Włókna utrzymujące polaryzację oraz włókna

Włókna utrzymujące polaryzację oraz włókna

Włókna utrzymujące
polaryzację oraz
domieszkowane metalami
sziem rzadkich
Polarization Maintaining Fibers
And
Rate Earth-Doped Fibres
• PMF - co to za włókna i po co one są
• Jak działa PMF
• Typy PMF: dwójłomność naprężeniowa i geometryczna
• Metody wytwarzania PMF
• Zasadnicze parametry charakteryzujące PMF
• Własności mechaniczne i eksploatacyjne
• REDF - uzasadnienie
• Uczulone szkła dla jonów ziem rzadkich
• Wytwarzanie REDF
• Włókna domieszkowane erbem
• Systemy z dodatkowym domieszkowaniem Er/Yb
• Włókna z podwójnym płaszczem
Co to za włókna i po co one są
Włókna: utrzymujące polaryzację (ang. polarization maintaining, PM), zachowujące
polaryzację (ang. polarization preserving), wysokodwójłomne (ang. High
Birefringence, HiBi) a nawet zatrzymujące polaryzację (ang. polarization retaining),
to włókna mające własność zachowania niezmienionego SOP wiązki do nich
wprowadzonej nawet przy istnieniu zewnętrznych środowiskowych zaburzeń
PM są używane w wielu zastosowaniach w których to wymagana jest transmisja
oraz dzielenie i oddziaływanie wiązek spolaryzowanych:
• układy interferometryczne,
• żyroskop światłowodowy,
• komunikacja koherentna,
• optyka zintegrowana,
• bezkontaktowe metody pomiaru prędkości przepływu LDV, LDA
• kombainery dla pomp EDFA
• czujniki prądu
• optyczna tomografia koherentna OCT
FIG. 1 Uproszczony schemat FOG w tzw.
konfiguracji minimalnej.
FIG. 2 Odbiornik komunikacji koherentnej.
FIG. 3 Modulator w technologii optyki
zintegrowanej.
FIG. 4 Podstawowe elementy systemu LDA.
Pojęcie velocimetry oraz anemometry nie są tożsame. LDV odnosi się do pomiaru
prędkości ciał stałych lub cieczy (także do pomiarów wibracji), podczas gdy LDA
dotyczy pomiaru prędkości gazów lub par.
• kombinery dla pomp EDFA
• czujniki prądu
• optyczna tomografia koherentna OCT
Jak działa włókno utrzymujące polaryzację
FIG. 5 Mody podstawowe światłowodu jednomodowego.
Warunek odcięcia modów otrzymuje się poprzez przyjecie w=0, co dla równania na
wartości własne prowadzi do relacji:
pokazującej, iż zera funkcji Bessela dają odpowiednie warunki odcięcia modu l.
LP01 - mod podstawowy HE11 bez odcięcia w strukturze,
LP11 – połączenie modów TE01, TM01 i HE21 z odcięciem V=2.405 – pierwsze zero J0,
HE11 mod podwójnie zdegenerowany  HE11 X oraz HE11 y jednakowe przestrzenne
rozkłady pola elektrycznego o liniowym SOP i stałe propagacji βx= βy .
W rzeczywistości brak idealnej kołowej symetrii rozkładu współczynnika załamania
prowadzi do rozprzężenia modów i losowego przekazu mocy pomiędzy modami –
zmienny SOP.
PM – technicznie tak wytworzone by uniemożliwić przekazywanie mocy pomiędzy
modami poprzez zapewnienie dużej różnicy w szybkości propagacji obu modów.
Typy włókien utrzymujących polaryzację: dwójłomność
naprężeniowa i geometryczna
FIG. 6 Rodzaje PM z dwójłomnością typu naprężeniowego.
FIG. 7 PM z dwójłomnością
geometryczną.
FIG. 8 Przykład
włókna PCF-PM
FIG. 9 Zakres działania włókna
polaryzującego (3M->Honowey)
Metody wytwarzania włókien utrzymujących polaryzację
FIG. 10 Bowtie perform – Inside Vapor-Phase Oxidation
FIG. 11 Bowtie perform –
faza ogrzewania gazowego
FIG. 12 Bowtie perform – nanoszenie rdzenia i kolaps
FIG. 13 PANDA (Polarization-maintaining AND Absorption reducing) perform wytwarzanie
FIG. 14 Eliptyczny płaszcz – krok 1
MCVD performa z domieszkowanym
borem wewnętrznym pierścieniem
FIG. 15 Eliptyczny płaszcz – krok 2 wytwarzanie
eliptycznego płaszcza
FIG. 16 Eliptyczny płaszcz – krok 3 spłaszczanie i
symetryzowanie struktury w procesie wyciągania
FIG. 17 Wytwarzania PCF-PM
Parametry charakteryzujące włókna PM - własności
mechaniczne i eksploatacyjne
• Tłumienność – zasadniczo wyższa niż dla standardowych SMF, bo: inna długość
fali, istnienie wywierających naprężenia obszarów oraz domieszkowanie rdzenia; .
dla 1550 nm daje to ok. 1.5 dB/km przy 0.2 dB/km SMF-28.
• NA – jest zazwyczaj wyższa niż dla SMF bo są one przystosowane do mniejszych promieni zgięcia stąd NA w zakresie 0.16 – 0.20 ale uwaga na definicję NA bo dla obu osi
różnica jest ok. 2.5% gdyż:
• Długość fali odcięcia – PM są oferowane na
zakresy 488-532 nm, 633-680nm, 780-850 nm, 9401100nm, 1310-1550 nm, 1530-1610 nm,
• MFD – zależnie od długości fali działania od ok.
2.75 um do 8 um – Uwaga na eliptical core gdyż:
• Długość zdudnień (ang. Beat Length Lp) – Jest to odległość wzdłuż włókna po
której jest odtworzony liniowy stan polaryzacji dla pobudzenia włókna wiązką liniowo
spolaryzowaną pod kątem 45 stopni do obu osi włókna. Parametr ten jest
charakterystyczny dla samego włókna PM i dlatego służy do porównania różnych
PM. Z definicji:
Lp=λ/B=λ/(nslow-nfast)
• Stosunek pobudzenia (ang. Extinction Ratio ER) – charakteryzuje zdolność
utrzymania polaryzacji w przypadku oddziaływań zewnętrznych. ER jest stosunkiem
mocy pojawiającej się w „niepożądanym” modzie do mocy pozostającej w modzie
pobudzonym, typowo podawanym w dB:
ER=10log10(Pu/Pw)
• Parametr H – jest wyrażoną w potędze dziesiętnej wartością ER przypadającą na
długość jednostkową włókna. Np. ER=-30dB otrzymane na 1000 m jest identyczne
z parametrem H równym :
zapisywanym jako 10-6
REDF - zasadnienie
Domieszkowanie ziemiami rzadkimi (ang. Rare Earth Doping) mające korzenie w
technologii włókien w latach 60 ubiegłego stulecia, jest jedną z zasadniczych sił
rozwoju techniki światłowodowej. Pozwala ono na wykorzystanie długich odcinków
włókien których transmisja polepszona jest przez działanie wzmacniaczy opartych
na takich pierwiastkach jak Nd, Er, Er/Yb (lasery włóknowe) dla zastosowań
telekomunikacyjnych oraz Er, Er/Yb, Yb, Tm, Ho i innych dla aktywnych włókien
wykorzystywanych jako źródeł dużej mocy.
Jony RE w szkle są optycznie
aktywne, tzn. absorbują światło o
jednej długości fali i emitują światło o
innej długości, patrz obok przykład
EDFA (wewnętrzny schemat przedstawia najniższe poziomy energii
jonu Er z zaznaczeniem absorpcji
dla fal o długości 980 nm i 1480 nm i
emisją na długości fali 1530 nm.
FIG. 1 Widmo absorpcyjne Er w szkle.
Uczulone szkła dla jonów ziem rzadkich
Wysoko spolimeryzowana struktura czystego krzemu nie pozwala na prostą
akomodacje jonów RE nawet z niską ich koncentracją. Przyczyna  trójwartościowe
jony RE nie są podstawnikami dla krzemu w sieci szklanej, gdyż potrzebują one od
sześciu do dziewięciu jonów dla ich skoordynowania w sieci. Krzem zaś posiada
tylko parę nie zmostkowanych jonów tlenu które mogą dostarczyć odpowiednich
koordynat, stąd jony RE łączą się w klastry celem wspólnego wykorzystania kilku
jonów tlenu.
Celem wzmożenia rozpuszczalności RE w szkle i zmniejszenia negatywnego
zjawiska klastrowania, we wszystkich metodach wytwarzania domieszkowanych
włókien wykorzystuje się tzw. co-doping (dodatkowe domieszkowanie) Proces ten
dostarcza także modyfikację współczynnika załamania konieczną dla wytworzenia
struktury falowodowej, jak i używa się go do polepszenia właściwości widmowych,
np. do poszerzenia pasma emisyjnego czy też przesunięcia niepożądanych stanów
absorpcyjnych struktury.
Jako dodatkowe domieszki stosuje się:
- aluminium,
- fosfor,
- zasadowe i alkaliczne metale.
Wytwarzanie włókien domieszkowanych metalami ziem
rzadkich
1. Metody z fazy parowej
FIG. 2 MCVD z pokazaną reakcją w strefie gorącej par prekursorów
FIG. 3 Aparatura do dostarcznia chlorków RE dla MCVD (RE zabezpieczone przed utlenieniem
poprzez wysoką temperaturę)
2. Inne metody domieszkowania:
1. domieszkowanie z roztworu
2. domieszkowanie z aerozoli
3. domieszkowanie nanocząsteczkowe -DND.
Porównanie różnych technik z punktu widzenia wytwarzania włókien domieszkowanych RE
Włókna domieszkowane erbem
EDFA – Erbium Doped Fiber Amplifier (AT&T Bell Laboratories oraz University of
Southamton – 1987) – droga do sieci optycznie przezroczystych.
FIG. 4 Schemat EDFA na bazie EDF FIG. 5 Widmo emisyjne EDF w zależności od poziomu
obsadzeń wolnych stanów,
FIG. 6 Profil włókna EDF umożliwiający
FIG. 7 Efektywność kwantowego wzmocnienia dla
oddziaływanie z max optycznym natężeniem
różnego poziomu ∆
System z dodatkowym domieszkowaniem Er/Yb
Wzmacniacze na bazie włókien domieszkowanych erbem mają wadę polegającą na
bardzo wąskim pobudzeniu odpowiadającym falom o długości 980 lub 1480 nm. W
celu poszerzenia gamy źródeł pompujących o wydajne lasery na ciele stałym takie
jak Nd:YAG czy Nd:YLF, konieczne jest przesunięcie krzywych absorpcyjnych na
zakres 1060-1100 nm, co może być osiągnięte poprzez dodatkowe wprowadzenie
do struktury pierwiastka Yb.
Wówczas pompowanie optyczne z
zakresu 900-1100 nm może być
zaabsorbowane przez Yb3+ (pik
absorpcyjny na 975 nm), który
może przekazać energię do erbu o
ile włókno zawiera te dwa
pierwiastki.
FIG. 8 Schemat poziomów energetycznych dla
transferu Yb do Er
Włókna dwu- płaszczowe
Dotychczasowe rozwiązania pokazywały możliwość budowy EDFA o ile światło
pompujące było wprowadzone do obszaru jednomodowego rdzenia, co stanowi
istotne ograniczenie na moc pompującą, gdyż mała średnica rdzenia z jednej strony
utrudnia efektywne sprzężenie ze źródłem z drugiej zaś jest podatna na uszkodzenia z
tytułu dużej intensywności. Ominięciem tego ograniczenia jest zastosowanie włókna
dwu płaszczowego, gdzie płaszcz zewnętrzny ma niższy współczynnik załamania od
wewnętrznego. Tym samym wprowadzona moc do struktury propaguje się także we
płaszczu wewnętrznym i doprowadza do dodatkowego sprzężenia mocy wzdłuż
struktury.
FIG. 9 Schemat rozkładu współczynnika załamania w strukturze dwu płaszczowej oraz
zasada sprzężenia mocy dla tego włókna.