Библиографическое описание:

Варжель С. В. Низкая фоточувствительность стандартных телекоммуникационных волокон как препятствие для записи брэгговских дифракционных структур // Молодой ученый. — 2010. — №8. Т. 1. — С. 45-46.

Брэгговские дифракционные структуры (Брэгговские решетки) в настоящее время ши­роко используются в оптических волокнах и планарных волноводах для уплотнения каналов по длине волны (WDM-технология), оптической фильтрации сигналов, как резонаторные зеркала в волоконных и полупроводниковых лазерах, сглаживающие фильтры в оптических усилителях, для компенсации дисперсии в каналах связи [1]. Другой обла­стью применения волоконных Брэгговских решеток (ВБР) является использование их в различных измерительных системах: датчиках для регистрации изменений условий окружающей среды, таких как температура, давление, деформация, присутствие или отсутствие химикатов.

При записи Брэгговских решеток в стандартном телекоммуникационном волокне SMF-28, возникает проблема, связанная с тем, что такое волокно с молярной концентрацией германия 3% - 5% имеет очень низкую фоточувствительность, недостаточную для эффективной записи в них решеток показателя преломления (ПП). Даже при длительном облучении наведенный ПП в таких световодах не превышает 5*10-5 [2].

Таким образом, рассмотрение существующих методов решения проблемы низкой фоточувствительности, препятствующей записи в волокне Брэгговских дифракционных структур с требуемыми характеристиками, а также сравнение преимуществ и недостатков этих методов является несомненно актуальной задачей.

Существует множество способов решения проблемы слабой фоточувствительности стандартных оптических волокон. Во-первых, фоточувствительность германосиликатных световодов увеличивается с ростом концентрации диоксида германия в сердцевине [3]. Ряд химических элементов, таких как бор, олово, азот, фосфор, сурьма при совместном легировании с германием увеличивают фоточувствительность световодов. Кроме того, в ряде работ исследовались световоды, не содержащие германия, а легированные другими элементами: азотом, фосфором, серой, сурьмой.

И, несмотря на то, что был предложен целый ряд составов, обладающих повышенной фоточувствительностью, как правило, волоконные световоды на их основе сложны в изготовлении и, кроме того, имеют материальные и волноводные характеристики, отличные от стандартных. Последнее обстоятельство часто приводит к дополнительным потерям на стыковку таких световодов со стандартными и некоторым другим сложностям при их использовании.

В связи с данными недостатками, возникающими в процессе легирования, значительный интерес представляет увеличение фоточувствительности световодов без значительного изменения их собственных характеристик. Оказалось, что насыщение стекла водородом при высокой температуре, например в пламени горелки с высоким содержанием водорода, способно на порядок увеличить наведенный показатель преломления стандартных световодов [4]. Вместе с тем это приводит к значительному росту концентрации ОН групп в сетке стекла, которые имеют полосы поглощения в области 1.4 мкм и к уменьшению механической прочности световода.

Существует и другой способ водородной обработки, который также существенно увеличивает фоточувствительность германосиликатных световодов. Этот способ заключается в насыщении стекла молекулярным водородом при низких температурах, при которых водород находится в стекле в физически растворенном состоянии. Световод, подвергнутый низкотемпературной водородной обработке, имеет повышенную фоточувствительность до тех пор, пока водород находится в сетке стекла. По мере обратной диффузии водорода в окружающую среду фоточувствительность уменьшается, возвращаясь к своему исходному значению, поэтому световод после водородной обработки следует хранить при пониженной температуре.

Обобщая вышесказанное, можно сделать вывод, что легирование и водородная обработка повышают фоточувствительность оптического световода, что позволяет затем записать в нем Брэгговскую дифракционную структуру лазерными импульсами традиционной наносекундной длительности, однако эти процедуры создают и ряд вышеупомянутых неудобств.

На сегодняшний день большой интерес представляет запись решеток ПП с помощью лазерных импульсов фемтосекундной длительности. В силу очень высокой интенсивности излучения (~1013 Вт/см2), создаваемой в импульсе такой малой длительности, по­глощение излучения в этом случае происходит в резуль­тате многофотонного процесса. Подобный механизм на­ведения ПП не требует наличия в кварцевом стекле фо­точувствительных легирующих добавок и водородной обработки [2].

При многофотонном поглощении, при достаточно высокой интенсивности, длина волны может не попадать в полосу поглощения, но при этом энергия возбуждения может оказаться больше ширины запрещенной зоны кварцевого стекла. Также сле­дует подчеркнуть, что фемтосекундными импульсами можно облучать волоконные световоды без их повреждения или пробоя из­лучением с интенсивностями на несколько порядков выше, чем при использовании наносекундных импуль­сов эксимерных лазеров [5]. Кроме того, при использовании инфракрасного излучения запись можно производить через оболочку световода.

Процесс многофотонного поглощения наглядно можно описать на следующем примере. Если инфракрасный лазерный импульс малой интенсивности фемтосекундной длительности (например, λ = 800 нм, hν ≈ 1.5 eV) проходит через такой материал как стекло, с шириной запрещенной зоны Eg ≥ 3.5 eV, то только лишь незначительная часть энергии лазерного импульса поглощается в стекле. Однако при высокой интенсивности излучения лазерных импульсов нелинейное поглощение становится основным механизмом инициирующем процесс фото-ионизации в стекле. Этот механизм соответствует одновременному поглощению двух и более фотонов лазерного излучения одним электроном, что переводит его в зону проводимости. Коэффициент поглощения для данного механизма есть функция от плотности фотонов и, следовательно, от интенсивности лазерного излучения [6].

Таким образом, запись ВБР фемтосекундными лазерными импульсами - это очень привлекательный способ для модуляции показателя преломления, так как он устраняет необходимость относительно высокой фоточувствительности волноводного материала, требующей, например, легирование германием или дополнительную водородную обработку, а следовательно позволяет производить запись Брэгговских дифракционных структур в стандартных телекоммуникационных волокнах без дополнительных процедур.

 

Литература:

  1. С.А. Кукушкин, А.В. Осипов, М.Г. Шлягин, Журнал технической физики, 76, № 8, 73 (2006).
  2. С.А. Васильев, О.И. Медведков, И.Г. Королев, А.С. Божков, А.С. Курков, Е.М. Дианов, Квантовая электроника, 35, № 12, 1085 (2005).
  3. L. Dong, J. Pinkstone, P. St. J. Russell, D. N. Payne, J. Opt. Soc. Am. B, 11, № 10, 2106 (1994).
  4. F. Bilodeau, B. Malo, A. Albert, D.C. Johnson, K.O. Hill, Y. Hibino,
    M. Abe, M. Kawachi, Opt. Lett, 18, № 12, 953 (1993).
  5. К.А. Загорулько, П.Г. Крюков, Е.М. Дианов, А. Драгомир, Д.Н. Никогосян, Квантовая электроника, 33, № 8, 728 (2003).
  6. K. Jamshidi-Ghaleh, N. Mansour, A. Namdar, Laser Physics, 15, №12, 1714 (2005).
Основные термины (генерируются автоматически): высокой интенсивности излучения, дифракционных структур, фоточувствительность германосиликатных световодов, водородной обработки, Брэгговских дифракционных структур, фемтосекундной длительности, лазерного излучения, Брэгговских решеток, показателя преломления, стандартных телекоммуникационных, интенсивности фемтосекундной длительности, интенсивности лазерного излучения, сетке стекла, интенсивности излучения лазерных, фоточувствительность стандартных телекоммуникационных, решеток показателя преломления, лазерными импульсами, запись решеток ПП, импульсов фемтосекундной длительности, фотонов лазерного излучения.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос