CC BY
5ВКВО-202 3 СТЕНДОВЫЕ
ИССЛЕДОВАНИЕ МАЛОМОДОВЫХ РЕЖИМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ВРБ, ЗАПИСАННЫХ В КВАРЦЕВЫХ
ЗАКРУЧЕННЫХ МНОГОСЕРДЦЕВИННЫХ МИКРОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКНАХ
1234 2 1 135 6
Бурдин А.В. ' ' ' , Дашков М.В. , Демидов В.В. , Дукельский К.В. ' ' , Кузнецов А.А. , Морозов О.Г. 6, Тер-Нерсесянц Е.В. 1, Евтушенко А.С. 2*, Зайцева Е.С. 2, Липатников К.А. 6, Пчелкин Г.А. 13, Смирнов Н.Д. 6
1 АО «Научно-производственное объединение Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова» (АО «НПО ГОИ им. С.И. Вавилова»), г. Санкт-Петербург 2 Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики (ПГУТИ), г. Самара 3 Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
(СПбГУТ), г. Санкт-Петербург 4 ООО «ОптоФайбер Лаб», г. Москва, ИЦ Сколково 5 Университет ИТМО, г. Санкт-Петербург 6 Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ, г. Казань *E-mail: [email protected] DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-412-413
На сегодняшний день волоконные решетки Брэгга (ВРБ) широко применяются в различных устройствах и приложениях волоконной оптики и фотоники и фактически являются базовым элементом при построении сенсорных сетей волоконно-оптических датчиков [1, 2 и др.]. Одновременно киральные микроструктурированные оптические волокна (МСОВ) - МСОВ с наведенной закруткой - позиционируются как альтернативные (в том числе, и по отношению к ВРБ) волоконно-оптические элементы для реализации сенсоров датчиков регистрации механических воздействий (в частности, механического напряжения [3, 4] и кручения [3, 5]), а также магнитного поля и электрического тока [3, 6]. Таким образом, было сделано предположение, что объединение двух базовых волоконно-оптических структур - МСОВ с наведенной закруткой и записанных в них ВРБ - является перспективным и позволит создать новый класс сложных волоконно-оптических элементов с уникальными волноводными свойствами, в том числе и с точки зрения их потенциального применения в различных частных приложениях сенсорных сетей. Для записи ВРБ в конструкцию МСОВ на стадии формирования сборки были введены опорные элементы - микростержни - из кварцевого стекла, легированного диоксидом германия GeO2.
(а) (б) (в) (г) (д)
Рис. 1. 6-сердцевинное МСОВ: (а) сборка; (б) сборка в опорной трубе; (в) градиентный профиль показателя преломления заготовки-стержня; (г) предволокно; (е) изготовленный опытный образец 6-сердцевинного МСОВ с закруткой 100 об/м и внешним диаметром 125 мкм
Эти опорные конструктивные элементы - заготовки-стержни на основе безгидроксильного кварцевого стекла (аналог Heraus Suprasil F300, OHARA SK-1310), легированного GeO2, с градиентным профилем показателя преломления - представляли собой полученную методом внутреннего плазмохимического осаждения (PCVD) в лабораториях зарубежного производителя заготовку-стержень с кастомизированным (непараболическим, специальным) хорошо сглаженным градиентным профилем показателя преломления без характерного технологического дефекта -габаритного центрального провала с максимальной разностью значений показателя преломления 0.0246 и содержанием GeO2 в кварцевом стекле 16.8 мол.%. Остальные опорные элементы МСОВ -микростержни, капилляры и внешняя опорная труба - изготавливались с применением доступных опорных труб из кварцевого стекла с высоким (более 1000 ppm) содержанием гидроксильных групп (аналог Heraeus Suprasil Standard, Saint-Gobain Spectrosil A/B, Corning HPFS 7980, JGS1, Dynasil 1100 / Dynasil 4100, КУ-1 (ГОСТ 15130-86)). В результате создаваемая волоконно-оптическая структура
ВКВО-2023- СТЕНДОВЫЕ
представляла собой оптический элемент с 6-ю германосиликатными сердцевинами, равноудаленными от оси оптического волокна, и наведенной в процессе вытяжки закруткой, реализованной на модернизированной соответствующим образом вытяжной башне производственной линии специальных волоконных световодов [7] с масштабированием на внешний «типовой» «телекоммуникационный» диаметр 125 мкм (Рис. 1). Последующее формирование решетки с длиной волны Брэгга А=1550 нм осуществлялось в опытных образцах изготовленного 6-сердцевинного МСОВ с закруткой 100 об/м штатным комплектом установки полного технологического цикла записи ВРБ на базе интерферометров Ллойда и Тальбота и аргонового лазера.
(а) (б) (в)
Рис. 2. Пилотные экспериментальные исследования маломодовых режимов функционирования ВРБ, записанных в киральных германосиликатных 6-сердцевинных МСОВ с наведенной закруткой 100 об/м: (а) схема измерения спектрального отклика ВРБ (длина волны Брэгга Я=1581.90 нм, ширина спектра
ЛЛ=0.87 нм); (б) спектральный отклик сердцевины №2; (в) спектральный отклик сердцевины №4
В работе представлены результаты пилотных экспериментальных исследований маломодовых режимов функционирования изготовленных опытных образцов новых сложных волоконно-оптических элементов, представляющих собой ВРБ, записанных в 6-сердцевинном МСОВ с наведенной закруткой 100 об/м. Так, в результате проведенной серии измерений была разработана методика измерения спектральных откликов ВРБ (Рис. 2(а)). На первом этапе с помощью сварочного аппарата выполнялась селективная юстировка согласующего одномодового (ОМ) оптического волокна (ОВ) с одной из сердцевин исследуемого образца МСОВ по максимальной интенсивности свечения возбуждаемой сердцевины на изображении торца МСОВ, получаемого с помощью видеомикроскопа (ВМ). После завершения процесса юстировки торец исследуемого МСОВ отключался от ВМ и помещался в иммерсионный гель для предотвращения обратного отражения. На втором этапе согласующее ОМ ОВ подключалось к общему порту оптического циркулятора (ОЦ). К входному порту ОЦ подключался суперлюминисцентый диод (СЛД), являющийся источником широкополосного оптического излучения с заданной центральной длиной волны. К выходному порту ОЦ подключался оптический анализатор спектра (ОАС) для контроля спектрального состава излучения, поступающего с общего порта ОЦ. Для снижения влияния отражения торцы ОМ ОВ и МСОВ были выполнены с использованием углового скалывателя. В процессе укладки ОВ в каретки производился визуальный контроль и корректировка таким образом, чтобы торцы ОВ, сколотых под углом, находились в параллельных плоскостях. Анализ зарегистрированных спектральных откликов показал наличие ВРБ в двух из шести германосиликатных сердцевин МСОВ, также что позволяет рассматривать изготовленную структуру как многоканальный сенсор с применением технологии пространственного мультиплексирования.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ, DST, NSFC и NRF в рамках научного проекта № 19-57-80016 БРИКС_т.
Литература
1. Kashyap R. Fiber Bragg Gratings (Optics and Photonics) 3st Edition. San Diego, CA, USA: Academic Press, (2009)
2. Rajan G. Optical Fiber Sensors: Advanced Techniques and Applications (Devices, Circuits, and Systems). Boca Raton, FL, USA: CRC Press / Taylor & Francis (2015)
3. Wong G.K. L. et al. Philosophical Transactions of The Royal Society A. Mathematical Physical and Engineering Sciences 375(2087), 20150440-1 - 20150440-18 (2017)
4. Xi X.M. et al., Optics Letters 38, 5401 - 5404 (2013)
5. Zhang M. et al., Sensors 22(15), 5668-1 - 5668-9 (2022)
6. Bohnert K. et al., Optics and Lasers in Engineering 43, 511 - 526 (2005)
7. Bourdine A. V. et al., Fibers 11(3), 28-1 - 28-18 (2023)
