Низкая фоточувствительность стандартных телекоммуникационных волокон как препятствие для записи брэгговских дифракционных структур

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 E_g ≥ 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).