Światłowody fotoczułe oraz włókna Hollow-Core

Włókna fotouczulone
oraz
włokna z pustym rdzeniem
Photosensitive Fibers
and
Hollow-Core FIbres
•
•
•
•
•
•
•
•
Wprowadzenie , projektowanie i wytwarzanie
Standardowe włókna jednomodowe
Włókna z dużą aperturą numeryczną
Włókna CMS z ograniczeniem transmisji płaszczowej
Włókna z domieszkowaniem ziem rzadkich
Włókna utrzymujące polaryzacje
HCF – wprowadzenie, sposób prowadzenia fali
Propagacja fali we włóknie z pustym rdzeniem:
• Włókno z metalowym płaszczem
• Wielowarstwowe dielektryczne lustro Bragga (1D
fotoniczny kryształ)
• krzyształ fotoniczny 2D
• Zastosowanie włókien z pustym rdzeniem
Wprowadzenie
Fotoczułość ośrodka jest definiowana jako jego zdolność do posiadania całkowicie
zmienionej co do własności fizycznych i chemicznych współczynnika załamania
ośrodka poprzez naświetlanie. Tutaj zajmować się będziemy wyłącznie
fotoczułością domieszkowanego germanem włókna dla, którego wartość
współczynnika załamania rdzenia może być całkowicie zmieniona za
pośrednictwem naświetlania ultrafioletowego.
Po raz pierwszy fotoczułóść została zaobserwowana w 1978 w Communicatrion
Research Centre (CRC) Kanada przy pracach nad przestrajalnym światłowodowym
laserem ramanowskimna bazie High NA jednomodowego włókna z Bell Northern
Research (BNR).
Początkowo wolny rozwój tej technologii włókien wiązał się z jednostronnym
zastosowaniem włókien BNR. Dopiero 11 lat później w 1999 prace Meltza dotyczące
FBG metodą holograficzną dają niezwykle gwałtowny rozwój tych włókien.
Zapoczątkowana metoda bocznego zapisu siatki Bragga w uczulonym włóknie,
poprzez maskę fazową lub wzorzec interferencyjny, jest obecnie powszechnie
stosowana i wykorzystywana do wytwarzania FBG, a także:
-siatek długo-okresowych dla czujników temperatury, naprężeń i ciśnienia,
- luster laserów włóknowych,
- filtrów dzielników długości fali,
- filtrów o płaskim wzmocnieniu dla wzmacniaczy laserowych,
- ‘chirped’ FBG dla kompensacji impulsów i dyspersji.
Projektowanie i wytwarzanie
Rozszerzenie możliwości fotouczulenia – poprzez konstrukcje optymalnego
przekroju poprzecznego włókna względem rozkładu współczynnika załamania, jego
geometrii i składu chemicznego we włóknach: SSMF z wodorowaniem (H2), HNA z
wysoko-domieszkowanym Ge rdzeniem, RED, PM, POF.
Fotoczułymi chemicznymi składnikami są niemetale z IIIA, IVA i VA grupy okresowej
pierwiastków połączone z tlenem w formę szkieł tlenkowych.
Standardowe włókno jednomodowe SSMF
SSMF ma NA=0.12, co odpowiada ok. 4 mol% koncentracji GeO2 przy skokowym
rozkładzie współczynnika załamania z ∆n=0.005. Nie jest to bezpośrednio fotouczulone włókno, jednakże ze względu na optymalne własności transmisyjne
stanowi ono głównego kandydata dla zapisy FBG w zastosowaniach do: filtrów
długości fali czy też kompensatora dyspersji nawet w czujnikach temperatury i
naprężeń.
Jednakże dla takiego włókna fotoczułość jest na poziomie 3x10-5 i może być
zwiększona poprzez wodorowanie co zwiększy zakres zmian
(modulacji)
współczynnika załamania nawet do 10-3, co obecnie jest uważane za najlepszy
sposób na zapis nisko-stratnych, silnie krótko okresowych siatek z wysoką
stabilnością długości fali.
Włókna krzemowo-germanowe z domieszkowaniem borowym
Zwiększenie koncentracji Ge uczula włókno i może być to osiągnięte poprzez
domieszkę B, zwłaszcza przy obecności tego pierwiastka w rdzeniu i następnie
dokonaniu wodorowania struktury. Typowe koncentracje B203 i GeO2 są 8 i 12
mol% (włókno PS-SMF-30).
Możliwe jest też domieszkowanie antimonem (Sb) – tłumienie 700 dB/km
@1550nm, czy tinem (Sn) – głeboki dip
FIG. 1 Profil składników w PS-SMF-30 preformie.
FIG. 3 Porównianie rozkładu ‘n’ dla SMF i
PS-SMF-30.
FIG. 2 Profil ‘n’ w preformie PS-SMF-30
Włókna o dużej aperturze numerycznej
HNA włókna mają NA=0.2-0.4 i są otrzymywane poprzez wysoką koncentrację Ge
we rdzeniu. Jednakże zachowanie warunku jednomodowości V<2.405:
Wymaga posiadania przez te włókna mniejszej średnicy rdzenia ((od 2 do 7 µm) 
mniejsze MFD, oraz wyższe straty w połączeniu z SSMF (0.05 dB 0.2 dB).
Zatem wzrost efektywnej długości fali odbitej jest skorelowany ze skokiem
współczynnika załamania i osiąga 4.5 nm dla NA=0.25 oraz 12 nm dla NA=0.4.
HNA umożliwiają zmianę współczynnika
załamania na bazie fotoczułości na
poziomie 10-3, mają wyższą od SMMF
tłumienność ale niższą od PS-SMF-30 t
i inne parametry podobne do SSMF
(poza NA).
FIG. 4 Profil ‘n’ w PS-HNA-40
- HNA tin (Sn) domieszkowane
włókno krzemowo-germanowe:
4.8 um rdzeń, NA=0.2, stratność 3
dB/km@1300 i 2 dB/km@1550
czyli mniej niż powyższe (25 i 115
dB/km), przy tym samym poziomie
fotoczułosci, ale bardzo niestandardowa technologia
FIG. 5 Porównanie tłumienności PS-HNA-40 z PS-SMF-30.
Włókna o ograniczeniem transmisji płaszczowej CMS
FBG wpisane w SSMF wprowadzają sprzężenie mocy do modów płaszczowych
jako uboczny skutek odbicia modu podstawowego. Jako najlepsze rozwiązanie
przyjmuje się konstrukcję włókna z fotouczulonym płaszczem- CMS
FIG. 6 Porównanie widma
transmisyjnego FBG wpisanych
w SMMF oraz CMS typu PSRMS-28.
Włókna z domieszkowaniem ziem rzadkich (RED)
Fotoczułe włókna z RED są ważne dla wytwarzania wnęk laserów włóknowych.
Jednakże zastąpienie Ge przez Al lub P – usuwa pasmo absorpcyjne wokół 240 nm
i tym sposobem redukuje foto-indukowaną zmianę współczynnika załamania.
Używane na rdzeń RED Ge/Al/Si szkło ma wrodzoną fotoczułość o ile koncentracja
GeO2 jest co najmniej 20 mol%. Poniżej tej wartości wymagane jest wodorowanie.
Włókna utrzymujące polaryzację
Fotoczułe włókno PM musi mieć niskie przesłuchy, niską stratność transmisyjna
oraz dobrą charakterystykę mechaniczną w przypadku występowania zgięć włókna.
Dlatego też dla tego typu włókna wybrano włókno typu PANDA posiadające HNA.
HDF – wprowadzenie, sposób prowadzenia fali
Zamiast poszukiwać materiału na rdzeń włókna posiadającego najlepsze właściwości dla
szczególnych zastosowań lub długości fali, można rozważyć inne podejście – wykorzystać
włókno, które prowadzi światło wewnątrz pustego rdzenia. We włóknie takim płaszcz
odgrywa rolę lustra odbijającego padające światło z powrotem do rdzenia. W odróżnieniu do
włókna o pełnym rdzeniu, w pustym rdzeniu większość mocy optycznej prowadzona jest w
powietrzu, którego optyczne własności są dramatycznie różne niż dowolnego stałego
materiału. Oczywiście mała część zanikającego pola penetruje płaszcz zatem własności
materiału użytego na płaszcz nadal mają wpływ na charakterystyki transmisyjne włókna,
jednakże w bardzo ograniczonym zakresie (stratność i nieliniowość włókna z pustym
rdzeniem może być o kilka niższa niż dla włókna klasycznego).
HCF prowadzą światło dzięki odbijającemu płaszczowi. Ponieważ współczynnik załamania
płaszcza jest zazwyczaj wyższy niż rdzenia, mechanizm prowadzenia jest odmienny od
całkowitego wewnętrznego odbicia: - wykorzystanie odbijających własności płaszcza:
- Metalowa rura z opcjonalnym dielektrycznym pokryciem,
- Wielowarstwowe dielektryczne lustro Bragga (1D kryształ fotoniczny),
- 2D kryształ fotoniczny
FIG. 7 Trzy zasadnicze sposoby realizacji prowadzenia fali w pokazanym z lewa HCF
Propagacja fali we włóknie z pustym rdzeniem
Rozprzestrzenianie fali elm w strukturze traktujemy jako propagację
monochromatycznej fali o częstotliwości kołowej ω i zależności czasowej exp(-iωt),
Podłużna niezmienniczość struktury wzdłuż jej osi (oś z) sugeruje, że pola elm
prowadzone w tej strukturze mają z-zależność typu exp(iβz), stąd będące
rozwiązaniem równań Maxwella fale płaskie mogą być zapisane jako:
Gdzie dla wybranych dyskretnych wartości osiowego wektora fali otrzymujemy
mody prowadzone zależne od rozkładu ε(x,y)/ε0=n2(x,y), przy czym dla danego
modu osiowy wektor fali zależy od częstotliwości kołowej β=β(ω).
Z fizycznego punktu widzenia możliwe jest podanie podstawowych właściwości
prowadzonej w strukturze fali (na bazie analizy β, ω oraz wartości współczynników
załamania rdzenia i płaszcza). Ponieważ:
Zatem zależnie od tego czy β jest > lub < od pierwszego członu, poprzeczny wektor
falowy jest urojony lub rzeczywisty a zatem fala nie propaguje się bądż propaguje w
strukturze. Linia 1 członu rozdzielająca te dwa obszary zwana jest linią śwaitła dla
materiału o danym „n”.
FIG. 8 Zależność dla danego n pomiędzy (β, ω) warunkujące mody w strukturze
Linia ciągła – krzywa dyspersyjna modu prowadzonego w strukturze,
Ciemnoszary obszar – obszar modów radiacyjnych (propagujących się w płaszczu)
Jasnoszary obszar – obszar dla modów ograniczonych w rdzeniu
a) Mody prowadzone istnieją wyłącznie dla przypadku gdy współczynnik załamania
rdzenia jest wyższy od współczynnika złamania płaszcza,
b) Mody nie występują w płaszczu – mody prowadzone występują w wewnętrznym
obszarze powyżej linii światła dla próżni
c) Mody prowadzone w rdzeniu oraz wewnątrz fotonicznych przerw 1D lub 2D
fotonicznego płaszcza
Włókno z metalowym płaszczem
Otoczenie powietrznego rdzenia poprzez płaszcz z wysoko odbijającego metalu jest
najprostszym sposobem zapewnienia prowadzenia światła. Dla doskonałego metalu
działającego jak lustro fala jest odbijana do obszaru rdzenia, zaś rozwiązanie
analityczne tego problemu wynika bezpośrednio z rozwiązania równań Maxwell’a
dla takiej struktury. Jeśli wnętrze falowodu zawiera pojedyńczy homogeniczny
materiał dielektryczny, pola modowe mogą być rozdzielone na dwie polaryzacje TE
oraz TM z zanikającymi składowymi osiowymi. Analiza tych modów dla HCF z
kołowym przekrojem poprzecznym daje:
-dla TM pól modowych dozwolony osiowy wektor falowy dla częstotliwości ω:
gdzie m jest indeksem kątowym modu (exp(imθ)), zaś n określa radialną zależność
modu., R – promień rdzenia, a xmn jest n-tym pierwiastkiem Bessla Jm(x).
-dla TE pól modowych dozwolony osiowy wektor falowy dla częstotliwości ω:
Gdzie ymn jest n-tym pierwiastkiem dJm(y)/dy.
Każdy (w odróżnieniu od TIR) mod posiada częstotliwość odcięcia poniżej której
staje się polem zanikającym: TM - ωc=c xmn/R, TE - ωc=c ymn/R.
Oczywiście dla perfekcyjnego metalu nie ma strat jednakże metale posiadają
skończoną przewodność, zatem mody propagacyjne będą penetrować na pewną
odległość metal, stąd będą stratne. (Dać warstwy dielektryczne na wierzch).
Wielowarstwowe dielektryczne lustro Bragga (1D
fotoniczny kryształ)
Wykorzystana jest własność 1D periodycznego kryształu (okresowość w jednym
kierunku) jako lustra odbijającego. Pierwszy przykładem jest włókno Bragga (nie
mylić z FBG gdzie okresowość jest wzdłuż włókna a nie wzdłuż jego promienia).
Szczególny przykład to OmniGuide fiber, pokazany poniżej. Użyty 1D fotoniczny
band-gap odbija doskonale światło (w zadanym zakresie częstotliwości) bez
względu na absorpcję materiału, SOP i kąta padania. Są dla IR (λ> 10 µm) oraz UV
(λ<350 nm) .
FIG. 9 Jednokierunkowe fotoniczne włókno band-gap. Lewy – idea struktury posiadającej
periodyczną zmianę współczynnika załamania w kierunku radialnym. Środek – włókno
OminGuide. Prawy – powiększenie środkowej części ukazujące strukturę 1D PhC.
Dla przykładu rozpatrzmy planarne lustro Bragga z zespołu warstw o n1=2.7, n2=1.6
i grubości d1=0.33a, d2=0.67a, gdzie a=d1+d2 to tzw. grubość dwuwarstwy.
Rozwiązanie numeryczne dla takiej struktury (podobne do teorii półprzewodników z
wykorzystaniem funkcji Blocha da obraz:
FIG. 10 Struktura pasmowa wielowarstwowego dielektrycznego lustra. Ciemnoniebieskie
obszary – obszar zabroniony dla propagacji fali. Jasnoszary obszar pomiędzy dwiema liniami –
zakres częstotliwości jednowymiarowego reflektora. Prawy Widmo transmisyjne dla HC
OmniGuide włókna w wielowarstwowym płaszczem o parametrach zbliżonych do symulacji.
Włókno HC na bazie 2D kryształu fotonicznego
Wykorzystana jest własność 2D periodycznego kryształu (okresowość w dwu
kierunkach), i jest to podgrupa PCF typu BG (band-gap). Uzyskuje się stratność
rzędu 1.7 dB/km@1550 nm. Pierwsze zaprezentowane rozwiązanie przez Knight’a
ma tą przewagę, iż wytwarzane jest z jednego materiału – krzemionki, jednakże
zagubiona jest tu symetria cylindryczna, co oznacza iż mody mogą łatwo sprzęgać
się - wówczas włókna o większej średnicy rdzenia są wrażliwe na stany
powierzchni oddziaływania.
FIG. 11 Schemat oraz realizacja HC dwu wymiarowego periodycznego pasmowego włókna
oraz jego praktyczna realizacja
FIG. 12 Rozkład natężenia modów podtrzymywanych przez pusty rdzeń HC PCF. Górne
zdjęcie: trzy mody dla 1.2a rdzenia przy β=1.6 – 1.7 . Dolne zdjęcie: dwa mody dla 1.4a rdzenia
przy β=1.6 odpowiadające liniowo spolaryzowanemu modowi oraz „azymutalnie
spolaryzowanemu” modowi typu TE01.
Zastosowania włókien z pustym rdzeniem
•
•
•
•
•
Zastosowania medyczne – umożliwiają wykorzystanie długości fal
niedostępnych dla klasycznych włókien telekomunikacyjnych (np. > 2.1 um w
tym Er:YAG laser o λ=2.94 um, czy laser CO2 na λ=10.6 um, gdzie ze względu
na duża absorpcję promieniowania przez wodę będącą głównym budulcem
tkanek można zastosować te lasery jako skalpery, zaś HCF pozwala na
efektywną transmisję mocy.
Potencjalne zastosowania telekomunikacyjne – niskie straty dla 1.6 um nawet
do 0.01.dB/km przy OmniGuide Fiber z As2Se2 i 20 dwuwarstwami dla
odpowiednio dobranej średnicy rdzenia. Efekty nieliniowe generalnie
zredukowane co pozwala na zastosowanie wyższych transmitowanych mocy
oraz gęściejszego podziału w WDM.
Zastosowanie jako komórki gazowe – dla zastosowań w optyce nieliniowej,
czujnikach chemicznych, optyce kwantowej, pomiarach częstotliwości.
Zastosowanie w zdalnych pomiarach czujnikowych zwłaszcza promieniowania
– czujniki temperatury (promieniowanie ciała doskonale czarnego),
niebezpiecznych substancji w środowisku. Wykorzystywana jest tu własność
oferowania przez HCF znacznie szerszego pasma transmisyjnego jak i
nowych długości fali ( 3- 20 um).
Zastosowania przemysłowe – wraz z zastosowaniem lasera CO2 do cięcia ,
spawania czy znakowania elementów jako element dostarczający moc za
pomocą miękkiego przewodu.