ТЕРМИЧЕСКИЙ ОТЖИГ РЕШЕТОК БРЭГГА ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ФАЗОВЫХ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
Термический отжиг решеток Брэгга при изготовлении ФИД
91
УДК 681.7.063
И. К. МЕШКОВКИЙ, C. В. ВАРЖЕЛЬ, М. Н. БЕЛИКИН, А. В. КУЛИКОВ, В. С. БРУНОВ
ТЕРМИЧЕСКИЙ ОТЖИГ РЕШЕТОК БРЭГГА ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ФАЗОВЫХ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
Предложен метод изготовления волоконно-оптических фазовых интерферометрических датчиков измерения различных физических величин с помощью термического отжига волоконных брэгговских решеток. Определены оптимальные условия отжига для получения решеток Брэгга с требуемыми спектральными характеристиками.
Ключевые слова: волоконная брэгговская решетка, термический отжиг, волоконно-оптический фазовый интерферометрический датчик.
В настоящее время одним из актуальных направлений оптической техники является
создание волоконно-оптических фазовых интерферометрических датчиков (ФИД) измерени-
ия различных физических величин на основе брэгговских решеток, которые характеризуются
электромагнитной невосприимчивостью, низкой себестоимостью и малыми массогабаритны-
ми параметрами. Так, системы акустического мониторинга, использующие волоконно-
оптические гидрофоны на брэгговских решетках, способны полностью заменить существую-
щие аналоги на пьезокерамических элементах [1]. Проблема, с которой сталкиваются разра-
ботчики ФИД на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР), связана с записью массивов
широкополосных решеток Брэгга с требуемым соотношением коэффициентов отражения.
Один из методов получения высокоэффективных отражательных брэгговских решеток в
волноводах из GeO2:SiO2-стекла — это облучение оптического волокна сквозь фазовую маску одиночным импульсом эксимерного лазера с плотностью энергии близкой, к порогу разрушения материала (~ 1 Дж/см2) [2]. При такой плотности энергии возникает решетка показателя преломления оптического волокна с глубиной модуляции, достигающей 6×10–3. Такая вол-
новодная структура называется волоконной брэгговской решеткой типа II [3].
ВБР, исследуемые в настоящей статье, были записаны одиночным импульсом эксимер-
ного KrF-лазера методом фазовой маски. Схема записи представлена в работе [4].
Чувствительным элементом волоконно-оптического фазового датчика является участок
волокна (длиной L), заключенный между двумя ВБР (рис. 1). В случае одиночного датчика
коэффициенты отражения ВБР1 и ВБР2 равны соответственно R1 = 30…40 % и R2 = 100 %, а ширина спектра отражения на полувысоте ∆λ ≥ 0,5 нм.
ВБР1, λ1 R1=30…40 %
ВБР2, λ1 R2=100 %
L
∆λ>0,5 нм
∆λ>0,5 нм
Рис. 1
Известно, что ВБР типа I можно записать практически с любыми значениями R и ∆λ,
однако это требует использования методов записи с длительной экспозицией (10—20 мин)
[5], а также применения специальных методов создания чирпированых ВБР [6], без использо-
вания которых значение ∆λ не превышает 0,1 нм. Применение ВБР типа II позволяет полу-
чать высокоэффективные брэгговские зеркала, используя метод одноимпульсной записи и
нечирпированные фазовые маски [7]. При этом глубина модуляции показателя преломления
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 5
92 И. К. Мешковкий, C. В. Варжель, М. Н. Беликин и др.
ВБР типа II, индуцированная одиночным импульсом длительностью 20 нс, может превосходить эту величину для ВБР типа I более чем в 100 раз. Это позволяет осуществить технологию одноимпульсной записи брэгговских решеток с коэффициентом отражения, близким к
100 %, и сравнительно большим значением ∆λ (~ 1 нм). Недостатком ВБР типа II является резкая зависимость наведенной модуляции показате-
ля преломления оптического волокна от плотности энергии в импульсе длительностью 20 нс, что усложняет контроль коэффициента отражения решетки в процессе записи [3]. Поэтому для создания чувствительного элемента волоконно-оптического ФИД с требуемым соотношением коэффициентов отражения двух решеток авторами был предложен и апробирован метод термического отжига ВБР типа II.
При нагреве ВБР длина волны брэгговского резонанса увеличивается вследствие как термического расширения оптического волокна, а вместе с ним и периода решетки, так и изменения (увеличения) эффективного показателя преломления материала световода. При достижении температуры отжига (~ 900 °C для ВБР типа II) коэффициент отражения решетки плавно уменьшается. Задавая различные интервалы времени, можно добиться различных значений коэффициента отражения. Скорость отжига решетки пропорциональна температуре нагрева. На рис. 2 продемонстрирован график зависимости коэффициента отражения R от времени отжига t при различных его температурах Т. Анализ графика показывает, что при увеличении температуры отжига быстрее достигается требуемый коэффициент отражения ВБР.
Спектр решетки Брэгга в процессе отжига приведен на рис. 3. Коэффициент отражения ВБР контролируется оптическим спектроанализатором.
R, о.е. 0,9
R, о.е.
0,7
0,5 Т=1060 °С
Т=1020 °С
0,3
Т=1000 °С Т=980 °С
Т=940 °С
0,1
0 20 40 60 80 100 120 t, мин
Рис. 2
450
300
150 0 1540 1548
Начало отжига t=2 мин
t=4 мин t=6 мин t=8 мин
1556 1564 1572 λ, нм Рис. 3
Как показали экспериментальные данные, во время отжига решеток при постоянной температуре происходит дополнительное смещение пика отражения в сторону больших длин волн. Это смещение прямо пропорционально времени отжига (чем больше время термического воздействия, тем больше смещение), и оно сохраняется и после охлаждения волокна до исходной температуры. Сдвиг, не превышающий 0,2 нм, является приемлемым для создания чувствительных элементов волоконно-оптических ФИД.
Таким образом, в ходе апробации предложенного метода установлено, что при изготовлении чувствительных элементов волоконно-оптических ФИД, например волоконнооптического гидрофона, необходимо правильно подбирать оптимальные условия термического отжига для получения решеток Брэгга с требуемыми спектральными характеристиками и соотношениями коэффициентов отражения.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 5
Термический отжиг решеток Брэгга при изготовлении ФИД
93
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
6. Cusano A., Campopiano S., D'Addio S., Balbi M., Balzarini S., Giordano M., Cutolo A. Optical fiber hydrophone using polymer-coated fiber Bragg grating // OSA/OFS. 2006. Paper ThE85.
7. Варжель С. В., Куликов А. В., Брунов В. С., Асеев В. А. Метод понижения коэффициента отражения волоконных брэгговских решеток с помощью эффекта фотохромизма // Науч.-техн. вестн. информационных технологий, механики и оптики. 2012. № 1(77). С. 151—152.
8. Reekie L., Archambault J.-L., Russell P. St. J. 100 % reflectivity fibre gratings produced by a single excimer laser pulse // OSA/OFC. 1993. Paper PD14. P. 327—330.
9. Варжель С. В., Куликов А. В., Асеев В. А., Брунов В. С., Калько В. Г., Артеев В. А. Запись узкополосных волоконных брэгговских отражателей одиночным импульсом эксимерного лазера методом фазовой маски // Науч.-техн. вестн. СПбГУ ИТМО. 2011. № 5(75). С. 27—30.
10. Becker M., Bruckner S., Lindner E., Rothhardt M., Unger S., Kobelke J., Schuster K., Bartelt H. Fiber Bragg grating inscription with UV femtosecond exposure and two beam interference for fiber laser applications // Proc. of SPIE. 2010. Vol. 7750. P. 775015—1.
11. Bernier M., Sheng Y., Vallée R. Ultrabroadband fiber Bragg gratings written with a highly chirped phase mask and infrared femtosecond pulses // Optics Express. 2009. Vol. 17, N 5. P. 3285—3290.
12. Malo B., Johnson D.C., Bilodeau F., Albert J., Hill K.O. Single-excimer-pulse writing of fiber gratings by use of a zero-order nulled phase mask: grating spectral response and visualization of index perturbations // Opt. Lett. 1993. Vol. 18, N 15. P. 1277—1279.
Игорь Касьянович Мешковский Сергей Владимирович Варжель Михаил Николаевич Беликин Андрей Владимирович Куликов Вячеслав Сергеевич Брунов
Сведения об авторах — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский национальный ис-
следовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра физики и техники оптической связи; E-mail: igorkm@spb.runnet.ru — канд. физ-мат. наук; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра физики и техники оптической связи; E-mail: vsv187@gmail.com — магистр; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра физики и техники оптической связи; E-mail: mbelikin@gmail.com — канд. техн. наук; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра физики и техники оптической связи; E-mail: a.kulikov86@gmail.com — аспирант; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра оптоинформационных технологий и материалов; E-mail: brunov@oi.ifmo.ru
Рекомендована кафедрой физики и техники оптической связи
Поступила в редакцию 14.02.12 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 5
91
УДК 681.7.063
И. К. МЕШКОВКИЙ, C. В. ВАРЖЕЛЬ, М. Н. БЕЛИКИН, А. В. КУЛИКОВ, В. С. БРУНОВ
ТЕРМИЧЕСКИЙ ОТЖИГ РЕШЕТОК БРЭГГА ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ФАЗОВЫХ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
Предложен метод изготовления волоконно-оптических фазовых интерферометрических датчиков измерения различных физических величин с помощью термического отжига волоконных брэгговских решеток. Определены оптимальные условия отжига для получения решеток Брэгга с требуемыми спектральными характеристиками.
Ключевые слова: волоконная брэгговская решетка, термический отжиг, волоконно-оптический фазовый интерферометрический датчик.
В настоящее время одним из актуальных направлений оптической техники является
создание волоконно-оптических фазовых интерферометрических датчиков (ФИД) измерени-
ия различных физических величин на основе брэгговских решеток, которые характеризуются
электромагнитной невосприимчивостью, низкой себестоимостью и малыми массогабаритны-
ми параметрами. Так, системы акустического мониторинга, использующие волоконно-
оптические гидрофоны на брэгговских решетках, способны полностью заменить существую-
щие аналоги на пьезокерамических элементах [1]. Проблема, с которой сталкиваются разра-
ботчики ФИД на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР), связана с записью массивов
широкополосных решеток Брэгга с требуемым соотношением коэффициентов отражения.
Один из методов получения высокоэффективных отражательных брэгговских решеток в
волноводах из GeO2:SiO2-стекла — это облучение оптического волокна сквозь фазовую маску одиночным импульсом эксимерного лазера с плотностью энергии близкой, к порогу разрушения материала (~ 1 Дж/см2) [2]. При такой плотности энергии возникает решетка показателя преломления оптического волокна с глубиной модуляции, достигающей 6×10–3. Такая вол-
новодная структура называется волоконной брэгговской решеткой типа II [3].
ВБР, исследуемые в настоящей статье, были записаны одиночным импульсом эксимер-
ного KrF-лазера методом фазовой маски. Схема записи представлена в работе [4].
Чувствительным элементом волоконно-оптического фазового датчика является участок
волокна (длиной L), заключенный между двумя ВБР (рис. 1). В случае одиночного датчика
коэффициенты отражения ВБР1 и ВБР2 равны соответственно R1 = 30…40 % и R2 = 100 %, а ширина спектра отражения на полувысоте ∆λ ≥ 0,5 нм.
ВБР1, λ1 R1=30…40 %
ВБР2, λ1 R2=100 %
L
∆λ>0,5 нм
∆λ>0,5 нм
Рис. 1
Известно, что ВБР типа I можно записать практически с любыми значениями R и ∆λ,
однако это требует использования методов записи с длительной экспозицией (10—20 мин)
[5], а также применения специальных методов создания чирпированых ВБР [6], без использо-
вания которых значение ∆λ не превышает 0,1 нм. Применение ВБР типа II позволяет полу-
чать высокоэффективные брэгговские зеркала, используя метод одноимпульсной записи и
нечирпированные фазовые маски [7]. При этом глубина модуляции показателя преломления
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 5
92 И. К. Мешковкий, C. В. Варжель, М. Н. Беликин и др.
ВБР типа II, индуцированная одиночным импульсом длительностью 20 нс, может превосходить эту величину для ВБР типа I более чем в 100 раз. Это позволяет осуществить технологию одноимпульсной записи брэгговских решеток с коэффициентом отражения, близким к
100 %, и сравнительно большим значением ∆λ (~ 1 нм). Недостатком ВБР типа II является резкая зависимость наведенной модуляции показате-
ля преломления оптического волокна от плотности энергии в импульсе длительностью 20 нс, что усложняет контроль коэффициента отражения решетки в процессе записи [3]. Поэтому для создания чувствительного элемента волоконно-оптического ФИД с требуемым соотношением коэффициентов отражения двух решеток авторами был предложен и апробирован метод термического отжига ВБР типа II.
При нагреве ВБР длина волны брэгговского резонанса увеличивается вследствие как термического расширения оптического волокна, а вместе с ним и периода решетки, так и изменения (увеличения) эффективного показателя преломления материала световода. При достижении температуры отжига (~ 900 °C для ВБР типа II) коэффициент отражения решетки плавно уменьшается. Задавая различные интервалы времени, можно добиться различных значений коэффициента отражения. Скорость отжига решетки пропорциональна температуре нагрева. На рис. 2 продемонстрирован график зависимости коэффициента отражения R от времени отжига t при различных его температурах Т. Анализ графика показывает, что при увеличении температуры отжига быстрее достигается требуемый коэффициент отражения ВБР.
Спектр решетки Брэгга в процессе отжига приведен на рис. 3. Коэффициент отражения ВБР контролируется оптическим спектроанализатором.
R, о.е. 0,9
R, о.е.
0,7
0,5 Т=1060 °С
Т=1020 °С
0,3
Т=1000 °С Т=980 °С
Т=940 °С
0,1
0 20 40 60 80 100 120 t, мин
Рис. 2
450
300
150 0 1540 1548
Начало отжига t=2 мин
t=4 мин t=6 мин t=8 мин
1556 1564 1572 λ, нм Рис. 3
Как показали экспериментальные данные, во время отжига решеток при постоянной температуре происходит дополнительное смещение пика отражения в сторону больших длин волн. Это смещение прямо пропорционально времени отжига (чем больше время термического воздействия, тем больше смещение), и оно сохраняется и после охлаждения волокна до исходной температуры. Сдвиг, не превышающий 0,2 нм, является приемлемым для создания чувствительных элементов волоконно-оптических ФИД.
Таким образом, в ходе апробации предложенного метода установлено, что при изготовлении чувствительных элементов волоконно-оптических ФИД, например волоконнооптического гидрофона, необходимо правильно подбирать оптимальные условия термического отжига для получения решеток Брэгга с требуемыми спектральными характеристиками и соотношениями коэффициентов отражения.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 5
Термический отжиг решеток Брэгга при изготовлении ФИД
93
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
6. Cusano A., Campopiano S., D'Addio S., Balbi M., Balzarini S., Giordano M., Cutolo A. Optical fiber hydrophone using polymer-coated fiber Bragg grating // OSA/OFS. 2006. Paper ThE85.
7. Варжель С. В., Куликов А. В., Брунов В. С., Асеев В. А. Метод понижения коэффициента отражения волоконных брэгговских решеток с помощью эффекта фотохромизма // Науч.-техн. вестн. информационных технологий, механики и оптики. 2012. № 1(77). С. 151—152.
8. Reekie L., Archambault J.-L., Russell P. St. J. 100 % reflectivity fibre gratings produced by a single excimer laser pulse // OSA/OFC. 1993. Paper PD14. P. 327—330.
9. Варжель С. В., Куликов А. В., Асеев В. А., Брунов В. С., Калько В. Г., Артеев В. А. Запись узкополосных волоконных брэгговских отражателей одиночным импульсом эксимерного лазера методом фазовой маски // Науч.-техн. вестн. СПбГУ ИТМО. 2011. № 5(75). С. 27—30.
10. Becker M., Bruckner S., Lindner E., Rothhardt M., Unger S., Kobelke J., Schuster K., Bartelt H. Fiber Bragg grating inscription with UV femtosecond exposure and two beam interference for fiber laser applications // Proc. of SPIE. 2010. Vol. 7750. P. 775015—1.
11. Bernier M., Sheng Y., Vallée R. Ultrabroadband fiber Bragg gratings written with a highly chirped phase mask and infrared femtosecond pulses // Optics Express. 2009. Vol. 17, N 5. P. 3285—3290.
12. Malo B., Johnson D.C., Bilodeau F., Albert J., Hill K.O. Single-excimer-pulse writing of fiber gratings by use of a zero-order nulled phase mask: grating spectral response and visualization of index perturbations // Opt. Lett. 1993. Vol. 18, N 15. P. 1277—1279.
Игорь Касьянович Мешковский Сергей Владимирович Варжель Михаил Николаевич Беликин Андрей Владимирович Куликов Вячеслав Сергеевич Брунов
Сведения об авторах — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский национальный ис-
следовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра физики и техники оптической связи; E-mail: igorkm@spb.runnet.ru — канд. физ-мат. наук; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра физики и техники оптической связи; E-mail: vsv187@gmail.com — магистр; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра физики и техники оптической связи; E-mail: mbelikin@gmail.com — канд. техн. наук; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра физики и техники оптической связи; E-mail: a.kulikov86@gmail.com — аспирант; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра оптоинформационных технологий и материалов; E-mail: brunov@oi.ifmo.ru
Рекомендована кафедрой физики и техники оптической связи
Поступила в редакцию 14.02.12 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 5