CC BY
23ВКВО-2019- ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ
ИНТЕРФЕРОМЕТР НА ОСНОВЕ ДВУХ ВОЛОКОННЫХ ВСТАВОК С ТОНКОЙ СЕРДЦЕВИНОЙ
Иванов О.В.1'2'3
1 Ульяновский филиал Института радиотехники и электроники им. В А. Котельникова РАН, Ульяновск 2 Ульяновский государственный университет, Ульяновск 3 Ульяновский государственный технический университет, Ульяновск E-mail: [email protected]
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16024
Оптоволоконные структуры со вставками нестандартных волокон, спектральные характеристики которых определяются взаимодействием и преобразованием нескольких волоконных мод различных типов, привлекают значительный интерес благодаря простоте их создания, компактности, возможности использования для измерения параметров внешней среды [1-3]. Волоконные структуры со вставками, возбуждающими оболочечные моды, находят применения в качестве датчиков влажности [4], температуры [5], показателя преломления внешней среды [6], уровня жидкости [7] и других. В качестве вставок могут использоваться много- и маломодовые волокна, волокна с тонкой сердцевиной, микроструктурированные волокна и другие. Чувствительность структур, возбуждающих оболочечные моды, может быть существенно увеличена созданием интерферометров. Ранее нами были исследованы интерферометры на основе волокна с двойной оболочкой, волокна с тонкой сердцевиной, структуры с покрытиями и со стравленным волокном [9,10].
Спектр пропускания волоконного интерферометра представляет собой осциллирующую кривую. С точки зрения практического применения необходимо получить осцилляции максимальной амплитуды с достаточно узкими пиками, ширина которых определяется периодом, обратно пропорциональным длине базы интерферометра. При создании интерферометра из отрезка волокна с тонкой сердцевиной амплитуда сигнала существенно падает с увеличением длины волокна-вставки. В связи с этим в данной работе предложен новый тип волоконного интерферометра, основанный на двух коротких вставках волокна с тонкой сердцевиной, между которыми находится отрезок стандартного волокна. Вставки волокна с малой сердцевиной возбуждают оболочечные моды и обеспечивают обмен энергией между различными волоконными модами, а отрезок стандартного волокна является базой интерферометра, при прохождении которого мода сердцевины и моды оболочки накапливают разность фаз. Экспериментально измерены спектры пропускания интерферометра в зависимости от его длины.
Структура интерферометра из двух коротких вставок волокна с тонкой сердцевиной и ход лучей в ней показаны на Рис. 1. Длина вставок составляет от долей миллиметра до нескольких миллиметров, а длина базы интерферометра - от сантиметра до десятков сантиметров.
I! L 12
. > ......
SMF-28 тс SMF-28 тс SMF-28 fiber fiber
Рис. 1. Структура волоконного интерферометра и ход лучей в ней
Вставка волокна с тонкой сердцевиной имеет профиль показателя преломления существенно отличный от профиля стандартного волокна, поэтому распределения полей мод также сильно различаются, и на стыке этих двух волокон происходит передача энергии моды сердцевины одного волокна в моды оболочки второго волокна. Если длина вставки мала, то различные моды оболочки после выхода на первом стыке не успевают набрать значительную разность фаз и на втором стыке в стандартном волокне просто восстанавливается мода сердцевины. Если длина вставки большая, то на втором стыке моды оболочки приходят с разными фазами, результат интерференции которых будут зависеть от длины волны, параметров волокна и окружающей среды. В идеальном случае для получения хорошего спектра в интерферометре должно быть две моды равной амплитуды, т.е. потери моды сердцевины должны составлять не менее 50%. С другой стороны на стыке возбуждаются не одна оболочечная мода, а несколько. На них также уходит часть энергии. Поэтому для получения
58 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
ВКВО-2019 Волоконно-оптические датчики
равных амплитуд мод сердцевины и оболочки необходимо на вставке иметь потери 20-40%. На Рис. 2 приведены зависимости пропускания одиночных вставок из волокон БМ450 и БМ600 различных длин, откуда видно, что оптимальная длина вставки составляет 0.2-0.5 мм.
0.6
0.5
0.4
0.3
& С
0.2
0.1
0.0
Г (а)
0.5 мм
................... 1.0 мм
2.0 мм 1.5 м
1.0 -
1450 1500 1550
Длина волны, нм
с
о
1600
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-------0
...........0.1
.....0.15
---0.2
-0.3
-----0.5
.....1.0
---1.5
-2.0
(б)
1450 1500 1550
Длина волны, нм
1600
Рис. 2. Спектры пропускания одиночных вставок различной длины из волокон БМ450 (а) и БМ600 (б)
Для измерения спектров волоконного интерферометра сначала была создана структура с максимальной длиной вставки стандартного волокна (базы интерферометра), которая затем укорачивалась вырезанием отрезка волокна, длина которого определялась возможностями используемого скалывателя. На Рис. 3 представлены спектры пропускания интерферометра со вставками волокна БМ600 длиной 0.3 и 0.5 мм для различных длин базы от 194 до 21 мм в диапазоне длин волн 1430-1600 нм.
0.3 0.2 0.1 0.0 0.3 0.2 0.1 0.0
Литература
1.
L =194 м
L =80 м
1450 1500 1550
Длина волны, нм
1600
0.3 0.2 0.1 0.0
0.3 0.2 0.1 0.0
L = 39 мм
L = 21 мм
1450 1500 1550
Длина волны, нм
1600
Рис. 3. Спектры пропускания интерферометра для различных длин его базы
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8. 9.
Иванов О.В., Никитов С.А., Оболочечные моды волоконных световодов и длиннопериодные волоконные решетки, М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012, 252с.
Tong;, C, Chen, X, Zhou, Y., et al, Optical Review 25, 295-300 (2018)
Dong X., Su L., Shum P., et al, Opt. Commun. 258, 159-163 (2006)
Akita S., Sasaki H., Watanabe K., et al, Sens. Act. B: Chem. 147, 385-391. (2010)
Bao W., Hu N, Qiao X., et al, IEEE Photonics Technol. Lett. 28, 2245-2248 (2016)
Zhao Y., Pang F., Dong Y., et al, Opt. Express 21, 26136-26143 (2013)
Gu B., Qi W., Zhou Y., et al, Opt. Express 22, 11834-11839 (2014)
Иванов О.В., Радиотехника и электроника 63, 1041-1050 (2018)
Ivanov O. V., Yang F, Tian F., Du H., Opt. Express 25, 31197-31203 (2017)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»
