Исследование смещения резонансов оптических потерь при химическом травлении световода W-типа

Оптика и лазерные технологии

Гнусин П.И.¹, Васильев С.А.², Медведков О.И.²

¹ ООО «Нева Технолоджи» (Россия, Санкт-Петербург)

² Научный центр волоконной оптики РАН (Россия, Москва)

 Аннотация. В работе было исследовано смещение резонансов оптических потерь в волоконном световоде с депрессированной внутренней оболочкой (световод W-типа) при химическом травлении. Показано, что чувствительность резонансов к изменению диаметра световода достаточно высока, что позволяет использовать данный световод в качестве контрольного средства в процессах прецизионного травления.

Ключевые слова: световод W-типа, резонансные оптические потери, химическое травление, волоконно-оптический датчик.

 Смещение резонансов оптических потерь при химическом травлении световода W-типа

Введение

В ряде специальных задач волоконной оптики необходимо применять световоды, содержащие, в отличие от стандартных, более двух коаксиальных слоев оптического стекла (см. рисунки 1, 2). В таком случае говорят, что волоконный световод (ВС) имеет сердцевину и несколько световедущих оболочек (в самом простом случае – внешнюю и внутреннюю оболочки). Если показатель преломления внутренней оболочки ниже, чем показатель преломления внешней оболочки, то такой ВС называется световодом с депрессированной внутренней оболочкой, или световодом W-типа [1].

Рисунок 1. «Традиционный» световод со ступенчатым профилем показателя преломления (а), и световод с несколькими коаксиальными слоями световедущей структуры (б).

Рисунок 2. Фотография торца световода, исследованного в настоящей работе (снято с подсветкой лампой накаливания при помощи оптического микроскопа; отклонение от круглой формы обусловлено неидеальностью скола ВС)

Важно подчеркнуть, что собственные моды волоконного световода (ВС) данного типа уже недостаточно точно представляются в виде поля, локализованного в сердцевине или распределенного по оболочке, а являются модами сложной волноведущей структуры, содержащими локальные максимумы интенсивности как в сердцевине, так и во внешней оболочке. Это обуславливает возникновение в ВС условий для вытекания из него собственных мод, на тех участках дисперсионных кривых, где доля мощности излучения во внешней оболочке достаточно велика (например, вблизи резонанса двух собственных мод, в этом случае спектральная зависимость потерь имеет хорошо выраженный максимум или ряд последовательных максимумов [2]; см. также рисунок 3).

Рисунок 3. Спектры пропускания участка исследованного световода длиной 5.5 см до начала процесса травления.

синий - для световода в полимерном покрытии, красный - после снятия покрытия, на воздухе

Подробное теоретическое и экспериментальное исследование ВС данного типа будет опубликовано нами в готовящейся к публикации более полной работе [3]. В данной работе мы хотели бы подробно остановиться на процессе травления световода W-типа при помощи кислоты, поскольку, как будет показано ниже, этот процесс может представлять самостоятельный практический интерес.

Экспериментальный образец и установка

В экспериментах исследовался волоконный световод, изготовленный методом MCVD в ИХВВ РАН совместно с НЦВО РАН. Профиль показателя преломления световода представлен на рисунке 4. Сердцевина световода с диаметром 5.3 мкм состояла из чистого кварцевого стекла. Внутренняя оболочка световода, имеющая внешний диаметр 31.3 мкм, была сформирована кварцевым стеклом, легированным фтором. Абсолютная величина депрессии показателя преломления составила n_c‑n_i »9´10^-3 (относительная величина D»0.62%). Внешняя оболочка световода была сформирована кварцевым стеклом опорной трубы и имела наружный диаметр 128 мкм. При вытяжке световод был покрыт акрилатным полимерным покрытием с показателем преломления, большим, чем показатель преломления стекла внешней оболочки.

Рисунок 4. Профиль показателя преломления в исследованном волоконном световоде.

Модовый состав и, как следствие, спектр оптических потерь в световодах с несколькими волноведущими структурами существенным образом зависят от того, как реализован ввод и вывод оптического излучения. В проводимых нами экспериментах основной акцент делался на распространении излучения по сердцевине, поэтому ввод и вывод излучения реализовывался путем сварки участка тестируемого световода W-типа со стандартным одномодовым световодом SMF-28.

Изменение внешнего диаметра ВС проводилось при помощи раствора плавиковой кислоты (HF). Участок световода длиной 5,5 см, зачищенный от полимерного покрытия, погружался в раствор кислоты, причем спектры пропускания ВС регистрировались спектоанализатором с разрешением 1 нм как до, так и в ходе самого процесса травления. Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 5. Следует отметить, что само погружение световода в плавиковую кислоту (и, соответственно, извлечение из нее) вызывает существенное изменение длин волн межмодового резонанса, поскольку показатель преломления кислоты существенно отличается от 1 (см. также [3], рисунок 5). По этой причине однозначно сопоставить резонансы оптических потерь, наблюдаемые в данном эксперименте, с наблюдаемыми и рассчитанными в работе [3], без дополнительных вычислений не представляется возможным. Тем не менее, этот факт, по нашему мнению, не является существенным недостатком, препятствующим использованию полученных результатов.

Скорость изменения диаметра ВС в процессе травления, вычисленная по изменению диаметра ВС (который измерялся при помощи оптического микроскопа путем сравнения со стандартным ВС SMF-28), составила ~ 1.4 мкм/мин. Таким образом, в процессе, представленном в видео, диаметр световода уменьшился почти на 60 мкм. Следует отметить, что до процесса, представленного в видео, диаметр световода уже был уменьшен посредством травления до величины 87,5 мкм (до диаметра 28 мкм, результаты предшествующего травления не приведены здесь в силу отсутствия принципиальной новизны представленным результатам), так что в процессе, приведенном в видео, внешняя оболочка световода (диаметр 31,5 мкм, см. рисунок 4), стравливается полностью (появление резонансов при этом прекращается, но в световоде нарастают потери на выход излучения из сердцевины ВС в длинноволновой области спектра, что отчетливо видно на последних кадрах видео).

Рисунок. 5. Схема экспериментальной установки.

1 ‑ галогеновая лампа, 2 ‑ система фокусировки, 3 ‑ световод Corning SMF-28 (голубым цветом выделены участки в полимерном покрытии), 4 ‑ точки сварки световодов, 5 ‑ исследуемый световод W-типа, свободный от покрытия, 6 ‑ оптический спектроанализатор, 7 ‑кювета с плавиковой кислотой.

Процесс травления световода

Видео, составленное из полученных последовательно спектров пропускания участка ВС, показано выше. Все спектры, представленные в видео, зарегистрированы при нахождении световода в кислоте. Нормировка осуществлялась на сглаженное среднее арифметическое значение спектров, наблюдаемых в отсутствие резонансных потерь (#14-17). Как видно из видео, в ходе процесса травления наблюдается смещение резонансных потерь в сторону уменьшения длины волны; интенсивность резонансных потерь при этом снижается. В ходе эксперимента в наблюдаемый спектральный диапазон приходят резонансы из длинноволновой области; при этом интенсивность резонансных потерь уже наблюдаемых резонансов снижается до практически ненаблюдаемого уровня вблизи длины волны 1300 нм, за которой измерений не проводилось.

Рисунок 6. Типовая динамика изменения центра резонансного пика при травлении (для наиболее интенсивного резонанса первого цуга, представленного в видео).

На рисунке 6 приведена зависимость резонансных длин волн для наиболее интенсивного резонанса цуга от времени травления и изменения диаметра ВС, построенная по данным, представленным в видео. Чувствительность длины волны резонанса к изменению диаметра ВС составила для первого приведенного в видео цуга резонансов 57 нм/мкм (для первого цуга резонансов, наблюдавшегося при травлении исходного световода от диаметра 128 мкм, она составила 51,7 нм/мкм), что при характерной точности определения максимума резонанса не хуже ~ 0.5 нм позволяет отслеживать изменения диаметра ВС до 0.01 мкм (10 нм). Приведенная чувствительность несколько увеличивается для резонансов, перешедших в коротковолновую часть наблюдаемого спектра (приблизительно на 5% при изменении длины волны для каждого резонанса от 1600 до 1350 нм), а также растет с уменьшением диаметра ВС, достигая для последних наблюдавшихся резонансов величины ~ 120 нм/мкм. Следует отметить, что увеличение длины участка ВС, подверженной травлению, приводит к сужению наблюдаемых резонансных пиков и улучшению точности определения их положения [3], что еще сильнее увеличит разрешающую способность в определении изменения диаметра ВС.

Заключение

Столь высокая чувствительность положения относительно узких резонансов к изменению диаметра ВС в перспективе позволяет использовать световод данного типа как прецизионный инструмент для контроля травления других изделий и материалов. Размещая одновременно в среде травления световод и другой объект (например, форму для заготовки прецизионной детали, выполненную из стекла), можно проконтролировать процесс травления, даже если его скорость испытывает существенные вариации (например, вследствие перепадов температуры или загрязнения травящего вещества продуктами травления). При этом не требуется размещение объемной измерительной аппаратуры в непосредственной близости камеры, где происходит травление, а значит, процесс контроля существенно упрощается по сравнению с рядом альтернативных методов.

Таким образом, представленный эффект изменения спектрального положения резонансов световода W-типа при изменении его диаметра, в перспективе может стать основой методики контроля процессов прецизионного травления, когда непосредственный доступ оборудования к объекту травления затруднен.

Авторы статьи выражают благодарность И.А. Буфетову (НЦВО РАН, г. Москва) за предоставленные образцы использованного в работе световода.

Список литературы:

1. Francois P.L., Vassallo C. Finite cladding effects in W-fibres: a new interpretation of leakage losses // Electronics Letters. 1983. №19(5). P. 173-174.

2. Henry W.M., Love J.D., Peng G.-D. Anomalous loss in depressed-cladding and W-fibres // Optical and quantum electronics. 1993. №25. P. 409-416.

3. Васильев С.А., Гнусин П.И., Медведков О.И. Интерференция нормальных мод как причина резонансных оптических потерь в волоконных световодах с депрессированной внутренней оболочкой //- планируется к публикации.

Abstract. In the present study we investigate the displacement caused by chemical etching for the resonances of optical loss in an optical fiber with depressed inner cladding (W-type fiber). It has been shown that the sensitivity of the resonances to the fiber diameter change is fairly high, which allows the usage of such fiber as a control instrument in precision etching processes.

Key words: W-type waveguide, resonant optical losses, chemical etching, optical fiber sensor.

• < Назад