Tłumienie spawów światłowodów o różnych średnicach rdzenia i aperturach numerycznych

Transkrypt

1 IV Konferencja Naukowa Technologia i Zatoowanie Światłowodów Kranobród 96 Jacek MAJEWSKI, Marek RATUSZEK, Zbigniew ZAKRZEWSKI Intytut Telekomunikacji ATR Bydgozcz Tłumienie pawów światłowodów o różnych średnicach rdzenia i aperturach numerycznych 1.Wtęp Strezczenie. Przedtawiono porównanie i analizę tłumienia pawów zacowanych na podtawie obrazów luminecencji gorących włókien podcza pawania i tłumienie tychże pawów mierzonych metodą tranmiyjną. Zaprezentowano obrazy termicznej luminecencji pawanych światłowodów i ich profile odpowiadające zmianom koncentracji domiezki i względnego wpółczynnika załamania. Ozacowano wpółczynniki dyfuzji Ge w SiO w temperaturze 000 o C. Stoowano światłowody jedno i wielomodowe o różnych MFD i NA. W miejcu czołowego złączenia dwóch odcinków światłowodowych wytępują traty energii optycznej. W przypadku światłowodów jednomodowych traty amoitne można policzyć toując wyrażenie: + A= 0 1 log ω ω ω 1ω [db] (1) gdzie: A - tłumienie połączenia (pawu) dwóch światłowodów [db], ω 1, ω - promienie pól modowych łączonych światłowodów w [µm]. W przypadku łączenia światłowodów o jednakowych średnicach pól modowych MFD, tłumienie łączenia (pawu) zgodnie z wyrażeniem (1) równa ię zeru - zakładając, że łączenie jet centryczne. Równanie (1) nie wyróżnia kierunku promieniowania. Oznacza to, że mierzone tłumienie łączenia powinno być identyczne w przypadkach wprowadzenia światła od trony światłowodu z mniejzą MFD jak i z więkzą MFD. Jednak praktyka połączeń pawanych światłowodów o różnych NA i różnych średnicach rdzeni pokazuje, że tłumienie takich pawów zależy od kierunku wprowadzania promieniowania świetlnego. Tłumienie pawów, mierzone metodą tranmiyjną, jet 77

2 mniejze jeżeli światło jet wprowadzane od trony światłowodu z mniejzym MFD lub mniejzą średnicą rdzenia. Są to wyniki, które również intuicyjnie ą poprawne. Natomiat z teorii mikrodeformacji [1] i niektórych ekperymentalnych rezultatów pawania światłowodów o różnych średnicach rdzeni i apertury numerycznej [ 4] wynikają wnioki przeciwne przedtawionym wyżej. Jeśli oznaczymy przez L os L tłumienie pawu przy tranmiji promieniowania ze światłowodu o mniejzej MFD do światłowodu o więkzej MFD i odpowiednio przez L ol S z więkzej do mniejzej MFD, to zależność między mierzonymi tłumieniami można w przybliżeniu przedtawić jako: Lo Lo S L L S ω L ω S () gdzie: ω L, ω S - promienie pól modowych pawanych światłowodów []. Jet to wynik przeciwny intuicji i praktyce. W pracy podjęto próbę ekperymentalnej weryfikacji wyżej przedtawionych rezultatów. Jet to również itotne przy pawaniu tandardowych telekomunikacyjnych światłowodów jednomodowych ze światłowodami EDF. Różnią ię one znacznie średnicą pola modu i aperturą numeryczną..obrazy graficzne gorących światłowodów Ry.1. Krzywe intenywności świecenia Ry.. Obraz intenywności świecenia i jej profil wzdłuż rdzeni pawanych światłowodów C-D (oznaczenia w rozdziale 3). Zmiany koncentracji Ge w rdzeniu i płazczu powodują zmiany wpółczynnika załamania. Generalnie można powiedzieć, że wyżzy poziom domiezki w rdzeniu prowadzi do więkzej różnicy wpółczynników załamania pomiędzy rdzeniem i płazczem, do więkzej apertury numerycznej NA i do mniejzej średnicy pola modu. Podcza proceu pawania intenywność luminecencji gorącego włókna jet różna w zależności od koncentracji Ge w SiO. Silniej domiezkowany rdzeń włókna ma więkzą intenywność świecenia niż płazcz - ry. 1 [5]. Obraz intenywności luminecencji pawu jet oberwowany przez kamerę CCD i zapiywany do pamięci. Zapiywany jet również 78

3 profil intenywności świecenia, z którego można ocenić względne różnice wpółczynnika i zmiany koncentracji domiezki germanowej - ry.. Cyfrowa obróbka obrazu pozwala również uzykać przetrzenne obrazy gorących obrazów. 3.Spawanie włókien światłowodowych o różnych średnicach rdzenia i aperturach numerycznych Do badań użyto natępujących światłowodów : B - jednomodowy - λ = 1310 nm, MFD = 9 µm, NA = 0.11; C - wielomodowy - a = 50 µm, NA = 0.0; D - jednomodowy - λ = 1310 nm, MFD = 5 µm, NA = Rdzenie w/w włókien były domiezkowane Ge. Używano pawarkę FSU-95 RTC firmy Ericon. Do pomiarów tranmiyjnych toowano układ na bazie miernika mocy optycznej oraz źródła laerowego (1310 nm) firmy Noye. 3.1 Pomiary tłumienia pawów wykonanych w trybie automatycznym W trybie automatycznym decydującym o temperaturze proceu jet II etap pawania. W nazym przypadku, w II etapie pawania, prąd łuku wynoił I = 16.3 ma a cza t =. Uzykano natępujące rezultaty tłumienia pawów (trzałka oznacza kierunek wprowadzonego światła) : a) B-C pawarka db; tranmija 1 db, b) B-C pawarka db; tranmija db, c) C-D pawarka db, d) B-D pawarka 0.03 db; tranmija 0.70 db, e) B-D pawarka 0.03 db; tranmija 0.65 db. 3. Pomiary tłumienia pawów dla więkzych czaów pawania W II etapie, trybu automatycznego, zwiękzono prąd do 17 ma i cza pawania do 6. Wyniki pomiarów tłumienia pawów (trzałka oznacza kierunek wprowadzanego światła) : f) C-D pawarka 0.01 db, g) B-D pawarka db; tranmija 0.65 db, h) B-D pawarka db; tranmija 0.58 db. Przedtawione w pkt i 3.. wyniki świadczą o rozdyfundowaniu domiezki germanowej z rdzenia o więkzej koncentracji Ge (więkza NA) do płazcza i do rdzenia o mniejzej koncentracji Ge. W konekwencji pawarka licząca tłumienie pawu na podtawie obrazu dopaowania średnicy pól modowych MFD gorących światłowodów zaniża tłumienie pawów. Wyżej przedtawione rezultaty świadczą o tym, że tłumienie pawów dla więkzych czaów i prądów pawania jet niewiele mniejze niż w trybie automatycznym. Przedtawione rezultaty nie potwierdzają również zależności (). Potwierdzają natomiat praktykę połączeń pawanych światłowodów o różnych NA i MFD. 79

4 4.Dyfuzja Ge w SiO podcza proceu pawania Do oceny proceów dyfuzji Ge użyto światłowodu jednomodowego o NA = 0.17 i zawartości germanu w rdzeniu CGeO = 10. 4% oraz pręta kwarcowego o średnicy 130 µm. Wpółczynniki dyfuzji liczono na podtawie zmian, wzdłuż pawu, profili luminecencji pawanych w/w włókien. Temperatura pawu wynoiła 000 o C [5]. Zmieniono cza II etapu pawania od 1 do 6 ekund - ry. 3. Założono liniową zależność teruminecencji od koncentracji Ge w SiO [6]. Krzywe zmian intenywności świecenia dla różnych czaów pawania w funkcji odległości od czoła pawu przedtawiono na ry. 4. C GeO [% /] 10 5 t=1 t=6 [µm] Ry.3 Przykładowy profil intenywności luminecencji dla t = 6 ekund. Ry.4 Zmiany intenywności luminecencji i przyporządkowania im koncentracji Ge w SiO dla różnych czaów pawania w funkcji odległości od czoła pawu. Do obliczeń wpółczynników dyfuzji przyjęto poniżej przedtawione warunki i parametry. Dyfuzja odbywa ię z nieograniczonego źródła domiezki tj. N(0,t)=N o ; Koncentracja początkowa we wnętrzu pręta kwarcowego jet mała w porównaniu z N o. Zatem koncentrację Ge w pręcie kwarcowym można wyrazić natępującym wzorem [7] : x N( x, t) = Noerfc. (3) Dt g Przyjęto gętość SiO ρ=. 0. Zawartość C GeO = 10. 4% odpowiada koncentracji Ge w SiO - N o =.7x Znając N o, x, t, zacując N(x,t) na podtawie luminecencji ozacowano wartości wpółczynników dyfuzji D germanu w SiO w temperaturze 000 o C. Wpółczynniki liczono dla odległości x = 7.5 µm i x = 1.5 µm od czoła pawu. Uzykano 7 6 wartości zmieniające ię w zakreie D= Więkze wartości 80

5 wpółczynników uzykano dla mniejzych czaów pawania i mniejzych odległości od czoła pawu. Wpółczynniki dyfuzji domiezki mogą być wyrażone natępującym wyrażeniem [8] : E D= D a exp (4) kt gdzie : D - wpółczynnik dyfuzji dla T =, E a - energia aktywacji dyfundującej w SiO domiezki. Przyjmując teoretyczne wartości E a [8] dla domiezek międzywęzłowych EaI 1 ev i domiezek dyfundujących przez podtawienie EaS 3. 0 ev, w SiO, obliczono D. Dla E as : D = 0 130, dla E ai : D = Zbliżoną do wartości teoretycznej D = [8] jet obliczona wartość D dla E ai,co oczywiście odpowiada temperaturze 000 o C. Bibliografia 1. Zheng W., Lo Etimation for Fuion Splice of Singlemode Fiber, Fiber Optic Component and Reliability, Vol. 158, pp , Zheng W., The Real Time Control Technique for Erbium Doped Fiber Splicing, Ericon Review, pp. 1-4, Miller C. M., Optical Fiber Splice and Connector, Marcel Dekker Inc., New York and Bael, Zheng W., Erbium - Doped Fiber Splicing and Splice Lo Etimation, Journal of Lightwave Technology, Vol. 1, No 3, pp , Materiały firmy Ericon, Pankove J. I., Zjawika optyczne w półprzewodnikach, WNT, 1974, pp Praca zbiorowa, Procey technologiczne w elektronice półprzewodnikowej, WNT, 1980, pp Wolf H. F., Półprzewodniki, WNT, 1975, pp