значительное преимущество перед традиционными электронными датчиками, используемыми в этих целях, поскольку они менее чувствительны к вибрации или нагреву и, следовательно, гораздо более надежны. В 1990-е годы проводились исследования по измерению деформации и температуры композиционных материалов для конструкций самолетов и вертолетов . ^{[30] [31]}

Волоконные брэгговские решетки, используемые в волоконных лазерах

Недавно разработка мощных волоконных лазеров привела к новому набору применений волоконных брэгговских решеток (ВБР), работающих на уровнях мощности, которые ранее считались невозможными. В случае простого волоконного лазера ВБР могут использоваться в качестве отражателя с высоким отражателем (HR) и выходного ответвителя (OC) для формирования резонатора лазера. Усиление лазера обеспечивается за счет оптического волокна, легированного редкоземельными элементами, причем в наиболее распространенной форме в качестве активного лазерного иона в кварцевом волокне используются ионы Yb ^{3+ .} Эти волоконные лазеры, легированные Yb, впервые работали на уровне мощности непрерывного излучения 1 кВт в 2004 году ^[32] на основе резонаторов в свободном пространстве, но гораздо позже было показано, что они работают с резонаторами на волоконных брэгговских решетках. ^[33]

Такие монолитные, полностью оптоволоконные устройства производятся многими компаниями по всему миру и имеют мощность, превышающую 1 кВт. Основным преимуществом этих полностью волоконных систем, в которых зеркала в свободном пространстве заменены парой волоконных брэгговских решеток (ВБР), является исключение перестройки в течение срока службы системы, поскольку ВБР присоединяется непосредственно к легированному волокну и никогда не нуждается в настройке. Задача состоит в том, чтобы эксплуатировать эти монолитные резонаторы на уровне мощности непрерывного излучения кВт в волокнах с большой модовой площадью (LMA), таких как 20/400 (диаметр сердцевины 20 мкм и внутренняя оболочка диаметром 400 мкм), без преждевременных отказов в точках сращивания внутри резонатора и решетки. После оптимизации эти монолитные полости не требуют повторного выравнивания в течение всего срока службы устройства, что исключает необходимость очистки и разрушения поверхности волокна из графика технического обслуживания лазера. Однако упаковка и оптимизация самих соединений и ВБР на этих уровнях мощности являются нетривиальными задачами, как и согласование различных волокон, поскольку состав волокна, легированного Yb, и различных пассивных и фоточувствительных волокон должен быть тщательно согласован поперек. всю цепочку волоконного лазера. Хотя мощность самого волокна намного превышает этот уровень и, возможно, достигает >30 кВт в непрерывном режиме, практический предел намного ниже из-за надежности компонентов и потерь на сварке. ^[34]

Процесс согласования активных и пассивных волокон

В волокне с двойной оболочкой имеется два волновода: сердцевина, легированная Yb, образующая сигнальный волновод, и волновод с внутренней оболочкой для света накачки. Внутренняя оболочка активного волокна часто имеет такую ​​форму, чтобы шифровать моды оболочки и увеличивать перекрытие накачки с легированной сердцевиной. Согласование активных и пассивных волокон для улучшения целостности сигнала требует оптимизации концентричности сердцевины/оболочки, а также MFD за счет диаметра сердцевины и числовой апертуры, что снижает потери на сращивании. В основном это достигается за счет ужесточения всех соответствующих спецификаций волокна. ^[35]

Подбор волокон для улучшения связи с насосом требует оптимизации диаметра оболочки как пассивного, так и активного волокна. Чтобы максимизировать мощность накачки, передаваемую в активное волокно, активное волокно имеет немного больший диаметр оболочки, чем пассивные волокна, передающие мощность накачки. Например, пассивные волокна с диаметром оболочки 395 мкм, соединенные с активным восьмиугольным волокном с диаметром оболочки 400 мкм, улучшают передачу мощности накачки в активное волокно. Показано изображение такого соединения, показывающее фигурную оболочку легированного волокна с двойной оболочкой. ^[36]

Согласование активных и пассивных волокон можно оптимизировать несколькими способами. Самый простой метод согласования светового сигнала — это иметь одинаковые диаметры числовой апертуры и сердцевины для каждого волокна. Однако это не учитывает все особенности профиля показателя преломления. Согласование MFD также является методом, используемым для создания согласованных волокон, передающих сигнал. Было показано, что сочетание всех этих компонентов обеспечивает лучший набор волокон для создания мощных усилителей и лазеров. По сути, моделируется МФД и определяются результирующая целевая числовая апертура и диаметр сердцевины. Изготавливается стержень-стержень и перед протяжкой в ​​волокно проверяются его диаметр и числовая апертура. На основе измерений показателя преломления определяется окончательное соотношение сердцевина/оболочка и корректируется в соответствии с целевым МФД. Этот подход учитывает детали профиля показателя преломления, которые можно легко и с высокой точностью измерить на заготовке до ее протягивания в волокно. ^[36]

Смотрите также

• Закон Брэгга
• Диэлектрическое зеркало
• Дифракция
  • Дифракционная решетка
• Распределенное измерение температуры с помощью оптоволокна
• Датчик водорода
• Решетка из длиннопериодного волокна
• Проект PHOSFOS – внедрение ВБР в гибкую оболочку
• Фотонно-кристаллическое волокно

Рекомендации

1. Гао, Вэньцзин; Лю, Цзянься; Го, Хуэйюн; Цзян, Синь; Сунь, Шаофа; Ю, Хайху (1 июня 2022 г.). «Многоволновые сверхслабые волоконные решетки Брэгга для квазираспределенного зондирования на большие расстояния». Фотонные датчики . 12 (2): 185–195. Бибкод : 2022PhSen..12..185G. дои : 10.1007/s13320-021-0635-4 . ISSN  2190-7439. S2CID  237744822.
2. Хилл, КО; Фуджи, Ю.; Джонсон, округ Колумбия; Кавасаки, Б.С. (1978). «Светочувствительность в оптоволоконных волноводах: применение для изготовления отражающих волокон». Прил. Физ. Летт . 32 (10): 647. Бибкод : 1978ApPhL..32..647H. дои : 10.1063/1.89881.
3. Мельц, Г.; и другие. (1989). «Формирование брэгговских решеток в оптических волокнах поперечным голографическим методом». Опция Летт . 14 (15): 823–5. Бибкод : 1989OptL...14..823M. дои : 10.1364/OL.14.000823. ПМИД  19752980.
4. Дж. Каннинг, Волоконные решетки и устройства для датчиков и лазеров, Обзоры лазерной и фотоники, 2 (4), 275-289, Wiley, США (2008).
5. Лю, Ю. (2001). Перспективные волоконные решетки и их применение (Диссертация). Астонский университет. S2CID  107311300.
6. Симпсон, AG (2005). Волоконно-оптические датчики и их исследование (Диссертация). Астонский университет. S2CID  137254600.
7. Симпсон, АГ; Калли, К.; Чжоу, К.; Чжан, Л.; Беннион, И. (2003). «Способ изготовления термокомпенсирующих тензодатчиков IA-I». ОФС16 . Нара, Япония. стр. послесрочный документ PD4.
8. Современный обзор см. в J. Canning (2008). «Волоконные решетки и устройства для датчиков и лазеров». Обзоры лазерной и фотоники . Уайли. 2 (4): 275–289. Бибкод : 2008ЛПРв....2..275С. дои : 10.1002/lpor.200810010. S2CID  120508715.
9. Се, WX; Ниай, П.; Бернадж, П.; Дуэ, М.; Байон, Дж. Ф.; Жорж, Т.; Монери, М.; Пумельлек, Б. (1993). «Экспериментальное подтверждение двух типов фоторефрактивных эффектов, возникающих во время фотонадписей на брэгговских решетках внутри германосиликатных волокон». Оптические коммуникации . 104 (1–3): 185–195. Бибкод : 1993OptCo.104..185X. дои : 10.1016/0030-4018(93)90127-Q.
10. Ниай, П.; Бернадж, П.; Легубен, С.; Дуэ, М.; Се, WX; Байон, Дж. Ф.; Жорж, Т.; Монери, М.; Пумельлек, Б. (1994). «Поведение спектрального пропускания решеток Брэгга, записанных в волокнах, легированных германием - эксперименты по записи и стиранию с использованием импульсного или непрерывного УФ-воздействия». Оптические коммуникации . 113 (1–3): 176–192. Бибкод : 1994OptCo.113..176N. дои : 10.1016/0030-4018(94)90606-8.
11. Каннинг, Дж.; Стивенсон, М.; Бандиопадхьяй, С.; Кук, К. (2008). «Экстремальные кварцевые оптические решетки». Датчики . 8 (10): 6448–6452. Бибкод : 2008Senso...8.6448C. CiteSeerX 10.1.1.412.2022 . дои : 10.3390/s8106448 . ПМК 3707460 . ПМИД  27873879.  
12. Донг, Л.; Аршамбо, JL; Рики, Л.; Рассел, PSJ; Пейн, Д.Н. (1993). «Одноимпульсные брэгговские решетки, записанные во время вытягивания волокна» (PDF) . Электронные письма . 29 (17): 1577–1578. Бибкод : 1993ElL....29.1577D. дои : 10.1049/эл: 19931051.
13. Аршамбо, JL; Рики, Л.; Рассел, PSJ (1993). «Брэгговские отражатели со 100-процентной отражательной способностью, изготовленные из оптических волокон с помощью одиночных импульсов эксимер-лазера» (PDF) . Электронные письма . 29 (5): 453–455. Бибкод : 1993ElL....29..453A. дои : 10.1049/эл: 19930303.
14. Эрдоган, Туран (август 1997 г.). «Спектры волоконных решеток». Журнал световых технологий . 15 (8): 1277–1294. Бибкод : 1997JLwT...15.1277E. дои : 10.1109/50.618322.
15. Дж. Каннинг, М.Г. Скитс, «Периодические распределенные структуры со сдвигом p-фазы в германосиликатном волокне путем постобработки УФ-излучением», Электрон. Летт., 30, (16), 1344-1345, (1994)
16. Т. Эрдоган, «Резонансы оболочек в короткопериодных и длиннопериодных фильтрах с волоконными решетками», J. Opt. Соц. Являюсь. А, 14, стр. 1760–1773, 1997 г.
17. С. Бандиопадьяй, П. Бисвас, Ф. Кьяваиоли, Т.К. Дей, Н. Басумаллик, «Длиннопериодическая волоконная решетка: особая конструкция для биосенсорных приложений», Applied Optics 56 (35), 9846-9853
18. С. Гош, К. Диссанаяке, С. Асокан, Т. Сан, БМА Рахман, Кеннет ТВ Грэттан; «Разработка сенсора ионов свинца (Pb2+) с использованием волоконно-оптических решеток и нанокомпозитных материалов», Sensors and Actuators B: Chemical, 2022, 364, стр. 131818.
19. Агравал, врач общей практики; Радич, С. (1994). «Сдвинутые по фазе волоконные брэгговские решетки и их применение для демультиплексирования длин волн». Письма IEEE Photonics Technology . 6 (8): 995–997. Бибкод : 1994IPTL....6..995A. дои : 10.1109/68.313074. ISSN  1041-1135. S2CID  44014971.
20. Фалах, ААС; Мохтар, MR; Юсофф З.; Ибсен, М. (2016). «Реконфигурируемая волоконная брэгговская решетка с фазовым сдвигом с использованием локализованной микродеформации». Письма IEEE Photonics Technology . 28 (9): 951–954. дои : 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 журнал информационных технологий, механики и оптики . 15 (2).
22. Аглиуллин, Т.А.; Губайдуллин Р.Р.; Морозов О.Г.; Ж. Сахабутдинов А.; Иванов, В. (март 2019 г.). «Система измерения деформации шин на основе адресных ВБР-структур». 2019 Системы формирования и обработки сигналов в области бортовой связи . Москва, Россия: IEEE. стр. 1–5. дои : 10.1109/SOSG.2019.8706815. ISBN 978-1-7281-0606-9. S2CID  146118643.
23. Морозов, О.Г.; Сахабутдинов А Ж; Нуреев, И.И.; Мисбахов Р.Ш. (ноябрь 2019 г.). «Моделирование и технологии записи адресных волоконных брэгговских структур на основе двух одинаковых сверхузких решеток с разными центральными длинами волн». Физический журнал: серия конференций . 1368 (2): 022049. Бибкод : 2019JPhCS1368b2049M. дои : 10.1088/1742-6596/1368/2/022049 . ISSN  1742-6588.
24. Чжифэн, Чжан (2015), Тао, Сяомин (редактор), «Решетка Брэгга из полимерного оптического волокна», 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. Стуббе, Б. Салгрен, С. Сандгрен и А. Ассе, «Новая техника написания длинных сверхструктурированных волоконных решеток Брэгга», в статьях Postdeadlin, Фоточувствительность и квадратичная нелинейность в стеклянных волноводах: основы и приложения, Vol. 22 из серии технических дайджестов 1995 г. (Оптическое общество Америки, Вашингтон, округ Колумбия, 1995 г.), стр. 22. ПД 1.
26. Петерманн, И.; Салгрен, Б.; Хельмфрид, С.; Фриберг, AT (2002). «Изготовление усовершенствованных волоконных решеток Брэгга с использованием последовательной записи с помощью источника непрерывного ультрафиолетового лазера». Прикладная оптика . 41 (6): 1051–1056. Бибкод : 2002ApOpt..41.1051P. дои : 10.1364/ao.41.001051. ПМИД  11900123.
27. Архипов С.В.; Грен М.; Варжель С.В.; Стригалев В.Е.; Грига Н.; Эйхлер Х.Дж. (2015). «Поточечная запись волоконных решеток Брэгга в двулучепреломляющее оптическое волокно через защитное акрилатное покрытие фемтосекундным лазером Ti:Sa». Научно-технический журнал информационных технологий, механики и оптики . 15 (3): 373–377. дои : 10.17586/2226-1494-2015-15-3-373-377 .
28. Отонос, Андреас; Калли, Кириакос (1999). Волоконные решетки Брэгга: основы и применение в телекоммуникациях и зондировании . Артех Хаус. ISBN 978-0-89006-344-6.
29. П. Ферраро; Г. Де Натале (2002). «О возможности использования волоконно-оптических решеток Брэгга в качестве тензодатчиков для геодинамического мониторинга». Оптика и лазеры в технике . 37 (2–3): 115–130. Бибкод : 2002OptLE..37..115F. дои : 10.1016/S0143-8166(01)00141-5.
30. Патент США 5493390, «Интегрированный оптический прибор для диагностики деталей с помощью встроенных или поверхностно прикрепленных 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», выпущено 21 марта 1995 г. 
32. Чон, Ю.; Саху, Дж. К.; Пейн, Д.Н.; Нильссон, Дж. (2004). «Волоконный лазер с большим сердечником, легированный иттербием, с выходной мощностью непрерывного излучения 1 кВт». Электронные письма . 40 (8): 470–472. дои : 10.1049/эл: 20040298. ПМИД  19488250.
33. Сяо, Ю.; Брюне, Ф.; Канскар, М.; Фаушер, М.; Веттер, А.; Хоулхаус, Н. (2012). «Цельноволоконный лазерный генератор непрерывного действия мощностью 1 киловатт с накачкой с помощью комбинированных по длине волны диодных стеков». Оптика Экспресс . 20 (3): 3296–3301. Бибкод : 2012OExpr..20.3296X. дои : 10.1364/oe.20.003296 . ПМИД  22330567.
34. Доусон, JW; Мессерли, МЮ; Бич, Р.Дж.; Швердин, М.Ю.; Стаппартс, Э.А.; Шридхаран, АК; Пакс, штат Пенсильвания; Хебнер, Дж. Э.; Сайдерс, CW; Барти, CJP (2008). «Анализ возможности масштабирования волоконных лазеров и усилителей с дифракционным ограничением до высокой средней мощности». Оптика Экспресс . 16 (17): 13240–13260. Бибкод : 2008OExpr..1613240D. дои : 10.1364/oe.16.013240 . ПМИД  18711562.
35. Оулундсен Г., Фарли К., Абрамчик Дж. и Вей К. «Волокно для волоконных лазеров: сочетание активных и пассивных волокон улучшает характеристики волоконного лазера», Laser Focus World, том 48, январь 2012 г. http:// www.nufern.com/library/item/id/391/
36. Самсон, Б.; Картер, А.; Танкала, К. (2011). «Редкоземельные волокна включаются». Природная фотоника . 5 (8): 466–467. Бибкод : 2011NaPho...5..466S. дои : 10.1038/nphoton.2011.170.

Внешние ссылки

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