Włókna utrzymujące polaryzację oraz domieszkowane metalami sziem rzadkich. Polarization Maintaining Fibers And Rate Earth-Doped Fibres

Transkrypt

1 Włókna utrzymujące polaryzację oraz domieszkowane metalami sziem rzadkich Polarization Maintaining Fibers And Rate Earth-Doped Fibres

2 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

3 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

4 FIG. 1 Uproszczony schemat FOG w tzw. konfiguracji minimalnej. FIG. 2 Odbiornik komunikacji koherentnej. FIG. 3 Modulator w technologii optyki zintegrowanej.

5 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

6 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, HE 11 mod podwójnie zdegenerowany HE 11 X oraz HE 11 y jednakowe przestrzenne rozkłady pola elektrycznego o liniowym SOP i stałe propagacji β x = β y. 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.

7 Typy włókien utrzymujących polaryzację: dwójłomność naprężeniowa i geometryczna FIG. 6 Rodzaje PM z dwójłomnością typu naprężeniowego. FIG. 7 PM z dwójłomnością FIG. 8 Przykład FIG. 9 Zakres działania włókna geometryczną. włókna PCF-PM polaryzującego (3M->Honowey)

8 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

9 FIG. 13 PANDA (Polarization-maintaining AND Absorption reducing) perform wytwarzanie

10 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

11 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 ale uwaga na definicję NA bo dla obu osi różnica jest ok. 2.5% gdyż: Długość fali odcięcia PM są oferowane na zakresy nm, nm, nm, nm, nm, nm, MFD zależnie od długości fali działania od ok um do 8 um Uwaga na eliptical core gdyż:

12 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: L p =λ/b=λ/(n slow -n fast ) 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=10log 10 (P u /P w ) 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

13 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.

14 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.

15 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.

16 Porównanie różnych technik z punktu widzenia wytwarzania włókien domieszkowanych RE

17 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

18 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 nm, co może być osiągnięte poprzez dodatkowe wprowadzenie do struktury pierwiastka Yb. FIG. 8 Schemat poziomów energetycznych dla transferu Yb do Er Wówczas pompowanie optyczne z zakresu nm może być zaabsorbowane przez Yb 3+ (pik absorpcyjny na 975 nm), który może przekazać energię do erbu o ile włókno zawiera te dwa pierwiastki.

19 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.