Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современные методы формирования и измерения параметров волоконных Брэгговских решеток 6.
1.1 Волоконные Брэгтовские решетки и их применение 6.
1.2. Современные технологии изготовления ВБР 8.
'1.2.1. Создание ВБР методом интерференции двух УФ лучей 13.
1.2.2. Создание ВБР непосредственной фокусировкой лазерного луча на поверхности волокна 13.
1.2.3. Формирования ВБР методом фазовой маски 15.
1.3. Измерение параметров решетчатых структур сформированных в сердцевине волокна 17.
1.3 1 Метод прямого измерения An вдоль продольной координаты ВБР 20.
1.3.2 Интерференционный метод определения параметров ВБР 25.
1.3.3. Требования, предъявляемые к методам измерения параметров ВБР 34.
ГЛАВА 2. Анализ процесса рассеяния внешнего лазерного излучения на волоконной Брэгговской решетке 35.
2.1. Создание мультипериодических структур при формировании ВБР методом фазовой маски 35.
2.2. Возможность прецизионного определения изменений периода ВБР, при рассеянии внешнего лазерного излучения 41.
2.3. Анализ рассеяния внешнего лазерного излучения на ВБР 44.
2.3.1 ВБР постоянного периода 44.
1. Общие соотношения 44.
2. Интенсивность и угловое распределение пучка нулевого порядка дифракции , 47.
З. Интенсивность и угловое распределение пучка первого порядка дифракции 51.
2.3.2. ВБР с медленно изменяющимся периодом 59.
1. Общие соотношения 59.
2. Интенсивность и угловое распределение пучка первого порядка дифракции 60.
3. Влияние изменения периода решетки на интенсивность и угловое распределение пучка первого порядка 67.
2.4. Влияние отклонения поверхности волокна от цилиндрической формы на точность определения параметров решетки 68.
2.5. Выводы по главе 2 70.
ГЛАВА 3. Методика измерений параметров ВБР 73.
3.1. Требования к экспериментальной установке 73.
3.2. Описание экспериментальной установки 75.
3.3. Подготовка поверхности волокна с решеткой для проведения измерений 78.
3.4. Юстировка системы 84.
3.5. Методика проведения измерений и обработки экспериментальных результатов 85.
3.6. Оценка точности измерений 87.
ГЛАВА 4. Экспериментальные результаты 90.
4.1 Измерение параметров «плохой» ВБР 90.
4.2. Измерение параметров ВБР имеющей область увеличенных значений постоянной составляющей показателя преломления 98.
4.3. Измерение параметров «хорошей» ВБР ,. . 102.
4.4 Выводы по результатам проведенных экспериментов 110.
Приложение. Использование ВБР для компенсации дисперсии в высокоскоростных сетях связи 112.
1. Общие соотношения 112.
1. Компенсация дисперсии при отражении сигнала от ЧВБР 113.
2. Компенсация дисперсии при прохождении сигнала через ВБР 117.
3. Влияние неидеальности параметров ВБР на компенсацию дисперсии .120.
Литература
- Волоконные Брэгтовские решетки и их применение
- Создание мультипериодических структур при формировании ВБР методом фазовой маски
- Требования к экспериментальной установке
- Измерение параметров ВБР имеющей область увеличенных значений постоянной составляющей показателя преломления
Введение к работе
' '
Актуальность темы
В настоящее время основным направлением развития магистральных сетей связи является строительство волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Такой выбор обусловлен в первую очередь высокой пропускной способностью оптического волокна. Использование на ВОЛС технологий DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), еще увеличивает их пропускную способность в десятки раз, и позволяет передавать по одному волокну до 40 Гб в секунду.
Необходимым компонентом ВОЛС являются волоконные брэгтовские решетки (ВБР) - участок волокна с периодической модуляцией показателя преломления его сердцевины. Для различных применений создают ВБР с постоянным и изменяющимся периодом. Решетки с изменяющимся периодом принято называть чирпованными. ВБР работают в качестве устройств объединения и разделения оптических каналов, канальных фильтров, используются в источниках лазерного излучения для уменьшения ширины линии излучения, в оптических усилителях на волокнах легированных эрбием (Erbium-Doped Fiber Amplifier) для обеспечения равномерности характеристик в широком диапазоне длин волн. При скоростях передачи информации С > 10 Гб/с, ВБР используются для компенсации хроматической дисперсии линии связи. Кроме того, ВБР широко применяются при построении волоконно-оптических датчиков физических величин, а также в устройствах обработки оптических сигналов.
При изготовлении ВБР к их параметрам предъявляются жесткие требования. Наиболее важными параметрами волоконных решеток являются распределение амплитуды модуляции показателя преломления Ап(х) и закон изменения периода АЛ(х) решетки вдоль продольной оси волокна. Отклонение этих параметров от требуемых значений приводит к ухудшению спектральных характеристик ВБР и работы ВОЛС в целом.
Для обеспечения возможности контроля параметров волоконных решеток, необходимы методы, позволяющие их прецизионное измерение.
Цели и задачи диссертационной работы
Целью настоящей работы является разработка метода прецизионного измерения параметров ВБР. Метод должен обеспечивать точность определения амплитуды модуляции показателя преломления Ап(х) не хуже 10"3 и изменения периода АЛ(х) решетки не хуже 5 пм соответственно.
Основными задачами работы являются:
-
Анализ существующих методов измерений параметров ВБР их достоинств и недостатков. Определение требований к методу прецизионного определения параметров решеток.
-
Комплексное теоретическое исследование процесса рассеяния внешнего падающего излучения на ВБР. Определение ф^^^в^^ЭДущштгна-точность
1 I СП!
о»
| СИБЛИОТЕКЛ "і
измерений параметров решеток методом бокового рассеяния, оценка этих влияний.
-
Разработка схемы экспериментальной установки, методики подготовки поверхности волоконной решетки к проведению измерений, юстировки системы, методики проведения измерений и обработки экспериментальных данных.
-
Проведение измерений параметров ВБР предложенным в работе методом. Сравнение характеристик ВБР рассчитанных по результатам эксперимента с результатом прямых спектрографических измерений. Оценка точности предложенного метода.
Научная новизна
-
Предложен новый метод одновременного определения изменения периода решетки и амплитуды модуляции показателя преломления Ап(х), использующий рассеяние внешнего лазерного излучения падающего на боковую поверхность волокна с решеткой. При этом изменения периода решетки определяются по отклонению угла рассеяния пучка 1-го порядка дифракции, а амплитуда модуляции Ди(х) по интенсивности пучка 1-го порядка. Используя предложенный метод, впервые получена точность определения изменения периода не хуже 2 - 3 пм и точность определения Аи(х) решетки не хуже 5 10 .
-
Впервые проведен анализ влияния изменения периода решетки, происходящего в решетке на ширине падающего пучка, на интенсивность и угловое распределение рассеянного пучка и, следовательно, на точность определения параметров ВБР.
-
Впервые проведен анализ влияний изменений Ап(х) и добавки к постоянной составляющей показателя преломления сердцевины - Апдс(х), происходящих на ширине падающего пучка, на интенсивность и угловое распределение пучка 1-го порядка и, соответственно, на точность определения параметров ВБР.
Практическая ценность
Предложенный в работе метод прецизионного определения параметров волоконных решеток, позволяет осуществлять одновременный контроль характеристик Ап(х), АЛ(х) формируемой решетки, а также контроль наличия в волокне подрешеток с другими периодами. При этом точность определения изменения периода решетки на порядок превосходит достигнутую ранее.
Проведенный в работе теоретический анализ позволяет резко уменьшить погрешность измерений при определении параметров «сильно» чирпованных решеток.
Полученные в работе результаты могут быть использованы также для контроля параметров фазовых масок используемых для создания ВБР.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты анализа процесса формирования ВБР методом фазовой маски. Вывод о формировании в сердцевине волокна помимо основной решетки дополнительной мультипериодической структуры, главная компонента которой имеет двойной период.
-
Результаты теоретического анализа процесса рассеяния внешнего лазерного излучения на боковой поверхности ВБР. Выводы о влиянии изменений параметров решетки, происходящих на ширине зондирующего пучка, на точность определения этих параметров методом бокового рассеяния внешнего падающего излучения.
-
Предложенный новый метод определения параметров ВБР использующий боковое рассеяние внешнего падающего излучения. Экспериментальная установка для определения параметров ВБР реализующая предложенный метод. Методика измерений параметров ВБР.
-
Результаты экспериментального исследования параметров стандартных решеток, а также решеток с искусственно созданными дефектами профиля апо-дизации и чирпованности. Вывод о достигнутой точности измерений параметров ВБР, как А А(х) -(2-S-3) пм, Ап(х)~5 10 . Результаты определения параметров подрешеток двойного периода.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на семинаре Bell Labs (Murrey Hill, NJ, USA, 2002), на конференции OFS (San-Francisco, CA, USA, 2003). Результаты работы докладывались на 56-й НТК (СПбГУТ, 2004).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано шесть работ, в том числе четыре журнальные статьи, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, приложения, выводов по работе и списка используемой литературы. Она содержит 127 страниц, в том числе 63 рисунка на 37 страницах и библиографию из 81 наименования на 5 страницах.
Волоконные Брэгтовские решетки и их применение
Создание ВБР происходит путем формирования в сердцевине волокна области с периодической модуляцией показателя преломления. Для решения этой задачи разработано множество различных технологий [46], [47], [48], [49], [50], [51], [52], [53], [19]. В большинстве технологий используется чувствительность волокна к ультрафиолетовому (УФ) облучению. При воздействии УФ коэффициент преломления сердцевины несколько увеличивается, данное изменение сохраняется после прекращения УФ воздействия. Обзор различных типов оптических волокон, допускающих создание решетчатых структур, приведен в [2].
Помещая волокно, чувствительное к ультрафиолетовому облучению в область интерференции УФ лучей, в областях максимумов интерференционной картины значение коэффициента преломления сердцевины увеличивается, напротив, в областях минимумов, где интенсивность УФ лучей мала, коэффициент преломления практически не меняется. Экспозиция интерференционной картины на волокне приводит к периодической модуляции показателя преломления вдоль оси волокна, то есть к созданию решетки. Используя этот метод, можно получить изменение абсолютного значения- коэффициента преломления сердцевины, превышающее 10" .
Отметим, что при создании решетки, из-за прямой засветки волокна УФ излучением, происходит некоторое увеличение постоянной составляющей показателя преломления сердцевины — Д« с(х).
Основным, наиболее распространенным методом создания фоточувствительности является легирование сердцевины волокна примесью веОг. Существуют различные методы увеличения чувствительности волокна к УФ излучению:
1. Дополнительное легирование волокон редкоземельными ионами Но3+ и Тт3+ вызывает некоторое увеличение чувствительности к ближнему УФ излучению. Это позволяет уменьшить время создания решеток примерно на 30% [54].
2. Предварительная обработка легированных веОг волокон горячим
(г 21-г75 , С) водородом, под высоким давлением (/ 20 4-750, Атм.), в течение нескольких дней, позволяет получить изменение показателя прелом ления при УФ воздействии An ЯІ 5.9 10 [55],
3. Сравнительно недавно обнаружено, что оптические волокна легированные БпОг обладают заметно большей чувствительностью к УФ излучению, чем волокна легированные Ge02 [56].
4. При использовании волокон легированных азотом и высокой интенсивности УФ излучения могут быть получены дифракционные решетки с повышенной термостойкостью [57].
В качестве источников УФ излучения при создании решеток используются эксимерные лазеры, например лазеры, излучающие на длине волны 248 нм [53], [52]; Ar-ion лазер, с удвоенной частотой излучающий на длине волны 488 нм [1] и т.д. В [58] формирование решеток производилась с помощью F2 лазера, при этом требуемая плотность энергии излучения существенно ниже, чем при использовании эксимерных лазеров.
Средняя мощность излучения используемых источников света Рнзл 4-Ї-20 мВт. Время экспозиции необходимое для создания решетчатой структуры составляет примерно 5 минут. За время экспозиции источник излучения генерирует несколько сотен миллионов импульсов света. Отметим, что при повторном облучении волокна непрерывным УФ излучением происходит увеличение эффективности ВБР [59], [50].
В ряде задач спектр отражения решетки должен быть близок к спектру идеального полосового фильтра, т.е. необходимо существенное уменьшение уровня боковых лепестков в отраженном спектре. Основным методом достижения этой цели является корректный выбор закона нарастания и спада величины амплитуды модуляции показателя преломления. Функция, описывающая закон изменения амплитуды An от координаты в решетке, называется функцией аподизации, или профилем аподизации. Для создания аподизи-рованных ВБР применяются различные технологии [60], [61], [62], [63], [64].
В [61], для создания аподизированных решеток предложен относительно простой интерферометрический метод с использованием интерферометра Сагнака. Область перекрытия, двух интерферирующих пучков ±1 порядков (пучков дифракции УФ луча на фазовой маске), изменяется контролируемым образом вдоль волокна, что позволяет получить требуемый профиль аподизации решетки. При этом изменение постоянной составляющей показателя преломления Апдс(х), неизменно на всем протяжении решетки, что является преимуществом данного метода относительно других [63]. Расчетный и экспериментальный спектры отражения аподизированной ВБР и расчетный спектр отражения неаподизированной ВБР (на врезке), полученные в работе [61], приведены на рис. 1.1. Видно существенное уменьшение уровня боковых лепестков в спектре аподизированной волоконной решетки по сравнению с неаподизированной.
Ширина полосы длин волн по уровню половины максимума (FWHM -Full Width at Half Maximum) спектра отражения аподизированной ВБР составляет порядка 0.2 нм см. рис. 1.1. В ряде задач, при применении ВБР в качестве устройств компенсации дисперсии, оптических фильтров передачи и отражения, данной ширины полосы недостаточно [12]. Увеличение FWHM получают, изготавливая решетки с медленно меняющимся вдоль продольной координаты волокна периодом [19], [65]. Типичная величина изменения периода составляет порядка 100 пм на 1 см длины. Ширина полосы ЧВБР зависит от величины изменения периода ДА и длины решетки, и может достигать нескольких нанометров. При этом разработчиками предъявляются высокие требования к линейности изменения периода вдоль волокна, рис 1.2.
Важной спектральной характеристикой решетки является задержка, вносимая в групповую скорость распространяющегося импульса TQFJ( ) (Group velocity delay) [1]. Отклонение функции tQrj( ) от линейности -\{dTQ)iX)/dK,)-constj, характеризует качество решетки и обозначается как GDR (Group Delay Ripple).
Отклонения Д Л (Л:) ОТ линейности приводят к увеличению отклонений от линейности времени группового запаздывания импульса в решетке (GDR), а, следовательно, ухудшению работы систем связи [1], [66], [21], [13], [14] (см. Приложение). Как показано в 3.6 значимое влияние будут оказывать отклонения ДЛ(х) от линейности, происходящие в решетке на длинах соизмеримых с длиной взаимодействия L распространяющегося излучения с решеткой. Длина взаимодействия L для решеток со стандартными параметрами ---1-2 см. В ряде задач, максимально допустимая величина отклонений ДЛ(х) от линейности, происходящих в решетке на длинах соизмеримых с длиной взаимодействия L, не должна превышать 5-І-10 пм, т. е. \(dA A(x)/dx) - const] (5 -И о) пм [2].
Вид функции аподизации и закон изменения периода решетчатой структуры оказывают существенное влияние на ее спектральные характеристики [21], [20].
Анализ влияния различных профилей аподизации ЧВБР на величину компенсируемой решеткой дисперсии, величину отклонений от линейности времени группового запаздывания импульса в решетке и спектр отражения проведен в [21]. Авторами показано, что выбор соответствующей функции аподизации ЧВБР, позволяет существенно уменьшить величину GDR решетки, по сравнению с неаподизированной ЧВБР. Это играет существенную роль при применении ЧВБР в качестве устройств компенсации дисперсии в высокоскоростных сетях связи [14], [64].
Подробный теоретический и численный анализ применения аподизиро-ванных ЧВБР в качестве устройств компенсации дисперсии приведен в [20]. Авторы исследовали спектральные характеристики ЧВБР с различными профилями аподизации. В работе сформулированы основные требования, предъявляемые к аподизированным ЧВБР при их использовании для компенсации дисперсии высокоскоростных линий связи.
Таким образом, отклонение ДЛ(х) от линейности, неидеальность аподизации, а также другие недостатки технологии изготовления решетчатой структуры приводят к искажению дисперсионных характеристик ЧВБР.
Теоретическая модель влияния неидеальности характеристик ЧВБР, таких как наличие GDR и существование боковых лепестков в спектре отражения решетки, на работу высокоскоростных сетей связи предложена в работе [67]. Авторами показано, что системы связи наиболее чувствительны к GDR имеющим период близкий по величине к ширине полосы длин волн передаваемого сигнала. Поясним это утверждение:
Создание мультипериодических структур при формировании ВБР методом фазовой маски
Методы анализа решетчатых структур предложенные в работах [75], [77], [76] практически неприменимы для измерения параметров «слабых» решеток Ля «Ю- . Абсолютные значения амплитуды модуляции коэффициента преломления определены оценочно, и вносят погрешности в последующие расчеты спектров передачи решетчатых структур.
Применяющаяся в [76] методика анализа параметров ЧВБР основана на предположении о постоянстве периода решетки на ширине зондирующего пучка, в работе не проведен анализ правомочности такого предположения. Используется понятие локального периода на ширине падающего пучка, в то время как необходим анализ данных соотношений для случая изменяющегося периода решетки.
В [76] при анализе параметров ЧВБР не учитывается модуляция изменения показателя преломления с периодом Л, двойным периодом, возникающая при изготовлении решетки методом с использованием ФМ. В то время как наличие в распределении Ап(х) двойного периода вносит изменения в используемые для анализа параметров решетки соотношения.
Отметим также, что в работах анализируются решетки с длиной L 1 см, в то время как современные решетки могут иметь длины 10см.
На основании проведенного выше анализа можно сформулировать ряд требований к методу прецизионного определения параметров ВБР:
1. Точность определения абсолютных значений Дя, должна быть не
хуже 6л « Ю- , так как современные ВБР имеют значения Дитах 10 .
2. При выводе соотношений для анализа параметров ВБР, и при экспериментальном анализе решеток, необходимо учесть существование распределения Ап(х) с двойным периодом (для решеток, изготовленных методом с использование ФМ). Следовательно, необходимо разработать экспериментальные и теоретические методы определения амплитуды пространственной гармоники Ап{х) с двойным периодом.
3. Необходимо провести учет изменения периода решетки на ширине падающего пучка, и оценить его влияние на результаты измерений.
4. Принимая во внимание, что в случае чирпованных ВБР главную роль играет величина отклонения периода ДЛ(лг) от линейности, точность определения этого параметра должна быть не хуже 5 пм.
5. При анализе параметров решеток необходимо учесть возможную асимметрию поверхности и сердцевины волокна.
6. Необходимо обеспечить возможность анализа ВБР с длинами 10 см.
Создание мультипериодических структур при формировании волоконной Брэгговской решетки методом фазовой маски.
Основным и наиболее часто применяющимся для изготовления волоконных Брэгговских решеток является метод с использованием фазовой маски [1]. Рассмотрим процесс создания ВБР данным методом.
При использовании источника УФ излучения с длиной волны Х-248 нм (KrF лазер) и ФМ с периодом Л [ »1 мкм, максимально возможный порядок дифракции на ФМ « = ±4 (см, 1.2.3). Пусть УФ луч падает на поверхность фазовой маски по нормали, тогда используя (1.1) получим для синусов углов пучков всех порядков sm(9o) = 0; sin(6±„) = ±и Л,/ М гДе и = 1,2,3,4.
Интенсивность интерференционной картины сфокусированной в области сердцевины волокна определяется выражением [69]: 4 2 I = ACIQ exp(ikx sinBQ)+ Z[aw exp(ikxsin0W) + а_я exp(ik x sin9_и)] ,(2.1) л=1 здесь A — коэффициент, учитывающие потери на распространение лучей до волокна, потери на отражение от поверхности оболочки и рассеяние в оболочке волокна; яд - амплитуда пучка 0-го порядка; ап и а_л — амплитуды пучков "п." и "-п" порядков дифракции.
В результате взаимодействия лучей в сердцевине волокна формируется достаточно сложная интерференционная картина.
Используя соотношения (1.1), (1.4) и (2.1) легко видеть, что интерференционная структура обладает следующей совокупностью периодов 1. Л+1_! =Л0)І2 =Л±1)±3 =Л±4,±2 = лм/2 период интерференционной картины образованный интерференцией пучков +1 и —I; 0 и ± 2; ± 1 и ± 3; ± 4 и ± 2 порядков; 2. Ад ±2 = Л±і+2 = А+2,+3 - - +3,+4 = &М период, образованный интерференцией пучков 0и+1;±1и±2;±2и±3;±3и±4 порядков; 3- - одз =Л+і =Л±1±4 =Л-м/ период, образованный интерференцией пучков 0 и ± 3; ± 1 и + 2; ± 1 и ± 4 порядков; 4. Л_2,+2 = Л-0,+4 = Л±1,ТЗ = М /4 период, образованный интерференцией пучков -2 и +2; 0и±4;±1и+3 порядков; 5. Л±]:р4 =A±2tiF3 =Лм/5 период, образованный интерференцией пучков±1и+4;±2и+3 порядков; 6. Л_з+з =Л±4Т2 м/ период, образованный интерференцией пучков -3 и +3; ± 4 и + 2 порядков; 7. Л±з,т4 = А /7 период, образованный интерференцией пучков ± 3 и +"4 порядков; 8. Л_45+4 — Л-м/8 период, образованный интерференцией пучков -4 и +4 порядков.
Так как изменение коэффициента преломления сердцевины волокна пропорционально интенсивности УФ засветки, именно периоды интерференционной картины (2.2) определяют результирующие периоды формируемой решетки.
Обычно предполагается, что ВБР имеет единственный период Л, на котором происходит резонансное взаимодействие излучения, распространяющегося на длине волны Брэгга, с решеткой [1]: % =2«эффЛ, (А) где Л$р - длина волны Брэгга, «эфф- эффективный показатель преломления света распространяющегося в решетке на длине волны Брэгга. Предполагается, что решетка с таким периодом формируется в результате интерференции пучков +1 и -1 порядков дифракции УФ излучения на ФМ. То есть, требуемый период решетки равен половине периода используемой фазовой маски Л /2. Из (2.2) следует, что интерференционная картина образована совокупностью восьми периодов Лм/2, Лм, AM/3, Лцд/4, Лм/5, Лм/6, Ам/7-лм/8
Требования к экспериментальной установке
На основании полученных в главах 1,2 результатов можно сформулировать основные требования к экспериментальной установке для измерения пространственного распределения Ап(х) и АА(х) исследуемой волоконной решетчатой структуры: 1. Точность определения отклонения s, угла рассеяния пучка первого порядка должна быть порядка(3 ч- 5) 10- рад. 2. Точность измерения абсолютных величин Ап(х) должна быть по рядка І О- . Рассмотрим требования, предъявляемые к экспериментальной установке для обеспечения возможности измерения Б с указанной точностью.
Единственный способ определения отклонения угла рассеяния пучка 1-го порядка с такой точностью, это анализ картины распределения его интенсивности. При этом использование фотографических снимков картины распределения интенсивности не представляется возможным из-за нелинейной зависимости степени почернения от интенсивности засветки. Решением может стать использование цифровой CCD камеры, имеющей необходимую чувствительность и линейную зависимость амплитуды выходного сигнала от интенсивности падающего излучения.
Как показывают предыдущие расчеты [2.3], как будет показано ниже, подтверждаемые экспериментом, если падающий пучок имеет гауссовское распределение интенсивности, то рассеянный на решетке пучок распределен по тому же закону. Аппроксимируя интенсивность рассеянного пучка гаус-сианом, возможно определить положение максимума с точностью существенно превышающей величину пространственного «кванта», равного одному пикселю (для стандартных видеокамер, 1 пиксель равен 5-НО мкм). Оценки показывают, что точность определения положения максимума интенсивности данным способом, составляет ОЛч-0.2 пикселя, то есть порядка 0.9-г 1.7 мкм. Чем дальше от исследуемой решетки мы располагаем CCD камеру, тем выше точность определения изменения угла рассеяния. При этом необходимо учитывать, что значительное удаление места регистрации изображения от волоконной решетки практически бесполезно. Это обусловлено следующими обстоятельствами:
Максимально возможная неопределенность изменения угла рассеяния в, вносимая неоднородностью диаметра волокна (см. 2.4), составляет я 7 10 рад, что соответствует расстоянию 0.25 м между камерой и исследуемой решеткой при точности определения максимума 1,7 мкм. Поэтому существенное превышение данного расстояния между камерой и решеткой не имеет смысла, так как при этом точность измерений будет выще этой не определенности. Кроме того, с увеличением этого расстояния уменьшается интенсивность потока, приходящегося на один пиксель, что приводит уменьшению минимально измеряемых порогов Ап(х). Наконец, при значительном увеличении расстояния от решетки до CCD камеры, несколько увеличиваются потери на рассеяние в воздухе,
С другой стороны, при расстоянии между CCD камерой и исследуемой решеткой меньшем 0.5 м мы переходим в ближнюю зону, в которой сделанные выше расчеты не совсем корректны.
Исходя из вышесказанного, имеет смысл расположить CCD камеру на границе ближней и дальней зон, то есть на расстоянии 0.5 мот исследуемой решетки. При этом чувствительность определения отклонения угла максимального рассеяния будет составлять порядка 3,4 10 рад. Еще раз отметим, что неоднородность диаметра волокна, как правило, распределена на всей длине решетки равномерно, то есть, нет резких изменений диаметра. Поэтому она будет приводить к наличию практически постоянного дополнительного отклонения угла максимального рассеяния, но не к изменениям этого отклонения.
Оценим требования, предъявляемые к CCD камере для обеспечения возможности измерения пространственного распределения Дя 10- .При „-і мощности лазерного пучка, падающего на исследуемую решетку 5 10 Вт, мощность пучка первого порядка, рассеянная на пространственном изменении показателя преломления Ля 10 , составляет 5 10" Вт. Рассеянный пучок, в точке установки CCD камеры (на расстоянии 0,5 м от решетки) образует пятно размерами около 3 см по вертикали и 0.5 мм по горизонтали, то есть площадью порядка 15 мм2. Тогда, плотность потока энергии пучка пер —11 2 вого порядка в точке установки CCD камеры, S = 3.3 10 Вт/мм . Площадь —5 2 одного пикселя равна 5 10 мм , тогда средняя мощность пучка первого —15 порядка приходящаяся на 1 пиксель Рпикс 1.6 10 Вт, Энергия кванта света излучаемого He-Ne лазером с длинной волны X = 0.633 мкм, около
Дж. Таким образом, число квантов света падающих на 1 пиксель CCD камеры в 1 секунду да 5000.
Выдержка используемой CGD камеры равна 1/20 секунды, за это время на площадь 1 пикселя падает -250 фотонов, следовательно используемая CCD камера должна иметь чувствительность не хуже —250 фотонов на пиксель за время выдержки. При проведении N повторных измерений, или увеличении времени вы 1 о держки камеры в N раз, погрешность измерения An уменьшается в N раз.
Увеличение времени выдержки уменьшает требования к чувствительности, так, при выдержке 0,5 с чувствительность должна быть не хуже -2500 фотонов на пиксель.
Как показано выше, для обеспечения возможности совместного определения Ап{х) и ДЛ(х), экспериментальная установка должна обеспечивать возможность измерения потоков энергии плотностью -250 фотонов/пиксель. Одновременно, данная установка должна обеспечивать возможность измерения параметров волоконной решетки длиной не менее 10 см, и иметь точность юстировки оси волокна относительно фокуса лазерного луча не хуже 1- 2 мкм на всей длине волокна. С этой целью была разработана установка, схема которой приведена на рис. 3.1, фотография установки на рис. 3.2.
Оптический стол был установлен на компенсирующих рессорах, динамически устраняющих низкочастотные вибрации. На оптическом столе размещалось устройство прецизионного перемещения, управляемое ЭВМ и обеспечивающее точность перемещения волокна не хуже 1 мкм, при максимально возможной длине перемещения 11 см. Сверху, на устройстве перемещения располагалась опорная плита массой - 2 кг. На опорной плите устанавливались две подставки с отпускающими зажимами, обеспечивающие требуемое натяжение волокна с возможностью его перемещения в трех плоскостях и вращения вокруг оси. Кроме этого на оптическом столе размещалось устройство управления положением фокусирующей цилиндрической линзы, позволяющее с точностью не хуже 1 мкм регулировать расстояние от точки фокуса до поверхности волокна очищенного от защитной оболочки.
Фокусная длина используемой цилиндрической линзы 25 мм, фокусировка производится на расстоянии 30 мкм перед поверхностью волокна, для обеспечения оптимальной геометрии системы. В этом случае происходит максимальное взаимодействие падающего пучка с областью сердцевины волокна (в которой сформирована решетка). С целью уменьшения уровня постороннего излучения фокусируемого цилиндрической линзой, на нее надевался тубус с непрозрачными стенками, при этом лазерный луч падал на поверхность линзы через боковое отверстие в стенке тубуса. Использование цилиндрической линзы позволяет существенно увеличить интенсивность падающего светового пучка взаимодействующего с решеткой и обеспечивает ширину падающего пучка порядка 1 мм. Таким образом, в ходе эксперимента мы определяем параметры решетки, усредненные на ширине пучка в 1 мм. Отметим, что существенное значение для спектральных характеристик решетки имеют отклонения параметров от нормы, происходящие в решетке на длинах соизмеримых с длиной взаимодействия излучения с решеткой. Оцененная ниже длина взаимодействия распространяющегося излучения с решеткой составляет 1—2 см, поэтому усреднение измеряемых параметров по ширине падающего пучка в 1 мм вполне допустимо.
Измерение параметров ВБР имеющей область увеличенных значений постоянной составляющей показателя преломления
В ходе эксперимента было проведено исследование решетки длиной 5 см и содержащей в окрестности своей середины искусственно созданную область аномально больших значений пдс (я) --І(Г3, длиной 1-2 мм. Скачок пдс(х) был создан в результате прямой засветки участка волокна УФ излучением. Амплитуда модуляции показателя преломления решетки Аитах «10" .
Было проведено три последовательных измерения решетки, для различных ориентации волокна относительно своей оси, с повторением процедуры юстировки. Усреднение результатов измерений позволяет учесть возможную асимметрию волокна и уменьшить величину статистической погрешности.
Экспериментальные графики отклонения от линейности кривой сдвига центра пучка, полученные в результате трех последовательных измерений приведены на рис. 4.13. Сглаживание проведено по 30 экспериментальным точкам, т.е. пространственное разрешение Змм. Используя усредненную зависимость (рис. 4.14) получаем, что максимальное отклонение кривой сдвига центра пучка от линейности Дтах составляет 3.7 пиксель. Это соответствует величине максимального отклонения ДЛтах от линейности и 21.1 пм.
Распределения Лте(х)/Д/?тах , рассчитанные по результатам трех измерений, приведены на рис. 4.15. Усредненная, нормированная зависимость, на рис. 4.16. Легко видеть, что наличие в решетке области аномально больших значений «dcOO не оказывает значимого влияния на точность измерений Ап(х) решетки, что подтверждает сделанные в Главе 2 выводы. Согласно проведенным в 2.3 оценкам, наличие в решетке линейного изменения Апдс(х) = 10 происходящего на 1 мм длины, должно приводить к дополнительному сдвигу угла рассеяния пучка на величину 1.32 10 рад.
На рис. 4.14 можно видеть, что в области интервала координат решетки 2.65- 2.9 см, имеются сдвиги центра пучка 1-го порядка вниз на 2.45 пикселя (область 2,65 см) и вверх на 2 пикселя (область 2,8 см).
При расстоянии между решеткой и камерой af = 0.5 ми размере пикселя пикс =8-4 мкм, эти сдвиги соответствуют сдвигам угла рассеяния s величиной 4.1 10 рад и 3.3 10" рад, соответственно. Совпадение координат обнаружения области увеличенных значений щс{х\ с известным местом ее существования, наличие сдвигов угла рассеяния с величинами, в достаточной степени совпадающими с их оценкой, позволяет говорить о принципиальной возможности измерений резко неоднородных распределений «dc(x) Таким образом, экспериментально оцененное влияние области аномально больших значений щс{х) решетки, на точность измерений Ап(х) и АЛ(д:), с хорошей точностью совпадает с проведенными в 2.3 оценками.
Рассмотрим экспериментальные результаты, полученные при исследовании «хорошей» ЧВБР. Под «хорошей» решеткой подразумевается коммерчески используемая решетка, изготовленная с помощью ФМ, не имеющей существенных отклонений от идеальной формы на длинах соизмеримых с длиной взаимодействия L.
На рис. 4.17 показано, распределение полной мощности пучка 1-го порядка Р\ полн(л:) и 00 = на Рис 4.18 приведен график сдвига центра пучка, при перемещении решетки относительно зондирующего пучка. Зависимости прямо построены по экспериментальным данным. Для уменьшения величины статистической погрешности, было проведено сглаживание экспериментальной кривой Р{ полн(л;) Ди (х) по десяти соседним экспериментальным точкам, рис 4.19.
На рис. 4.20 приведен, сглаженный по 40 экспериментальным точкам график сдвига центра пучка 1 -го порядка.
Рассчитанный по экспериментальным данным (рис. 4.19) график нормированной зависимости Ди(л;)/Дитах = Jp\ полн (х)/тах[Р\ полн (х)], приведен на рис. 4.21. На рис. 4.22 приведен график отклонения от линейности кривой сдвига центра пучка, изображенной на рис. 4.20.
Оценим максимальную величину отклонения ДЛ от линейности, используя полученную зависимость — рис. 4.22. Максимальное отклонение кривой сдвига центра пучка от линейности Дтах составляет 1,7 пиксель. Тогда, проведя аналогичную оценку, получим что ДЛтах »9.7 пм, т.е. максимальное отклонение ДЛ от линейности - 10 пм.
Анализируя зависимость на рис. 4.21, можно видеть наличие дефектов в распределении Ап(х) (величиной 5+7 % относительно выбранного среднего).
