книги / Фотоника и оптоинформатика. Волоконные брэгговские решётки

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

ФОТОНИКА И ОПТОИНФОРМАТИКА. ВОЛОКОННЫЕ БРЭГГОВСКИЕ РЕШЁТКИ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2023

1

Авторы: И.С. Азанова, И.Л. Вольхин, А.С. Луценко, Н.А Мальков, Д.И. Шевцов

УДК 681.7.068+621.383+681.7.063](076.5) ББК 32.86я73

Ф81

Рецензенты:

д-р физ.-мат. наук, доцент А.В. Перминов (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);

д-р физ.-мат. наук, профессор А.Б. Волынцев (Пермский государственный национальный исследовательский университет)

Ф81 Фотоника и оптоинформатика. Волоконные брэгговские решётки : учеб.-метод. пособие / И.С. Азанова, И.Л. Вольхин, А.С. Луценко [и др.]. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. поли-

техн. ун-та, 2023. – 94 с. ISBN 978-5-398-02979-6

Рассмотрены принципы работы волоконных брэгговских решёток. Даны описания макетов, методика выполнения лабораторных работ и обработки полученных результатов.

Предназначено для студентов вузов, обучающихся по направлению 12.04.03 магистратуры «Фотоника и оптоинформатика». Практикум может быть использован в Пермской научно-производственной приборостроительной компании для обучения студентов Пермского государственного национального исследовательского университета по направлениям «Радиофизика», «Нанотехнологии и микросистемная техника», а также смежным специальностям, в магистратуре Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ», а также других высших учебных заведений консорциума «Фотоника».

2

1.5.2.Исследование основных характеристик волоконной брэгговской решётки с помощью

3

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебно-методическое пособие «Фотоника и оптоинформатика. Волоконные брэгговские решётки: лабораторный практикум» содержит описание физических процессов распространения света в оптических волокнах и брэгговских решётках, созданных на их основе. Приведены сведения по основным методам производства волоконных брэгговских решёток (ВБР) и их использованию в оптоволоконных линиях связи и в датчиках давления и температуры. Подробно описаны экспериментальные установки для исследования их основных параметров, методики выполнения лабораторных работ и обработки полученных результатов.

Целью лабораторного практикума является закрепление знаний, полученных студентами в ходе изучения материалов по курсу «Фотоника и оптоинформатика», приобретение навыков экспериментального исследования и практического использования элементов электронных оптических устройств.

При подготовке к проведению лабораторных работ и защите отчётов следует ознакомиться с рекомендуемой литературой, списком вопросов для самоконтроля и требованиями к оформлению отчёта.

В методических указаниях даны теоретические основы работы оптоволоконных брэгговских решёток, приведены основные характеристики исследуемых приборов, представлены основные схемы экспериментальных установок и приведено описание работы с измерительными приборами. Сборку установок, выбор измерительных приборов, определение диапазона измерений предлагается выполнить студенту самостоятельно под руководством инженеров.

Практикум представляет собой законченное исследование основных характеристик волоконных брэгговских решёток, выполненное различными методами: измерением геометрических параметров с помощью поляризационного микроскопа, компьютерный расчёт на их основе спектров отражения, исследование

5

изменения реальных спектров отражения при внешних деформационных и температурных воздействиях.

Отчет о выполненной лабораторной работе представляется каждым студентом индивидуально на текущем или следующем занятии. Отчёт должен содержать:

1)краткие теоретические сведения о физических процессах в изучаемых приборах;

2)схему экспериментальной установки;

3)тип и основные параметры исследованных приборов;

4)полученные экспериментальные данные (в виде таблиц и графиков);

5)результаты проведенных расчётов, сравнение полученных параметров приборов с их номинальными значениями.

Авторы выражают благодарность:

Перминову Анатолию Викторовичу профессору заведующему кафедрой общей физики Пермского национального исследовательского политехнического университета за советы авторам и поддержку издания настоящего лабораторного практикума;

Ажегенову Александру Сергеевичу за фрагменты текста и отдельные рисунки, использованные в теоретической части работы, написанные совместно и опубликованные в соавторстве в работах: Квантовая и оптическая электроника: лабораторный практикум. Часть1. КвантоваяэлектроникаиЧасть2. Оптическаяэлектроника;

Гаркушину Алексею Алексеевичу за обсуждение содержания пособия и ценные советы по его структуре, а также участие в планированииразработкииизготовлениямакетовлабораторныхработ; Булатову Максиму Игоревичу за руководство процессом изготовления макетов лабораторных работ и их испытанием, а также рекомендации авторам по совершенствованию структуры и

текста лабораторного практикума; Солдатову Павлу Николаевичу за помощь в разработке кон-

цепции лабораторного практикума и структуры макетов лабораторных работ;

6

Максименко Виталию Александровичу за обсуждение содержания пособия и ценные советы по его структуре, а также участие в планировании разработки и изготовления макетов лабораторных работ;

Саромотину Алексею Александровичу за консультации по методам измерений основных характеристик волоконных брэгговских решёток;

Шиловой Олесе Дмитриевне за помощь в комплектации оборудованием лаборатории фотоники ПАО «Пермская научно-произ- водственнаяпроборостроительнаякомпания» (ПАО«ПНППК»);

Криштопу Виктору Владимировичу за консультацию; студентам физического факультета Пермского государственно-

го национального исследовательского университета (ПГНИУ) магистрам 1-го и 2-го года обучения направления «Нанотехнологии и микросистемная техника» за апробацию прототипов макетов лабораторныхработисоветыпо его совершенствованию;

студентам физического факультета ПГНИУ магистрам 1-го года обучения направления «Радиофизика» за первое выполнение лабораторного практикума по методическим рекомендациям и описаниям настоящего лабораторного практикума, а также советы по совершенствованию текста методик выполнения работ и содержанию графиков использованных при подготовке рисунков.

Авторы выражают благодарность всем сотрудникам ПАО «ПНППК», принимавшим участие в закупке лабораторного оборудования и изготовлении макетов лабораторных работ.

Отдельная благодарность генеральному директору ПАО «ПНППК» Андрееву Алексею Гурьевичу за моральную и финансовую поддержку, а также личное присутствие на занятиях при апробацииработлабораторногопрактикума.

7

1.РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА

ВОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКНАХ И ВОЛОКОННЫХ БРЭГГОВСКИХ РЕШЁТКАХ

1.1.Конструкция волоконно-оптических кабелей

Оптические волноводы – это пространственно неоднородные структуры для направления света. Они ограничивают область пространства, в которой может распространяться свет. Большинство волноводов имеют область с увеличенным по сравнению с окружающей средой показателем преломления, по которой распространяется свет. В большинстве волноводов возможно распространения света только по одной координате. Оптические волноводы используются для изготовления волоконно-оптических кабелей и канальныхволноводовфотонных интегральных схем.

В современных волоконно-оптических линиях связи в качестве физической среды для передачи информации на большие расстояния используют оптические кабели. Их преимуществами являются низкие потери, большая информационная пропускная способность, высокий уровень помехозащищенности, отсутствие металлических частей, малая погонная масса и небольшая площадь сечения кабеля. Обычно для передачи информации используют инфракрасный диапазон длин волн 0,8÷1,6 мкм, что соответствует частотному диапазону 3,7÷1,9·1014 Гц. Конструкции стандартных оптических волокон одномодового и многомодового приведены на рис. 1.1, а и б соответственно. Волокно состоит из сердцевины, оболочки и защитного покрытия. Материалом сердцевины и оболочки, как правило, является кварцевое стекло. Спектральная характеристика кварцевого стекла приведена на рис. 1.2. На ней имеется три участка с минимальным затуханием оптического сигнала. Эти участки называются окнами прозрачности кварцевого волокна. В табл. 1.1 приведены их основные характеристики и области применения.

8

шает показатель преломления (ПП) сердцевины на величину 0,1÷1 %. Типичные значения показателей преломления на длине волны λ = 1550 нм, при температуре Т = 300 К: оболочки ‒ nоб = 1,467 сердцевины ‒ nc = 1,468, таким образом, их отличие

Типичные значения скачка показателя преломления, достаточные для создания волноводного эффекта, лежат в пределах 0,001 ≤ n ≤ 0,02. При этом числовая аппретура

находится в интервале от 0,054 до 0,24. Её величина обычно составляет примерно 0,1.

Защитное покрытие изготавливается из поливинилхлорида, полиэтилена, полиуретана или полиамида с существенно меньшим показателем преломления nзп ≈ 1,3.

1.2.Распространение света

вволоконно-оптических кабелях

Распространение светового излучения в оптических волокнах рассматривается в двух приближениях: геометрической (лучевой) и волновой оптики. Приближение геометрической оптики основано на использовании явления полного внутреннего отражения. При падении оптического луча на границу раздела двух

10