ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2024. №8

Оглавление выпуска

Текст статьи (pdf)

English page

 

 

DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.8.6  

УДК: 681.7.068

 

 

Регенерация волоконных брэгговских решеток,
записанных поточечным методом
с помощью излучения фемтосекундного лазера

 

Д.В. Пржиялковский1, Н.А. Плюскова1,2, О.В. Бутов1

 

1ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН
125009, Москва, ул. Моховая, 11, корп.7

2Московский физико-технический институт
(национальный исследовательский университет)
141701, Московская область, г. Долгопрудный, Институтский переулок, д.9.

 

Статья поступила в редакцию 15 августа 2024 г.

 

Аннотация. Актуальность исследований термической стойкости волоконных брэгговских решеток обусловлена перспективой их применения в сложных условиях эксплуатации при повышенных температурах. Одним из самых высокотемпературных типов таких структур, созданных в кварцевых волоконных световодах, являются регенерированные брэгговские решетки. Как правило, эффект регенерации наблюдается в решетках, записанных в волокнах, насыщенных молекулярным водородом и/или высоколегированных гермоаносиликатных световодах. В настоящей работе впервые обнаружена регенерация решеток, записанных методом поточечной записи излучением фемтосекундного лазера в стандартном телекоммуникационном волокне Corning SMF-28 без присутствия водорода в технологических процессах. В работе описывается возможный механизм формирования таких регенерируемых структур.

Ключевые слова: волоконная брэгговская решетка, фемтосекундная запись, регенерация, изотермический отжиг.

Финансирование: Работа выполнена в рамках государственного задания ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН.

Автор для переписки: Пржиялковский Дмитрий Владимирович DVPRZ@yandex.ru

 

Литература

1. Fiber bragg gratings. / Kashyap R.: Academic press, 2009. ISBN: 978-0-12-372579-9 https://doi.org/10.1016/C2009-0-16830-7

2. Fiber Bragg grating sensors: recent advancements, industrial applications and market exploitation. / Cusano A., Cutolo A., Albert J.: Bentham Science Publishers, 2011. ISBN: 978-1-60805-084-0 https://doi.org/10.2174/97816080508401110101

3. Hill K. O., Fujii Y., Johnson D. C., Kawasaki B. S. Photosensitivity in optical fiber waveguides: Application to reflection filter fabrication // Applied physics letters. ‒ 1978. ‒ T. 32, № 10. ‒ C. 647-649. https://doi.org/10.1063/1.89881

4. Fiber optic sensors: fundamentals and applications. / Krohn D. A., MacDougall T., Mendez A.: Spie Press Bellingham, WA, 2014. https://doi.org/10.1117/3.1002910

5. Othonos A. Fiber bragg gratings // Review of scientific instruments. ‒ 1997. ‒ T. 68, № 12. ‒ C. 4309-4341. https://doi.org/10.1063/1.1148392

6. Smirnov A. M., Bazakutsa A. P., Chamorovskiy Y. K., Nechepurenko I. A., Dorofeenko A. V., Butov O. V. Thermal switching of lasing regimes in heavily doped Er3+ fiber lasers // ACS Photonics. ‒ 2018. ‒ T. 5, № 12. ‒ C. 5038-5046. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.8b01298

7. Vasil'ev S. A., Medvedkov O. I., Korolev I. G. e., Bozhkov A. S., Kurkov A. S., Dianov E. M. Fibre gratings and their applications // Quantum electronics. ‒ 2005. ‒ T. 35, № 12. ‒ C. 1085. https://doi.org/10.1070/QE2005v035n12ABEH013041

8. Lemaire P. J., Atkins R., Mizrahi V., Reed W. High pressure h/sub 2/loading as a technique for achieving ultrahigh uv photosensitivity and thermal sensitivity in geo/sub 2/doped optical fibres // Electronics Letters. ‒ 1993. ‒ T. 13, № 29. ‒ C. 1191-1193. https://doi.org/10.1049/el:19930796

9. Partovi A., Erdogan T., Mizrahi V., Lemaire P., Glass A., Fleming J. Volume holographic storage in hydrogen treated germano‐silicate glass // Applied physics letters. ‒ 1994. ‒ T. 64, № 7. ‒ C. 821-823. https://doi.org/10.1063/1.111025

10. Lancry M., Niay P., Bailleux S., Douay M., Depecker C., Cordier P., Riant I. Thermal stability of the 248-nm-induced presensitization process in standard H 2-loaded germanosilicate fibers // Applied optics. ‒ 2002. ‒ T. 41, № 34. ‒ C. 7197-7204. https://doi.org/10.1364/AO.41.007197

11. Leconte B. Contribution à l'étude de la photosensibilité des fibres en silice sous l'effet d'une insolation par un laser à ArF; Lille 1, 1998.

12. Patrick H., Gilbert S. L., Lidgard A., Gallagher M. Annealing of Bragg gratings in hydrogen‐loaded optical fiber // Journal of applied physics. ‒ 1995. ‒ T. 78, № 5. ‒ C. 2940-2945. https://doi.org/10.1063/1.360753

13. Chanet N. et al. Design and integration of femtosecond Fiber Bragg gratings temperature probes inside actively cooled ITER-like plasma-facing components //Fusion Engineering and Design. – 2021. – Т. 166. – С. 112376. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2021.112376

14. Polz L. et al. Regenerated Fibre Bragg Gratings: A critical assessment of more than 20 years of investigations //Optics & Laser Technology. – 2021. – Т. 134. – С. 106650. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106650

15. Mihailov S. J. Femtosecond laser-induced Bragg gratings in silica-based fibers for harsh environment sensing //APL Photonics. – 2023. – Т. 8. – №. 7. https://doi.org/10.1063/5.0142798

16. Dedyulin S. et al. Accurate measurements of a wavelength drift in high-temperature silica-fiber Bragg gratings //Metrology. – 2021. – Т. 1. – №. 1. – С. 1-16. https://doi.org/10.3390/metrology1010001

17. Deng Y., Jiang J. Optical fiber sensors in extreme temperature and radiation environments: A review //IEEE Sensors Journal. – 2022. – Т. 22. – №. 14. – С. 13811-13834. https://doi.org/10.1109/JSEN.2022.3181949

18. Grobnic D. et al. Fiber Bragg grating wavelength drift in long-term high temperature annealing //Sensors. – 2021. – Т. 21. – №. 4. – С. 1454. https://doi.org/10.3390/s21041454

19. Canning J. Fibre gratings and devices for sensors and lasers // Laser & Photonics Reviews. ‒ 2008. ‒ T. 2, № 4. ‒ C. 275-289. https://doi.org/10.1002/lpor.200810010

20. Mihailov S. J. Fiber Bragg grating sensors for harsh environments // Sensors. ‒ 2012. ‒ T. 12, № 2. ‒ C. 1898-1918. https://doi.org/10.3390/s120201898

21. Wang Q., Jewart C. M., Canning J., Grobnic D., Mihailov S. J., Chen K. P. High-temperature fiber Bragg grating sensors in microstructured fibers for harsh environment applications // Fiber Optic Sensors and Applications VII. ‒ T. 7677 ‒SPIE, 2010. ‒ C. 119-125. https://doi.org/10.1117/12.851778

22. Smelser C. W., Mihailov S. J., Grobnic D. Formation of Type I-IR and Type II-IR gratings with an ultrafast IR laser and a phase mask // Optics express. ‒ 2005. ‒ T. 13, № 14. ‒ C. 5377-5386. https://doi.org/10.1364/OPEX.13.005377

23. Smelser C. W., Grobnic D., Mihailov S. J. High-Reflectivity Thermally Stable Ultrafast Induced Fiber Bragg Gratings in H2 -Loaded SMF-28 Fiber // IEEE Photonics Technology Letters. ‒ 2009. ‒ T. 21, № 11. ‒ C. 682-684. https://doi.org/10.1109/LPT.2009.2016352

24. Li Y., Yang M., Wang D., Lu J., Sun T., Grattan K. Fiber Bragg gratings with enhanced thermal stability by residual stress relaxation // Optics express. ‒ 2009. ‒ T. 17, № 22. ‒ C. 19785-19790. https://doi.org/10.1364/OE.17.019785

25. Canning J., Stevenson M., Bandyopadhyay S., Cook K. Extreme silica optical fibre gratings // Sensors. ‒ 2008. ‒ T. 8, № 10. ‒ C. 6448-6452. https://doi.org/10.3390/s8106448

26. Mohd Nazal N., Lai M.-H., Lim K.-S., Gunawardena D. S., Chong W.-Y., Yang H.-Z., Ahmad H. Demarcation energy properties of regenerated fiber Bragg grating sensors in few-mode fibers // Optica Applicata. ‒ 2018. ‒ T. 48, № 2. https://doi.org/10.5277/oa180209

27. Yang H. Z., Qiao X. G., Das S., Paul M. C. Thermal regenerated grating operation at temperatures up to 1400 C using new class of multimaterial glass-based photosensitive fiber // Optics letters. ‒ 2014. ‒ T. 39, № 22. ‒ C. 6438-6441. https://doi.org/10.1364/OL.39.006438

28. Fokine M. Thermal stability of chemical composition gratings in fluorine–germanium-doped silica fibers // Optics Letters. ‒ 2002. ‒ T. 27, № 12. ‒ C. 1016-1018. https://doi.org/10.1364/OL.27.001016

29. Fokine M. Thermal stability of oxygen-modulated chemical-composition gratings in standard telecommunication fiber // Optics letters. ‒ 2004. ‒ T. 29, № 11. ‒ C. 1185-1187. https://doi.org/10.1364/OL.29.001185

30. Butov O. V., Golant K. M., Nikolin I. V. Ultra-thermo-resistant Bragg gratings written in nitrogen-doped silica fibres //Electronics Letters. – 2002. – Т. 38. – №. 11. – С. 523-525. https://doi.org/10.1049/el:20020343

31. Butov O. V., Golant K. M. Core-cladding structure transformation in silica optical fibers caused by UV-induced Bragg grating inscription //Proceedings of XX International Congress on Glass. – The Ceramic Society of Japan, Tokyo, Japan, 2004. https://doi.org/10.13140/2.1.1579.1040

32. Zhang B., Kahrizi M. High-temperature resistance fiber Bragg grating temperature sensor fabrication // IEEE sensors journal. ‒ 2007. ‒ T. 7, № 4. ‒ C. 586-591. https://doi.org/10.1109/JSEN.2007.891941

33. Lindner E., Canning J., Chojetzki C., Brückner S., Becker M., Rothhardt M., Bartelt H. Thermal regenerated type IIa fiber Bragg gratings for ultra-high temperature operation // Optics communications. ‒ 2011. ‒ T. 284, № 1. ‒ C. 183-185. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2010.08.075

34. Lindner E., Chojetzki C., Brückner S., Becker M., Rothhardt M., Bartelt H. Thermal regeneration of fiber Bragg gratings in photosensitive fibers // Optics express. ‒ 2009. ‒ T. 17, № 15. ‒ C. 12523-12531. https://doi.org/10.1364/OE.17.012523

35. Lindner E. et al. Arrays of regenerated fiber Bragg gratings in non-hydrogen-loaded photosensitive fibers for high-temperature sensor networks //Sensors. – 2009. – Т. 9. – №. 10. – С. 8377-8381. https://doi.org/10.3390/s91008377

36. Bueno A. et al. Fast thermal regeneration of fiber Bragg gratings //Optics letters. – 2013. – Т. 38. – №. 20. – С. 4178-4181. https://doi.org/10.1364/OL.38.004178

37. Kumar J. et al. Studies on thermal regeneration and temperature stability of type-I FBGs written in Ge–B codoped and Ge doped fibers by a kHz repetition rate nanosecond 255 nm beam //Optics Communications. – 2014. – Т. 320. – С. 109-113. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2014.01.049

38. Lancry M. et al. Investigation of structural glass relaxation in regenerated fiber Bragg gratings //Bragg Gratings, Photosensitivity, and Poling in Glass Waveguides. – Optica Publishing Group, 2016. – С. JT4A. 27. https://doi.org/10.1364/ACOFT.2016.JT4A.27

39. Celikin M. et al. Enhanced stability of higher UV-densified Fiber Bragg Gratings after thermal regeneration //Optics Communications. – 2019. – Т. 435. – С. 345-349. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2018.11.049

40. Lu L., Yang Y. The Formation Mechanism for Regenerated Fiber Bragg Grating Based on Non-uniform Crystallization //Optical Fiber Sensors. – Optica Publishing Group, 2023. – С. W4. 56. https://doi.org/10.1364/OFS.2023.W4.56

41. Bandyopadhyay S., Canning J., Biswas P., Stevenson M., Dasgupta K. A study of regenerated gratings produced in germanosilicate fibers by high temperature annealing // Optics express. ‒ 2011. ‒ T. 19, № 2. ‒ C. 1198-1206. https://doi.org/10.1364/OE.19.001198

42. Yang H. et al. Thermal regeneration in etched-core fiber Bragg grating //IEEE Sensors Journal. – 2013. – Т. 13. – №. 7. – С. 2581-2585. https://doi.org/10.1109/JSEN.2013.2256344

43. Przhiialkovskii D. V., Butov O. V. High-precision point-by-point fiber Bragg grating inscription // Results in Physics. ‒ 2021. ‒ T. 30. ‒ C. 104902. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2021.104902

44. Пржиялковский Д. В., Бутов О. В. ВЫСОКОТОЧНАЯ ЗАПИСЬ ВОЛОКОННЫХ БРЭГГОВСКИХ РЕШЕТОК ПОТОЧЕЧНЫМ МЕТОДОМ //ПРИКЛАДНАЯ ФОТОНИКА APPLIED PHOTONICS. – 2022. – С. 50. http://doi.org/10.15593/2411-4367/2021.3.05

45. Butov O. V. Bragg gratings inscription in weakly-doped fibers //Results in Physics. – 2019. – Т. 15. – С. 102542. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2019.102542

46. Patrick H., Gilbert S. L., Lidgard A., Gallagher M. Annealing of Bragg gratings in hydrogen‐loaded optical fiber // Journal of applied physics. ‒ 1995. ‒ T. 78, № 5. ‒ C. 2940-2945. https://doi.org/10.1063/1.360753

47. Kannan S., Guo J. Z., Lemaire P. J. Thermal stability analysis of UV-induced fiber Bragg gratings // Journal of lightwave technology. ‒ 1997. ‒ T. 15, № 8. ‒ C. 1478-1483. https://doi.org/10.1109/50.618380

48. Dong L., Liu W. Thermal decay of fiber Bragg gratings of positive and negative index changes formed at 193 nm in a boron-codoped germanosilicate fiber // Applied optics. ‒ 1997. ‒ T. 36, № 31. ‒ C. 8222-8226. https://doi.org/10.1364/AO.36.008222

49. Chisholm K., Sugden K., Bennion I. Effects of thermal annealing on Bragg fibre gratings in boron/germania co-doped fibre // Journal of Physics D: Applied Physics. ‒ 1998. ‒ T. 31, № 1. ‒ C. 61. https://doi.org/10.1088/0022-3727/31/1/009

50. Åslund M., Canning J. Annealing properties of gratings written into UV-presensitized hydrogen-outdiffused optical fiber // Optics Letters. ‒ 2000. ‒ T. 25, № 10. ‒ C. 692-694. https://doi.org/10.1364/OL.25.000692

51. Razafimahatratra D., Niay P., Douay M., Poumellec B., Riant I. Comparison of isochronal and isothermal decays of Bragg gratings written through continuous-wave exposure of an unloaded germanosilicate fiber // Applied Optics. ‒ 2000. ‒ T. 39, № 12. ‒ C. 1924-1933. https://doi.org/10.1364/AO.39.001924

52. Wang Q., Hidayat A., Niay P., Douay M. Influence of blanket postexposure on the thermal stability of the spectral characteristics of gratings written in a telecommunication fiber using light at 193 nm // Journal of Lightwave Technology. ‒ 2000. ‒ T. 18, № 8. ‒ C. 1078-1083. https://doi.org/10.1109/50.857753

53. Fokine M. Formation of thermally stable chemical composition gratings in optical fibers // JOSA B. ‒ 2002. ‒ T. 19, № 8. ‒ C. 1759-1765. https://doi.org/10.1364/JOSAB.19.001759

54. Erdogan T., Mizrahi V., Lemaire P., Monroe D. Decay of ultraviolet‐induced fiber Bragg gratings // Journal of applied physics. ‒ 1994. ‒ T. 76, № 1. ‒ C. 73-80. https://doi.org/10.1063/1.357062

55. Васильев С. А., Медведков О. И., Королев И. Г., Божков А. С., Курков А. С., Дианов Е. М. Волоконные решетки показателя преломления и их применения // Квантовая электроника. ‒ 2005. ‒ T. 35, № 12. ‒ C. 1085-1103. https://doi.org/10.1070/QE2005v035n12ABEH013041

56. Douay M. et al. Densification involved in the UV-based photosensitivity of silica glasses and optical fibers //Journal of Lightwave technology. – 1997. – Т. 15. – №. 8. – С. 1329-1342. https://doi.org/10.1109/50.618334

57. Таганцев Д. К. Стеклообразные материалы: учебное пособие для вузов по направлению подготовки магистров» Техническая физика». – 2010. ISBN 978-5-7422-3238-4

58. G. Tammann, Die Aggregatzustaende, Leopold Voss, Leipzig,1922

59. Lezzi P. J. et al. Surface crystallization and water diffusion of silica glass fibers: Causes of mechanical strength degradation //Journal of the American Ceramic Society. – 2015. – Т. 98. – №. 8. – С. 2411-2421. https://doi.org/10.1111/jace.13597

Для цитирования:

Пржиялковский Д.В., Плюскова Н.А., Бутов. О.В Регенерация волоконных брэгговских решеток, записанных поточечным методом с помощью излучения фемтосекундного лазера. // Журнал радиоэлектроники. – 2024. – №. 8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.8.6