|
Год рождения: 1992 Специальность: 210400.62 Телекоммуникации e-mail: t. *****@***com |
УДК 681.7.063 + 681.7.068
ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЛОКОННЫХ БРЭГГОВСКИХ РЕШЕТОК С ДИСКРЕТНО ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ ПЕРИОДОМ
Научный руководитель – к. ф.-м. н., доцент
Чирпированные волоконные брэгговские решетки широко используются в волоконно-оптических системах связи в устройствах компенсации хроматической дисперсии [1]. Такие решетки могут найти широкое применение при создании чувствительных элементов волоконно-оптических измерительных систем на основе массивов решеток Брэгга.
Технология создания распределенных волоконно-оптических фазовых интерферометрических датчиков на основе решеток Брэгга требует записи массивов решеток с заданными коэффициентами отражения и шириной спектра на полувысоте в процессе вытяжки волоконного световода [2].
Известно, что волоконные решетки Брэгга типа I можно записать практически с любым коэффициентом отражения и шириной спектра на полувысоте, однако это требует использования методов записи с длительной экспозицией (10-20 мин) [3], что невозможно осуществить в процессе вытяжки оптического волокна. Применение решеток типа II позволяет осуществить технологию одноимпульсной записи брэгговских решеток с коэффициентами отражения до 100% и шириной пика отражения на полувысоте до 1 нм [4]. Однако решетки типа II характеризуются резкой зависимостью наведенной модуляции показателя преломления в оптическом волокне от плотности энергии в лазерном импульсе [5]. Эта особенность усложняет получение решетки с нужным коэффициентом отражения, кроме того запись решетки типа II в волокно понижает механическую прочность волоконного световода [6].
Поэтому для создания чувствительного элемента волоконно-оптического ФИД с требуемым соотношением коэффициентов отражения пар решеток и достаточной шириной спектра на полувысоте был предложен и апробирован метод получения чирпированных волоконных брэгговских решеток с дискретно изменяющимся периодом в процессе вытяжки оптического волокна [7].
Основной целью работы являлась проверка применимости таких решеток в распределенных волоконно-оптических фазовых интерферометрических датчиках. Для достижения цели работы были проведены экспериментальные исследования влияния различных внешних воздействий на спектральные характеристики решеток Брэгга.
Рисунок 1. Спектр волоконной брэгговской решетки с дискретно изменяющимся периодом.
Влияние продольного механического напряжения. С помощью аппарата, создающего натяжение, соответствующее заданному значению приложенной силы, и оптического анализатора спектра проверили влияние натяжения волокна на смещение центральной длины волны. Эксперимент проводился при значениях приложенной силы от 4 до 20 Н. Предельные значения обусловлены техническими характеристиками и возможностями аппарата. Шага в 1 Н достаточно для определения зависимости. Источник света и спектроанализатор через разветвитель были подключены к решетке, которая, в свою очередь, находилась в области световода, к которой прикладывалось механическое продольное напряжение с помощью специализированного аппарата. По результатам были построены графики, получены зависимости.
Влияние температурного воздействия. Известно, что заметная деградация решеток, образование которых обусловлено электрострикционным механизмом, наблюдается уже при 200-300°C [6]. Кроме того, изменение температуры приводит к изменению длины волны брэгговского резонанса, что может помешать корректной работе интерферометрических датчиков. Таким образом, задачей данного эксперимента являлось получение зависимости сдвига брэгговского резонанса с ростом температуры, а также определение предельных температур работы датчика на основе ВБР типа I с дискретно изменяющимся периодом.
Для проведения эксперимента была собрана схема, включающая помимо источника излучения и спектроанализатора, термокамеру, управляемую термостатом, и измерителем оптической мощности.
ВБР нагревали в термокамере до 370°C, ее спектр непрерывно контролировался на оптическом спектроанализаторе. Рисунок 2 наглядно демонстрирует смещение спектра в длинноволновую область с ростом температуры, а также сильное уменьшение коэффициента отражения при температуре термокамеры более 140°C. При температуре 280°C спектр решетки практически стал неразличим на фоне шума оптической схемы.
Для определения термоустойчивости решетки был проведен ряд испытаний. Несколько образцов последовательно выдержали в термокамере в течение 3 ч. 20 мин. при различных температурах. Деградация решеток не отмечена при 100 и 120°C.
Рисунок 2. Зависимость спектра от температуры
Влияние намотки. Для исследования влияния намотки участка волокна с индуцированной решеткой, была использована оснастка с различными окружностями. Участок волокна с ВБР был последовательно намотан на диаметры от 50 до 5 мм. Спектрограмма снималась после намотки на каждый диметр. Было зафиксировано перетекание энергии излучения между осями двулучепреломляющего световода. При этом спектральное расстояние между пиками отражения не менялось, не происходило смещений вплоть до намотки световода на диаметры менее 10 мм. После проведения эксперимента на относительно больших окружностях, намотка на меньшие происходила с небольшим усилием, необходимым для преодоления упругих свойств оптического волокна, вследствие этого, на спектрограмме наблюдалось равномерное смещение на 0.2 нм, при намотке на наименьший диаметр, смещение составило 0.4 нм. Изменение локализации пиков было связано с приложенным растягивающим усилием, вследствие чего происходило растяжение кварцевого стекла и смещение, характерное для механического растяжения. Эксперимент позволил установить, что для волоконных решеток с длиной 100 мм намотка даже на маленькие диаметры не оказывает существенного влияния на спектр отражения решетки.
Зависимость от состояния введенной поляризации. Исследовалась зависимость коэффициента отражения чирпированных волоконных брэгговских решеток с дискретно изменяющимся периодом от состояния введенной в двулучепреломляющий световод поляризации. Для проверки этой зависимости была собрана схема, ключевыми элементами которой являются контоллер поляризации и экстинкциометр. В схему поочередно были включены 5 исследуемых образцов. Различие отраженной энергии от разных состояний поляризации не превысило 2 процентов. Полученные результаты позволяют судить о независимости ВБР с дискретно изменяющимся периодом от состояния введенной поляризации.
В процессе выполнения работы были исследованы различные факторы влияния на спектральные характеристики чирпированных волоконных брэгговских решеток с дискретно изменяющимся периодом.
Теоретически рассчитано количество секций чирпированной ВБР с дискретно изменяющимся периодом для получения квазинепрерывного спектра отражения решетки.
Поставлены эксперименты с созданием продольного механического напряжения. Получена зависимость смещения брэгговского резонанса от прикладываемого растягивающего усилия. Проведены опыты по термическому воздействию. Получены зависимости смещения спектра чирпированных волоконных брэгговских решеток с дискретно изменяющимся периодом от температуры. Поставлены опыты по определению термостойкости испытываемых образцов. Исследована зависимость коэффициента отражения чирпированных волоконных брэгговских решеток с дискретно изменяющимся периодом от состояния введенной в двулучепреломляющий световод поляризации. Произведена намотка на различные диаметры. Проанализированы спектры решеток, намотанных на окружности разных размеров.
Исследованные образцы имеют достаточный спектр на полувысоте и коэффициент отражения для использования в фазовых интерферометрических датчиках. Для получения квазинепрерывного спектра отражения чирпированной ВБР необходимо увеличить количество секторов решетки, соответственно уменьшив угол смещения зеркал интерферометра при записи дифракционной структуры. В зависимости от требований к отражающей способности, такая структура может быть записана с той же длиной или большей.
Литература
1. Othonos, A. Fiber Bragg gratings / A. Othonos // Rev. Sci. Instrum. – 1997. – V. 68. – № 12. – P. .
2. Мешковкий отжиг решеток Брэгга при изготовлении волоконно-оптических фазовых интерферометрических датчиков / , , // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. – 2013. – Т. 56, - № 5. – С. 91-93.
3. Becker, M. Fiber Bragg Grating Inscription with UV Femtosecond Exposure and Two Beam Interference for Fiber Laser Applications / M. Becker, S. Bruckner, E. Lindner, M. Rothhardt, S. Unger, J. Kobelke, K. Schuster, H. Bartelt // Proc. of SPIE. – 2010. – V. 7750, .
4. Meshkovskiy I. K. Bragg Gratings Induced in Birefringent Optical Fiber with an Elliptical Stress Cladding / I. K. Meshkovskiy, V. E. Strigalev, A. V. Kulikov, S. V. Varzhel' // Journal of Photonics. – 2013. - Article ID 4 pages.
Подпись участника__________________________________
Подпись научного руководителя______________________
