СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЛИННОПЕРИОДНЫХ ВОЛОКОННЫХ РЕШЕТОК СО СПИРАЛЬНЫМ ПОЛИМЕРНЫМ ПОКРЫТИЕМ
ФИЗИЧЕСКАЯ ОПТИКА
УДК 681.7.068
СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЛИННОПЕРИОДНЫХ ВОЛОКОННЫХ РЕШЕТОК СО СПИРАЛЬНЫМ ПОЛИМЕРНЫМ ПОКРЫТИЕМ
© 2010 г. А. И. Сидоров*, доктор физ.-мат. наук; А. А. Цирухин** ** Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, ** механики и оптики, Санкт-Петербург
** Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет, Санкт-Петербург
** Е-mail: aisidorov@newmail.ru
Представлены спектральные характеристики длиннопериодных волоконных решеток с сердечником из кварцевого волокна и оболочкой в виде спирали из полимера. Показано, что волоконные решетки этого типа обладают резонансными свойствами в спектральном интервале 1530–1560 нм. Проведено исследование влияния температуры на спектральный сдвиг резонансных полос.
Ключевые слова: длиннопериодная волоконная решетка, спиральное волокно, полимерное покрытие.
Коды OCIS: 060.2270, 060.2290, 060.2300
Поступила в редакцию 12.11.2009
Введение
Длиннопериодные волоконные решетки (ДВР) обладают резонансными свойствами и широко используются в фотонике в качестве волоконных фильтров и волоконных датчиков [1, 2]. Период продольной модуляции эффективного показателя преломления у ДВР, как правило, составляет 100–2000 мкм и существенно превышает длину волны оптического сигнала. Разновидностями ДВР являются решетки с наклонными штрихами и спиральные ДВР. Особенностью данных типов ДВР является, в частности, сильная связь LP01 и LP11 мод, что позволяет улучшить их резонансные характеристики [3–5]. ДВР с наклонными штрихами и спиральные ДВР изготавливают либо методом модификации ультрафиолетовым излучением показателя преломления волокна из фоточувствительного стекла [2], либо путем продольного скручивания стеклянного волокна, нагретого до температуры размягчения стекла [6, 7].
Целью данной работы было исследование возможности создания ДВР с полимерным покрытием в виде спирали и изучение их резонансных характеристик.
Методика эксперимента
Для изготовления ДВР в качестве сердечника использовались многомодовые кварцевые волокна без оболочки диаметром 150–220 мкм. Длина спирального покрытия составляла 25–30 мм. Для изготовления оболочки в виде полимерной спирали использовались три метода. Первый метод заключался в намотке на сердечник спирали виток к витку из полиэтиленового волокна диаметром 60–150 мкм (рис. 1а). Фотография участка спиральной ДВР показана на рис. 2а. Для данной структуры ДВР в области контакта полимерного волокна с сердечником происходит изменение эффективного показателя преломления сердечника, благодаря чему вся структура приобретает продольную модуляцию показателя преломления в виде наклонных штрихов с периодом, равным диаметру полимерного волокна. Особенностью данной структуры является то, что кроме обычных сердечника и оболочки (1 на рис. 1), характерных для ДВР, здесь могут возникать и другие типы мод, свойства которых определяются геометрией оболочки. Так, вдоль сердечника по оболочке может распространяться волноводная мода, переходящая
“Оптический журнал”, 77, 7, 2010
3
(а) 3
4 (б)
(а) 2
1
(б) (в)
(в)
Рис. 2. Фотографии участков спиральных ДВР. а – спираль из полимерного волокна, б, в – спирали из эпоксидного компаунда. Пояснения в тексте.
(г)
Рис. 1. Геометрия ДВР с полимерной спиральной оболочкой. а – спираль из полимерного волокна (1 – мода сердечника, 2 – мода оболочки, 3 – мода спиральных петлевых резонаторов, 4 – мода шепчущей галереи), б – спираль из полимерного волокна с заполнением зазоров полимером, в – спираль из полимера после удаления полимерного волокна в случае полного заполнения зазоров полимером, г – спираль из полимера после удаления полимерного волокна при частичном заполнении зазоров полимером.
из одного витка в другой в месте их контакта (2 на рис. 1). Периодическая модуляция геометрии оболочки может придавать данной моде резонансные свойства. Спираль, намотанная на сердечник, представляет собой систему петлевых спиральных резонаторов с электромагнитной связью между витками [8, 9]. В такой структуре могут возникать резонансные волноводные моды, распространяющиеся непосредственно по виткам спирали (3 на рис. 1) и имеющие элект-
ромагнитную связь в местах контакта витков. Но из-за больших потерь на светорассеяние в полимере и малого радиуса кривизны спирали такие моды будут обладать большим затуханием, а вся резонансная система будет иметь низкую добротность. В спиральной ДВР рассматриваемого типа могут возникать и моды, подобные модам шепчущей галереи [10, 11] (4 на рис. 1а). Однако такие моды, как и в предыдущем случае, будут иметь большие потери.
Согласно второму методу сердечник предварительно покрывался толстым слоем жидкого полимера, после чего проводилась намотка полимерной спирали до момента затвердевания слоя полимера. В качестве материалов для оболочки в данном случае использовались полиэтиленовое волокно и оптический эпоксидный компаунд. После затвердевания полимера на сердечнике формировалась структура, состоящая из полимерной спирали с зазорами, заполненными полимером с иным показателем преломления (рис. 1б). Достоинством такой структуры является возможность изменения в широких пределах показателей преломления спирали и наполнителя путем соответствующего подбора материалов.
4 “Оптический журнал”, 77, 7, 2010
Наконец, третий метод заключался в намотке полимерной спирали из волокна на слой жидкого полимера и удалении полимерной спирали после затвердевания полимерного слоя. При этом на сердечнике оставался затвердевший слой полимера в виде витков спирали, не контактирующих друг с другом. В случае полного заполнения зазоров между витками спирали из волокна жидким полимером поперечное сечение сформированной спирали имело вид треугольника с вогнутыми сторонами (рис. 1в). При неполном заполнении – имело вид сектора эллипса (рис. 1г). Фотографии таких спиральных ДВР, изготовленных из кварцевого волокна и оптического эпоксидного компаунда, показаны на рис. 2б и рис. 2в.
Спектры пропускания ДВР измерялись в телекоммуникационном диапазоне длин волн. При измерении спектров пропускания ДВР использовался перестраиваемый волоконный лазер на эрбиевом стекле (PriTel. Inc) со спектральным диапазоном перестройки 1530–1560 нм. Приемником излучения служил измеритель мощности с волоконным входом (FPM-3200, ILX LightWave). Выходной сигнал измерителя мощности регистрировался с помощью осциллографа АСК-3106 (Актаком) и выводился на персональный компьютер.
Экспериментальные результаты
На рис. 3 показаны спектры пропускания спиральной ДВР с сердечником из кварцевого стекла диаметром 150 мкм и спиралью из полиэтиленового волокна диаметром 60 мкм. Период ДВР – 60 мкм. Полная длина спирали равна 30 мм. Из рисунка видно, что в спиральной ДВР могут возникать как “отрицательные”, так и “положительные” резонансы. Первый тип резонансов относится к резонансам мод сердечника, второй – к резонансам мод оболочки [5]. Обращает на себя внимание то, что, несмотря на большие потери на светорассеяние в полимере, спектральная ширина резонансов по полувысоте не превышает 0,3 нм. Таким образом, в многомодовых спиральных ДВР с полимерной оболочкой могут быть реализованы узкие резонансные полосы отражения и пропускания.
На рис. 4а показана спектральная зависимость коэффициента пропускания спиральной ДВР с полным заполнением зазоров спирали оптическим эпоксидным компаундом в спектральном интервале вторичного резонанса мод сердечника. Сердечник изготовлен из кварцевого стекла диаметром 220 мкм, спираль из
полиэтиленового волокна диаметром 150 мкм. Период ДВР – 150 мкм. Полная длина спирали равна 25 мм. Спектральная ширина резонанса на длине волны 1542,5 нм по полувысоте не превышает 2 нм.
На рис. 4б показана спектральная зависимость коэффициента пропускания спиральной ДВР из эпоксидного компаунда, изготовленной методом намотки и удаления полимерного волокна (см. рис. 2б). Сердечник изготовлен из кварцевого стекла диаметром 220 мкм. Поперечное сечение спирали – треугольник с двумя вогнутыми сторонами. Период ДВР – 120 мкм. Полная длина спирали равна 25 мм. Спектральная ширина резонанса на длине волны 1543,6 нм по полувысоте не превышает 2 нм.
Т, отн. ед.
1
(а)
0,9
0,8 1534,5
Т, отн. ед.
1
1535
(б)
1535,5
, нм
0,9
0,8
0,7
1538,5
1539
1539,5 , нм
Рис. 3. Спектральные характеристики спиральной ДВР со спиралью из полиэтиленового волокна. а – резонанс моды сердечника, б – резонанс моды оболочки.
“Оптический журнал”, 77, 7, 2010
5
Т, отн. ед.
1
(а)
0,8
0,6 1540
Т, отн. ед.
1
1544
1548
(б)
1552 , нм
температуры t в интервале 20–40 °С происходит спектральный сдвиг резонансов мод сердечника в сторону меньших длин волн, а затем резонансы смещаются в сторону больших длин волн. Для резонансов мод оболочки наблюдается обратный процесс. Спектральный сдвиг резонансов для указанного интервала температур в среднем составляет 0,025 нм/°С. Аналогичный результат получен для ДВР со спиралью из эпоксидного компаунда в интервале температур 20–60 °С. Для сравнения, спектральный сдвиг резонансов ДВР с гофрированным полимерным покрытием [12] при тех же условиях составляет 0,02 нм/°С, а при t > 50 °С – 0,2 нм/°С [13]. Для спиральных ДВР из стекла спектральный сдвиг резонансов при t < 100 °С равен 0,02–0,04 нм/°С [7]. Малая чувствительность спектрального положения резонансов спиральных ДВР с полимерным покрытием к изменению температуры делает их
0,6
0,2
1540
1542
1544
1546 , нм
Рис. 4. Спектральные характеристики спиральных ДВР. а – со спиралью из полиэтиленового волокна с заполнением эпоксидным компаундом, б – со спиралью из эпоксидного компаунда.
В двух последних случаях не наблюдаются “положительные” резонансы мод оболочки, а спектральная ширина резонансов мод сердечника возрастает до 2 нм. Причинами этого могут быть геометрия ДВР, высокий показатель преломления эпоксидного компаунда и наличие у него полос поглощения в спектральном интервале измерений.
Важной характеристикой ДВР является чувствительность ее оптических свойств к температуре. На рис. 5 показаны спектральные характеристики спиральной ДВР, аналогичные приведенным на рис. 3, но при разной температуре окружающей среды. Соответствующие температурные зависимости спектрального положения резонансов показаны на рис. 6. При увеличении
Т, отн. ед.
1
(а)
0,9
0,8
13
2
0,7 1534,5
1535
1535,5
Т, отн. ед.
1
2
0,9
1
(б) 3
, нм
0,8
0,7
1538
1538,5
1539
, нм
Рис. 5. Влияние температуры на спектральные характеристики ДВР со спиралью из полиэтиленового волокна. а – резонанс моды сердечника, б – резонанс моды оболочки. 1 – 20 °С, 2 – 30 °С, 3 – 40 °С.
6 “Оптический журнал”, 77, 7, 2010
, нм
1540
рантов и сотрудников СПбГЭТУ, молодых ученых по разделу III Темплана”.
1538
2
1536
1
20 25 30 35 t, °C
Рис. 6. Зависимость спектрального положения резонанса от температуры для ДВР со спиралью из полиэтиленового волокна. 1 – резонанс моды сердечника, 2 – резонанс моды оболочки.
перспективными для использования в качестве фильтров, а также в качестве датчиков физических величин в тех случаях, когда требуется исключить влияние температуры. В частности, спиральные ДВР с низкой чувствительностью оптических характеристик к температуре могут оказаться полезными в качестве датчиков показателя преломления окружающей среды [13].
Выводы
Представленные результаты показывают, что ДВР со спиральным полимерным покрытием обладают резонансными свойствами в телекоммуникационном диапазоне длин волн. Полуширина резонансных линий может составлять 0,3–2 нм. Достоинствами ДВР этого типа являются простота изготовления и большой выбор оптических материалов как для сердечника, так и для спирального покрытия. Относительно низкая чувствительность спектральных характеристик к температуре делает их перспективными для использования в качестве резонансных фильтров и датчиков физических величин.
Работа проводилась при поддержке правительства Санкт-Петербурга (грант № 3,5/3004/031) и “Гранта проектов аспирантов, докто-
ЛИТЕРАТУРА
1. Vengsarkar A.M., Lemaire P.J., Judkins J.B. Longperiod fiber gratings as band-rejection filters // J. of Lightwave Technol. 1996. V. 14. № 1. P. 58–65.
2. James S.W., Tatam R.P. Optical fiber long-period grating sensors: characteristics and application // Measur. Sci. and Technol. 2003. V. 14. P. R49– R61.
3. Lee K.S., Erdogan T. Transmissive tilted gratings for LP01-to-LP11 mode coupling // IEEE Photonics Technol. Lett. 1999. V. 11. № 10. P. 1286–1288.
4. Lee K.S., Erdogan T. Mode coupling in spiral fiber gratings // Electron. Lett. 2001. V. 37. № 3. P. 156–157.
5. Lee K.S. Coupling analysis of spiral fiber gratings // Opt. Comm. 2001. V. 198. P. 317–324.
6. Ivanov O.V. Fabrication of long-period gratings by twisting a standard single-mode fiber // Opt. Lett. 2005. V. 30. P. 3290–3292.
7. Kopp V.I., Churikov V.M., Zhang G. Single- and double-helix chiral fiber sensors // JOSA. B. 2007. V. 24. № 10. P. A48–A52.
8. Sumetsky M., Dulashko Y., Fini J.M., Hale A., DiGiovanni D.J. The microfiber loop resonator: theory, experiment, and application // J. Lightw. Techn. 2006. V. 24. P. 242–250.
9. Xu F., Horak P., Brambilla G. Optical microfiber coil resonator refractometric sensor // Opt. Express. 2007. V. 15. № 12. P. 7888–7893.
10. Matsko A.B., Ilchenko V.S. Optical resonators with whispering-gallery modes – part I: Basics // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2006. V. 12. P. 3–14.
11. Ilchenko V.S., Matsko A.B. Optical resonators with whispering-gallery modes – part II: Applications // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2006. V. 12. P. 15–32.
12. Сидоров А.И., Цирухин А.А. Формирование полимерных периодических структур на поверхности оптических волокон // ЖТФ. 2010. Т. 80. В. 1. С. 125–129.
13. Patric H.J., Kersey A.D., Bucholtz F. Analysis of the response of long period fiber gratings to external index of refraction // J. of Lightwave Technol. 1998. V. 16. № 9. P. 1606–1612.
“Оптический журнал”, 77, 7, 2010
7
УДК 681.7.068
СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЛИННОПЕРИОДНЫХ ВОЛОКОННЫХ РЕШЕТОК СО СПИРАЛЬНЫМ ПОЛИМЕРНЫМ ПОКРЫТИЕМ
© 2010 г. А. И. Сидоров*, доктор физ.-мат. наук; А. А. Цирухин** ** Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, ** механики и оптики, Санкт-Петербург
** Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет, Санкт-Петербург
** Е-mail: aisidorov@newmail.ru
Представлены спектральные характеристики длиннопериодных волоконных решеток с сердечником из кварцевого волокна и оболочкой в виде спирали из полимера. Показано, что волоконные решетки этого типа обладают резонансными свойствами в спектральном интервале 1530–1560 нм. Проведено исследование влияния температуры на спектральный сдвиг резонансных полос.
Ключевые слова: длиннопериодная волоконная решетка, спиральное волокно, полимерное покрытие.
Коды OCIS: 060.2270, 060.2290, 060.2300
Поступила в редакцию 12.11.2009
Введение
Длиннопериодные волоконные решетки (ДВР) обладают резонансными свойствами и широко используются в фотонике в качестве волоконных фильтров и волоконных датчиков [1, 2]. Период продольной модуляции эффективного показателя преломления у ДВР, как правило, составляет 100–2000 мкм и существенно превышает длину волны оптического сигнала. Разновидностями ДВР являются решетки с наклонными штрихами и спиральные ДВР. Особенностью данных типов ДВР является, в частности, сильная связь LP01 и LP11 мод, что позволяет улучшить их резонансные характеристики [3–5]. ДВР с наклонными штрихами и спиральные ДВР изготавливают либо методом модификации ультрафиолетовым излучением показателя преломления волокна из фоточувствительного стекла [2], либо путем продольного скручивания стеклянного волокна, нагретого до температуры размягчения стекла [6, 7].
Целью данной работы было исследование возможности создания ДВР с полимерным покрытием в виде спирали и изучение их резонансных характеристик.
Методика эксперимента
Для изготовления ДВР в качестве сердечника использовались многомодовые кварцевые волокна без оболочки диаметром 150–220 мкм. Длина спирального покрытия составляла 25–30 мм. Для изготовления оболочки в виде полимерной спирали использовались три метода. Первый метод заключался в намотке на сердечник спирали виток к витку из полиэтиленового волокна диаметром 60–150 мкм (рис. 1а). Фотография участка спиральной ДВР показана на рис. 2а. Для данной структуры ДВР в области контакта полимерного волокна с сердечником происходит изменение эффективного показателя преломления сердечника, благодаря чему вся структура приобретает продольную модуляцию показателя преломления в виде наклонных штрихов с периодом, равным диаметру полимерного волокна. Особенностью данной структуры является то, что кроме обычных сердечника и оболочки (1 на рис. 1), характерных для ДВР, здесь могут возникать и другие типы мод, свойства которых определяются геометрией оболочки. Так, вдоль сердечника по оболочке может распространяться волноводная мода, переходящая
“Оптический журнал”, 77, 7, 2010
3
(а) 3
4 (б)
(а) 2
1
(б) (в)
(в)
Рис. 2. Фотографии участков спиральных ДВР. а – спираль из полимерного волокна, б, в – спирали из эпоксидного компаунда. Пояснения в тексте.
(г)
Рис. 1. Геометрия ДВР с полимерной спиральной оболочкой. а – спираль из полимерного волокна (1 – мода сердечника, 2 – мода оболочки, 3 – мода спиральных петлевых резонаторов, 4 – мода шепчущей галереи), б – спираль из полимерного волокна с заполнением зазоров полимером, в – спираль из полимера после удаления полимерного волокна в случае полного заполнения зазоров полимером, г – спираль из полимера после удаления полимерного волокна при частичном заполнении зазоров полимером.
из одного витка в другой в месте их контакта (2 на рис. 1). Периодическая модуляция геометрии оболочки может придавать данной моде резонансные свойства. Спираль, намотанная на сердечник, представляет собой систему петлевых спиральных резонаторов с электромагнитной связью между витками [8, 9]. В такой структуре могут возникать резонансные волноводные моды, распространяющиеся непосредственно по виткам спирали (3 на рис. 1) и имеющие элект-
ромагнитную связь в местах контакта витков. Но из-за больших потерь на светорассеяние в полимере и малого радиуса кривизны спирали такие моды будут обладать большим затуханием, а вся резонансная система будет иметь низкую добротность. В спиральной ДВР рассматриваемого типа могут возникать и моды, подобные модам шепчущей галереи [10, 11] (4 на рис. 1а). Однако такие моды, как и в предыдущем случае, будут иметь большие потери.
Согласно второму методу сердечник предварительно покрывался толстым слоем жидкого полимера, после чего проводилась намотка полимерной спирали до момента затвердевания слоя полимера. В качестве материалов для оболочки в данном случае использовались полиэтиленовое волокно и оптический эпоксидный компаунд. После затвердевания полимера на сердечнике формировалась структура, состоящая из полимерной спирали с зазорами, заполненными полимером с иным показателем преломления (рис. 1б). Достоинством такой структуры является возможность изменения в широких пределах показателей преломления спирали и наполнителя путем соответствующего подбора материалов.
4 “Оптический журнал”, 77, 7, 2010
Наконец, третий метод заключался в намотке полимерной спирали из волокна на слой жидкого полимера и удалении полимерной спирали после затвердевания полимерного слоя. При этом на сердечнике оставался затвердевший слой полимера в виде витков спирали, не контактирующих друг с другом. В случае полного заполнения зазоров между витками спирали из волокна жидким полимером поперечное сечение сформированной спирали имело вид треугольника с вогнутыми сторонами (рис. 1в). При неполном заполнении – имело вид сектора эллипса (рис. 1г). Фотографии таких спиральных ДВР, изготовленных из кварцевого волокна и оптического эпоксидного компаунда, показаны на рис. 2б и рис. 2в.
Спектры пропускания ДВР измерялись в телекоммуникационном диапазоне длин волн. При измерении спектров пропускания ДВР использовался перестраиваемый волоконный лазер на эрбиевом стекле (PriTel. Inc) со спектральным диапазоном перестройки 1530–1560 нм. Приемником излучения служил измеритель мощности с волоконным входом (FPM-3200, ILX LightWave). Выходной сигнал измерителя мощности регистрировался с помощью осциллографа АСК-3106 (Актаком) и выводился на персональный компьютер.
Экспериментальные результаты
На рис. 3 показаны спектры пропускания спиральной ДВР с сердечником из кварцевого стекла диаметром 150 мкм и спиралью из полиэтиленового волокна диаметром 60 мкм. Период ДВР – 60 мкм. Полная длина спирали равна 30 мм. Из рисунка видно, что в спиральной ДВР могут возникать как “отрицательные”, так и “положительные” резонансы. Первый тип резонансов относится к резонансам мод сердечника, второй – к резонансам мод оболочки [5]. Обращает на себя внимание то, что, несмотря на большие потери на светорассеяние в полимере, спектральная ширина резонансов по полувысоте не превышает 0,3 нм. Таким образом, в многомодовых спиральных ДВР с полимерной оболочкой могут быть реализованы узкие резонансные полосы отражения и пропускания.
На рис. 4а показана спектральная зависимость коэффициента пропускания спиральной ДВР с полным заполнением зазоров спирали оптическим эпоксидным компаундом в спектральном интервале вторичного резонанса мод сердечника. Сердечник изготовлен из кварцевого стекла диаметром 220 мкм, спираль из
полиэтиленового волокна диаметром 150 мкм. Период ДВР – 150 мкм. Полная длина спирали равна 25 мм. Спектральная ширина резонанса на длине волны 1542,5 нм по полувысоте не превышает 2 нм.
На рис. 4б показана спектральная зависимость коэффициента пропускания спиральной ДВР из эпоксидного компаунда, изготовленной методом намотки и удаления полимерного волокна (см. рис. 2б). Сердечник изготовлен из кварцевого стекла диаметром 220 мкм. Поперечное сечение спирали – треугольник с двумя вогнутыми сторонами. Период ДВР – 120 мкм. Полная длина спирали равна 25 мм. Спектральная ширина резонанса на длине волны 1543,6 нм по полувысоте не превышает 2 нм.
Т, отн. ед.
1
(а)
0,9
0,8 1534,5
Т, отн. ед.
1
1535
(б)
1535,5
, нм
0,9
0,8
0,7
1538,5
1539
1539,5 , нм
Рис. 3. Спектральные характеристики спиральной ДВР со спиралью из полиэтиленового волокна. а – резонанс моды сердечника, б – резонанс моды оболочки.
“Оптический журнал”, 77, 7, 2010
5
Т, отн. ед.
1
(а)
0,8
0,6 1540
Т, отн. ед.
1
1544
1548
(б)
1552 , нм
температуры t в интервале 20–40 °С происходит спектральный сдвиг резонансов мод сердечника в сторону меньших длин волн, а затем резонансы смещаются в сторону больших длин волн. Для резонансов мод оболочки наблюдается обратный процесс. Спектральный сдвиг резонансов для указанного интервала температур в среднем составляет 0,025 нм/°С. Аналогичный результат получен для ДВР со спиралью из эпоксидного компаунда в интервале температур 20–60 °С. Для сравнения, спектральный сдвиг резонансов ДВР с гофрированным полимерным покрытием [12] при тех же условиях составляет 0,02 нм/°С, а при t > 50 °С – 0,2 нм/°С [13]. Для спиральных ДВР из стекла спектральный сдвиг резонансов при t < 100 °С равен 0,02–0,04 нм/°С [7]. Малая чувствительность спектрального положения резонансов спиральных ДВР с полимерным покрытием к изменению температуры делает их
0,6
0,2
1540
1542
1544
1546 , нм
Рис. 4. Спектральные характеристики спиральных ДВР. а – со спиралью из полиэтиленового волокна с заполнением эпоксидным компаундом, б – со спиралью из эпоксидного компаунда.
В двух последних случаях не наблюдаются “положительные” резонансы мод оболочки, а спектральная ширина резонансов мод сердечника возрастает до 2 нм. Причинами этого могут быть геометрия ДВР, высокий показатель преломления эпоксидного компаунда и наличие у него полос поглощения в спектральном интервале измерений.
Важной характеристикой ДВР является чувствительность ее оптических свойств к температуре. На рис. 5 показаны спектральные характеристики спиральной ДВР, аналогичные приведенным на рис. 3, но при разной температуре окружающей среды. Соответствующие температурные зависимости спектрального положения резонансов показаны на рис. 6. При увеличении
Т, отн. ед.
1
(а)
0,9
0,8
13
2
0,7 1534,5
1535
1535,5
Т, отн. ед.
1
2
0,9
1
(б) 3
, нм
0,8
0,7
1538
1538,5
1539
, нм
Рис. 5. Влияние температуры на спектральные характеристики ДВР со спиралью из полиэтиленового волокна. а – резонанс моды сердечника, б – резонанс моды оболочки. 1 – 20 °С, 2 – 30 °С, 3 – 40 °С.
6 “Оптический журнал”, 77, 7, 2010
, нм
1540
рантов и сотрудников СПбГЭТУ, молодых ученых по разделу III Темплана”.
1538
2
1536
1
20 25 30 35 t, °C
Рис. 6. Зависимость спектрального положения резонанса от температуры для ДВР со спиралью из полиэтиленового волокна. 1 – резонанс моды сердечника, 2 – резонанс моды оболочки.
перспективными для использования в качестве фильтров, а также в качестве датчиков физических величин в тех случаях, когда требуется исключить влияние температуры. В частности, спиральные ДВР с низкой чувствительностью оптических характеристик к температуре могут оказаться полезными в качестве датчиков показателя преломления окружающей среды [13].
Выводы
Представленные результаты показывают, что ДВР со спиральным полимерным покрытием обладают резонансными свойствами в телекоммуникационном диапазоне длин волн. Полуширина резонансных линий может составлять 0,3–2 нм. Достоинствами ДВР этого типа являются простота изготовления и большой выбор оптических материалов как для сердечника, так и для спирального покрытия. Относительно низкая чувствительность спектральных характеристик к температуре делает их перспективными для использования в качестве резонансных фильтров и датчиков физических величин.
Работа проводилась при поддержке правительства Санкт-Петербурга (грант № 3,5/3004/031) и “Гранта проектов аспирантов, докто-
ЛИТЕРАТУРА
1. Vengsarkar A.M., Lemaire P.J., Judkins J.B. Longperiod fiber gratings as band-rejection filters // J. of Lightwave Technol. 1996. V. 14. № 1. P. 58–65.
2. James S.W., Tatam R.P. Optical fiber long-period grating sensors: characteristics and application // Measur. Sci. and Technol. 2003. V. 14. P. R49– R61.
3. Lee K.S., Erdogan T. Transmissive tilted gratings for LP01-to-LP11 mode coupling // IEEE Photonics Technol. Lett. 1999. V. 11. № 10. P. 1286–1288.
4. Lee K.S., Erdogan T. Mode coupling in spiral fiber gratings // Electron. Lett. 2001. V. 37. № 3. P. 156–157.
5. Lee K.S. Coupling analysis of spiral fiber gratings // Opt. Comm. 2001. V. 198. P. 317–324.
6. Ivanov O.V. Fabrication of long-period gratings by twisting a standard single-mode fiber // Opt. Lett. 2005. V. 30. P. 3290–3292.
7. Kopp V.I., Churikov V.M., Zhang G. Single- and double-helix chiral fiber sensors // JOSA. B. 2007. V. 24. № 10. P. A48–A52.
8. Sumetsky M., Dulashko Y., Fini J.M., Hale A., DiGiovanni D.J. The microfiber loop resonator: theory, experiment, and application // J. Lightw. Techn. 2006. V. 24. P. 242–250.
9. Xu F., Horak P., Brambilla G. Optical microfiber coil resonator refractometric sensor // Opt. Express. 2007. V. 15. № 12. P. 7888–7893.
10. Matsko A.B., Ilchenko V.S. Optical resonators with whispering-gallery modes – part I: Basics // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2006. V. 12. P. 3–14.
11. Ilchenko V.S., Matsko A.B. Optical resonators with whispering-gallery modes – part II: Applications // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2006. V. 12. P. 15–32.
12. Сидоров А.И., Цирухин А.А. Формирование полимерных периодических структур на поверхности оптических волокон // ЖТФ. 2010. Т. 80. В. 1. С. 125–129.
13. Patric H.J., Kersey A.D., Bucholtz F. Analysis of the response of long period fiber gratings to external index of refraction // J. of Lightwave Technol. 1998. V. 16. № 9. P. 1606–1612.
“Оптический журнал”, 77, 7, 2010
7