Отметим, что ВБР может быть изготовлена не только с постоянным, но и с изменяющимся по длине периодом. Для подавления боковых максимумов, хорошо заметных в спектрах решеток на рис. 3, ВБР может быть сделана со сглаженным вдоль оси распределением амплитуды модуляции индуцированного ПП.
Рис. 3. Спектр отражения R [сплошная кривая] и групповая задержка [штриховая кривая] однородных брэгговских решеток с различной амплитудой модуляции наведенного ПП: nmod = 5·10-5 (а), nmod = 7.5·10-4 (б). На врезках: схематический профиль ПП, наведенного в решетках
На рис. 3 представлены спектральные зависимости коэффициента отражения R и групповой задержки , рассчитанные для однородных ВБР длиной L = 5 мм. Спектральные характеристики, приведенные на рис. 3(а) и (б), соответствуют решеткам с амплитудой модуляции наведенного ПП nmod =5·10-5 и 7.5·10-4 соответственно. Несмотря на одинаковую длину решеток, в согласии с формулой (2) их спектральная ширина различна и составляет 0.18 нм и 0.64 нм соответственно.
Спектральная ширина резонанса однородной решетки на полувысоте (FWHM) может быть выражена следующим приближенным соотношением:
Волоконные брэгговские решетки связывают основную моду световода с той же модой, распространяющейся в противоположном направлении. Это означает, что на определенной длине волны распространяющееся по световоду излучение отражается от решетки полностью или частично. Свойства этого отражения зависят от параметров решетки. Для однородной решетки длины L коэффициент отражения R на резонансной длине волны BG выражается как R = th2( L), где = nmod / BG - коэффициент связи ( nmod - амплитуда синусоидальной модуляции ПП, - часть мощности основной моды, которая распространяется по сердцевине световода).
В дополнение к вышеперечисленным типам решеток следует упомянуть о менее распространенных, но также имеющих ряд интересных применений так называемых модовых и поляризационных конвертерах. В модовых конверторах, записанных в маломодовых волоконных световодах, происходит перевод излучения из одной моды сердцевины в другую. Аналогичный процесс реализуется в поляризационных конвертерах, где на решетке, записанной в двулучепреломляющем волоконном световоде, осуществляется взаимодействие мод, имеющих взаимно перпендикулярное направление поляризации электрического поля. В обоих случаях период решетки совпадает с периодом межмодовых биений на резонансной длине волны.
Рис. 2. Диаграмма, демонстрирующая выполнение условия фазового синхронизма между основной модой волоконного световода HE11 (LP01) и другими модами
где 1 и 2 - постоянные распространения рассматриваемых мод, N - целое число, характеризующее порядок, в котором реализуется межмодовое взаимодействие. Постоянная распространения моды выражается соотношением = 2 neff / , где neff - эффективный ПП моды, - длина волны в вакууме.
Рассмотрим однородную решетку ПП, то есть структуру с постоянным периодом . Две моды взаимодействуют на такой решетке, если выполняется условие фазового синхронизма
Структура волоконной решетки ПП выбирается таким образом, чтобы обеспечить необходимое резонансное взаимодействие между выбранными модами световода. Отметим, что теория резонансных взаимодействий на периодических структурах детально разработана и широко используется в различных областях физики, и в большинстве случаев применима для описания свойств волоконных решеток. Взаимодействие мод световода обычно описывается с помощью теории связанных мод, в рамках которой предполагается, что на определенной длине волны только две моды удовлетворяют условию фазового синхронизма и таким образом могут эффективно передавать друг другу энергию. Кроме того, предполагается, что поля мод в присутствии слабого периодического возмущения остаются неизменными. Указанные условия выполняются в большинстве случаев, рассмотренных ниже.
Излучение, распространяющееся по волоконному световоду, можно представить в виде комбинации его собственных мод: направляемых и излучательных. Направляемым модам соответствует дискретный спектр постоянных распространения i, в то время как излучательные моды образуют континуум. В отсутствие возмущений в волоконном световоде эти моды распространяются без взаимодействия друг с другом.
Преимущества волоконных фотоиндуцированных решеток в сравнении с альтернативными технологиями (например, интерференционные зеркала и объемные дифракционные решетки) очевидны: широкое разнообразие получаемых спектральных и дисперсионных характеристик, многие из которых могут быть реализованы только на основе волоконных решеток ПП; полностью волоконное исполнение; низкие оптические потери; относительная простота изготовления и ряд других.
Рис.1. Схематическое изображение волоконной решетки показателя преломления
Волоконная решетка ПП представляет собой участок волоконного световода (как правило, одномодового), в сердцевине которого наведена периодическая структура ПП с периодом , имеющая определенное пространственное распределение, схематически показанное на рис. 1. Как правило, решетка формируется в фоточувствительной сердцевине световода 1, в то время как ПП кварцевой оболочки 2 остается неизменным. Такая структура обладает уникальными спектральными характеристиками, которые и определяют ее широкое применение в различных устройствах волоконной оптики. Наиболее важным свойством волоконных брэгговских решеток является узкополосное отражение оптического излучения, относительная спектральная ширина которого может составлять 10-6 и меньше.
Формирование стабильных во времени решеток в волоконных световодах впервые было обнаружено в 1978 году. Излучение аргонового лазера было введено в сердцевину германосиликатного световода, и через несколько минут было зафиксировано интенсивное отраженное излучение, возникшее из-за некоторой модификации свойств световода. Явление было объяснено тем, что в результате френелевского отражения от противоположного торца волоконного световода в нем возникает стоячая волна, в максимумах которой изменяется ПП, образуя таким образом решетку, отражающую излучение в соответствии с условием Брэгга и усиливающуюся по мере облучения. Позже было показано, что процесс фотоиндуцированного изменения (увеличения) ПП видимым излучением является двухфотонным. В 1989 году была предложена запись решеток ПП в германосиликатном световоде ультрафиолетовым излучением через его боковую поверхность, при которой используется однофотонное возбуждение полосы поглощения германосиликатного стекла. Именно тогда была показана возможность изменения спектральных параметров решеток в весьма широких пределах, что очертило реальные перспективы волоконных решеток для практических применений, стимулировало активные исследования в области создания фотоиндуцированных структур в волоконных световодах.
Фоточувствительность легированного кварцевого стекла, то есть его способность изменять показатель преломления (ПП) под действием излучения, в настоящее время активно исследуется и имеет широкое применение в системах волоконно-оптической связи, волоконных лазерах, системах измерения различных физических величин и др. По этой тематике уже опубликовано несколько тысяч научных статей, проводятся международные научно-технические конференции и научные школы для молодых ученых, выходят тематические выпуски научных журналов и монографии.
Интернет-версия обзора, опубликованного в журнале "Фотон-Экспресс" (см. раздел ). Полный список литературы, использованной при подготовке материала, приведен в оригинальной статье.
ФОТОИНДУЦИРОВАННЫЕ ВОЛОКОННЫЕ РЕШЕТКИ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ И ИХ ПРИМЕНЕНИЯ
Обновлено:5 апреля 2005
Фоточувствительность стекол и волоконные решетки: обзор по волоконным решеткам
