Технология изготовления оптических волокон с фотонно-кристаллической структурой.

Фотонно-кристаллическое волокно вытягивается из специальной заготовки. Она состоит из чистых кварцевых капиллярных трубок расположенных вокруг цельного кварцевого стержня. Эту заготовку нагревают в специальном тигле до 2000^оС, когда кварцевое стекло размягчается. Все элементы сплавляются вместе и вытягиваются через отверстия в дне тигля, формируя заготовку в виде стержня диаметром около 1мм с воздушными капиллярами диаметром менее 0,05 мм. Затем эта готовая стержневая заготовка (преформа) вытягивается в волокно. Это происходит в специальной вытяжной башне см рис

 

Рис Принципиальная схема установки вытяжки волокна.

Процесс вытягивания начинается верху башни. Где стержневая заготовка зажимается в центрирующем патроне. Нижний конец заготовки подается в электрическую цепь, где нагревается до температуры больше 2000^оС. Графитовый нагревательный элемент защищен средой из инертного газа аргона. Заготовка медленно сверху опускается в печь, откуда вниз выходит вытягиваемое из заготовки волокно. Скорость вытягивания и скорость подачи автоматически контролируются компьютером.

Диаметр волокна проверяется измерительным прибором с лазерным управлением. Полученные данные передаются в систему контроля, которая регулирует скорость вытяжной шпилевой лебедки, находящейся внизу башни. Увеличение диаметра волокна приводит к увеличению скорости вытягивания, и наоборот. Обычно диаметр волокна составляет от80 до 125 мкм, а скорость вытягивания 3-10 м/с. Волокно охлаждается окружающими воздухом. У полученного вытягиванием волокна соотношение между геометрическими параметрами оболочки и сердцевины такое же, как у заготовки. Однако соотношение между размерами капилляров и сердцевины уменьшается в готовом волокне относительно стержневой заготовки.

Фирмой Blaze Photonics было выращено ФКВ с средним диаметром капилляров , а усредненное расстояние между капиллярами, т.е. период фотонно-кристаллическое структуры . Получение волокон с такими параметрами, стало возможным после решения сложной технологической проблемы – одновременного обеспечения как строгой периодичности фотонной структуры оболочки волокна, так и постоянства отношения диаметра капилляров к периоду фотонной структуры ().

Одним из распространенных методов решения этой проблемы является использование многоэтапного процесса формирования готовой стрежневой заготовки, когда исходная заготовка многократно нагревается и протягивается до более узкого сечения. Периодический нагрев и вытягивание позволяют целенаправленно изменить параметр .

Другой эффективный метод заключается в заполнении капилляров не воздухом, а другим веществом, например, стеклом другого состава, тогда получается волокно с «твердыми дырками». Возникает проигрыш в величине контраста показателя преломления сердцевины и оболочки , но возникает возможность создать фотонно-кристаллическое волокно (ФКС) с рекордным коэффициентом нелинейности и потерями 5 дБ/м на длине волны 1б55 мкм.

Затем волокно покрывается слоем акрилата и получает первичную защиту. Это происходит в башне. Первичная оболочка состоит из мягкого внутреннего слоя акрилата, и более жесткого наружного слоя. Некоторые производители используют силикон вместо акрилата. Первичная оболочка защищает волокно от влаги и предотвращает микро изгибы волокна. Сразу же после нанесения первичного покрытия оно отверждается под действие ультрафиолетового излучения. При второй проверке диаметр волокна проверяется диаметр первичного покрытия, и его соосность с волокном.

Применение ФКВ.

ФКВ с малыми размерами центральной жилы снижаются пороги всех нелинейных эффектов. Это полезно при создании эффективных рамановских лазеров и усилителей, оптических переключателей и генераторов суперконтинуума. Последние могут применяться в волоконно-оптических системах со спектральным уплотнением (DWDM-системах) и в спектроскопии и метрологии. Стоимость таких волокон пока велика 500-1000 $/м.

Первой областью применения ФКВ стало создание световодов с большой эффективной площадью для стыков с мощными лазерами. Они используются в высокоэффективных шнурах коммутации лазерного и оптического усилительного оборудования и в сплавных разветвителях.

ФКВ являются перспективными элементами для волоконно-оптических усилителей, в которых они применяются в качестве отрезков волокон легированных редкоземельным эрбием. Использование нескольких концентрических слоев воздушных отверстий в оболочке с большим внутренним диаметром(52 мкм) позволяет полностью задействовать световой поток мощных лазерных диодов накачки, направляя его через воздушные каналы оболочки ФКВ. Такие усилители позволяют не только достигать высокой мощности (примерно33 Дб м) и эффективности преобразования энергии накачки (свыше 21%), но и сохранять линейный режим для входного информационного сигнала.

Формирование фотонной запрещенной зоны субмикронными брэгговскими решетками.

Оптические элементы, соединяющие свойства оптических волноводов и с одномерных структур с фотонными запрещенными зонами, позволяют решить проблемы фазового и группового синхронизма.

Распределенные брэгговские отражатели являются одномерными периодическими оптическими структурами обладающими фотонной запрещенной зоной. Пример диаграммы состояний двухслойной периодической среды с разными показателями преломления приведен на рис. Среда состоит из плоских периодически чередующихся слоев прозрачных диэлектриков двух типов с показателями преломления и и толщинами и где -период расположения слоев.

 

Рис Диаграмма состояний двухслойной периодической среды.

Темным цветом выделены разрешенные зоны значений нормированной частоты и проекции волнового вектора .

Серым цветом (возле частот 0,2 и 0,4) выделена область световых волн свободного пространства, для которых в периодической среде не существует преломленных волн ни при каких углах падения.

На диаграмме появляются запрещенные зоны внутри области существования световой волны свободного однородного пространства. При падении световой волны на границу раздела двух сред, во вторую среду проникает преломленная бегущая волна. Если во второй среде существует волна с такой же частотой и постоянной распространения, то световые волны из запрещенной для двухслойной среды зоны отражаются от периодической структуры. Во второй среде будет возникать неоднородная экспоненциально убывающая волна. Механизм образования запрещенных зон состоит в интерференционном сложении парциальных волн, отраженных от периодически повторяющихся границ слоев.

Волоконные световоды с брэгговскими решетками.

Волоконная брэгговская решетка -это участок волоконного одномодового световода, в сердцевине которого организована периодическая структура показателя преломления с периодом . Эта структура имеет определенное пространственное распределение показанное на рис. Решетка формируется в фоточувствительной сердцевине световода 1. Показатель преломления кварцевой оболочки 2 остается постоянным. Важным свойством волоконных брэгговских решеток является узкополосное отражение оптического излучения. Его относительная спектральная ширина составляет .

 

Рис Схематичное изображение брэгговской решетки. 1-фоточувствительная сердцевина световода. 2-кварцевая оболочка световода.

Волоконные брэгговские решетки связывают основную моду световода с той же модой, идущей в обратном направлении. Для однородной решетки длины , на резонансной длине волны коэффициент отражения

,

где -коэффициент связи, -амплитуда синусоидальной модуляции показателя преломления, -часть мощности основной моды, которая идет по сердцевине световода, -групповая задержка.

Спектральная ширина резонанса однородной решетки на полувысоте следующая

,

где -параметр, для глубоких решеток с коэффициентом отражения близким к 1, и для решеток небольшой глубины.

На рис представлены спектральные зависимости коэффициента отражения и групповой задержки для однородной волоконной бреговской решетки длиной . Спектральные характеристики приведенные на рис а) и б), соответствуют решеткам с амплитудой модуляции наведенного показателя преломления и соответственно. Несмотря на одинаковую длину решеток, в согласии с формулой их спектральная ширина различна и составляет 0,18 нм и 0,64 нм соответственно.

 

Рис.а) Спектр отражения (сплошная кривая внизу) значения по вертикали слева, и групповая задержка (в середине штрихованная кривая) значения по вертикали справа. для амплитуды наведенного показателя преломления (вверху слева). По горизонтали отложена длина волны в нанометрах. Полуширина на полувысоте .

б)То же самое для амплитуды модуляции , .

Преимущества волоконных фотоиндуцированных решеток в сравнении с альтернативными технологиями (например, фотонно-кристаллические решетки) следующие: широкое разнообразие спектральных и дисперсионных характеристик, относительная простота изготовления с использованием интерференционных методов.

Сенсоры на основе оптических волноводов с фотонно-кристаллической структурой.

Сенсор на основе оптических волноводов –датчик физических величин, в конструкции которого чувствительным элементом и передающей средой является оптический волновод. По принципу действия волноводные сенсоры разделяются наизмеряющие интенсивность, фазу. Состояние поляризации, спектральный или модовый состав излучения.

Волоконные световоды с одномерной или двумерной фотонно-кристаллической структурой как перспективные чувствительные элементы волоконно-оптических датчиков.

Резонансная длина волны брегговских решеток зависит от температуры световода и приложенных к нему механических растягивающих или сжимающих напряжений.

,

где -изменение температуры, -приложенное механическое напряжение, -коэффициенты упруго-оптического тензора, -коэффициент Пуассона, -коэффициент расширения кварцевого стекла, -эффективный показатель преломления основной моды.

Это формула дает значения сдвига длины волны в зависимости от температуры и от относительного удлинения световода .

Прямым способом изменения смещения является измерение спектра пропускания /отражения решетки спектроанализатором и широкополосным источником.

Преимущества волоконных световодов с ФКС

Защищенность от электромагнитных полей,

Высокая чувствительность, надежность,

Широкий динамический диапазон измерений,

Возможность спектрального и пространственного мультиплексирования чувствительных элементов,

Малое время отклика на изменение измеряемой величины.

Высокая коррозионная и радиационная стойкость.

Пример: Квараспределенная система измерения температуры и деформации объектов разработанная в Центре волоконной оптики Инстиута общейц Физики под руководством академика Е.М.Дианова. см рис

 

 

Рис.Квазираспределенная система измерения температуры и деформации объектов.

Широкополосный сигнал от полупроводникового источника света 3 через волоконно-оптический разветвитель2 поступает нВ волоконную измерительную линию 1.отраженный решетками сигнал через тот же ответвитель поступает на оптический анализатор спектра 4. Персональный компьютер 5 через требуемые промежутки времени считывает спектр и обрабатывает его с пециальной программой.Система содержит 12 решеток, что позволяет измерять температуру и деформацию в шести пространственно разнесенных точках объекта. Спектр отражения системы решеток приведен на рис.. Приведенная серия решеток записана на одном отрезке стандартного волоконного световода без применения сварок., что упростило конструкцию и повысило надежность её работы.

 

 

Рис.Спектр отражения серии волоконных брэговских решеток в системе измерения температуры и деформации.

Литература

1.Игнатов А.Н. Оптоэлектроника и Нанофотоника. Спб-Москва –Краснодар Лань 2011-

2Нанотехнологии в электронике под редакцией Ю.А. Чаплыгина.М. Москва Техносфера. 2005.-448.с Гл 8 Фотоника волноводных нанразмерных структур. Ю.Н.Кортишко, В.А.Федоров, С.М Кострицкий