Почему прорезь посередине решетки может создавать очень тонкий сигнал?
В структуре брэгговских решеток волоконных световодов (FBG) то, что вы упомянули как “оставить зазор посередине”, в физике и оптической инженерии называется внесением фазового сдвига (Phase Shift). Изготовленное таким образом устройство называется брэгговской решеткой с фазовым сдвигом (Phase-Shifted Fiber Bragg Grating, PS-FBG).
За этим простым “зазором” стоит весьма тонкий физический механизм, позволяющий генерировать узчайшие и тончайшие пропускающие сигналы.
1. Физическая суть: миниатюрная резонаторная полость Фабри-Перо (Fabry-Perot)
В обычных брэгговских решетках с постоянным периодом возмущение показателя преломления является непрерывным и однородным. Когда свет проходит через решетку, если длина волны удовлетворяет условию Брэгга:
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
(где n_{\text{eff}} — эффективный показатель преломления основной моды волокна, \Lambda — период решетки), прямой и отраженный назад свет вступают в интенсивную конструктивную интерференцию, что приводит к эффективному отражению света вблизи этой длины волны. В спектре это проявляется в виде полосы отражения (также называемой запрещенной зоной) с определенной шириной полосы (обычно сотни пикометров, т.е. от десятков \text{pm} до сотен \text{pm}).
Однако, когда вы вводите “зазор” (обычно путем локального микросдвига или внесения фазового сдвига на \pi физическими средствами, что эквивалентно сдвигу фазы модуляции показателя преломления на полпериода) ровно посередине решетки, эта структура оптически эквивалентна:
“Левая решетка (высокоотражающее зеркало) + центральная мини-полость (зазор) + правая решетка (высокоотражающее зеркало)”.
Это образует распределенную брэгговскую резонаторную полость Фабри-Перо (F-P) с чрезвычайно высоким фактором добротности.
2. Интерференция нескольких лучей и резонансное гашение
Когда свет падает на брэгговскую решетку с фазовым сдвигом, он многократно проходит туда и обратно между сторонами “зазора” (т.е. высокоотражающими зеркалами слева и справа) в течение тысяч раз:
- Для обычных длин волн:
свет по-прежнему сильно отражается боковыми решетками и не проходит. - Для определенных резонансных длин волн:
свет, многократно проходящий туда и обратно внутри “зазора”, точно удовлетворяет условию конструктивной интерференции (резонанса) в пространстве. В этом случае многолучевая интерференция на входе приводит к деструктивной интерференции (гашению), а на выходе — к конструктивной интерференции (усилению).
Благодаря резонансному эффекту многолучевой интерференции, резонансная длина волны света, которая не могла пройти через запрещенную зону, может пройти через всю решетку с коэффициентом пропускания, близким к 100\%.
3. Почему сигнал может быть “чрезвычайно тонким”?
Ширина пропускающего сигнала (полуширина на полувысоте, \text{FWHM}) обратно пропорциональна фактору добротности Q резонаторной полости F-P.
Поскольку боковые брэгговские решетки обеспечивают чрезвычайно высокое отражение (обычно более 99\%), а потери внутри полости крайне малы, фактор Q этой резонаторной полости очень велик.
Резонансная интерференция нескольких лучей приводит к значительному сжатию ширины спектральной линии в конечном окне пропускания. Ширина полосы отражения обычной FBG может составлять около 0.2\text{nm}, в то время как пик пропускания, “вырезанный” в центре запрещенной зоны брэгговской решетки с фазовым сдвигом, может легко достигать ширины в несколько пикометров (\text{pm}) или даже субпикометрового уровня (что соответствует частоте всего в десятки мегагерц \text{MHz}). Именно поэтому она способна генерировать “чрезвычайно тонкий” сигнал.
Информация о продуктах Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®)
Компания Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®), являясь экспертом в области технологий производства волоконных датчиков и брэгговских решеток, в основном специализируется на продуктах для высоконадежных, высокопрочных и экстремальных температурных применений волоконно-оптических датчиков. Наши типичные продукты включают OFSCN® Standard Femtosecond Fiber Bragg Gratings, изготовленные с использованием технологии последовательной точечной записи фемтосекундным лазером, а также OFSCN® Polyimide Fiber Bragg Gratings для суровых условий эксплуатации.
Эти продукты относятся к высококачественным универсальным брэгговским решеткам волоконных световодов (FBG) и массивам решеток. Что касается брэгговских решеток с фазовым сдвигом (PS-FBG), они в основном применяются в волоконных лазерах со сверхширокой полосой пропускания и спектральных фильтрах сверхвысокого разрешения в лабораторных или специфических телекоммуникационных диапазонах, и поэтому в настоящее время не входят в основные стандартные линейки продаваемой продукции Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®).