Фоточувствительные составы стекол

УФ источники, используемые для записи решеток. (в статье)

Механизмы фотоиндуцированного изменения ПП в кварцевом стекле до сих пор недостаточно ясны

наиболее изученных стекол, легированных диоксидом германия. Однако известно, что для германосиликатного стекла фотовозбуждение германиевых кислородно-дефицитных центров (ГКДЦ) [73] играет инициирующую роль в последующей трансформации сетки стекла, которая сопровождается изменением его ПП. В спектре поглощения германосиликатного стекла доминируют две полосы с максимумами на 242 и 330 нм, приписываемые синглет-синглетному и синглет-триплетному поглощениям ГКДЦ соответственно. Фотовозбуждение синглетной полосы осуществляется излучением эксимерного КгР- лазера (А = 248 нм), второй гармоники аргонового лазера (244, 257 нм), четвертой гармоники N6³⁺: УАО-ла- зера (266 нм) или второй гармоники лазеров на красителях. Эти источники излучения, как правило, и используются для записи решеток ПП.

Полоса триплетного поглощения на три порядка менее интенсивна [73], однако, как следует из работ [55, 74], ее тоже можно использовать для наведения значительного ПП (~ 2 х 10~⁴). Сравнительный анализ изменения ПП при синглетном и триплетном фотовозбуждении ГКДЦ показал, что преобладающим механизмом в процессе наведения ПП является трансформация этих центров из возбужденного триплетного состояния вне зависимости от того, какая полоса используется для фотовозбуждения [47]. Привлекательность записи решеток в полосу триплетного поглощения заключается в том, что решетку при этом можно записывать без удаления с ВС защитного полимерного покрытия, которое частично прозрачно в этом диапазоне спектра [75].

Отметим, что излучение эксимерных лазеров на АгР (193 нм) [76] и Р₂ (157 нм) [77] также индуцирует значительное изменение ПП кварцевых стекол, причем не только германосиликатных.

В зависимости от фоточувствительности ВС и используемого лазерного источника доза УФ облучения, требуемая для записи решеток ПП, варьируется в диапазоне 1 -100 кДж/см², что с учетом плотности излучения соответствует времени облучения от нескольких секунд до нескольких десятков минут.

2.Запись решеток с помощью лазерных импульсов фотосекундной длительности:

В последнее время увеличилось число публикаций, посвященных записи решеток ПП с помощью лазерных импульсов фемтосекундной длительности [78, 79]. В силу очень высокой интенсивности излучения (~ 10¹³ Вт/см²), создаваемой в импульсе такой малой длительности, поглощение излучения в этом случае происходит в результате многофотонного процесса. Подобный механизм наведения ПП не требует наличия в кварцевом стекле фоточувствительных легирующих добавок и водородной обработки (см. разд.7). Фемтосекундными импульсами, излучаемыми лазером на титанате сапфира (А = 800 нм), с использованием соответствующей фазовой маски были записаны качественные ВБР с большим наведенным ПП (10~²) в стандартных ВС типа 8МР-28 [78], а также в световодах с чисто кварцевой сердцевиной [80]. Такие решетки можно записывать в произвольном месте ВС, формируя желаемые распределения наведенного ПП по сечению световода. Так, например, в работе [81] это обстоятельство было использовано для формирования периодической структуры в оболочке ВС, что позволило значительно уменьшить коэффициент связи основной моды световода с модами оболочки. Решетки, записанные фемтосекундным излучением, имеют чрезвычайно высокую

температурную стойкость (более 1000 °С). В силу относительно большой длины волны записывающего излучения такие ВБР записывают, как правило, с периодом, соответствующим второму или третьему порядку дифракции (У = 2, 3 в уравнении (1)).

На сегодняшний день большой интерес представляет запись решеток ПП с помощью лазерных импульсов фемтосекундной длительности. В силу очень высокой интенсивности излучения (~1013 Вт/см2), создаваемой в импульсе такой малой длительности, по­глощение излучения в этом случае происходит в резуль­тате многофотонного процесса. Подобный механизм на­ведения ПП не требует наличия в кварцевом стекле фо­точувствительных легирующих добавок и водородной обработки [2]. При многофотонном поглощении, при достаточно высокой интенсивности, длина волны может не попадать в полосу поглощения, но при этом энергия возбуждения может оказаться больше ширины запрещенной зоны кварцевого стекла. Также сле­дует подчеркнуть, что фемтосекундными импульсами можно облучать волоконные световоды без их повреждения или пробоя из­лучением с интенсивностями на несколько порядков выше, чем при использовании наносекундных импуль­сов эксимерных лазеров [5]. Кроме того, при использовании инфракрасного излучения запись можно производить через оболочку световода. Процесс многофотонного поглощения наглядно можно описать на следующем примере. Если инфракрасный лазерный импульс малой интенсивности фемтосекундной длительности (например, λ = 800 нм, hν ≈ 1.5 eV) проходит через такой материал как стекло, с шириной запрещенной зоны Eg ≥ 3.5 eV, то только лишь незначительная часть энергии лазерного импульса поглощается в стекле. Однако при высокой интенсивности излучения лазерных импульсов нелинейное поглощение становится основным механизмом инициирующем процесс фото-ионизации в стекле. Этот механизм соответствует одновременному поглощению двух и более фотонов лазерного излучения одним электроном, что переводит его в зону проводимости. Коэффициент поглощения для данного механизма есть функция от плотности фотонов и, следовательно, от интенсивности лазерного излучения [6]. Таким образом, запись ВБР фемтосекундными лазерными импульсами - это очень привлекательный способ для модуляции показателя преломления, так как он устраняет необходимость относительно высокой фоточувствительности волноводного материала, требующей, например, легирование германием или дополнительную водородную обработку, а следовательно позволяет производить запись Брэгговских дифракционных структур в стандартных телекоммуникационных волокнах без дополнительных процедур.

Фоточувствительные составы стекол

Величина наведенного ПП в сердцевине ВС зависит от многих факторов, таких как метод и условия изготовления самого световода, тип и концентрация легирующих элементов, длина волны, интенсивность и тип (импульсный или непрерывный) облучения.

К сожалению, фоточувствительность стандартных телекоммуникационных ВС с молярной концентрацией Ое0₂ 3 % - 5 % недостаточно высока для эффективной записи в них решеток ПП. Даже при длительном облучении наведенный ПП в таких ВС не превышает 5 х 10~⁵. В связи с этим были предприняты значительные усилия, направленные на поиск способов повышения этой величины. В частности было показано, что фоточувствительность германосиликатных ВС увеличивается с ростом концентрации диоксида германия в сердцевине [82], что, главным образом, связано с ростом концентрации ГКДЦ при увеличении степени легирования стекла германием. Обычно поглощение на А = 242 нм пропорционально молярной концентрации Ое0₂ с коэффициентом пропорциональности 10-40 дБ/(мм.%) [83]. В настоящее время были исследованы ВС с различными концентрациями диоксида германия. В частности было показано, что, начиная с молярной концентрации Ое0₂ 20 %, в ВС возникает фоточувствительность типа 11а (см. разд.8), которая сохраняется и усиливается с дальнейшим ростом концентрации Ое0₂ [84]. Фоточувствительность типа 11а проявляется также в ВС, легированных азотом при облучении на А = 193 нм [85]. Отметим, что решетки типа 11а на практике используются редко, т. к. ВС с этим типом фоточувствительности имеют значительные собственные потери, а также потери при сварке со стандартными ВС.

Заметное повышение концентрации ГКДЦ может быть также достигнуто при синтезе заготовки ВС в условиях дефицита кислорода, например при замене его азотом или инертными газами [86], что позволяет повысить фоточувствительность стекла сердцевины, оставив при этом волноводные свойства волокна практически неизменными [87].

К числу химических элементов, увеличивающих фоточувствительность ВС при совместном легировании с германием, относятся бор [88, 89], олово [90], азот [91], фосфор [92] и сурьма [93].

В ряде работ исследовались ВС, не содержащие Ое0₂, профиль ПП в которых формировался легированием другими элементами. Так, было обнаружено, что при облучении на длине волны 193 нм высокую фоточувствительность имеют ВС, легированные азотом [85], фосфором [94, 95], серой [96] и сурьмой [97].