Волоконная брэгговская решётка (ВБР/FBG) — распределённый брэгговский отражатель (разновидность дифракционной решетки), сформированный в светонесущей сердцевине оптического волокна. Волоконные брэгговские решётки обладают узким спектром отражения, используются в волоконных лазерах, волоконно-оптических датчиках, для стабилизации и изменения длины волны лазеров и лазерных диодов и т. д.
Брэгговские решетки в настоящее время широко используются в оптических волокнах и планарных световодах для уплотнения каналов по длине волны (так называемая DWDM-технология), оптической фильтрации сигналов, как резонаторные зеркала в волоконных и полупроводниковых лазерах, как сглаживающие фильтры в оптических усилителях, для компенсации дисперсии в магистральных каналах связи. Другой областью применения волоконных брэгговских решеток является использование их в различных измерительных системах, контролирующих параметры окружающей среды, такие как: температура, влажность, давление, деформация, содержание химических веществ.
Распределенные по длине световодов решетки Брэгга позволяют создавать акустические системы, выгодно отличающиеся от традиционных комплексов аналогичного назначения стоимостью и технологичностью производства.
Волоконные брэгговские решетки являются неотъемлемой частью большинства волоконных лазеров, формируя необходимую структуру резонатора. В классических схемах решетки выполняют роль зеркал в составе лазерного резонатора. Особый интерес вызывают одночастотные волоконные лазеры, которые находят широкое применение в телекоммуникации и волоконной сенсорике. Отдельным крайне перспективным направлением является разработка лазеров с распределенной обратной связью. В таких устройствах брэгговская решетка располагается вдоль всего резонатора, а для обеспечения условий генерации в структуре решетки формируется фазовый сдвиг.
Благодаря особенностям структуры такой лазер, как правило, с коротким, длиной несколько сантиметров, резонатором, обеспечивает одночастотный режим генерации со сверхузкой спектральной полосой излучения. Изучение особенностей и механизмов генерации таких лазеров, оптимизация их структуры и состава сердцевины активного световода является крайне актуальными задачами современной волоконной оптики.
Принцип действия брэгговской решетки
Спектральная избирательность отражения от волоконных брэгговских решёток обусловлена периодическим по длине изменением показателя преломления светонесущей сердцевины и обусловлена дифракцией на этих периодических оптических неоднородностях.
Пространственный период неоднородностей Λ подбирают таким образом, чтобы в нём отражались световые волны с нужной длиной волны. Если усреднённый по длине показатель преломления структуры n, то отражение будет наблюдаться при длинах волн:
λB = 2nΛ
Например, при длине периода структуры 530 нм наблюдается отражение на длине волны около 1540 нм. Для сравнения, у длиннопериодной волоконной решетки период составляет 100 мкм и более.
Характерная длина периодической структуры ВБР от 1 мм до нескольких см, то есть количество неоднородностей от тысячи до десятков тысяч. Относительное изменение показателя преломления от среднего порядка 10-4. Большое количество штрихов при малом изменении показателя преломления приводит к очень узкому спектру отражения — ширина спектра отражения обычно составляет доли нанометров.
Период структуры и, соответственно, длина волны отражённого света изменяется при механическом сжатии или растяжении волокна. Это явление используется в волоконно-оптических датчиках, например, в тензометрических измерениях и для перестройки в узких пределах длины волны лазера. Изменение температуры приводит к тепловому изменению длины структуры и также сдвигает спектр отражения, что может быть использовано в термометрах.
Технология изготовления
Расплавленный кварц, легированный оксидом германия (материал сердцевины оптического волокна) или легированный соединениями других химических элементов обладает свойством изменять показатель преломления материала под воздействием ультрафиолетового излучения (УФ). Периодическая пространственная структура УФ-излучения (интерференционные полосы) для создания брэгговской решётка в волокне формируется с помощью интерференции двух пучков УФ излучения, сфокусированных цилиндрической линзой в область сердцевины, в направлении, поперечном оси оптического волокна. Для этого пучок УФ лазера делится на 2 части.
Создание волоконных брэгговских решёток интерферометром Ллойда.
Применяются различные методы создания волоконных брэгговских решёток: непосредственно с помощью фазовой маски, делением пучка с помощью фазовой маски или делительной пластинки и сведением с помощью дополнительных зеркал, а также с помощью интерферометра Ллойда. Для этого с участка оптоволокна, в котором создаётся волоконная брэгговская решётка, удаляется полимерное покрытие, поглощающее УФ излучение.
Для создания волоконных брэгговских решёток могут использоваться различные источники УФ-излучения (обычно лазеры): с генерацией второй гармоники непрерывного аргонового ионного лазера, эксимерные KrF и ArF УФ-лазеры, с генерацией четвёртой гармоники Nd:YAG-лазера.
Помимо интерференционного метода создания ВБР применяется формирование неоднородностй отдельными точками, при этом каждая неоднородность формируются последовательно остросфокусированным пучком излучения.
Кроме ультрафиолетовых лазеров могут применяться фемтосекундные лазеры (гармоники инфракрасных лазеров).
