Волоконная решетка Брэгга - Fiber Bragg grating - Wikipedia

А волоконная решетка Брэгга (ВБР) является разновидностью распределенный брэгговский отражатель построен в коротком сегменте оптоволокно что отражает особые длины волн света и пропускает все остальные. Это достигается за счет создания периодического изменения показатель преломления сердцевины волокна, которая генерирует зависящую от длины волны диэлектрическое зеркало. Поэтому волоконную решетку Брэгга можно использовать в качестве линейной оптический фильтр для блокировки определенных длин волн или как отражатель, зависящий от длины волны.

Рисунок 1: Структура волоконной брэгговской решетки с профилем показателя преломления и спектральным откликом.

История

Первая внутриволоконная брэгговская решетка была продемонстрирована Кен Хилл в 1978 г.^[1] Первоначально решетки были изготовлены с использованием лазера видимого диапазона, распространяющегося вдоль сердцевины световода. В 1989 году Джеральд Мельц и его коллеги продемонстрировали гораздо более гибкую технику поперечной голографической надписи, когда лазерное излучение исходит со стороны волокна. Этот метод использует интерференционная картина ультрафиолетового лазерного излучения^[2] для создания периодической структуры волоконной брэгговской решетки.

Производство

Волоконные брэгговские решетки создаются путем «вписывания» или «записи» систематического (периодического или апериодического) изменения показателя преломления в сердцевину оптического волокна особого типа с использованием интенсивного ультрафиолетовый (УФ) источник, такой как УФ лазер. Используются два основных процесса: вмешательство и маскировка. Предпочтительный метод зависит от типа изготавливаемой решетки. Обычно германий кварцевое волокно, легированное примесью, используется при производстве волоконных решеток Брэгга. Волокно, легированное германием, светочувствительный, что означает, что показатель преломления сердечника изменяется под воздействием УФ-излучения. Величина изменения зависит от интенсивности и продолжительности воздействия, а также от светочувствительности волокна. Чтобы записать брэгговскую решетку волокна с высоким коэффициентом отражения непосредственно в волокно, уровень легирования германием должен быть высоким. Однако можно использовать стандартные волокна, если светочувствительность повышена путем предварительного замачивания волокна в водороде. Совсем недавно волоконные брэгговские решетки также были записаны в полимерные волокна, это описано в ФОСФОС Вход.^[3]

Вмешательство

Это был первый метод, широко использовавшийся для изготовления волоконных решеток Брэгга, в котором использовались двухлучевые вмешательство. 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 лазер свет.

Последовательное письмо

Сложные профили решеток могут быть изготовлены путем последовательного экспонирования большого количества небольших частично перекрывающихся решеток. Расширенные свойства, такие как фазовые сдвиги и различная глубина модуляции, могут быть введены путем настройки соответствующих свойств подрешеток.^[4] В первом варианте метода подрешетки формировались воздействием УФ-импульсов, но этот подход имел ряд недостатков, таких как большие флуктуации энергии в импульсах и низкая средняя мощность. Метод последовательной записи с непрерывным УФ-излучением, который преодолевает эти проблемы, был продемонстрирован и теперь используется в коммерческих целях.^[5] Светочувствительное волокно перемещается с помощью интерферометрически управляемой каретки на воздушном подшипнике. Мешающие ультрафиолетовые 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 перемещаются по пилообразной схеме. Все параметры решетки доступны в управляющем программном обеспечении, что позволяет изготавливать любые конструкции решеток без каких-либо изменений в оборудовании.

Фотошаблон

А фотомаска решетки с заданными характеристиками могут также использоваться при производстве волоконных решеток Брэгга. Фотошаблон помещается между источником УФ света и светочувствительным волокном. Затем тень фотошаблона определяет структуру решетки на основе интенсивности прошедшего света, падающего на волокно. Фотошаблоны специально используются при изготовлении чирпированные волоконно-брэгговские решетки, которые не могут быть изготовлены с использованием интерференционной картины.

По пунктам

Один УФ лазер Луч также может использоваться для «записи» решетки в волокно по точкам. Здесь лазер имеет узкий луч, равный периоду решетки. Основное отличие этого метода заключается в механизмах взаимодействия инфракрасного лазерного излучения с материалом диэлектрика - многофотонном поглощении и туннельной ионизации.^[6] Этот метод особенно применим для изготовления длиннопериодные волоконно-оптические решетки. Точечная обработка также используется при изготовлении наклонных решеток.

Производство

Первоначально изготовление светочувствительного оптического волокна и «запись» волоконной брэгговской решетки выполнялись отдельно. Сегодня производственные линии обычно получают волокно из преформа и "напиши" решетку за один этап. Это не только сокращает связанные с этим затраты и время, но и позволяет массовое производство волоконных решеток Брэгга. Массовое производство, в частности, способствует применению в умные конструкции с использованием большого количества (3000) встроенных волоконных решеток Брэгга на одной длине волокна.

Теория

Рисунок 2: Отраженная мощность ВБР как функция длины волны

Фундаментальный принцип работы ВБР: Отражение Френеля, где свет, перемещающийся между средами с разными показателями преломления, может отражать и преломлять на интерфейсе.

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

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

куда ${\displaystyle \scriptstyle n_{e}}$ - эффективный показатель преломления решетки в сердцевине световода, а ${\displaystyle \scriptstyle \Lambda }$ период решетки. Эффективный показатель преломления определяет скорость распространения света по сравнению со скоростью в вакууме. ${\displaystyle \scriptstyle n_{e}}$ зависит не только от длины волны, но также (для многомодовых волноводов) от режима, в котором распространяется свет. По этой причине его также называют модальным индексом.

Расстояние между длинами волн между первыми минимумами (нули, см. Рис.2) или ширина полосы (${\displaystyle \scriptstyle \Delta \lambda }$), (в пределе сильной решетки) задается формулой

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

куда ${\displaystyle \scriptstyle \delta n_{0}}$ - изменение показателя преломления (${\displaystyle \scriptstyle n_{3}\,-\,n_{2}}$), и ${\displaystyle \scriptstyle \eta }$ - доля мощности в ядре. Отметим, что это приближение не применяется к слабым решеткам, у которых длина решетки ${\displaystyle \scriptstyle L_{g}}$, не большой по сравнению с ${\displaystyle \scriptstyle \lambda _{B}}$ \ ${\displaystyle \scriptstyle \delta n_{0}}$.

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

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

куда ${\displaystyle \scriptstyle N}$ - количество периодических вариаций. Полное уравнение для отраженной мощности (${\displaystyle \scriptstyle P_{B}(\lambda )}$), дан кем-то,

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

куда,

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

Виды решеток

Период, термин тип в этом контексте относится к основному светочувствительность механизм образования решетчатых полос в волокне. Различные методы создания этих полос оказывают значительное влияние на физические характеристики изготовленной решетки, в частности, на температурный отклик и способность выдерживать повышенные температуры. К настоящему времени описано пять (или шесть) типов ВБР с различными лежащими в основе механизмами светочувствительности.^[7] Они кратко изложены ниже:

Стандартные решетки или решетки типа I

Выполненные как из гидрированных, так и из негидрированных волокон всех типов, решетки типа I обычно известны как стандартные решетки и производятся из волокон всех типов при любых условиях гидрирования. Обычно спектр отражения решетки типа I равен 1-T, где T - спектры пропускания. Это означает, что спектры отражения и пропускания дополняют друг друга, и потери света на отражение в оболочку или поглощение незначительны. Решетки типа I являются наиболее часто используемыми из всех типов решеток и единственными типами решеток, имеющихся в наличии на момент написания.

Решетки типа IA

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

Решетки типа IA были впервые обнаружены в 2001 г.^[8] 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 поздняя работа показала, что увеличение длины волны Брэгга началось, как только решетка первого типа достигла максимальной отражательной способности и начала ослабевать. По этой причине она была названа регенерированной решеткой.

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

Ключевое различие между надписью решеток типа IA и IIA состоит в том, что решетки IA записаны в гидрированных волокнах, тогда как решетки типа IIA записаны в негидрированных волокнах.^[9][10]

Решетки типа IIA или типа In

• Это решетки, которые образуются, когда отрицательная часть индуцированного изменения показателя преломления обгоняет положительную часть. Обычно это связано с постепенным ослаблением индуцированного напряжения вдоль оси и / или на границе раздела. Было предложено, чтобы эти решетки могли быть переименованы в тип In (для решеток типа 1 с отрицательным изменением показателя преломления; метка типа II может быть зарезервирована для тех, которые явно сделаны выше порога повреждения стекла).^[11]

Более позднее исследование Xie et al. показали существование другого типа решеток с такими же термостабильными свойствами, что и решетки II типа. Эта решетка показала отрицательное изменение среднего показателя волокна и получила название типа IIA. Решетки формировались в германосиликатных световодах импульсами лазера на красителях с накачкой на XeCl с удвоенной частотой. Было показано, что при первоначальном экспонировании внутри световода образуется стандартная решетка (типа I), которая перед стиранием претерпевает небольшое красное смещение. Дальнейшая экспозиция показала, что решетка преобразовалась, которая претерпела устойчивый сдвиг в синий цвет по мере увеличения прочности.^[12][13]

Регенерированные решетки

Это решетки, которые возрождаются при более высоких температурах после стирания решеток, обычно это решетки I типа и обычно, хотя и не всегда, в присутствии водорода. Они интерпретировались по-разному, включая диффузию примесей (наиболее популярной современной интерпретацией является кислород) и структурные изменения стекла. Недавние исследования показали, что существует режим регенерации, выходящий за рамки диффузии, при котором решетки могут работать при температурах, превышающих 1295 ° C, превосходя даже фемтосекундные решетки II типа.^[14] Они чрезвычайно привлекательны для сверхвысоких температур.

Решетки типа II

• Повреждение записанных решеток с помощью многофотонного возбуждения лазерами с более высокой интенсивностью, превышающей порог повреждения стекла. Используемые лазеры обычно являются импульсными, чтобы достичь этой интенсивности. В их число входят недавние разработки в области многофотонного возбуждения с использованием фемтосекундных импульсов, в которых короткие временные рамки (соизмеримые в масштабе времени, подобном временам локальной релаксации) обеспечивают беспрецедентную пространственную локализацию индуцированного изменения. 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.

Archambault et al. показали, что можно записать решетки с коэффициентом отражения ~ 100% (> 99,8%) с помощью одного УФ-импульса в волокнах на вытяжной колонне. Было показано, что полученные решетки стабильны при температурах до 800 ° C (в некоторых случаях до 1000 ° C и выше с фемтосекундной лазерной надписью). Для записи решеток использовался одиночный импульс 40 мДж от источника эксимерный лазер при 248 нм. Далее было показано, что резкий порог наблюдается при ~ 30 мДж; выше этого уровня индексная модуляция увеличивается более чем на два порядка, тогда как ниже 30 мДж индексная модуляция растет линейно с увеличением энергии импульса. Для простоты идентификации и для распознавания явных различий в термической стабильности они назвали решетки, изготовленные ниже порога, решетками типа I, а решетки выше порога - решетками типа II. Микроскопическое исследование этих решеток показало наличие следа периодического повреждения на участке решетки внутри волокна [10]; поэтому решетки типа II также известны как решетки повреждений. Однако эти трещины могут быть очень локализованными, чтобы не играть главную роль в потерях при рассеянии, если они правильно подготовлены.^[15][16]

Структура решетки

Рисунок 3: Структура изменения показателя преломления в однородной ВБР (1), ВБР с Чирпом (2), наклонной ВБР (3) и ВБР надстройки (4).

Рисунок 4: Профиль показателя преломления в сердцевине: 1) однородная ВБР с положительной полярностью, 2) ВБР с аподизацией по Гауссу, 3) ВБР с приподнятым косинусом и изменением нулевого постоянного тока, и 4) дискретный фазовый сдвиг ВБР.

Структура брэгговской решетки может изменяться через показатель преломления или период решетки. Период решетки может быть равномерным или ступенчатым, а также 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 может быть положительным или нулевым.

Есть шесть общих структур для ВБР;^[17]

1. равномерное изменение только положительного индекса,
2. Гауссовский аподированный,
3. приподнятый косинус аподированный
4. щебетал,
5. дискретный фазовый сдвиг, и
6. надстройка.

Первая сложная решетка была изготовлена ​​Дж. Каннингом в 1994 году.^{[18][нужна цитата ]} Это способствовало развитию первой распределенной обратной связи (DFB). волоконные лазеры, а также заложил основу для самых сложных решеток, которые последовали за этим, включая выборочные решетки, впервые сделанные Питером Хиллом и его коллегами из Австралии.^{[нужна цитата ]}

Аподированные решетки

В основном есть две величины, которые контролируют свойства ВБР. Это длина решетки, ${\displaystyle \scriptstyle L_{g}}$, заданный как

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

и прочность решетки, ${\displaystyle \scriptstyle \delta n_{0}\eta }$. Однако есть три свойства, которыми необходимо управлять в ВБР. Это отражательная способность, полоса пропускания и сила боковых лепестков. Как показано над, в пределе сильной решетки (т. е. при больших ${\displaystyle \scriptstyle \delta n_{0}}$) ширина полосы зависит от прочности решетки, а не от ее длины. Это означает, что сила решетки может использоваться для установки ширины полосы. Длина решетки, эффективно ${\displaystyle \scriptstyle N}$, затем можно использовать для установки максимальной отражательной способности, которая зависит как от силы решетки, так и от ее длины. Результатом этого является невозможность управления силой боковых лепестков, и эта простая оптимизация приводит к значительным боковым лепесткам. Третья величина может быть изменена, чтобы помочь с подавлением боковых лепестков. Это аподизация изменения показателя преломления. Термин аподизация относится к постепенному приближению 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 гауссова и приподнятый косинус.

Решетки Брэгга с чирпированным волокном

Профиль показателя преломления решетки может быть изменен для добавления других функций, таких как линейное изменение периода решетки, называемое щебетать. Отраженная длина волны изменяется с периодом решетки, расширяя отраженный спектр. Решетка, имеющая щебетание, имеет свойство добавлять разброс - а именно, отраженные от решетки волны различной длины будут иметь разные задержки. Это свойство было использовано при разработке фазированная решетка антенные системы и компенсация поляризационной модовой дисперсии.

Решетки Брэгга с наклонным волокном

В стандартных брэгговых решётках градация или изменение показателя преломления происходит по длине волокна (оптической оси) и обычно одинакова по ширине волокна. В наклонной ВБР (TFBG) изменение показателя преломления происходит под углом к ​​оптической оси. Угол наклона TFBG влияет на длину отраженной волны и полосу пропускания.^{[требуется разъяснение ]}

Длиннопериодические решетки

Обычно период решетки имеет тот же размер, что и длина волны Брэгга, как показано на рисунке. над. Для решетки, которая отражает на 1500 нм, период решетки составляет 500 нм, используя показатель преломления 1,5. Более длительные периоды могут использоваться для получения более широких ответов, чем это возможно при использовании стандартной ВБР. Эти решетки называются длиннопериодическая волоконная решетка. Обычно они имеют период решетки от 100 микрометров до миллиметра, и поэтому их намного проще производить.

Волоконные брэгговские решетки со сдвигом фазы

Волоконные брэгговские решетки со сдвигом по фазе (PS-FBG) представляют собой важный класс решетчатых структур, которые имеют интересные применения в оптической связи и зондировании из-за их особых характеристик фильтрации.^[19] Эти типы решеток можно реконфигурировать с помощью специальной упаковки и конструкции системы.^[20]

Для волоконных брэгговских решеток используются различные покрытия дифракционной структуры для уменьшения механического воздействия на брэгговский сдвиг длины волны в 1,1–15 раз по сравнению с волноводом без покрытия.^[21]

Адресные волоконно-брэгговские структуры

Адресные волоконно-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, радиочастота (RF) классифицировать. Частотный интервал называется частотой адресации AFBS и уникален для каждой AFBS в системе. Центральную длину волны AFBS можно определить без сканирования ее спектрального отклика, в отличие от обычных FBG, которые проверяются оптоэлектронными запросчиками. Схема опроса AFBS значительно упрощена по сравнению с обычными опросчиками и состоит из широкополосного оптического источника, оптического фильтра с заранее заданной линейной наклонной частотной характеристикой и фотодетектора.^[22][23]

Приложения

Связь

Рисунок 5: Оптический мультиплексор ввода-вывода.

Основное применение волоконных решеток Брэгга - в системах оптической связи. Они специально используются как режекторные фильтры. Они также используются в оптических мультиплексоры и демультиплексоры с оптический циркулятор, или же оптический мультиплексор ввода-вывода (OADM). На рис. 5 показаны 4 канала, обозначенные 4 цветами, которые попадают на ВБР через оптический циркулятор. ВБР настроен на отражение одного из каналов, в данном случае канала 4. Сигнал отражается обратно в циркулятор, где он направляется вниз и выходит из системы. Поскольку канал был отключен, другой сигнал на этом канале может быть добавлен в той же точке сети.

Демультиплексор может быть получен путем каскадирования нескольких ответвительных секций OADM, где каждый ответвительный элемент использует FBG, установленную на длину волны, подлежащую демультиплексированию. И наоборот, мультиплексор может быть получен путем каскадного соединения нескольких секций добавления OADM. Демультиплексоры FBG и OADM также могут быть настроены. В настраиваемом демультиплексоре или OADM длина волны Брэгга ВБР может регулироваться деформацией, приложенной пьезоэлектрический преобразователь. Чувствительность ВБР к деформации обсуждается ниже в датчики с волоконной решеткой Брэгга.

Датчики с волоконной решеткой Брэгга

А также быть чувствительным к напряжение, длина волны Брэгга также чувствительна к температура. Это означает, что волоконные брэгговские решетки могут использоваться в качестве чувствительных элементов в оптоволоконные датчики. В датчике ВБР измеряемая величина вызывает сдвиг длины волны Брэгга, ${\displaystyle \scriptstyle \Delta \lambda _{B}}$. Относительный сдвиг длины волны Брэгга, ${\displaystyle \scriptstyle \Delta \lambda _{B}/\lambda _{B}}$, из-за приложенной деформации (${\displaystyle \scriptstyle \epsilon }$) и изменение температуры (${\displaystyle \scriptstyle \Delta T}$) приблизительно определяется выражением

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

или же,

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

Здесь, ${\displaystyle \scriptstyle C_{S}}$ это коэффициент деформации, что связано с оптический коэффициент деформации ${\displaystyle \scriptstyle p_{e}}$. Также, ${\displaystyle \scriptstyle C_{T}}$ это коэффициент температуры, который состоит из коэффициент теплового расширения оптического волокна, ${\displaystyle \scriptstyle \alpha _{\Lambda }}$, а термооптический коэффициент, ${\displaystyle \scriptstyle \alpha _{n}}$.^[24]

Волоконные решетки Брэгга могут затем использоваться в качестве элементов прямого измерения деформации и температуры. Они также могут использоваться в качестве преобразовательных элементов, преобразуя выходной сигнал другого датчика, который генерирует деформацию или изменение температуры от измеряемой величины, например, газовые датчики с волоконной решеткой Брэгга используют абсорбирующее покрытие, которое в присутствии газа расширяется, вызывая деформацию. , который измеряется решеткой. Технически абсорбирующий материал является чувствительным элементом, преобразующим количество газа в напряжение. Затем решетка Брэгга преобразует напряжение в изменение длины волны.

В частности, волоконные брэгговские решетки находят применение в измерительных приборах, таких как сейсмология,^[25] датчики давления для чрезвычайно суровых условий, а также скважинные датчики в нефтяных и газовых скважинах для измерения воздействия внешнего давления, температуры, сейсмических колебаний и измерения потока в линию. Как таковые, они предлагают значительное преимущество перед традиционными электронными датчиками, используемыми для этих приложений, в том, что они менее чувствительны к вибрации или нагреву и, следовательно, намного более надежны. В 1990-е годы проводились исследования по измерению деформации и температуры композиционных материалов для самолет и вертолет конструкции.^[26][27]

Волоконные решетки Брэгга, используемые в волоконных лазерах

Недавно разработка мощных волоконных лазеров привела к появлению нового набора приложений для волоконных брэгговских решеток (ВБР), работающих на уровнях мощности, которые ранее считались невозможными. В случае простого волоконного лазера ВБР можно использовать в качестве высокоотражающего устройства (HR) и выходного элемента связи (OC) для формирования резонатора лазера. Коэффициент усиления для лазера обеспечивается отрезком оптического волокна, легированного редкоземельными элементами, наиболее распространенная форма - Yb.³⁺ ионы в качестве активного иона генерации в кварцевом волокне. Эти волоконные лазеры, легированные Yb, впервые работали на уровне мощности в 1 кВт в непрерывном режиме в 2004 году.^[28] основаны на полостях свободного пространства, но работа с полостями волоконной брэгговской решетки была показана намного позже.^[29]

Такие монолитные, полностью оптоволоконные устройства производятся многими компаниями по всему миру и имеют уровни мощности, превышающие 1 кВт.Основным преимуществом всех этих волоконных систем, в которых зеркала в свободном пространстве заменены парой волоконных брэгговских решеток (ВБР), является устранение перестройки в течение срока службы системы, поскольку ВБР соединяется непосредственно с легированным волокном и не требует настройки. Задача состоит в том, чтобы эксплуатировать эти монолитные резонаторы на уровне мощности непрерывного излучения в кВт в световодах с большой площадью мод (LMA), таких как 20/400 (сердцевина диаметром 20 мкм и внутренняя оболочка диаметром 400 мкм), без преждевременных отказов в точках стыка внутри резонатора и решетки. После оптимизации эти монолитные полости не нуждаются в повторном выравнивании в течение срока службы устройства, что исключает любую очистку и деградацию поверхности волокна из графика технического обслуживания лазера. Однако упаковка и оптимизация сращиваний и самих ВБР на этих уровнях мощности нетривиальны, как и согласование различных волокон, поскольку состав волокна, легированного Yb, и различных пассивных и светочувствительных волокон должен быть тщательно согласован по всем параметрам. всю цепочку волоконного лазера. Хотя пропускная способность самого волокна намного превышает этот уровень и, возможно, достигает> 30 кВт в непрерывном режиме, практический предел намного ниже из-за надежности компонентов и потерь при сварке.^[30]

Процесс согласования активных и пассивных волокон

В световоде с двойной оболочкой имеется два волновода - сердцевина, легированная Yb, которая формирует сигнальный волновод, и волновод с внутренней оболочкой для света накачки. Внутренняя оболочка активного волокна часто имеет такую ​​форму, чтобы скремблировать моды оболочки и увеличить перекрытие накачки с легированной сердцевиной. Согласование активных и пассивных волокон для улучшения целостности сигнала требует оптимизации концентричности сердцевины / оболочки, а также MFD по диаметру сердцевины и числовой апертуре, что снижает потери на стыках. В основном это достигается ужесточением всех соответствующих спецификаций волокна.^[31]

Согласование волокон для улучшения связи насоса требует оптимизации диаметра оболочки как для пассивного, так и для активного волокна. Чтобы максимизировать мощность накачки, передаваемую в активное волокно, активное волокно спроектировано с немного большим диаметром оболочки, чем пассивные волокна, обеспечивающие 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 стыка, на котором показана фасонная оболочка легированного волокна с двойной оболочкой.^[32]

Согласование активных и пассивных волокон можно оптимизировать несколькими способами. Самый простой способ согласования светового пучка - иметь одинаковые NA и диаметры сердцевины для каждого волокна. Однако это не учитывает все особенности профиля показателя преломления. Согласование MFD также является методом, используемым для создания согласованных оптоволоконных кабелей. Было показано, что согласование всех этих компонентов обеспечивает лучший набор волокон для создания усилителей и лазеров высокой мощности. По сути, моделируется MFD, и определяются результирующая числовая апертура цели и диаметр сердечника. Стержень-сердечник изготавливается и перед вытяжкой в ​​волокно проверяется его диаметр и NA. На основе измерений показателя преломления определяется окончательное соотношение сердцевина / оболочка и настраивается на целевой MFD. Этот подход учитывает детали профиля показателя преломления, которые можно легко и с высокой точностью измерить на преформе, прежде чем она будет вытягиваться в волокно.^[32]

Смотрите также

• Закон Брэгга
• Диэлектрическое зеркало
• Дифракция
  • Дифракционная решетка
• Распределенное измерение температуры по волоконной оптике
• Датчик водорода
• Длиннопериодическая волоконная решетка
• ФОСФОС проект - встраивание FBG в гибкие скины
• Фотонно-кристаллическое волокно

Рекомендации

1. Hill, K.O .; Fujii, Y .; Johnson, D.C .; Кавасаки Б.С. (1978). «Фоточувствительность в волоконно-оптических волноводах: приложение к производству отражающих волокон». Appl. Phys. Латыш. 32 (10): 647. Bibcode:1978ApPhL..32..647H. Дои:10.1063/1.89881.
2. Meltz, G .; и другие. (1989). «Формирование брэгговских решеток в оптических волокнах методом поперечной голографии». Опт. Латыш. 14 (15): 823–5. Bibcode:1989OptL ... 14..823M. Дои:10.1364 / OL.14.000823. PMID  19752980.
3. http://www.phosfos.eu/eng/Phosfos/Journals/Bragg-grating-in-polymer-optical-fiber-for-strain-bend-and-temperature-sensing^{[постоянная мертвая ссылка ]}
4. Р. Стуббе, Б. Сальгрен, С. Сандгрен и А. Ассех, "Новая техника для 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 (Оптическое общество Америки, Вашингтон, округ Колумбия, 1995), стр. ПД 1.
5. Petermann, I .; Sahlgren, B .; Helmfrid, S .; Фриберг, А. (2002). «Изготовление современных волоконных решеток Брэгга путем последовательной записи с использованием источника непрерывного ультрафиолетового излучения». Прикладная оптика. 41 (6): 1051–1056. Bibcode:2002ApOpt..41.1051P. Дои:10.1364 / ао.41.001051. PMID  11900123.
6. Архипов С.В .; Grehn M .; Варжель С.В .; Стригалев В.Е .; Грига Н .; Эйхлер Х. Дж. (2015). «По точкам нанесение волоконных брэгговских решеток на 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.
7. Дж. Каннинг, Волоконные решетки и устройства для датчиков и лазеров, обзоры лазеров и фотоники, 2 (4), 275-289, Wiley, USA (2008)
8. Лю, Ю. (2001), Современные волоконно-оптические решетки и их применение, Кандидат наук. Диссертация, Университет Астон
9. Симпсон, А. Г. (2005). «Волоконно-оптические датчики и их исследование». Кандидат наук. Диссертация, Астонский университет.
10. Симпсон, А.Г .; Калли, К .; Чжоу, К .; Zhang, L .; Беннион И. (2003). «Способ изготовления термокомпенсирующих тензодатчиков IA-I». OFS16. Нара, Япония. стр. postdeadline paper PD4.
11. Современный обзор см. В J. Canning, Fiber Gratings and Devices for Sensors and Lasers, Lasers and Photonics Reviews, 2 (4), 275-289, Wiley, USA (2008).
12. Xie, W. X .; Niay, P .; Bernage, P .; Douay, M .; Bayon, J. F .; Жорж, Т .; Монери, М .; Пумеллек, Б. (1993). «Экспериментальные доказательства двух типов фоторефрактивных эффектов, возникающих при фото-надписях решеток Брэгга внутри германосиликатных волокон». Оптика Коммуникации. 104 (1–3): 185–195. Bibcode:1993OptCo.104..185X. Дои:10.1016 / 0030-4018 (93) 90127-Q.
13. Niay, P .; Bernage, P .; Легубен, С .; Douay, M .; Xie, W. X .; Bayon, J. F .; Жорж, Т .; Монери, М .; Пумеллек Б. (1994). "Поведение спектральных пропусканий решеток Брэгга, записанных в волокнах, легированных Германией - запись и стирание экспериментов с использованием импульсного или непрерывного УФ-облучения". Оптика Коммуникации. 113 (1–3): 176–192. Bibcode:1994OptCo.113..176N. Дои:10.1016/0030-4018(94)90606-8.
14. Canning, J .; Стивенсон, М .; Bandyopadhyay, S .; Кук, К. (2008). «Экстремальные кварцевые оптоволоконные решетки». Датчики. 8 (10): 6448–6452. CiteSeerX  10.1.1.412.2022. Дои:10,3390 / с8106448. ЧВК  3707460. PMID  27873879.
15. Dong, L .; Archambault, J. L .; Reekie, L .; Russell, P. S. J .; Пейн, Д. Н. (1993). «Одноимпульсные брэгговские решетки, записанные во время вытяжки волокна» (PDF). Письма об электронике. 29 (17): 1577–1578. Дои:10.1049 / el: 19931051.
16. Archambault, J. L .; Reekie, L .; Рассел, П. С. Дж. (1993). «Брэгговские отражатели со 100-процентной отражательной способностью, произведенные в оптических волокнах с помощью одиночных эксимерно-лазерных импульсов» (PDF). Письма об электронике. 29 (5): 453–455. Дои:10.1049 / эл: 19930303.
17. Эрдоган, Turan (август 1997 г.). «Спектры волоконных решеток». Журнал технологии световых волн. 15 (8): 1277–1294. Bibcode:1997JLwT ... 15.1277E. Дои:10.1109/50.618322.
18. Дж. Каннинг, М. Г. Скейтс, "Периодические распределенные структуры со сдвигом p-фазы в германосиликатном волокне с помощью постобработки УФ", Электрон. Lett., 30, (16), 1344-1345, (1994).
19. Agrawal, G.P .; Радич, С. (1994). «Волоконные брэгговские решетки с фазовым сдвигом и их применение для демультиплексирования длин волн». Письма IEEE Photonics Technology. 6 (8): 995–997. Bibcode:1994IPTL .... 6..995A. Дои:10.1109/68.313074. ISSN  1041-1135. S2CID  44014971.
20. Falah, A. A. S .; Mokhtar, M. R .; Юсофф, З .; Ибсен, М. (2016). "Реконфигурируемая оптоволоконная 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. Мунко А.С .; Варжель С.В .; Архипов С.В .; Забиякин А.Н. (2015). «Защитные покрытия волоконной брэгговской решетки для минимизации механического воздействия на ее длинноволновые 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). «Система измерения деформации шин на основе адресных структур FBG». 2019 Системы генерации и обработки сигналов в области бортовой связи. Москва, Россия: IEEE: 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 Я; Мисбахов, Р. Ш. (ноябрь 2019 г.). «Технологии моделирования и записи адресных волоконных брэгговских структур на основе двух идентичных ультратонких решеток с разными центральными длинами волн». Journal of Physics: Серия конференций. 1368: 022049. Дои:10.1088/1742-6596/1368/2/022049. ISSN  1742-6588.
24. Отонос, Андреас; Калли, Кириакос (1999). Волоконные решетки Брэгга: основы и приложения в телекоммуникациях и зондировании. Артек Хаус. ISBN  978-0-89006-344-6.
25. П. Ферраро; Г. Де Натале (2002). «О возможности использования оптоволоконных брэгговских решеток в качестве тензодатчиков для геодинамического мониторинга». Оптика и лазеры в технике. 37 (2–3): 115–130. Bibcode:2002OptLE..37..115F. Дои:10.1016 / S0143-8166 (01) 00141-5.
26. Патент США 5493390, "Интегрированные оптические приборы для диагностики деталей с помощью встроенных или прикрепленных к поверхности оптических датчиков", выпущено 20 февраля 1996 г. 
27. Патент США 5399854, Дж. Р. Данфи и и другие., "Встроенный оптический датчик, способный измерять деформацию и температуру с помощью одной дифракционной решетки", выпущенный 21 марта 1995 г. 
28. Jeong, Y .; Sahu, J.K .; Payne, D.N .; Нильссон, Дж. (2004). «Легированный иттербием волоконный лазер с большой сердцевиной и выходной мощностью в непрерывном режиме 1 кВт». Письма об электронике. 40 (8): 470–472. Дои:10.1049 / el: 20040298. PMID  19488250.
29. Xiao, Y .; Brunet, F .; Канскар, М .; Faucher, M .; Wetter, A .; Холхаус, Н. (2012). «Генератор непрерывного лазера мощностью 1 киловатт с накачкой на диодных пакетах, совмещенных по длине волны». Оптика Экспресс. 20 (3): 3296–3301. Bibcode:2012OExpr..20.3296X. Дои:10.1364 / oe.20.003296. PMID  22330567.
30. Dawson, J.W .; Messerly, M.J .; Beach, R.J .; Швердин, М.Ю .; Stappaerts, E.A .; Sridharan, A.K .; Pax, P.H .; Heebner, J.E .; Siders, C.W .; Барти, C.J.P. (2008). «Анализ масштабируемости дифракционно-ограниченных волоконных лазеров и усилителей до высокой средней мощности». Оптика Экспресс. 16 (17): 13240–13260. Bibcode:2008OExpr..1613240D. Дои:10.1364 / oe.16.013240. PMID  18711562.
31. Оулундсен, Г., Фарли, К., Абрамчик, Дж. И Вей, К. «Волокно для волоконных лазеров: согласование активных и пассивных волокон улучшает характеристики волоконного лазера», Laser Focus World, Vol 48, январь 2012 г. http://www.nufern.com/library/item/id/391/
32. Самсон, Б .; Картер, А .; Танкала, К. (2011). «Включение питания из редкоземельных волокон». Природа Фотоника. 5 (8): 466–467. Bibcode:2011НаФо ... 5..466С. Дои:10.1038 / nphoton.2011.170.

внешняя ссылка

• FOSNE - Волоконно-оптическая сеть зондирования в Европе
• Брэгговские решетки в мониторинге подводной инфраструктуры