Badania światłowodowych siatek Bragga

Centralna Izba Pomiarów Telekomunikacyjnych (P-12)
Badania światłowodowych siatek Bragga
nanoszonych metodą skanowania maski fazowej
Praca nr 12300065, 14300035, 09300065
Warszawa, grudzień 2005
Badania światłowodowych siatek Bragga nanoszonych metodą skanowania maski fazowej.
Praca nr 12300065, 14300035, 09300065
Słowa kluczowe: światłowodowa siatka Bragga, wodorowanie, własności termiczne.
Kierownik pracy: mgr inż. Tomasz Osuch
Wykonawcy pracy: mgr inż. Tomasz Osuch, dr inż. Tomasz Kossek, mgr inż. Krzysztof
Borzycki, inż. Andrzej Zawiślański, technik Bożenna Jastrzębska
Kierownik Zakładu: inż. Anna Warzec
© Copyright by Instytut Łączności, Warszawa 2005
Spis treści
1.
Wstęp.................................................................................................................................. 4
2.
Światłowodowa siatka Bragga ........................................................................................... 5
2.1.
2.2.
2.3.
3.
Wykonywanie światłowodowych siatek Bragga................................................................ 9
3.1.
3.2.
4.
Budowa i zasada działania światłowodowej siatki Bragga ........................................ 5
Odbicie w jednorodnych siatkach Bragga.................................................................. 6
Zastosowania.............................................................................................................. 7
Wodorowanie ............................................................................................................. 9
Metoda maski fazowej ............................................................................................... 9
Eksperymenty................................................................................................................... 11
4.1.
Wytwarzanie siatek Bragga...................................................................................... 11
4.1.1.
Wodorowanie światłowodów........................................................................... 11
4.1.2.
Nanoszenie światłowodowych siatek Bragga .................................................. 11
4.2.
Wyznaczanie zależności parametrów siatek Bragga w funkcji czasu wodorowania i
czasu naświetlania ................................................................................................................ 12
4.3.
Wyznaczenie współczynnika termicznego – zmian długości fali Bragga w funkcji
temperatury........................................................................................................................... 14
4.4.
Przyspieszone testy starzeniowe .............................................................................. 15
5.
Wyniki eksperymentów.................................................................................................... 16
5.1.
Badanie parametrów światłowodowych siatek Bragga w funkcji parametrów
technologicznych.................................................................................................................. 16
5.1.1.
Wyznaczenie zależności parametrów siatek Bragga w funkcji czasu
naświetlania...................................................................................................................... 16
5.1.2.
Wyznaczenie zależności parametrów siatek Bragga w funkcji czasu
wodorowania .................................................................................................................... 18
5.2.
Zależności termiczne siatek Bragga......................................................................... 19
5.3.
Testy starzeniowe..................................................................................................... 20
6.
Zastosowanie siatki Bragga jako wzorca długości fali .................................................... 21
6.1.
6.2.
Siatka Bragga jako wzorzec długości fali ................................................................ 21
Siatka Bragga z szeregiem pików jako wzorzec różnicy długości fali .................... 22
Bibliografia............................................................................................................................... 24
3
1. Wstęp
Niniejsza praca powstała we współpracy z Zakładem Miernictwa i Optoelektroniki
Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej. Jej celem było,
wspólne z zespołem dr inż. Lecha Lewandowskiego i dr inż. Kazimierza Jędrzejewskiego z
Politechniki Warszawskiej, przeprowadzenie badań i pomiarów w Instytucie Łączności,
prowadzących do poznania właściwości światłowodowych siatek Bragga nanoszonych
metodą skanowania maski fazowej. W szczególności chodzi o poznanie zależności
podstawowych parametrów od czynników zewnętrznych, co pozwoli na optymalizację
procesu technologicznego i zaoferowanie ich w przyszłości odbiorcom zewnętrznym.
Dodatkowo wykonano badania starzeniowe mające na celu określenie obserwację zmian
parametrów siatek poddanych procesowi przyspieszonego starzenia.
Ponadto przeprowadzono również analizę zastosowania siatki Bragga jako wzorca
długości fali oraz wzorca różnicy długości fali w procesie wzorcowania analizatorów widma
promieniowania optycznego.
4
2. Światłowodowa siatka Bragga
2.1. Budowa i zasada działania światłowodowej siatki Bragga
Światłowodowa siatka Bragga to periodyczna zmiana współczynnika załamania w
rdzeniu jednomodowego włókna optycznego (rysunek 1). Światło prowadzone w rdzeniu
włókna ulega odbiciom na kolejnych prążkach siatki. Jeśli nie jest spełniony warunek Bragga,
fale pochodzące od kolejnych odbić nie są ze sobą w fazie, co w efekcie powoduje, iż się
znoszą. Dla przykładu 1 mm siatka przy długości fali 1500 nm z dużym współczynnikiem
modulacji Δn = 10-3 będzie odbijała ∼0,05% światła będącego poza rezonansem. Gdy
warunek Bragga jest spełniony, światło odbite od każdego prążka siatki będzie
konstruktywnie dodawać się w fazie, dając w ten sposób wsteczny pik reflektancji ze
środkową długością fali zdefiniowaną przez parametry siatki.
kf
ki
λ
λ - λB
λB
Rys. 1. Ilustracja jednorodnej siatki Bragga ze stałym okresem i współczynnikiem modulacji.
Przedstawione są również wektory fali wprowadzanej do światłowodu, odbitej oraz wektor
siatki [1].
W przypadku jednorodnej siatki Bragga suma wektora falowego fali propagowanej ki i
wektora falowego siatki K równa jest wektorowi falowemu promieniowania odbitego kf.
Można to wyrazić następującym wzorem
ki + K = kf
(1)
gdzie wektor falowy siatki, K, ma kierunek prostopadły do prążków siatki i wartość 2π/Λ (Λ
jest okresem siatki zaznaczonym na rysunku 1). Wektor falowy promieniowania odbitego kf
jest równy co do wartości wektorowi falowemu fali propagowanej ki, lecz posiada przeciwny
kierunek. Stąd wzór (1) przyjmuje postać:
⎛ 2πneff
2⎜⎜
⎝ λB
⎞ 2π
⎟⎟ =
⎠ Λ
co można uprościć do warunku Bragga pierwszego rzędu
5
(2)
λ B = 2neff Λ
(3)
gdzie długość fali Bragga, λB, jest środkową długością fali światła wejściowego, które będzie
odbite wstecznie od światłowodowej siatki Bragga, a neff jest efektywnym współczynnikiem
załamania rdzenia światłowodu dla środkowej długości fali [2] .
2.2. Odbicie w jednorodnych siatkach Bragga
Rozpatrzmy jednorodne siatki Bragga o średnim współczynniku załamania n0
uformowane wewnątrz rdzenia. Profil współczynnika załamania może być wyrażony jako:
⎛ 2πz ⎞
n( z ) = n0 + Δn cos⎜
⎟
⎝ Λ ⎠
(4)
gdzie Δn jest amplitudą wytworzonych zmian współczynnika załamania (zwykle od 10-5 do
10-3), a z odległością na osi wzdłużnej światłowodu. Dzięki zastosowaniu teorii modów
sprzężonych, która opisuje właściwości odbiciowe siatek Bragga, współczynnik odbicia siatki
o stałych amplitudzie i okresie modulacji wyrażony może być przez następującą zależność:
R(l , λ ) =
Ω 2 sinh 2 (sl )
Δk 2 sinh 2 (sl ) + s 2 cosh 2 (sl )
(5)
w której R(l,λ) jest współczynnikiem odbicia wyrażonym w funkcji długości siatki l i
długości fali λ, Ω jest współczynnikiem sprzężenia, Δk = k - π/λ jest wektorem przestrojenia,
k = 2πn0/λ jest stałą propagacji, a s = Ω2 - k2. Współczynnik sprzężenia Ω, dla sinusoidalnych
zmian współczynnika załamania wzdłuż osi włókna można obliczyć z zależności:
Ω=
π Δn
Mp
λ
(6)
w której Mp jest częścią mocy modu zawartą w rdzeniu. Na podstawie jednorodności siatki w
rdzeniu, Mp można określić jako 1-V2, gdzie V jest częstotliwością znormalizowaną daną
wzorem
2π
(7)
V=
r n02 − nc2
λ
przy czym r jest promieniem rdzenia, natomiast n0 i nc współczynnikami załamania rdzenia i
płaszcza. Dla długości fali Bragga nie ma przestrojenia, więc Δk=0; w związku z czym,
wyrażenie na współczynnik odbicia przyjmuje postać:
R(l,λ)=tanh2(Ω l)
(8)
Współczynnik odbicia rośnie wraz ze wzrostem modulacji współczynnika załamania oraz
długością siatki. Obliczone widmo odbicia w funkcji długości fali przedstawione jest na
rysunku 2. Obserwowane wstęgi boczne powstają w wyniku wielokrotnych odbić z
przeciwnych stron obszaru siatki. Sinusoidalny kształt widma powstaje na skutek
matematycznych właściwości transformaty Fouriera sygnału harmonicznego o skończonym
czasie trwania – transformatą częstotliwościową odpowiedzi odbiciowej nieskończenie
6
długiej siatki byłaby delta. Ogólne wyrażenie na szerokość pasma FWHM 1 siatki przyjmuje
postać:
⎛ Δn 2 ⎞ ⎛ 1 ⎞
⎟⎟ + ⎜ ⎟
Δλ = λB s ⎜⎜
⎝ 2n0 ⎠ ⎝ N ⎠
2
(9)
w której N jest ilością prążków siatki. Parametr s ~1 dla silnych siatek (ze współczynnikiem
odbicia bliskim 100%) a dla siatek słabych ~0,5 [2].
Rys. 2. Widmo reflektancji siatki Bragga w funkcji długości fali [1].
2.3. Zastosowania
Z uwagi na dość unikalne właściwości filtrujące siatki Bragga i na fakt, iż są to elementy
światłowodowe łatwe do sprzęgania z torami transmisyjnymi znalazły wiele zastosowań i
stają się coraz bardziej powszechne w technice optofalowej.
Same w sobie siatki Bragga stanowią wąskopasmowe filtry optyczne pasmowo-zaporowe,
natomiast w konfiguracji ze sprzęgaczami optycznymi bądź cyrkulatorami stanowią filtry
pasmowo-przepustowe stosowane między innymi w technice WDM (do multipleksacji i
demultipleksacji w dziedzinie długości fali). Siatki chirped 2 w układzie z cyrkulatorem
optycznym stosowane są w sieciach optycznych do kompensacji dyspersji chromatycznej.
Siatki Bragga stosowane są również z powodzeniem w technice laserowej. Służą one zarówno
jako zwierciadła w laserach światłowodowych jak i do stabilizacji długości fali laserów.
Specjalny rodzaj siatek zwanych blazed 3 znalazł zastosowanie we wzmacniaczach
światłowodowych EDFA do wygładzania charakterystyki wzmocnienia.
1
FWHM (ang. Full-Width Half-Maximum) jest szerokością piku w połowie jego wysokości (w skali liniowej).
W przypadku siatek Bragga jest to szerokość spektralna siatki.
2
Siatka chirped to taka, która posiada zmienny period w funkcji swej długości. Istnieją dwa rodzaje siatek
chirped: a) o ciągłej zmianie okresu oraz b) o skokowej zmianie okresu – jest to w zasadzie kilka (kilkanaście)
przylegających do siebie siatek o nieco innych okresach [1][2].
3
Siatki blazed charakteryzują się tym, że ich prążki nie są prostopadłe do osi światłowodu, lecz nachylone do
niej pod pewnym niedużym (kilka stopni) kątem [1][2].
7
Z uwagi na czułość temperaturową i naprężeniową siatek Bragga (zmiana długości fali
Bragga w funkcji temperatury i/lub przyłożonego naprężenia) są one również szeroko
stosowane jako czujniki.
8
3. Wykonywanie światłowodowych siatek Bragga
3.1. Wodorowanie
Lemaire i współpracownicy jako pierwsi zaproponowali prosty, lecz efektywny sposób
uzyskiwania bardzo dużych światłoczułości światłowodów w zakresie UV przy użyciu
obróbki w wodorze w niskiej temperaturze przed naświetlaniem UV. Włókna umieszczone są
w wodorze w temperaturze 20-75°C pod ciśnieniem od ok. 20 atmosfer do ponad 750
atmosfer (przeważnie 150 atmosfer), co powoduje dyfuzję molekuł wodoru do rdzenia. W
ponad 95% przypadków równowagę rozpuszczalności w rdzeniu uzyskuje się przy
temperaturze pokojowej. Dzięki technice tej możliwe staje się uzyskanie zmian
współczynnika załamania na poziomie 0,01. Jedną z zalet wodorowania jest możliwość
nanoszenia siatek Bragga na dowolny światłowód germanowo-krzemionkowy, a nawet nie
zawierający germanu. Co więcej, obszary nie poddane naświetlaniu uwalniają wodór, co
powoduje, że nie ma on znaczącego wpływu na straty w żadnym z okien
telekomunikacyjnych [2].
3.2. Metoda maski fazowej
Spośród technik wykonywania światłowodowych siatek w niniejszej pracy została opisana
jedynie metoda maski fazowej, na której bazuje stanowisko zmontowane w Instytucie
Systemów Elektronicznych Politechniki Warszawskiej. Opis innych metod wykonywania
siatek Bragga znaleźć można między innymi w [1][2].
Jedną z najbardziej efektywnych metod wytwarzania siatek Bragga na fotoczułych
włóknach światłowodowych jest technika maski fazowej. W metodzie użyty jest dyfrakcyjny
element optyczny (maska fazowa – ang. phase mask) w celu przestrzennej modulacji UV
wiązki naświetlającej (rysunek 3(a)). Maska fazowa jest więc jedno-wymiarową siatką
dyfrakcyjną o periodzie Λpm, oraz wysokości stopnia dobranej tak, aby zminimalizować
zerowy rząd dyfrakcji (typowo mniej niż 5%). W dodatku plus i minus pierwszy rząd
dyfrakcji są maksymalizowane; każdy zawiera typowo więcej niż 35% transmitowanej mocy.
W pobliżu maski fazowej, przez nachodzenie na siebie wiązek plus i minus pierwszego rzędu,
wytworzony zostaje wzór interferencyjny. Period wzoru (Λ) jest połową okresu maski
(Λ=Λpm/2). Poprzez umieszczenie włókna w obszarze wzoru interferencyjnego następuje w
rdzeniu modulacja współczynnika załamania fotoczułego włókna.
Z uwagi na konieczność użycia tylko jednego elementu optycznego do wytworzenia
przestrzennego wzoru interferencyjnego, metoda maski fazowej zapewnia dużą powtarzalność
nanoszenia siatek. Z uwagi na bliskość umieszczenia światłowodu za maską fazową metoda ta
jest również odporna na wibracje mechaniczne.
9
Rys. 3. (a) Schemat układu z maską fazową do wykonywania światłowodowych siatek
Bragga; (b) charakterystyka reflektancji siatki wykonanej tą techniką [1].
10
4. Eksperymenty
4.1. Wytwarzanie siatek Bragga
4.1.1. Wodorowanie światłowodów
Wodorowanie światłowodów jest procesem polegającym na umieszczeniu włókien w
atmosferze wodoru w temperaturze pokojowej pod ciśnieniem 115 bar i ma na celu
zwiększenie ich fotoczułości. Powoduje to uczulenie światłowodu na działanie światła UV,
przez co uzyskuje się zmiany współczynnika załamania pod wpływem promieniowania UV
nawet rzędu 10-2.
Schemat stanowiska do wodorowania światłowodów znajdujący się na Wydziale Elektroniki i
Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej przedstawiony jest na rysunku 4.
Rys. 4. System do wodorowania światłowodów.
4.1.2. Nanoszenie światłowodowych siatek Bragga
Siatki Bragga wykonane zostały w laboratorium światłowodowych siatek Bragga na
Wydziale Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej we współpracy z
dr inż. Kazimierzem Jędrzejewskim oraz dr inż. Lechem Lewandowskim. Wykonano siatki
Bragga na czterech różnych typach światłowodów jednomodowych:
A – światłowód typu matched-cladding (o nie przesuniętej dyspersji)
B – SMF-28 (o nie przesuniętej dyspersji),
C – światłowód o przesuniętej dyspersji,
D – światłowód o przesuniętej i niezerowej dyspersji, typu W.
Naniesione siatki umieszczono w trzech typach obudowy, a mianowicie: P1 – obudowa
aluminiowa, P2 – rurka aluminiowa oraz P3 – rurka ze stali nierdzewnej.
Schemat stanowiska do wykonywania światłowodowych siatek Bragga metodą skanowania
maski fazowej przedstawiony jest na rysunku 5.
11
Silnik krokowy
Sterownik
silnika
krokowego
PC
Uchwyt na
światłowód
Soczewka
cylindryczna
FBG
Laser argonowy z kryształem BBO
Maska fazowa
Stolik przesuwny
Rys. 5. Schemat stanowiska do nanoszenia światłowodowych siatek Bragga metodą
skanowania maski fazowej [3].
Światło ciągłe o długości fali 244 nm generowane przez laser pada na soczewkę
cylindryczną, która powoduje przestrzenne formowanie wiązki tak, aby ją skupić w jednej
płaszczyźnie na rdzeniu (odległość soczewki od światłowodu jest równa jej ogniskowej).
Następnie wiązka ulega dyfrakcji na masce fazowej. Wiązki dyfrakcyjne ±1 rzędu tuż za
maską fazową interferują ze sobą. Na umieszczonym światłowodzie powstaje siatka Bragga w
postaci periodycznych zmian współczynnika pochodzących od maski fazowej. Omawiany
układ pozwala na wykonywanie siatek ze skanowaniem maski fazowej. Możliwe jest to dzięki
przesuwowi, na którym zamontowane są maska fazowa i uchwyty do światłowodu. W
metodzie tej stolik z maską i światłowodem przesuwany jest względem wiązki, dając efekt
skanowania. Pozwala to na wykonywanie siatek o różnej długości. Silnik krokowy sterowany
jest komputerem, co pozwala również na zmianę opóźnienia pomiędzy kolejnymi krokami a
zatem na wybór żądanego czasu naświetlania.
4.2. Wyznaczanie zależności parametrów siatek Bragga w funkcji czasu wodorowania i
czasu naświetlania
W celu oceny parametrów światłowodowych siatek Bragga w funkcji czasu wodorowania
oraz czasu naświetlania zaprojektowane i wykonane zostało stanowisko do pomiarów
spektralnych światłowodowych siatek Bragga (rysunek 6).
12
Laser
przestrajalny
FBG
Tłumik
optyczny
regulowany
Miernik
długości fali
Miernik
mocy
optycznej
GPIB
PC
Rys. 6. Stanowisko pomiarowe do wyznaczania charakterystyk spektralnych
światłowodowych siatek Bragga [4].
Urządzenia, wchodzące w skład stanowiska pomiarowego z rysunku 6, sterowane są poprzez
szynę GPIB przy pomocy aplikacji pomiarowej napisanej w środowisku LabWindows/CVI.
Możliwy jest pomiar charakterystyk spektralnych podzespołów elektronicznych w zakresie
1495 – 1640 nm. Poza zakresem spektralnym, parametrem definiowanym przez użytkownika
jest rozdzielczość pomiaru. Dzięki zastosowaniu lasera przestrajalnego Agilent 81640B (w
ramie 8164B) możliwe jest wyznaczenie charakterystyki spektralnej nawet z rozdzielczością
1 pm. Długość fali lasera kontrolowana jest wysokiej klasy miernikiem długości fali Burleigh
WA-1650 pozwalającym osiągnąć dokładność pomiaru długości fali rzędu 0,2 ppm (tj. około
0,3 pm przy 1550 nm). Zastosowanie miernika mocy optycznej HP81532A z głowicą
pomiarową HP81524A umożliwia pomiar poziomu mocy optycznej nawet rzędu -80dBm.
Rysunek 7 przedstawia wygląd panelu programu do wyznaczania charakterystyk spektralnych
siatek Bragga.
Rys. 7. Panel programu sterującego układu pomiarowego do pomiarów spektralnych
światłowodowych siatek Bragga.
13
W celu wyznaczenia zależności parametrów siatek Bragga w funkcji parametrów procesu
technologicznego badania podzielono da dwie części:
a) wyznaczenie zależności parametrów siatek Bragga w funkcji czasu naświetlania przy
stałym czasie wodorowania. Do badań użyto światłowodów typu matched-cladding
(A) oraz SMF-28 (B). Wykonano dwie serie 20-mm siatek za pomocą lasera o mocy
100 mW z różnymi czasami naświetlania. Światłowody wcześniej poddano procesowi
wodorowania przez okres 60 dni w temperaturze pokojowej pod ciśnieniem 115 barów
b) wyznaczenie zależności parametrów siatek Bragga w funkcji czasu wodorowania przy
stałym czasie naświetlania. Do badań użyto światłowodów o przesuniętej dyspersji (C)
oraz o przesuniętej i niezerowej dyspersji (D) poddanych procesowi wodorowania
(zastosowano różne czasy wodorowania) w temperaturze pokojowej i przy ciśnieniu
115 barów. Następnie na tych światłowodach wykonano 10-mm siatki stosując 15
minutową ekspozycję laserem UV o mocy 100 mW. W tym przypadku celowo
zastosowano długi czas naświetlania w celu zaobserwowania efektów towarzyszących
długiemu czasowi ekspozycji włókna.
Następnie zmierzono charakterystyki spektralne powstałych siatek i wyznaczono ich
parametry (długość fali Bragga, szerokość połówkową oraz reflektancję) w funkcji czasu
wodorowania oraz czasu naświetlania. Zależności powyższe zilustrowano na wykresach
(rozdziały 5.1.1 i 5.1.2).
4.3. Wyznaczenie współczynnika termicznego – zmian długości fali Bragga w funkcji
temperatury
Pomiary mające na celu wyznaczenie współczynnika termicznego zmian długości fali
Bragga w funkcji temperatury ΔλB/ΔT, polegają na wyznaczeniu długości fali Bragga na
podstawie charakterystyki spektralnej siatki dla różnych temperatur. W tym celu zastosowano
stanowisko pomiarowe z rysunku 8 umieszczając siatkę w komorze klimatycznej o
regulowanej temperaturze i wilgotności.
Jako że, zmiany długości fali Bragga w funkcji temperatury mają charakter liniowy, to
współczynnik ΔλB/ΔT można wyznaczyć z charakterystyki λB = f(T) jako zmiana długości
fali Bragga siatki odpowiadająca zmianie temperatury o 1 oC.
Wyznaczono współczynniki termiczne dla wszystkich czterech typów światłowodów. W tym
celu dokonano pomiarów długości fali Bragga siatek dla temperatur 0, 22, 50 oC i korzystając
z liniowej zależności λB = f(T) wyznaczono współczynniki termiczne jako stosunek różnicy
długości fali Bragga w temperaturach 0 i 50 oC przez różnicę tych temperatur.
B
ΔλB / ΔT =
λ50 C − λ0 C
o
o
50
Podczas pomiarów utrzymywana była stała wartość wilgotności równa 45%.
Charakterystyki λB = f(T) zobrazowano na wykresie (rozdział 5.2).
14
(10)
Komora
klimatyczna
Laser
przestrajalny
Tłumik
optyczny
regulowany
FBG
Miernik
mocy
optycznej
Miernik
długości fali
GPIB
PC
Rys. 8. Stanowisko pomiarowe badań termicznych i starzeniowych siatek Bragga [4].
4.4. Przyspieszone testy starzeniowe
W celu określenia zachowania się siatki Bragga w czasie, poddaje się ją procesowi
przyspieszonego starzenia w komorze klimatycznej w podwyższonej temperaturze. Do tego
celu użyto systemu pomiarowego z rysunku 8. Siatki poddano wygrzewaniu w komorze
klimatycznej w temperaturze 85 oC przez okres 22 dni mierząc kilkukrotnie w tym czasie ich
charakterystyki spektralne (w celu wyznaczenia ich parametrów). Na podstawie niniejszych
pomiarów wyznaczono charakterystykę znormalizowanej reflektancji R/Ro (gdzie Ro jest
wartością reflektancji siatki zmierzoną przed testem starzeniowym, natomiast R jest wartością
reflektancji zmierzoną po upływie czasu t od rozpoczęcia procesu przyspieszonego starzenia).
Ponadto w tabeli (rozdział 5.3) dokonano porównania długości fali Bragga oraz szerokości
połówkowej siatek przed i po okresie procesie wygrzewania.
15
5. Wyniki eksperymentów
5.1. Badanie parametrów światłowodowych siatek Bragga w funkcji parametrów
technologicznych
5.1.1. Wyznaczenie zależności parametrów siatek Bragga w funkcji czasu naświetlania
W wyniku pomiarów spektralnych charakterystyk siatek Bragga oraz wyznaczenia ich
parametrów w funkcji czasu naświetlania sporządziliśmy charakterystyki pokazane na
rysunkach 9, 10, i 11.
1535,7
Długość fali Bragga [nm]
1535,6
1535,5
1535,4
1535,3
1535,2
światłowód A
światłowód B
1535,1
100
150
200
250
300
350
400
Czas naświetlania [s]
Rys. 9. Zależność długości fali Bragga od czasu naświetlania [4].
Z powyższego rysunku wynika, iż zgodnie z teorią długość fali Bragga wzrasta z czasem
naświetlania [1][2]. Dzieje się tak, ponieważ ze wzrostem czasu naświetlania rośnie
efektywny współczynnik załamania włókna neff, który jest wprost proporcjonalny do długości
fali Bragga zgodnie z zależnością (3).
Mimo, iż siatki na obydwu światłowodach wykonane zostały przy użyciu tej samej maski
fazowej, długości fali Bragga nieco się różnią uwagi na różne współczynniki załamania
rdzenia światłowodów a także stopień nawodorowania zależny od rodzaju pokrycia oraz
struktury szkła.
16
60
Reflektancja [dB]
50
40
30
20
10
światłowód A
światłowód B
0
100
150
200
250
300
350
400
Czas naświetlania [s]
Rys. 10. Zależność reflektancji od czasu naświetlania [4].
Z powyższego rysunku 10 wynika, że reflektancja siatek Bragga wzrasta z czasem
naświetlania. W przypadku siatki na światłowodzie A w zakresie czasu naświetlania 100-350
s charakterystyka jest prawie liniowa, lecz dla dłuższych czasów naświetlania staje się ona
podobna do charakterystyki siatki na światłowodzie B. Jeżeli czas naświetlania jest za długi
pojawiają się dodatkowe efekty w postaci poszerzenia charakterystyki spektralnej oraz jej
spłaszczenia w bliskim sąsiedztwie długości fali Bragga, a także brak dalszego wzrostu
reflektancji (w przypadku siatek na obydwu rodzajach światłowodów – patrz również [3]).
0,25
FWHM [nm]
0,2
0,15
0,1
0,05
światłowód A
światłowód B
0
100
150
200
250
300
350
400
Czas naświetlania [s]
Rys. 11. Zależność FWHM od czasu naświetlania [4].
Jak widać na rysunku 11, kształt charakterystyk FWHM w funkcji czasu naświetlania jest
podobny do wykresów z rysunku 10. Dla czasów naświetlania z zakresu 100–350 sekund jego
wzrost powoduje poszerzenie charakterystyki spektralnej siatki.
Zaobserwowano również, iż dla większych czasów naświetlania charakterystyka wokół
długości fali Bragga staje się płaska, co uniemożliwia dokładne jej wyznaczenie.
17
5.1.2. Wyznaczenie zależności parametrów siatek Bragga w funkcji czasu wodorowania
W wyniku pomiarów spektralnych charakterystyk siatek Bragga oraz wyznaczenia ich
parametrów w funkcji czasu wodorowania sporządziliśmy charakterystyki pokazane na
rysunkach 12, 13, i 14.
1536,8
Długość fali Bragga [nm]
1536,6
1536,4
1536,2
1536
1535,8
1535,6
1535,4
światłowód C
światłowód D
1535,2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Czas wodorowania [dni]
Rys. 12. Zależność długości fali Bragga od czasu wodorowania [4].
1
0,9
0,8
FWHM [nm]
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
światłowód C
światłowód D
0,1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Czas wodorowania [dni]
Rys. 13. Zależność FWHM od czasu wodorowania [4].
18
8
70
Reflektancja [dB]
60
50
40
30
20
10
światłowód C
światłowód D
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Czas wodorowania [dni]
Rys. 14. Zależność reflektancji od czasu wodorowania [4].
Zgodnie z rysunkami 12, 13, i 14, zwiększenie czasu wodorowania powoduje przesunięcie
długości fali Bragga w kierunku fal dłuższych, zwiększenie reflektancji oraz FWHM. Z uwagi
na duży czas naświetlania dla siatek poddanych procesowi wodorowania większemu niż 4 dni
obserwujemy, że jego zwiększanie nie powoduje wzrostu reflektancji a jedynie poszerzenie
charakterystyki spektralnej (wzrost FWHM). Tak, więc w celu uzyskania siatek wąskich
(małe FWHM) o dobrze określonej długości fali Bragga konieczne jest znanie czasu
wodorowania i w zależności od niego należy dobrać czas naświetlania.
5.2. Zależności termiczne siatek Bragga
Na rysunku 15 przedstawiono zależności długości fali Bragga w funkcji temperatury dla
siatek na włóknach A, B i C.
1536,8
Długość fali Bragga [nm]
1536,6
1536,4
1536,2
1536
1535,8
1535,6
1535,4
1535,2
światłowód A
światłowód B
światłowód C
1535
1534,8
0
10
20
30
40
50
60
o
Temperatura [ C]
Rys.15. Liniowa zależność długości fali Bragga od temperatury [4].
Współczynnik temperaturowy wszystkich siatek posiada podobną wartość (z zakresu 10,5 –
11,5 pm/oC). Badania temperaturowe siatek Bragga przed i po zapakowaniu pokazują, iż
19
zastosowane przez nas obudowy prawie nie zmieniają czułości temperaturowej siatki –
natomiast służy raczej do jej ochrony przed czynnikami zewnętrznymi (między innymi przed
naprężeniami włókna).
5.3. Testy starzeniowe
Na podstawie pomiarów dokonywanych podczas testu starzeniowego sporządzono
charakterystykę znormalizowanej reflektancji w funkcji czasu wygrzewania (rysunek 16).
Znormalizaowana reflektancja R/Ro [-]
1
0,95
0,9
0,85
0,8
0,75
0,7
światłowód A (siatka słaba) obudowa P1
światłowód A (siatka silna) obudowa P3
światłowód B (siatka silna) obudowa P2
światłowód B (siatka silna) obudowa P3
0,65
0,6
0
5
10
15
20
25
Czas wygrzewania [dni]
Rys. 16. Charakterystyka znormalizowanej reflektancji w funkcji czasu starzenia [4].
W wyniku procesu przyspieszonego starzenia zauważono, że ze wzrostem czasu wygrzewania
zmniejsza się reflektancja siatek. Drastyczne zmiany uzyskuje się w pierwszych momentach
wygrzewania, a następnie stają się one powolniejsze. W przypadku siatki słabej względne
zmiany reflektancji są większe niż w przypadku siatek silnych, lecz również w tym przypadku
siatka osiąga ustaloną wartość reflektancji po kilku dniach wygrzewania.
Po wygrzewaniu zmierzono charakterystyki spektralne siatek oraz wyznaczono ich parametry
porównując je z parametrami sprzed testów starzeniowych. Okazało się, iż oprócz
zmniejszenia reflektancji z biegiem czasu, zmniejszyło się również FWHM oraz długość fali
Bragga przesunęła się w kierunku fal krótszych. Porównanie parametrów siatek przed i po
starzeniu przedstawia poniższa tablica 1.
Tabl. 1. Zestawienie wartości parametrów siatek Bragga przed i po procesie przyspieszonego
starzenia [4].
Długość fali
Bragga [nm]
FWHM [nm]
Przed / Po
starzeniu
Przed
Po
Przed
Po
światłowód A światłowód A światłowód B światłowód B
obudowa P1 obudowa P3 obudowa P2 obudowa P3
1535,192
1535,218
1535,656
1535,664
1535,123
1535,172
1535,591
1535,606
0,074
0,125
0,141
0,178
0,066
0,112
0,131
0,162
20
6. Zastosowanie siatki Bragga jako wzorca długości fali
Jednym z punktów kalibracji analizatorów widma promieniowania optycznego jest
wyznaczenie poprawki długości fali Δλλ w stosunku do długości fali odniesienia λREF zgodnie
z równaniem
Δλλ = λREF - λOSA
(11)
gdzie λOSA jest wartością zmierzoną wzorcowanym analizatorem widma [5]. Zaleca się
również wyznaczenie poprawki różnicy długości fali ΔλΔλ
ΔλΔλ = ΔλREF - ΔλOSA
(12)
gdzie ΔλREF jest wzorcową różnicą długości fali, a ΔλOSA jest zmierzoną analizatorem widma
przy pomocy markerów różnicą długości fali.
W celu zastosowania światłowodowej siatki Bragga jako wzorca długości fali ważne jest, aby:
- opanować proces nanoszenia siatek Bragga, tak aby uzyskiwać siatki o dobrze
określonej długości fali (zbyt długie naświetlanie powoduje spłaszczenie
charakterystyki transmisyjnej w sąsiedztwie λB)
- zminimalizować wpływ temperatury i naprężenia na parametry siatki
- znać wartość współczynnika termicznego (współczynnika określającego zmiany
długości fali Bragga w funkcji czasu naświetlania)
- wziąć pod uwagę zmiany parametrów siatki Bragga w funkcji czasu
6.1. Siatka Bragga jako wzorzec długości fali
W celu zastosowania światłowodowej siatki Bragga jako wzorca długości fali, należy brać
pod uwagę zmiany długości fali w funkcji temperatury. Stabilność długości fali Bragga będzie
zależała od zmian temperatury w laboratorium. W przypadku naszego laboratorium, gdzie
temperatura wynosi 23±1 oC, długość fali Bragga może zmieniać się maksymalnie o około
±12 pm wokół λB.
W celu zminimalizowania niepewności długości fali siatki Bragga jako wzorca długości fali i
przy założeniu, że znamy współczynnik temperaturowy siatki oraz temperaturę pracy można
dokonać korekcji długości fali wzorca korzystając z zależności
λB = λBo+ (To – T)⋅ ΔλB/ΔT
(13)
gdzie λB – długość fali Bragga wzorca długości fali w warunkach normalnej pracy w
temperaturze T, λBo – długość fali Bragga wzorca długości fali wyznaczona podczas jego
kalibracji w temperaturze To, ΔλB/ΔT – współczynnik temperaturowy siatki Bragga jako
wzorca długości fali.
Z uwagi na zmianę parametrów siatki w funkcji czasu zaleca się od czasu do czasu
kalibrowanie siatki Bragga (jako wzorca długości fali) z możliwie największą dokładnością
pomiaru.
21
Po wykonaniu siatki Bragga, która ma służyć jako wzorzec długości fali zaleca się
przeprowadzenie wygrzewania wstępnego siatki w celu ustabilizowania jej parametrów (patrz
wykres z rysunku 16).
6.2. Siatka Bragga z szeregiem pików jako wzorzec różnicy długości fali
Podczas badania zależności parametrów siatki w funkcji czasu wodorowania włókna o
przesuniętej i niezerowej dyspersji okazało się, że dla długich czasów naświetlania (około 15
minut) od strony fal krótkich pojawia się dodatkowy pik oraz seria pików podobna do tych
występujących w siatkach typu blazed [1][2]. Charakterystyka spektralna takiej siatki
pokazana jest na rysunku 17. Na rysunku zaznaczony został również obszar siatki z serią
pików, które mogą być wykorzystane do wzorcowania różnicy długości fali.
10
0
Transmisja [dB]
-10
-20
-30
-40
-50
-60
-70
1515
1520
1525
1530
1535
1540
Długość fali [nm]
Rys. 17. Transmisyjna charakterystyka spektralna siatki Bragga z szeregiem pików od strony
fal krótkich [4].
Wpływ zmian temperatury na serię pików jest podobny jak w przypadku siatek Bragga
opisanych powyżej. Po dokonaniu szeregu pomiarów okazało się jednak, że, mimo iż przy
zmianach temperatury charakterystyka spektralna przesuwa się, to odległości pomiędzy
poszczególnymi pikami pozostają stałe bez względu na temperaturę. W przedziale temperatur
0...50 oC odległości pomiędzy kolejnymi pikami różnią się co najwyżej o 2 pm (bowiem jest
to podwojona niepewność pomiaru długości fali, czyli niepewność pomiaru różnicy długości
fali). Wykres ilustrujący zmierzone odległości między poszczególnymi pikami przedstawiony
jest na rysunku 18.
22
1,05
0 stopnia C
22 stopnie C
50stopni C
Róźnica długości fali [nm]
1
0,95
0,9
0,85
0,8
0,75
0,7
0,65
0,6
0,55
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Numer piku
Rys. 18. Zmierzone wartości różnicy długości fali pomiędzy kolejnymi pikami w
temperaturach 0, 22 i 50 OC.
W przypadku siatki z serią pików w wyniku zastosowania procesu przyspieszonego starzenia
zaobserwowano zmniejszenie reflektancji pików oraz zmniejszenie długości fali
poszczególnych pików. Natomiast odległości pomiędzy poszczególnymi pikami zostają takie
same (z dokładnością do niepewności pomiaru).
Istnieje więc możliwość stosowania siatki Bragga z szeregiem pików jak wzorca do kalibracji
różnicy długości fali w analizatorach widma promieniowania optycznego. Niepewność
wzorcowania różnicowej długości fali zależy w zasadzie jedynie od dokładności pomiaru
charakterystyki spektralnej wzorca oraz stałości temperatury podczas tych pomiarów. Stałość
temperatury można uzyskać umieszczając siatkę w komorze klimatycznej, natomiast dużą
dokładność wyznaczenia długości fali pików poprzez zastosowanie pomiaru z dużą
rozdzielczością (w przypadku naszego laboratorium około 1 pm). Toteż zachowując stała
temperaturę z dokładnością do ± 0,2 oC oraz dokonując pomiaru z rozdzielczością 1 pm
można powiedzieć, że długości fali pików znane są z dokładnością do 3,5 pm. Czyli
dokładność różnicy długości fali będzie wynosiła 2*3,5 pm= 7 pm.
Ponieważ w procesie kalibracji analizatorów widma promieniowania optycznego pomiar
różnicowej długości fali jest różnicą pomiarów długości fali dwoma markerami w tym samym
czasie, jest więc niezależny od temperatury.
Z uwagi na fakt, iż odległość pomiędzy odpowiednimi długościami fali pików jest niezależna
od czasu to czynnik niepewności odpowiadający temu zjawisku jest równy zero.
Po wykonaniu siatki, która ma służyć jako wzorzec różnicy długości fali zaleca się wykonanie
wygrzewania wstępnego siatki w celu ustabilizowania jej parametrów (patrz wykres z
rysunku 16).
23
Bibliografia
[1] Kashyap R.: Fiber Bragg Gratings. Academic Press, 1999
[2] Othonos A., Kalli K., Fiber Bragg Gratings. Fundamentals and Applications in
Telecommunications and Sensing, Artech House Optoelectronics Library, 1999
[3] Osuch T., Gąsior P., Lewandowski L.: System for modification of exposure time in fiber
Bragg gratings fabrication with using scanning phase mask method, Proc. SPIE, 2005,
Vol. 5775, pp. 222-226
[4] T.Osuch, T.Kossek, K. Jędrzejewski, L. Lewandowski: Thermal and aging tests of fiber
Bragg gratings as wavelength standards, Proc. SPIE, 2005, Vol.5951, pp. 115-124
[5] IEC/PAS 62129 Ed 1.0: Calibration of optical spectrum analyzers. 2003
24