Ryszard Romaniuk Instytut Systemów Elektronicznych Politechnika Warszawska ŚWIATŁOWODY NIETELEKOMUNIKACYJNE

Transkrypt

1 Ryszard Romaniu Instytut Systemów Eletronicznych Politechnia Warszawsa ŚWIATŁOWODY NIETELEKOMUNIKACYJNE Warszawa,

2 Pamięci Preursorów technii światłowodowej w raju Adama Smolińsiego Andrzeja Wasmundziego Bohdana Paszowsiego Zenona Szpiglera Masymiliana Pluty Jana Rayssa Jana Wójcia

3 3

4 Spis treści Przedmowa 1. Wybrane rodzaje światłowodów nieteleomuniacyjnych Światłowody włónowe izotropowe Światłowody wielowarstwowe o złożonym profilu refracyjnym Światłowody o rdzeniu pierścieniowym Światłowody polaryzacyjne Światłowody eliptyczne Światłowody włónowe o rdzeniu pasowym Światłowody dziurawe z maro-otworami i ompozytowe Światłowody nieliniowe Światłowody atywne Światłowody z ryształów fotonicznych, dziurawe z mirootworami Światłowody z rdzeniem ciełorystalicznym Światłowody przewężone, dwustożowe Światłowody z siatą Bragga Światłowody plastyowe Światłowody uczulane i znieczulane technologicznie Światłowody wielordzeniowe Światłowody dwurdzeniowe Światłowody trzyrdzeniowe Światłowody czterordzeniowe Światłowody złożone Światłowody dla zaresu średniej i daleiej podczerwieni 87. Wybrane materiały i metody wytwarzania światłowodów ształtowanych Modyfiowana metoda wielotyglowa 89.. Metoda mozaiowa Metoda hybrydowa Wybrane pomiary i właściwości światłowodów ształtowanych Właściwości optyczne Właściwości geometryczne i mechaniczne Właściwości wrażliwościowe Wybrane przyłady zastosowań światłowodów ształtowanych Zaończenie 17 Bibliografia 133 Sorowidz 154 Streszczenie Oznaczenia, symbole, sróty i podstawowe zależności w technice światłowodowej 4

5 5

6 Przedmowa Praca stanowi wprowadzenie do wybranych zagadnień obecnego stanu wiedzy w zaresie teorii, technologii i zagadnień apliacyjnych światłowodów ształtowanych. Jest przeznaczona dla studentów eletronii i fizyi, dotorantów, inżynierów pratyów i pracowniów nauowych, tórzy pragną poznać, w aspetach podstawowych i stosowanych, tą stosunowo nową i dynamicznie rozwijającą się dziedzinę fotonii światłowodowej. Zamierzeniem autora jest, przy pomocy tej pracy, podjąć próbę rozszerzenia znajomości technii światłowodów ształtowanych wśród szerszego ręgu inżynierów. W celu osiągnięcia tego zamierzenia przedstawiono wyczerpująco poszczególne zagadnienia teoretyczne, analityczne, projetowe, technologiczne, onstrucyjne i apliacyjne w onteście fizycznym, chemicznym i technicznym starając się utrzymać pełną precyzję dysusji nauowo-badawczej. Technia światłowodów ształtowanych oferuje znacznie szerszy wybór narzędzi projetowania samego włóna optycznego i następnie wyonywanych z niego elementów i urządzeń światłowodowych, niż lasyczna technia światłowodów teleomuniacyjnych. Cena, tórą płacimy za rozszerzenie swobody projetowania są znacznie więsze straty jednostowe światłowodów, gorsze właściwości mechaniczne i słabsza stabilność chemiczna. Świat pratycznych zastosowań włóien optycznych nie zdecydował jeszcze obecnie czy jest to cena warta zapłacenia. Niniejsza praca, poprzez szeroą analizę atualnych problemów badawczych i technicznych, próbuje znaleźć ila nowych przyczynów do taiej, ewentualnie pozytywnej, odpowiedzi. W najszerszym ujęciu, autor próbuje odpowiedzieć na pytania dotyczące onurencji w zastosowaniach światłowodów teleomuniacyjnych i ształtowanych. Czy nominalne charaterystyi światłowodów ształtowanych predestynują je do zastosowań np. w trudnych warunach środowisowych w przemyśle, w technice wojsowej, motoryzacyjnej, lub fotonicznych systemach monitorowania stanu rozległych technicznych systemów municypalnych a taże stanu środowisa naturalnego. Światłowody ształtowane to nazwa nadana specjalnej generacji włónowych dieletrycznych (szlanych lub polimerowych) falowodów optycznych. Nazwa zaczęła się wyodrębniać, w sposób bardziej wyrazisty, w literaturze nauowo-technicznej na początu lat osiemdziesiątych [8,65]. Proces ten był spowodowany dwoma fatami: potrzebą rozwoju elementów światłowodowych dla teleomuniacji optycznej o charaterystyach, tóre nie mogły być otrzymane w lasycznych światłowodach teleomuniacyjnych oraz szybim wzrostem badań światłowodów w zastosowaniach poza teleomuniacyjnych. Można mówić o czterech zasadniczych różnicach pomiędzy nimi a lasycznymi światłowodami zorientowanymi na zastosowania teleomuniacyjne i wyonanymi ze słabo domieszowanych, ultra-czystych szieł rzemionowych. Światłowody ształtowane są wyonywane z ogromnej rodziny szieł wielosładniowych w odróżnieniu od szieł wysoorzemionowych. Należy jedna podreślić, że część światłowodów ształtowanych jest wytwarzana ze szieł wysoo-rzemionowych. Metody wytwarzania są na ogół: tyglowe, pręt-rura, sładania mozaii, estruzji w odróżnieniu od metod osadzania chemicznego par i separacji fazy. Wewnętrzna strutura optycznego falowodu włónowego może być znacznie bardziej sompliowana niż otrzymana przy pomocy jaiejolwie metody osadzania chemicznego. Ta strutura wewnętrzna znajduje odbicie we właściwościach propagacyjnych i innych cechach światłowodu. Właściwości mogą być projetowane indywidualnie dla danego zastosowania poprzez wybór budowy światłowodu. W tracie prac nad zagadnieniami technii światłowodowej, od ońca lat sześćdziesiątych, wyłoniło się szereg porewnych, lecz wyazujących odrębną specyfię badawczą i apliacyjną, dziedzin fotonii związanych ze światłowodami ja: optya zintegrowana, czujnii światłowodowe, optoeletronia półprzewodniowa, optoeletronia informatyczna, teleomuniacja światłowodowa. Widoczna jest znaczna dominacja teleomuniacji światłowodowej w zaresie finansowania i szeroości prowadzonych badań. Jao rezultat, wymienione dziedziny fotonii światłowodowej, są tratowane osobno na onferencjach nauowych, również u nas w raju, a taże w podręczniach nauowych. Zaczęły wyodrębniać się dwie główne dziedziny zastosowań światłowodów - w teleomuniacji i poza nią. Mimo wielu podobnych zagadnień teoretycznych i technologicznych podział stał się oniecznością pratyczną. Światłowody ształtowane, poprzez zastosowania w obu obszarach, np. jao czujnii fotoniczne, ale również jao fotoniczne elementy funcjonalne dla teleomuniacji, a taże jao optyczne połączenia wewnątrz hybrydowych uładów ASIC integrują ila dziedzin fotonii, eletronii i optoeletronii. 6

7 W niniejszej pracy proponuje się podział światłowodów ształtowanych na następujące podgrupy, przyjmując za ryterium lasyfiacji wewnętrzną struturę geometryczną światłowodu i właściwości optyczne: lasyczne izotropowe przypominające budową światłowody teleomuniacyjne [1.01,1.0], wielo płaszczowe o złożonym profilu refracyjnym [44,45], nieosiowe i niecylindryczne (położenie i ształt rdzenia we włónie) głównie eliptyczne [48,49,39,5], anizotropowe dwójłomne, polaryzacyjne [93,18], wielordzeniowe głównie bliźniaczo-rdzeniowe [90,91,9,06,0], oraz złożone, dziurawe-wypełniane lub puste z marootworami, ompozytowe, wielo-materiałowe np. szlano-ceramiczne, mozaiowe, w poryciu metalowym [76,139,149], a taże nową rodzinę światłowodów wyonanych z tzw. ryształów fotonicznych z defetami refracyjnymidziurawe z mirootworami [.01-.4]. Zares parametrów światłowodów ształtowanych prezentowanych w niniejszej pracy, i dostępnych do badań dla zainteresowanych laboratoriów fotonicznych lub stosujących sprzętowe rozwiązania fotoniczne, jest następujący: przezroczystość 0,3-1,6m, (do,5m dla światłowodów z ciężich szieł tlenowych), straty spetralne dla światła białego dB/m, apertura numeryczna 0,1-0,8, względna różnica współczynniów załamania =0,03 5%, profile refracyjne soowe, wielosoowe i gradientowe, dla światłowodów grubordzeniowych rozwiązanie typu GRIN, średnica zewnętrzna m, średnica rdzenia 3-15m dla włóien jednomodowych wysoo- i niso-aperturowych, 0-6,5m dla włóien wielomodowych soowych (typowo 50m) i gradientowych (typowo 6,5m), m da światłowodów grubych, średnica refracyjnego płaszcza depresyjnego (bufora optycznego) - 5-5m, proporcje wymiarowe światłowodu włónistego 15/6,5, 15/50, 15/(3-15), 15/(3-15)/(5-5) włóno z buforem optycznym wielopłaszczowe, 55/50, 35/(30-33)m, eliptyczność rdzenia 1:(1,, 1,5,, 5), liczba rdzeni w światłowodzie wielordzeniowym -4, znormalizowana dwójłomność B = , rozdopasowanie właściwości termiczno-mechanicznych rdzenia i płaszcza na żądanie w całym zaresie 10% co jeden %, stabilność wymiarów lepsza od 1% dla L=1m, wytrzymałość mechaniczna lepsza niż 1GPa, gwarantowany promień zgięcia 1cm dla włóien o średnicy 15m i 1mm dla włóien nisowymiarowych 35m, długości próbe włóna do badań - L=1, 3, 5, 10m, porycie włóna bezpośrednio na szło - podwójna warstwa laieru termoutwardzalnego i gruba warstwa polimeru utwardzanego UV do średnicy zewnętrznej 1mm. Inne dane dotyczące światłowodów ształtowanych badanych w niniejszej pracy można znaleźć na prowadzonym przez autora, i współpracujący z nim zespół, serwerze informacyjnym w dziale Krajowe Centrum Informacji Fotonicznej. 7

8 1. Wybrane rodzaje światłowodów nieteleomunicyjnych Pierwsze próby wyonania nisostratnych światłowodów z ultraczystych szieł podążały lasyczną drogą szlarsą. Stosowano specjalnie przetworzone sładnii. Szła wielosładniowe SLS (wapniowo-sodowe) i SBS (borowo-sodowe, bororzemiany) były topione z materiałów oczyszczonych z metali przejściowych do poziomu pojedynczych ppb taimi metodami ja: wymiana jonowa, eletroliza, rerystalizacja, estracja rozpuszczalniów, topienie strefowe itp. Ta otrzymane szła wyjściowe były topione, larowane, wyciągane do postaci pręta i wprowadzane do systemu podwójnego tygla. Tai system ciągłego wyciągania sładał się z zestawu oncentrycznych tygli platynowych lub rzemionowych. Cieni strumień szła wypływał z górnego tygla ze szłem rdzeniowym, przechodził przez rezerwuar szła płaszczowego i był oncentrycznie porywany płaszczem optycznym w czasie przechodzenia przez ryzę w dolnym tyglu. Czas i temperatura ontatu szieł w fazie roztopionej w tyglu płaszczowym była ontrolowana w celu umożliwienia dyfuzji ruchliwych jonów modyfiatorów i utworzenia gradientowego profilu refracyjnego w światłowodzie. W światłowodach wielomodowych paraboliczny rozład współczynnia załamania w przeroju poprzecznym minimalizował dyspersję międzymodową [1.0,1.03,1.4]. Mimo dużej prostoty, z tą technologią związane były na początu poważne trudności. Szła wielosładniowe posiadają więsze straty wewnętrzne (rozpraszania i absorpcji) i gorsze właściwości mechaniczne niż czyste szło rzemionowe. Jednaże, głównym problemem było powtórne wprowadzanie zanieczyszczeń do szieł światłowodowych podczas ich dalszej obróbi i wytwarzania światłowodu. Reontaminacja była podstawowym źródłem wysoich strat światłowodów. Poziom zanieczyszczeń wzrastał z ppb w substratach do ppm w światłowodzie. W celu zliwidowania źródeł zanieczyszczeń proces zamnięto w czystym laboratorium. Postęp osiągnięto ontrolując wartościowość pierwiastów zanieczyszczeń poprzez utrzymywanie ciśnienia cząstowego tlenu w atmosferze ponad szłem i odpowiednich warunów reducyjno-utleniających wewnątrz topionego szła. Absorpcja w zaresie blisiej podczerwieni przez jony żelaza Fe 3 i miedzi Cu, dwa główne zanieczyszczenia, mogła być zmniejszona poprzez zmianę ich wartościowości do Fe i Cu, poprzez utlenienie. Ten sam mechanizm zastosowano do utlenienia innych metali przejściowych stale obecnych w szłach wielosładniowych ja: Mn, Ni, Cr, V. Te wysiłi doprowadziły do obniżenia strat całowitych światłowodów ze szieł wielosładniowych do poziomu poniżej 5dB/m dla =0,9m. Dla tej samej długości fali światłowód teleomuniacyjny posiada straty poniżej 1,5dB/m [1.11,1.1,1.14,1.16]. Inne sposoby musiały być zastosowane w celu obniżenia strat tych światłowodów dla dłuższych fal, związanych z onami transmisyjnymi 1,3m oraz 1,5m. Rodzaje drgań podstawowych uładu ation tlen w amorficznej sieci szła wielosładniowego powodują przesunięcie długofalowej rawędzi absorpcji w ierunu rótszych fal w porównaniu z czystym szłem rzemionowym. Ono przezroczystości jest zawężone. Zanieczyszczenie jonami hydrosylowymi OH - jest związane z ich stosunowo silnym uwiązaniem w struturze szła wielosładniowego. Poprawa warunów obróbi szła i wyciągania światłowodu nie może znacznie obniżyć strat w tym zaresie spetralnym. Światłowody odpowiednie do zastosowań teletransmisyjnych w tym czasie były wytwarzane opisaną metodą i testowane w systemach esperymentalnych. Wyorzystanie technii CVD syntezy ultraczystego szła rzemionowego z SiCl 4, spowodowało przesunięcie nisostratnych światłowodów ze szieł wielosładniowych do innych zastosowań [1.17,1.19,1.1,1.4]. Miarą jednego z czynniów, tóre zadecydowały o zastosowaniu teleomuniacyjnym światłowodów, było ja bardzo włóno optyczne jest odporne na oddziaływania zewnętrzne i wewnętrzne (z transmitowaną falą) mogące w jaiolwie sposób załócić transmisję sygnału cyfrowego [1.09,1.13,1.17]. Oczywiście, możliwe jest induowanie taich interacji w specjalnych celach. Obecnie wyonywany jest, ze światłowodów teleomuniacyjnych, ale taże ształtowanych, szeroi zares biernych i atywnych elementów światłowodowych dla teleomuniacji taich ja: modulatory, polaryzatory, izolatory, sprzęgacze, przełącznii, itp. [ ] Budowane są czujnii światłowodowe, często o znacznych czułościach w porównaniu z innymi techniami [1.1,1.5]. Wewnętrzne czujnii światłowodowe, bazujące na zmianach parametru światłowodu przez wielość zewnętrzną, wyorzystują seletywne właściwości uczulonego szła, specjalnej domieszi lub 8

9 odpowiedniej onstrucji włóna optycznego do atywacji procesów interacji pomiędzy światłowodem i środowisiem lub światłowodem i falą optyczną, w celu modulacji sygnału optycznego proporcjonalnej do taiej interacji. Szczególnie atracyjne w przypadu światłowodów są rozłożone pomiary taich pól ja naprężeń, austycznych magnetycznych, eletrycznych, [1.1] a taże budowa matryc MOEMS [1.35]. Do połowy lat osiemdziesiątych taie czujnii i elementy funcjonalne, szczególnie dostępne omercyjnie, były wyonywane prawie wyłącznie ze standardowych światłowodów teleomuniacyjnych [1.1], głównie z powodu ich dostępności rynowej. Światłowody teleomuniacyjne posiadają stałe, gwarantowane przez atalogowego wytwórcę, wrażliwości środowisowe swoich parametrów transmisyjnych. Idealny światłowód teleomuniacyjny powinien być izotropowy i nieczuły na oddziaływania środowisowe [1.11]. W licznych przypadach te parametry są nieodpowiednie do projetowania czujniów i funcjonalnych elementów światłowodowych. Pod oniec lat osiemdziesiątych można zaobserwować znaczny wzrost zainteresowania technologią i zastosowaniami światłowodów ształtowanych o zwięszonych lub obniżonych czułościach na różne wielości mierzone oraz o właściwościach anizotropowych [4,10,1.06]. W tym czasie światłowody ształtowane nie były pratycznie osiągalne omercyjnie. Jednym z pierwszych rodzajów włóien ształtowanych, wyonywanych metodą CVD, były światłowody nieliniowe [3.01,4.01] i silnie dwójłomne (ang. highly-birefringent, w srócie HB) [5.01] w dwóch podstawowych postaciach utrzymującej polaryzację [5.05] i polaryzacyjnej (jednopolaryzacyjnej) [5.09,5.1]. Światłowody polaryzacyjne oazały się niezbędne do budowy taich urządzeń ja żyrosopy światłowodowe (interferometr Sagnaca [3.0,5.9]), inne interferometry światłowodowe [110] ja M, M-Z [6.11], F-P [6.6], oraz systemy optycznej transmisji oherentnej [ ]. Powodem było to, że rzeczywisty jednomodowy światłowód teleomuniacyjny nie jest idealnie izotropowy [1.3], bądź z powodów technologicznych bądź poprzez wpływ środowisa, w związu z czym mod podstawowy (zdegenerowany w warunach izotropowości) słada się z dwóch sładowych ortogonalnych o nieco różnych stałych propagacji. Loalne wartości obu stałych propagacji zmieniają się przypadowo wzdłuż światłowodu i ta zmienia się stan polaryzacji propagowanej fali w dwóch ortogonalnych modach podstawowych. Do grupy światłowodów polaryzacyjnych należy szereg innych onstrucji ja: włóno z marootworem [8.3] (lub otworami) równoległym do rdzenia (ang. side hole, w srócie SH) [.01,.03,.07], ołowo dwójłomne, (ang. spun HB) [5.30], ompozytowe metalowo-szlane [8.4] do budowy modulatorów Kerra i polaryzatorów światłowodowych, eliptyczne[1,7,9.03,9.04]. Czyste szło rzemionowe (nazywane dalej w srócie warcowym) posiada niewielie (w porównaniu z innymi materiałami) wartości nieliniowego współczynnia załamania, oraz współczynniów austooptycznych, magnetooptycznych i eletrooptycznych [1.10,1,4,1,6,1.9, ]. Wielości te mogą być znacznie zwięszone poprzez domieszowanie szła warcowego, np. jonami przejściowymi lub ziem rzadich, (w przypadu światłowodu teleomuniacyjnego) lub budowę światłowodu z zupełnie innego szła o masymalizowanej wartości oreślonego współczynnia (i jednocześnie często minimalizowanych wartościach innych współczynniów w celu uzysania ja najwięszej seletywności wrażliwości oddziaływania zewnętrznego). Wśród tych szieł rozważa się: rzemionowe wielosładniowe, niso-rzemionowe, fluororzemiany, nie-rzemionowe, z ciężich tlenów, halogenowe, chalogenowe a taże polimerowe [58,186, ]. Zastosowania w postaci fotonicznych elementów funcjonalnych nie wymagają na ogół dużych długości światłowodu, w porównaniu z zastosowaniami teletransmisyjnymi, więc zwięszone straty wymienionych powyżej materiałów nie stanowią, na ogół, zasadniczego problemu technicznego. Jednym z najbardziej obiecujących zastosowań światłowodów ształtowanych w teleomuniacji oazały się, ciągle rozwijane np. w paśmie długofalowym L, światłowody atywne [ ]. Są to nisostratne światłowody rzemionowe, analogiczne do teleomuniacyjnych, domieszowane np. Pr 3+, Nd 3+, Er 3+ i innymi jonami dla długości fal np. 1060, 1080, 1300, 1536nm i dłuższych aż do 1610nm. To pasmo jest wyorzystywane aż do ilu m w szłach fluorowych. Z włóien atywnych budowane są zarówno lasery światłowodowe [3.05] ja i wzmacniacze optyczne [3.15], elementy nieliniowe [ ], a taże czujnii. Ze względu na stosunowo niewielie straty w zaresie wzmacniania sygnału optycznego możliwe są znaczne długości tych elementów, rzędu sete 9

10 m. Element światłowodowy umieszczany jest w zewnętrznej wnęce rezonansowej lub tworzona jest rezonansowa pętla światłowodowa. Fluorescencyjne właściwości światłowodów atywnych mogą być wyorzystywane do pomiaru wielości fizyochemicznych w funcji temperatury [3.03,3.08,3.09,3.11]. W nieliniowym włónie optycznym sygnał wyjściowy nie jest liniowo zależny od mocy optycznej wejściowej dla danej długości fali. Fala optyczna o odpowiednio dużym natężeniu oddziałuje z materiałem światłowodu powodując np. transfer części mocy do innych długości fal lub rozproszenie [1.6]. Światłowody nieliniowe badane są w ilu ierunach, obecnie głównie na potrzeby systemów DWDM [1.09,1.1],. Jeszcze w latach osiemdziesiątych wydawało się, że zjawisa nieliniowe mogą być przyczyną poważnej granicy rozwoju teleomuniacji światłowodowej poprzez silne ograniczenie masymalnej mocy optycznej możliwej do przeniesienia jednomodowym światłowodem teleomuniacyjnym (wsute stymulowanego rozpraszania Brillouina w srócie SRB) [4.01,4.04]. Obecnie bada się je taże w ierunu wyorzystania zjawis nieliniowych do rozłożonej ultra-czułej telemetrii fotonicznej [4.37], teleomuniacji [4.17, 4.18,4.74,9,4.3,4.33], oraz jao nieliniowe elementy funcjonalne [3.8]. Spośród spotyanych w literaturze opisów światłowodów ształtowanych można znaleźć, między innymi: modyfiowane światłowody teleomuniacyjne [183,1.3,1.6], np. o zwięszonej odporności na zgięcia i miro-zgięcia [7.10,7.11], dwumodowe [ ], przewężone [ ] o zwięszonej odporności na promieniowanie jonizujące [195, ], światłowody o specjalnych poryciach metalowych [8.07,8.08,8.11,8.33], ceramicznych [8.09], z warstwą Langmuira-Blodgetta [8.10,8.1], uczulających polimerowych [11.01,11.03], magnetostrycyjnych, eletrostrycyjnych, piezoeletrycznych [7.04,7.10.a], fluorescencyjnych, chemo-optycznych [159,], światłowody o ciełych [7.05] (lub ciełorystalicznych [7.14,7.3,7.4]) rdzeniach, ciełych płaszczach, jedno-materiałowe, wyciągane z wirującej preformy (ang. spun) o bardzo małej dwójłomności, [5.0,5.07,5.30], o bardzo założonych profilach refracyjnych [5.05,1.04], typu HB [5.55.6,5.33], polaryzujące [5.10,5.1,5.15], o rdzeniu helialnym [5.18,5.1], z siatą Bragga [ ], plastyowe [ ], bliźniaczo-rdzeniowe i dwurdzeniowe [ ,8.31,8.3,8.34], dziurawe z marootworami [.01.03,.07] i mirootworami [.04.06,.08.16,.19.4], eliptyczne [8.16,8.19,8.,8.5,8.6], prostoątne [8.30], o złożonych ształtach poprzecznych [8.15,8.17,1.08], domieszowane ziemiami rzadimi [3.04,3.10], atywne [ ] nieliniowe [ ]], lasery światłowodowe [ ,3.], uczulone lub znieczulone technologicznie [ ], typu D [8.0,8.1,8.3,8.4,8.7], o zwięszonej wytrzymałości mechanicznej [1.05,1.06], ze szieł wielosładniowych [1.03,5.]. Technia włónistych (ale taże planarnych) światłowodów ształtowanych, poprzez szeroie możliwości projetowania właściwości włóien optycznych (i światłowodów planarnych), oferuje szeroie możliwości budowy czujniów i funcjonalnych elementów fotonicznych oraz całych, jednolitych, fotonicznych systemów przetwarzania informacji. Do opisu modów fali optycznej HE/EH ml w szeroiej lasie światłowodów izotropowych o dowolnej geometrii, z możliwością rozdzielenia zmiennych, będzie stosowane, w niniejszej pracy, równanie własne w postaci [1.14,1.18] ' ' ' ' ( F / uf F / wf )( n F / uf n F / wf ) m ( / u / w )( n / u n / ) (1.1) w gdzie, F 1(u) funcja periodyczna opisująca pole w rdzeniu światłowodu, F (w) funcja zaniająca opisująca pole na zewnątrz rdzenia światłowodu, F i (x)=df i/dx, u =a ( 1 - ), w =a ( - ) argumenty funcji falowych, F 1 =df 1/du, df =df /dw, 1=n 1 o>> =n o, o=/ o liczby falowe w rdzeniu, płaszczu i na zewnątrz światłowodu (w próżni), =/ stała propagacji, - długość fali modu w światłowodzie, n=/ znormalizowana stała propagacji (efetywny modowy współczynni załamania n eff), V=u +w =a o (n 1 -n ) częstotliwość znormalizowana, μ i względna przenialność magnetyczna ośroda i, n 1, n współczynnii załamania w rdzeniu i płaszczu światłowodu, w ogólnym przypadu nie są stałe a są funcjami promienia n i(r) lub promienia i ąta n i(r,), m- azymutalna liczba modowa w światłowodach cylindrycznych i eliptycznych oraz poprzeczna liczba modowa w światłowodach prostoątnych i wadratowych, l-radialna liczba modowa. Dla m=0 10

11 (światłowód o ołowym lub pasowym rdzeniu) idealne mody E ol i H ol nie są sprzężone i posiadają tylo wymienione w nazwie sładowe pola w ierunu propagacji. Szczegółowa postać tego równania, a w szczególności rodzaj funcji falowych F zależy od geometrii, głównie rdzenia, światłowodu. Załadamy, że w światłowodzie rozprzestrzeniają się mody hybrydowe HE, EH lub, w przybliżeniu liniowej polaryzacji, mody LP [1.13,1.01]. Dwa wyrażenia w nawiasach po lewej stronie równania reprezentują mody o charaterystyach związanych z przenialnością magnetyczną (bez ładunów na granicy, np. mody H ol w światłowodzie cylindrycznym) oraz współczynniiem załamania rdzenia i płaszcza. Prawa część równania sprzęga mody w postać hybrydową o obu polach E i H w ierunu propagacji. Funcje falowe F muszą posiadać właściwości wzajemnej transformacji pomiędzy różnymi rodzajami światłowodów ształtowanych. Rdzenie pasowe i cylindryczne są np. szczególnymi przypadami rdzeni eliptycznych, itp. Część mocy modu jest niesiona w rdzeniu a część w płaszczu. Wyrażenie =P 1/P c, P c=p 1+P jest nazywane modowym profilem mocy =(n effn g-n )/NA [1.18]. 1.1.Światłowody izotropowe Wyonanie światłowodu idealnie izotropowego nie jest pratycznie możliwe. Jest to jedynie model analizowany teoretycznie w celu zróżnicowania światłowodów rzeczywistych wytwarzanych różnymi metodami technologicznymi. W warunach rzeczywistych, nawet dla bardzo dobrze wyonanego włóna ultra-nisostratnego wysoiej jaości, czynniami powodującymi generację residualnej anizotropii w światłowodzie są: straty optyczne i związane z nimi rozproszenie wsteczne, flutuacje wymiarów rdzenia, flutuacje ształtu rdzenia (np. w postaci niewieliej eliptyczności), naprężenia induowane zgięciami i sręceniami włóna, wbudowane i zewnętrzne naprężenia mechaniczne, flutuacje właściwości refracyjnych, oraz zaburzenia termiczne. Czynnii te powodują, że rzeczywisty światłowód zachowuje się jaby był słabo anizotropowy o przypadowym jej rozłożeniu wzdłuż włóna. Anizotropia ta wyraża się np. poprzez niewielą dwójłomność włóna. Wewnętrzna sładowa tej naturalna residualnej dwójłomności zależy od metody producji światłowodu [77,93,5.01,5.0,5.03,5.06,5.07,5.09]. Wyorzystanie światłowodu do detecji lub pomiaru wielości eletrycznych poprzez zjawiso Faradya wymaga idealnej izotropii włóna. Oczywisty ierune zmniejszenia naturalnej dwójłomności residualnej w światłowodzie polegał na dosonaleniu metod producji włóna. Zmniejszenie naprężeń na granicy rdzeń płaszcz polegało na doborze szieł o doładnie taich samych wartościach współczynniów rozszerzalności termicznej. Dla światłowodu o niewieliej wartości apertury numerycznej NA 0,1, zmniejszenie względnego opóźnienia polaryzacyjnego, do niezbędnej w nietórych zastosowaniach wartości 3 o /m, wymaga niecentryczności rdzenia mniejszej niż o. 0,05% [5.06]. W lasycznym światłowodzie jednomodowym nie optymalizowanym polaryzacyjnie faza może zmieniać się przypadowo o wielość rzędu 10/m [77]. Taie włóna o ultra-nisiej dwójłomności zostały wyproduowane [5.06], ale dwójłomności nie posiadały jedynie w stanie wyprostowanym. Pratyczna metoda, tóra daje włóna o najmniejszej wartości wbudowanej dwójłomności residualnej polega na odpowiednio szybiej rotacji preformy lub uładu pręt-rura (wynoszącej nawet ila tysięcy razy na minutę) podczas wyciągania światłowodu [5.30,5.31]. Rotacja preformy powoduje obrót osi dwójłomności, dodatowe uśrednienie (a przez to zmniejszenie) flutuacji właściwości geometrycznych i optycznych dla fali optycznej propagującej wzdłuż światłowodu. Liniowo spolaryzowana fala w światłowodzie nie nadąża za szybim obrotem osi polaryzacji, a więc rdzeń wydaje się idealnie symetryczny ołowo. Efety zewnętrzne, ja wygięcia światłowodu, ciśnienie, ponownie wprowadzają, taże do światłowodu rotowanego, dwójłomność. Poziom induowanej zewnętrznie dwójłomności w światłowodach izotropowych stanowi ograniczenie czułości światłowodowych przetworniów Faradaya [ ,7.0] wyonanych z izotropowych światłowodów rotowanych. Jednym z rozwiązań problemu inducji dwójłomności w światłowodzie izotropowym jest liwidacja tej dwójłomności (wyniłej z naprężenia światłowodu) poprzez powolne ogrzanie włóna, w nominalnym ształcie, do temperatury zaniu naprężeń i ponowne powolne oziębienie. W przypadu czujniów pola magnetycznego i prądu, światłowód nawinięty na przewód eletryczny przyjmie permanentną postać spirali bez wewnętrznej dwójłomności [7.15,7.6]. 11

12 W uładzie oordynat - osiowej, radialnej i azymutalnej (z, r, ) dla quasi-idealnego światłowodu cylindrycznego funcje falowe F są funcjami quasi-periodycznymi i quasi-esponencjalnymi Bessela J m(u) i K m(w) a równanie własne posiada następującą lasyczną postać ( 1= =1) ' ' ' ' ( Jm / ujm Km / wkm)( n1 Jm / ujn n Km / wkm) m ( u w )( n1 u n w ) (1.) Iloczynowa postać lewej strony równania reprezentuje mody zależne i niezależne od profilu refracyjnego światłowodu. Dla azymutalnej liczby modowej m=0 (bra zależności azymutalnej) prawa strona równania jest równa zeru i mody nie są sprzężone. Każdy czynni przyrównany do zera daje E z=0 dla modu niezależnego od profilu H o1 i H z=0 dla modu zależnego od profilu E o1 ' ' ' ' ( J / uj K / wk ) 0, ( n J / uj n K / wk ) 0 (1.3) m m m m 1 m n m m Dla niezerowej azymutalnej liczby modowej m>0, załadając małą różnicę współczynniów załamania n 1n, warune słabej propagacji, oraz orzystając z wyrażeń na pochodne funcji Bessela J m =-mj m/u+j m-1=mj m/u-j m+1, K m =-mk m/w-k m-1=mk m/w-k m+1 zachodzi ' ' ( J / / ) ( m ujm Km wkm m u w ), (1.4) ' ' ( J / uj K / wk ) 0, dla EH (1.5) m1 m m1 m ' ' m1 / ujm Km 1 / wkm) ( J 0, dla HE (1.6) a) b) c) d) e) Rys Schematycznie przedstawione charaterystyi cylindrycznego światłowodu izotropowego obliczone z równania własnego (1.) i jego postaci szczególnych (1.31.8); 1) Przestrzeń fazowa cylindrycznego światłowodu izotropowego, v=/, v g=/, v =c/n >v eff>v 1=c/n 1, 1,- NA 1<NA ; ) Wartość argumentu u funcji Bessela dla małych i dużych wartości różnicy współczynniów załamania rdzenia i płaszcza światłowodu cylindrycznego, obliczona wg. zależności u(1+ 1/ )V/[1+(4+V 4 ) 1/4 ], =(n 1 -n )/n 1 ; 3) Grupowy współczynni załamania w światłowodzie cylindrycznym w funcji częstotliwości znormalizowanej V, wleja poazuje rozład linii pola EM modu HE 11; 4) Znormalizowany rozład mocy modu HE 11 w światłowodzie 1

13 cylindrycznym w funcji częstotliwości znormalizowanej V, obliczony wg. zależności =(n effn g-n )/NA 1- (u /V )(1-K o /K 1 ), 1 n 1=1,6, n =1,55, światłowód; n 1=1,6, n =1, włóno szlane z materiału rdzenia zawieszone w powietrzu; oraz dyspersyjne charaterystyi modów własnych, ja na rys ale tu w funcji częstotliwości znormalizowanej V, zwracają uwagę bardzo niewielie różnice pomiędzy rodzajami TE 01,TM 01,HE 1; 5) Obliczone znormalizowane charaterystyi średnicy pola modu podstawowego w funcji znormalizowanej względem wymiaru rdzenia a odległości od osi światłowodu dla ilu wartości V. Fala rozprzestrzenia się w światłowodzie z prędością fazową v=/ zawartą pomiędzy v 1=c/n 1 i v =c/n oraz z prędością grupową v g=grupowym współczynniiem załamania nazywamy wyrażenie n g=c/v g. Modem podstawowym jest HE 11 o teoretycznie zerowej wartości częstotliwości odcięcia. Rozład mocy w przeroju poprzecznym światłowodu, stałą propagacji, argumenty funcji falowych można obliczyć z szeregu zależności przybliżonych obowiązujących dla różnych zaresów częstotliwości znormalizowanej (przy założeniu n 1n ) [1.13,1.14,1.16,1.18,1.3,1.8,1.01] Dla małych wartości V zachodzi wexp-[e+j m(v)/vj m(v)], e=0, stała Eulera, u(1+ 1/ )V/[1+(4+V 4 ) 1/4 ]. Odcięcie modowe następuje, jeśli w=0 i u=v i fala modowa propaguje z prędością fali swobodnej w nieograniczonym ośrodu płaszcza. Warune odcięcia dla obu rodzajów modów E ol i H ol jest J o(u)=j o(v c)=0, gdzie V c jest wartością V dla odcięcia. Odcięcie dla modów niezmiennych azymutalnie nie zależy od n 1 i n. Dla modów o m>1, orzystając z asymptotycznej wartości funcji K m(w0)(m-1)! m-1 /w m warune odcięcia jest Jm 1 / ujm n /( m 1)( n1 n ), dla n 1n Jm 1 / ujm 1/( m 1). (1.7) 13

14 Rys. 1.. Włónowe światłowody wielomodowe i jednomodowe o lasycznej budowie wytworzone modyfiowaną metodą wielotyglową (MMC) ze szieł wielosładniowych oraz ich zmierzone wybrane charaterystyi transmisyjne, =15m, [9]. 1) Przełom lustrzany włóien optycznych typu MMC ze szła SLS, wido pod mirosopem eletronowym; ) Wytrawiony ształt profilu refracyjnego gradientowego światłowodu wielomodowego, obserwacja pod mirosopem eletronowym, n 1=1,55, n =1,51, a=50m, ; 3) Ten sam gradientowy światłowód sygnałowy z oświetlonym rdzeniem obserwowany pod mirosopem optycznym; 4) Zobrazowany profil refracyjny tego samego światłowodu gradientowego metodą interferencyjną prążową; 5) Światłowód nisomodowy z depresją refracyjną woół rdzenia, a=16μm, NA=0,5; 6) Światłowód jednomodowy, SLS, profil quasi-soowy, r=8μm, NA=0,1; 7) Wzdłużny obraz mirosopowy w polu jednorodnym światłowodu wielomodowego o soowym profilu refracyjnym w środowisu immersyjnym, NA=0,5, r=6,5μm; 8) Obraz wzdłużny światłowodu jednomodowego wysooaperturowego, NA=0,5, r=6μm, poazany centralny obszar włóna z depresją refracyjną; 9),10),11) Przyłady funcjonalnych, ształtowanych zaończeń lasycznych i ształtowanych światłowodów włónowych stożowe, ścięte, soczewowe odwrotne trawienie niż ); 1),13),14) Obrazy światłowodu 1 4 w poprzecznym interferencyjnym polu prążowym, poazano proces dopasowania środowisa immersyjnego do refracji płaszcza światłowodu, 14) dopasowanie idealne, płaszcz zneutralizowany refracyjnie, 15) Rodzina rozwiązań równania dyfuzji (1.10), na profil refracyjny, dla procesów technologicznych światłowodów MMC o różnych znormalizowanych stałych dyfuzji jonów modyfiatorów; 16),17),18) Profile refracyjne trzech światłowodów z fotografii,5,6; 1 profil paraboliczny, profil zmierzony; 19) Charaterystya tłumienia spetralnego światłowodu jednomodowego 6, próba długości 100m; 0) Zmierzone pasmo światłowodu jednomodowego 6, podano charaterystyę amplitudową i fazową, t we imp =100ps, L=m, =1,3μm, T=(t 1 -t ) 1/, B 0,375/T, przyjęte założenie gaussowsiego ształtu impulsu wyjściowego; 1) Zmierzone pasmo ilu grup światłowodów wielomodowych wytworzonych modyfiowaną metodą wielotyglową ze szieł wielosładniowych, rzywe 1,,3,4 profile gradientowe quasi-soowe, a=50μm, małe apertury numeryczne NA=0,15 0,5; rzywe 5,6,7 profile soowe, a=50μm, NA=0, 0,35; rzywe 8,9 profile soowe, a=6,5μm, duża apertura numeryczna NA=0,4 0,5; ) Zmierzone, metodą przesunięcia poprzecznego, średnice pola modu podstawowego dla trzech próbe światłowodów typu MMC o profilach quasi-soowych, w o1=1μm, w o=10μm, w o3=7μm; Wynii pomiarowe porównane z obliczeniami według przybliżonej zależności podanej na rysunu ; 3) Zmierzony rozład pola daleiego, metodą sanowania bezpośredniego i oreślona apertura numeryczna próbi światłowodu wielomodowego typu MMC; 4) Zmierzony rozład pola daleiego światłowodu jednomodowego typu MMC; 5) Pomiar długości fali odcięcia w przyładowym światłowodzie jednomodowym typu MMC, metodą zgięciową; 6) Zmierzona zależność średnicy pola modowego w funcji długości fali dla światłowodu z pomiaru 5, i oreślenie z przebiegu rzywej tej samej długości fali odcięcia; 7) Pomiar grupowego czasu opóźnienia t g() jao funcji długości fali, w przyłαdowym światłowodzie jednomodowym typu MMC i obliczona dyspersja chromatyczna M()=dt g()/d; Pomiary i obliczenia własne. Światłowody wytworzone przy współpracy autora w HS Biaglass. 14

15 Prędość grupowa, dla pewnego zaresu wartości częstotliwości znormalizowanych jest mniejsza od wartości dla fali swobodnej w ośrodu rdzenia, czyli grupowy współczynni załamania posiada wartość więszą od n 1. Dla małych wartości n=n 1-n profil mocy modowej wynosi =(n effn g- n )/NA 1-(u /V )(1-K o /K 1 ). Znormalizowany rozład mocy w polu daleim słabo propagującego światłowodu cylindrycznego wynosi [1.15] P/ P u o {[ u w /( u )( w )][ Jo( ) J1( ) Jo( u)/ uj1( )]}, =asin=vnasin (1.8) Światłowody o lasycznej budowie i o charaterystyach analogicznych do powyższych wytwarzano modyfiowaną metodą tyglową (MMC). Dwa oncentryczne tygle, ażdy z dyszą wylotową, są sonfigurowane osiowo w podstawowym rozwiązaniu metody technologicznej. Tygle są wypełnione odpowiednio wstępnie topionym szłem rdzeniowym i płaszczowym. Alternatywną metodą jest wypełnienie tygli prosziem szlanym i pozostawienie odpowiednio długiego czasu na degazyfiację uładu. Szła posiadają różne współczynnii załamania światła. W wewnętrznym tyglu topione jest szło rdzeniowe n r=n 1, a w zewnętrznym szło płaszczowe n p=n. Waruniem propagacji jest spełnienie nierówności n r>n p na pewnej długości światłowodu. Profil refracyjny gradientowy tworzony jest w wyniu dyfuzji odpowiednio ruchliwych jonów modyfiatorów z płaszcza do rdzenia (podwyższających współczynni załamania) lub odwrotnie (obniżających współczynni załamania na granicy). Stopione szło wyciea z tygli poprzez dysze. Przepływ opisuje prawo Poisseuille a. Stosune promieni rdzenia do płaszcza jest oreślony wyrażeniem: a / a Q / Q, gdzie Q Pr 4 / 8 l (1.9) r p r p Q(r,p)-objętościowy przepływ szieł rdzeniowego o płaszczowego, P- różnica ciśnień w przeroju poprzecznym dyszy, η-lepość, r, l-promień i długość dyszy. Zewnętrzna średnica światłowodu, tutaj utrzymujemy standard 15m, wynia z równania ciągłości przepływu masy szła przez dysze v iq i=const, a więc jest zależna od średnicy dyszy zewnętrznej i prędości wyciągania. Na rys. 1.. przedstawiono ila rodzajów wytworzonych, lasycznych rozwiązań światłowodów modyfiowaną metodą wielotyglową (MMW, ang. MMC) [187,9]. Fotografie i wynii pomiarów przedstawione na rys. 1.. poazują, że światłowody typu MMC mogą posiadać pewne grupy charaterysty analogiczne do lasycznych izotropowych światłowodów sygnałowych CVD, zarówno wielomodowych gradientowych ja i jednomodowych o profilu soowym oraz profilu refracyjnym typu W. Różnica w charaterystyce spetralnej jest zauważalna. Tłumienie dla światłowodu SLS jest minimalne w paśmie 1100nm. Drugie minimum występuje w pasmie o. 800nm. W paśmie 1500nm tłumienie jest rzędu 10dB/m. Są to parametry, niełatwe do otrzymania dla światłowodów ze szieł wielosładniowych [ ], i całowicie zadowalające do szeregu technicznych zastosowań funcjonalnych [5374,7579,80]. 1..Światłowody wielowarstwowe o złożonym profilu refracyjnym Budowa światłowodu ształtowanego typu MMC o bardzo złożonym profilu refracyjnym wymaga rozważenia warunów dyfuzji w oreślonym przez technologię uładzie geometrycznym i jonowym, podczas wyciągania włóna lub preformy światłowodowej. Modyfiowana metoda wielotyglowa pozwala na wytwarzanie włóien optycznych gradientowych i soowych o trzech grupach złożonych profili refracyjnych wieloschodowe, pierścieniowe (inaczej nazywane typu W lub podwójne W) i mieszane. Proces rozpoczyna się poprzez wybór odpowiedniej pary szieł, ta aby umożliwić wzajemną dyfuzję jonów modyfiatorów. Najlepszą domieszą w rdzeniu jest taa, tóra zwięsza współczynni załamania światła i stosunowo łatwo podlega dyfuzji. Jeśli rozład jonów jest nierównomierny, występuje gradient oncentracji, to w sprzyjających oolicznościach pojawia się uierunowany strumień dyfuzji. Waruniem powstania tego strumienia dyfuzji jest, w ogólnym przypadu, obecność w uładzie gradientu potencjału chemicznego. Proces dyfuzji występuje wyłącznie w ograniczonym obszarze, gdzie oba szła są płynne. Jest to region pomiędzy dyszami tyglowymi. Uład opisuje równanie dyfuzji, tzw. drugie prawo Fica, dla symetrii osiowej: 15

16 / r c / rr 1/ D c/ t 0 c (1.10), gdzie: c= c(r,t) rozład jonów modyfiatorów, D - stała dyfuzji, t czas dyfuzji, r - promień. Dla warunów brzegowych: t=0, c=(r,t)=c o jeśli 0<r<a i c(r,t)=0 dla r>a, gdzie a-promień rdzenia światłowodu, C o- oncentracja jonów modyfiatorów w szle wyjściowym, równanie dyfuzji ma rozwiązanie w postaci rozładu oncentracji jonu dyfundującego, tóry wynosi: Dt r c r, t C0 exp u J 0 uj1udu (1.11) R R 0 gdzie: C o- oncentracja początowa, D-współczynni dyfuzji, t- czas przejścia przez region dyszy, a- promień rdzenia, J- Funcja Bessela, R r-średnica dyszy rdzeniowej, R p-średnica dyszy płaszczowej, L d długość drogi dyfuzji. Znormalizowany współczynni dyfuzji definiujemy jao: K=Dt/R. Możliwe jest powiązanie współczynnia wymiany jonowej K z parametrami procesu technologicznego. Z mechanizmu wypływu szieł z tygli wynia, że R V=a v, gdzie R promień dyszy, V prędość przepływu szła przez dyszę, a promień światłowodu, v prędość wyciągania włóna. Wartość parametru K jest związana z objętościowym przepływem poprzez zależność K=Dπl/ Q r. Droga i czas dyfuzji są związane wzorem t d=l d/v=l dr /a v, a więc znormalizowany współczynni dyfuzji wynosi K=DL d/a v tr, gdzie v tr - prędość wypływu szła z tygla rdzeniowego Taie uproszczenie załada, że profil refracyjny włóna optycznego MMC jest doładnie lub w dostatecznym przybliżeniu profilem typu α. Przeprowadzono badania dyfuzji jonów Pb +, Ba +, K +, Na +, w preformach i światłowodach MMC. Celem było znalezienie zależności pomiędzy parametrami procesu technologicznego, uładem jonowym szieł tworzących olejne warstwy preformy lub światłowodu, i złożonymi właściwościami refracyjnymi włóna optycznego. Parametry procesu wpływające na dyfuzję były: temperatury strefowe w podzielonym piecu, onstrucja stosu tygli, długości stref termicznych, droga dyfuzji, stałe materiałowe, itp. Krzywe oncentracji jonowych zmierzono przy pomocy mirosopu eletronowego [1.03,65,84,14,187]. Czułość mirosondy eletronowej była poniżej 100 ppm. Wartości stałych dyfuzji D i współczynniów wymiany jonowej K otrzymano ze zmierzonych profili oncentracji. Stałe dyfuzji są silnymi funcjami oncentracji jonów, z powodu silnego gradientu obecnego w pręcie preformy lub złożonym strumieniu szła. W celu obliczenia odpowiednich wartości D oraz K dla wszystich obecnych jonów zastosowano zmodyfiowaną metodę Boltzmana-Matano, przeliczoną dla geometrii cylindrycznej. Jao przyład podano poniżej sposób obliczeń dla zestawu rdzeniowo-płaszczowego szieł F S6 z uładem jonów migrujących Pb + oraz Na + w pręcie szlanym wyproduowanym metodą MMC. Dane wyjściowe są następujące - średnia oncentracja Pb + w rdzeniu C Pb rdz =17,3%, początowo bra jonów ołowiu w płaszczu C Pb rdz =0, średnica regionu rdzenia d rdz=r rdz=100m, droga dyfuzji l d=3mm, prędość wyciągania v=50m/min, średnica rdzeniowej dyszy tyglowej d n rdz =r n rdz =4mm, czas dyfuzji t d=l dd n rdz /v d rdz=6s, położenie płaszczyzny Matano X M=x(1-C x/c r), gdzie C x loalna wartość oncentracji jonów. Ze zmierzonej charaterystyi rozładu oncentracji jonów C=f(x/r rdz) dla badanej preformy światłowodowej MMC otrzymuje się x/r rdz=0,7, C x/c r=0,8, a więc x=35μm. Prowadząc obliczenia dalej otrzymuje się X M=7m, C x=14%mol, oraz z zależności Boltzmana-Matano C x D Pb=-(1/t d)(dx/dc) x ( X X M ) dc =1, cm / s, K Pb=Dl d/r co v=, (1.1) Cr Odpowiednie wartości dla jonów Na są D Na= cm /s, K Na= Różnice pomiędzy wartościami parametrów dyfuzji obu jonów nie są duże. Wynia to ze zjawisa zmieszanych alaliów spowodowanego przez jony K + obecne w szle rdzeniowym. Ruchliwość jonów Na + jest znacznie obniżona przez to zjawiso. Zmierzone rzywe oncentracji jonów są przedstawione łącznie ze zmierzonym metodą interferencyjną profilem refracyjnym. Wynii przedstawiono dla ilu próbe światłowodów ształtowanych wielowarstwowych wytworzonych ze stosu trzech pięciu tygli. Analogiczne badania dyfuzji przeprowadzono dla innych uładów jonów i szieł typowych dla metody MMC [49,5]. Profile gęstości oncentracji dla jonów Na + i K + są blisie profilowi 16

17 refracyjnemu tylo w szłach bez ciężich tlenów, ja Pb +, Zn +. Silna dyfuzja jonów alalicznych jest obserwowana prawie we wszystich uładach jonowych. Wpływ na profil refracyjny jest rzędu n 0,01 0,03. Obserwowane profile dyfuzji jonów Na + i K + były złożone i widoczny był wyraźnie wpływ zjawisa zmieszanych alaliów. 17

18 Rys.1.3. Rodzaje wytworzonych światłowodów wielowarstwowych ze szieł wielosładniowych modyfiowaną metodą wielotyglową w OBPŚ HS Biaglass i ich wybrane zmierzone i obliczone charaterystyi refracyjne i technologiczne [50,70,87,111,14,187,17,18,9,1.03]; 1) Światłowód trójwarstwowy ze szieł B4-BLF-S6, waruni technologiczne r=,9x10-4 s -1, p1=,55x10-4 s -1, p=1,87x10-4 s -1, gdzie współczynnii 4 i ri gi / 8 ili A są wyprowadzone w rozdziale.1., temperatura wyciągania T=1100 o C, spełniony jest i warune p1> p, r> p, znormalizowane zmierzone profile refracyjne tego włóna przedstawiono na rys dla ilu wysoości słupów ciełego szła w tyglach h 1>h >h 3 w miarę postępu procesu, wypełnienie tygli jednowsadowe, średnica zewnętrzna światłowodu o. 15μm; ) Światłowód czterowarstwowy ze szieł F-S6-S7-S8, waruni technologiczne r=1,56x10-4 s -1, p1=1,5x10-4 s -1, p=,55x10-4 s -1, p3=,15x10-4 s -1, T=1000 o C, znormalizowane profile refracyjne przedstawione na rys. 1.3., szeroość loalnej pierścieniowej depresji refracyjnej może osiągać wymiary submironowe; 3) Światłowód czterowarstwowy ze szieł BF8- BLF-F-S6, waruni technologiczne r=1,1x10-4 s -1, p1=1,6x10-4 s -1, p=,55x10-4 s -1, p3=,4x10-4 s -1, spełnione waruni 3 r> p3, p1> p3, p> p3, T=1050 o C, zmierzone profile refracyjne przedstawione na rys dla różnych wysoości słupów szieł w tyglach h 1>h >h 3; 4) Światłowód trzywarstwowy, ze szieł BLF1-BLF- S4, waruni technologiczne r=1,6x10-4 s -1, p1=3,1x10-4 s -1, p=,9x10-4 s -1, zmierzone profile refracyjne przedstawione na rys dla różnych wysoości słupów szieł w tyglach h 1>h >h 3; 5),6),7) Światłowody o silnej wąsiej cylindrycznej depresji refracyjnej i profilach analogicznych do rys.1.3.1; 8) Zobrazowanie profilu refracyjnego, interferometryczną metodą prążową, światłowodu o szeroiej depresji refracyjnej woół rdzenia; 9) Światłowód czterowarstwowy ze szieł B4-B-B4-S9 (n i= 1,561, 1,539, 1,561, 1,5130) i wewnętrznej depresji refracyjnej, zmierzone profile refracyjne światłowodu z rys przedstawione na rys dla różnych wysoości słupów szieł w tyglach h 1>h >h 3, rys i przedstawiają obrazy tego światłowodu w prążowym poprzecznym polu interferencyjnym w sytuacji daleiej od immersyjnego dopasowania płaszcza światłowodu i blisiej dopasowania; 1) Światłowód trójwarstwowy ze szieł SK1(JZO)-BLF-S9 (n i= 1,581, 1,5470, 1,5130) o regularnym profilu refracyjnym schodowym przedstawionym na rys , rys przedstawia obraz tego światłowodu w prążowym poprzecznym polu interferencyjnym w sytuacji idealnego immersyjnego dopasowania płaszcza; 14) Światłowód analogiczny do przedstawionego na rys o bardzo wąsiej depresji refracyjnej woół rdzenia; 15) Zobrazowanie profilu refracyjnego, interferometryczną metodą prążową, światłowodu jednomodowego o profilu refracyjnym typu podwójne W, o podwójnej wąsiej i szeroiej depresji refracyjnej woół rdzenia, zmierzone profile refracyjne reprezentanta tej lasy światłowodów przedstawia rys dla różnych etapów jednowsadowego procesu technologicznego MMC; 16 3) Zmierzone profile refracyjne światłowodów na fotografiach 1 4 dla różnych etapów procesu technologicznego MMC; 3) Zmiana stosunu wymiarów światłowodu wielowarstwowego MMC obliczona teoretycznie (rzywe ciągłe) i weryfiowana esperymentalnie (rzywa przerywana) dla różnych wartości stosunów wymiarów dysz tyglowych oraz wysoości słupów szła tyglowego, patrametry: T=const, =const, η i, i, h 1/h =, T ±5K, v ±5cm/s, B/A obliczone teoretyczne asymptoty wymiarów światłowodu dla danych proporcji dysz tygli rdzeniowych i płaszczowego [84]; 4) rodzina znormalizowanych teoretycznych i zmierzonych profili refracyjnych światłowodu pięciotyglowegoze szieł BaK-BaK4-BaK-BaK4-S1-laier poliimidowy (n i= 1,539, 1,561, 1,5130, 1,54), tórego proporcje wymiarowe badano na rys.1.3.3, warstwa płaszczowa tego światłowodu jest źródłem dyfundujących jonów Na + a rdzeniowe jonów Ba +, pomiary doonane w czasie jednego procesu technologicznego, omplesowe współczynnii dyfuzji K i=d it/a i =D il d/q i, zmieniano poprzez zmiany temperatury procesu T i czasu dyfuzji t d; 5), 6) rodzina znormalizowanych teoretycznych i zmierzonych profili refracyjnych światłowodu czterotyglowego i pięcityglowego [111], profil podwójne W i dwupierścieniowy, dane technologiczne dotyczące procesów prowadzących do profili oznaczonych 1-5 przedstawiono w tabelach 7 i 8 w rozdziale.3. - części technologicznej pracy, rozbieżność pomiędzy rzywymi -, i 3-3 poazuje doładność obliczeń teoretycznych dyfuzji w uładzie wielotyglowym w porównaniu z pomiarem; 7) Zmierzone sondą jonową mirosopu eletronowego rozłady jonów modyfiatorów w preformie światłowodowej trzytyglowej, szła BLF1-BLF-S4, waruni technologiczne L(r-p1)=4mm, L(p1- p)=0mm, T=1050 o C, rzywe 1-4 profile jonowe, 1-Na +, - K +, 3 - Ba +, 4 - Pb +, rzywa 5 zmierzony profil refracyjny, r-rdzeń, p i-płaszcze wewnętrzne, L i-odległości międzydyszowe; 8) Zmierzona dyfuzja 18

19 jonów w czterotyglowej preformie MMC, szła BF8-BLF5-F-S8, temperatura procesu T=1000 o C, rzywa 5 zmierzony profil refracyjny; 9), 30) Zmierzone profile refracyjne wybranych przyładowych preform światłowodów MMC dwutyglowych (rzywe 1-4), trzytyglowych (rzywa 5) i czterotyglowych (rzywa 6), poazujące zależność szczegółów profilu od parametrów procesu technologicznego ja: odległości międzydyszowe, temperatury strefowe w piecu, długość drogi i czasu dyfuzji [111]. Dyfuzja jonów ciężich Pb + i Ba + posiada istotny wpływ na profil refracyjny. Jednaże te jony posiadają mniejsze wartości stałej D niż jony lżejsze. W pewnych warunach technologicznych, różnica pomiędzy stałymi dyfuzji jonów leich i ciężich może być znacznie zmniejszona wsute zjawisa zmieszanych alaliów. Na przyład, dyfuzja jonów Pb +, dla l d=3mm w jednym z esperymentów wyciągania światłowodu spowodowała bardzo wyraźne zmiany profilu refracyjnego [17,18,9,1.03]. Profil refracyjny jest determinowany przez rozład gęstości oncentracji jonowej w szle o typie jonów Me +. Profil jest proporcjonalny do zawartości molowej ilu jonów Me + w szle złożonym. Zwięszenie temperatury procesu MMC nie powodowało znacznego wzrostu głęboości dyfuzji, co obserwowano dla tych samych szieł zestawionych w uładzie płasim dla znacznie więszych czasów dyfuzji. Obserwowano zjawisa brzegowe na granicy rdzenia i płaszcza, gdzie loalna oncentracja głównych jonów migrujących wzrastała anomalnie w pewnych warunach technologicznych. Dla pewnych warunów, głęboość migracji może zmaleć ze wzrostem temperatury o iladziesiąt o K w otoczeniu wartości optymalnej, co jest spowodowane przez znaczną zmianę lepości szła, wzrost szybości przepływu przez strefę dyfuzji i zmniejszenie czasu dyfuzji. Liczba Reynoldsa zmienia się z temperaturą, i jej wartość oreśla waruni stabilności procesu wyciągania światłowodu. Dla ażdego uładu szieł światłowodowych wybierana jest esperymentalnie optymalna temperatura pod względem stabilności technologii, warunów dyfuzji, projetowanego profilu refracyjnego i wymiarów włóna optycznego. Przy pomocy metody MMC tworzono wielowarstwowe preformy i wyciągano światłowody o złożonych profilach refracyjnych. Pratya poazuje, że metoda pozwala na łączenie szieł o stosunowo odległych charaterystyach termicznych i mechanicznych, co znacznie zwięsza swobodę projetowania światłowodu. Na rys przedstawiono szereg przyładów wytworzonych i zmierzonych światłowodów wielowarstwowych MMC. Przedmiotem badań były procesy ształtowania szczegółów profilu refracyjnego światłowodu. Na nietórych fotografiach widoczne są znaczne loalne wartości parametru refracyjnego (przeraczające 1%) oraz niewielie grubości loalnych warstw refracyjnych (rzędu od ilu do poniżej 1μm). Umiejętność tworzenia cienich warstw refracyjnych ma podstawowe znaczenie dla ształtowania charaterysty dyspersyjnych światłowodu jednomodowego [1.8] tutaj nie w aspecie transmisji długodystansowej ale np. budowy refracyjnych i dyspersyjnych elementów funcjonalnych seletywnych modowo i o właściwościach ompensacyjnych [1.6,1.7]. Wydaje się obecnie, że przy pomocy innej metody technologicznej trudno jest dorównać metodzie MMC w otrzymaniu światłowodów o bardziej złożonych funcjonalnych profilach refracyjnych [9]. Pierwsze trzy profile refracyjne przedstawiają rezultat technologii trzy, cztero i pięciotyglowej. Następne profile są trzy i cztero-tyglowe. Do budowy profilu, rys zastosowano szła SK1-BLF-S9 (rdzeń osiowy warstwa 1 warstwa). Doładny opis warunów technologicznych i obliczeń związanych z wytwarzaniem i charateryzacją światłowodów wielowarstwowych MMC można znaleźć w publiacjach cytowanych w niniejszym rozdziale. Nietóre z ogólnych wniosów przeprowadzonych badań nad możliwościami ształtowania złożonych profili refracyjnych światłowodów MMC są następujące [1.03]: technia jednowsadowa wymaga ontroli wysoości słupów ciełego szła w tyglach ze względu na zmiany proporcji włóna, w części ońcowej procesu rolę odgrywa ształt dennej części tygli (płasi, paraboliczny, półolisty, stożowy), możliwe jest łączenie szieł o odległych charaterystyach termiczno-mechanicznych, nawet o ponad 10%, o profilu decydują głównie sład chemiczny szieł i odległości międzytyglowe przy optymalnej temperaturze procesu, obserwuje się wyraźną dyfuzję jonów Pb + i Ba +, wyznaczenie początowych wysoości słupów szieł w tyglach, na podstawie relacji przedstawionej w technologicznej części pracy (xx), pozwala na wytwarzanie światłowodów o stałych proporcjach wymiarowych w metodzie jednowsadowej, pod waruniem niezmienniczości powierzchni czynnej poszczególnych tygli, możliwe jest wyorzystanie efetu zmieszanych dwóch alaliów (do wyrównania ruchliwości jonów modyfiatorów o różnych wymiarach) lub częściowa neutralizacja tego zjawisa poprzez odpowiedni dobór parametrów technologicznych procesu ja dystansu 19

20 pomiędzy wewnętrznymi tyglami. Jednym z najważniejszych wniosów tych badań było poazanie możliwości tworzenia strutur refracyjnych w światłowodach włónowych MMC o wymiarach mniejszych od długości propagowanej fali optycznej Światłowody o rdzeniu pierścieniowym Światłowody pierścieniowe charateryzują się minimalną wartością współczynnia załamania na osi przeroju poprzecznego włóna. Parametrami światłowodu są wielość centralnej depresji refracyjnej w sensie geometrycznym i refracyjnym, oraz względna grubość i promień pierścienia rdzeniowego względem. Profil refracyjny, dla światłowodu pierścieniowego soowego jest n(r)=n 1 dla a r b i n poza tym obszarem, a więc wewnątrz centralnej osiowej depresji refracyjnej (tzw. płaszczu wewnętrznym) i płaszczu zewnętrznym. Wprowadzamuy parametr η=b/a będący znormalizowaną grubością rdzenia pierścieniowego. Załadamy 1-n /n 1<<1 i rozprzestrzenianie się fali TEM we włónie optycznym. W taim przypadu pole eletryczne można zapisać w następującej postaci dla trzech obszarów światłowodu, odpowiednio płaszczu wewnętrznym, rdzeniu i płaszczu zewnętrznym: E y m y y Em C1I m( W)cos( m ) lub E m C1I m( W)sin( m ), W=wr/ηa=(w/η)(r/a), dla 0 r a (1.13) y [ CJ m( U) C3Nm ( U)]cos( m ) lub Em [ CJ m( U) C3Nm ( U)]sin( m ), U=ur/ηa, dla a r b (1.14) y y Em C4Km( W)cos( m ) lub Em C4Km( W)sin( m ) dla b r (1.15) gdzie C i są stałymi amplitudowymi, I m, J m, N m, K m funcjami Bessela pierwszego i drugiego rodzaju m-tego rzędu, u,w,v, wyrażone lasycznymi wzorami, adaptowanymi do geometrii i właściwości refracyjnych światłowodu pierścieniowego u =b (n 1 -β - ), w =b (β - -n ), V =b (n 1 -n ) są argumentami funcji Bessela i częstotliwością znormalizowaną, =/, m-azymutalna liczba modowa, η=b/a, β-stała propagacji. Stosując waruni brzegowe do równań ( ) otrzymuje się równanie własne dla światłowodu o rdzeniu pierścieniowym (1.16) wk m+1(w)/uk m(w) = {ui m(w/η)[j m+1(u) N m+1(u/η)-j m+1(u/η)n m+1(u)]+wi m+1(w/η)[j m+1(u)n m(u/η)- +J m (u/η) N m+1(u)]} /{ui m(w/η)[j m+1(u/η)n m(u)-j m(u)n m+1(u/η)]+wi m+1(w/η)[j m(u/η) N m(u)- J m(u)n m(u/η)]} (1.16) Równanie to, z oczywistych powodów, dla η ulega transformacji w lasyczne równanie własne światłowodu cylindrycznego słabo propagującego. Kila rodzin obliczonych numerycznie rozwiązań tego równania dla różnych wartości parametru η, i dla światłowodów o geometrii z rys , przedstawiono na rys Modem najniższego rzędu w światłowodzie o rdzeniu pierścieniowym jest LP 01 odpowiadający rodzajowi HE 11. Następnym modem jest LP 11, odpowiadający rodzajom fal TE 01, TM 01 lub HE 1. Ze wzrostem parametru η, dla ustalonej wartości częstotliwości znormalizowanej, od granicznej wartości 1 do niesończoności światłowód pierścieniowy coraz bardziej przypomina pod względem modowym światłowód lasyczny. Przy maleniu η do jedności, dla V=const ilość modów propagowanych w światłowodzie pierścieniowym maleje. Na rys przedstawiono obliczony rozład pola eletrycznego dla modów LP 01 i LP 11 w przeroju poprzecznym światłowodu pierścieniowego w warunach odcięcia modu LP 11 (rzywe 3,4,5) i modu LP 1 (rzywe 6,7,8). Sama wartość parametru η nie wyczerpuje opisu właściwości światłowodów pierścieniowych jednomodowych. 0

21 Rys.1.4. Przyłady światłowodów włónowych o rdzeniach pierścieniowych i ich wybrane charaterystyi modowe i sygnałowe ja odcięcia modowego, rozwiązania równania własnego, obliczenia własne. Światłowody quasi-jednomodowe, dla rodzaju LP 01 i rodzajów quasi-planarnych, o rdzeniach pierścieniowych wytworzone metodą MMC przez autora we współpracy z OBPŚ HS Biaglass. Dane - =0,5% dla włóien optycznych jednomodowych, =15μm; 1) b=7μm, a=4μm, h=1,5μm, η=1,75; ) b 1=8μm, a 1=6μm, b =4μm, a =μm, η 11=b 1/a 1=1,3, η 1=4, η =; 3) b=9μm, a=3μm, η=3; 4) b=36μm, a=30μm, η=1,; 5) b=75μm, a=65μm, η=1,; 6) b=100μm, a=9μm, η 1,1; 7) b=50μm, a=10μm, η=5, =0,5% 1,5%, wielomodowy; 8 11) charaterystyi odcięcia modowego dla różnych wartości parametru promienia η; 1) obliczony warune jednomodowości światłowodu w funcji parametru pierścienia rdzeniowego η; 13) obliczone profile pola modu podstawowego LP 01 oraz modu LP 11 w funcji parametru η dla dwóch wartości częstotliwości znormalizowanej V 1=V c(lp 11), V =V c(lp 1), rzywe 1 i - profile modu LP 11 dla V 1 i V, rzywe 3,4,5 profile modu LP 01 dla η=1,, η=1,5, η=3, =0,5%, =1μm, n =1,5, V 1, rzywe 6,7,8 podobnie ja rzywe 3,4,5 tylo dla V ; 14) Zmierzone i obliczone profile refracyjne wielomodowego światłowodu pierścieniowego n(r)=n 1(1-( r-r o / br o ) ) 1/ dla r o-brb, n(r)=n 1(1-) 1/ poza rdzeniem o optymalnej wartości parametru profilu otrzymanym metodą WKB - 1-(n 1/N 1)(/)(d/d), N 1=d 1/d; rzywa 1 - paraboliczny =, rzywa - =5; rzywe 3 i 4 zmierzone profile gradientowe, rzywe 5 i 6 zmierzone profile quasi-soowe, rzywa 7 profil trójątny α 1, r o=0,5(a+b); 15) Zmierzone tłumienie spetralne wielomodowego gradientowego światłowodu pierścieniowego ja z rys , 3,9; 16), 17) Obliczone (rzywe przerywane) i zmierzone (rzywe ciągłe) 1

22 przyrostowe straty zgięciowe światłowodu pierścieniowego spowodowane centralną depresją refracyjną w funcji 1/η=a/b dla światłowodów o danych =0,35%, a=5μm, V=, promieni zgięcia R=11 6mm; 18) Obliczone charaterystyi stratnej dysryminacji modu LP 01, w celu otrzymania propagacji quasi-jednomodowej LP 11, wsute wprowadzenia stratnego płaszcza centralnego o stratności α [db/m] i grubości względnej a/a, wprowadzającej straty modu LP 01 na poziomie 50dB/m, i straty przyrostowe modu LP 11 α [db/m], gdzie a jest promieniem osiowej depresji refracyjnej; 19) Zmierzone pasmo grupy nisostratnych, światłowodów pierścieniowych wytworzonych metodą MMC w HS Biaglass, Światłowody wielomodowe, gradientowe, i jednomodowe, quasi-soowe, L 1m, 1μm, S=14dB/m, rzywe 1,,3-1,8,3, b=50μm, R=13 16μm, rzywe 4 9, α 1,1 1,3, b 6,5μm, R=13 16μm, rzywe 10 1 światłowody jednomodowe, α 4 6, b=7μm, a=4μm, =0,5 1,75%; rzywe światłowody wielomodowe soowe b=50 60μm, a=10μm, η=5 6, =0,5 1,5%, 0) Obliczone rozłady pola trzech modów cylindrycznie symetrycznych najniższego rzędu (m=0, l=1,,3) w światłowodzie pierścieniowym; (obliczenia i pomiary własne). Światłowody włónowe o rdzeniach pierścieniowych można podzielić je na dwie lasy, o depresji centralnej porównywalnej z długością fali a i znacznie więsze od długości fali a>>. Druga grupa, szczególnie dla dużych wartości a, może propagować mody planarne, ja w zarzywionym światłowodzie planarnym. Na obwodzie rdzenia powstaje planarna fala stojąca a propagacja zachodzi wzdłuż włóna. Pierwsza grupa może pracować w dwóch podstawowych warunach falowych: 1 - poprzez dobór parametrów V i η dla warunu jednomodowej propagacji rodzaju LP 01, poprzez wprowadzenie dostatecznie wysoich strat optycznych w region centralnej depresji refracyjnej (płaszcz wewnętrzny) i stratną dysryminację modu LP 01, ze względu na znaczne różnice w głęboości wniania pól modowych LP 01 i LP 11 w rejon depresji. W pierwszym przypadu światłowód pierścieniowy pierwszej grupy jest jednomodowy dla rodzaju LP 01, w drugim quasijednomodowy dla rodzaju LP 11. W drugim przypadu pracy quasi-jednomodowej światłowód pracuje przy więszych wartościach częstotliwości znormalizowanej niż dla pracy jednomodowej, rys Wartość częstotliwości znormalizowanej odcięcia modu LP 11, V c(lp 11) otrzymuje się z równania własnego (1.16) przyjmując warune u=v (lub n eff(lp 11)=n ) dla odpowiednich liczb modowych i tratując η jao parametr rozwiązania. Na rys poazano obliczoną zależność V c(lp 11)=f(η). W całym obszarze V(η) pod rzywą światłowód pierścieniowy jest jednomodowy dla rodzaju LP 01. Gdy η maleje do jedności wartość częstotliwości znormalizowanej V może być wybrana znacznie więsza od,405, wartości odcięcia modu LP 01 w światłowodzie lasycznym. Rys przedstawia obliczone profile modowe światłowodu pierścieniowego. Porównanie z profilami modowymi analogicznego (taa sama wartość, V) światłowodu lasycznego (średnica pola modu) poazuje, że pole w światłowodzie pierścieniowym rozprzestrzenia się szerzej poza rdzeń w płaszcz zewnętrzny. Pole wnia coraz głębiej w płaszcz, uwidoczniając coraz więszą różnicę ze światłowodem lasycznym, dla paramtru η1. Jednomodowy światłowód pierścieniowy łatwiej sprzęgać ze źródłem światła ale jest bardziej podatny na mirozgięcia niż światłowód lasyczny. Pomiary wielomodowego soowego i gradientowego światłowodu pierścieniowego, rys i , poazują niewielie różnice z lasycznym światłowodem wielomodowym. Mierzona dyspersja wielomodowego, pierścieniowego światłowodu gradientowego, dla 1,5, =0,85μm, =0,5%, analogicznego do tego z rys wynosiła o. 500MHz Km. 1.4.Światłowody polaryzacyjne Światłowody silnie dwójłomne ( z dodatową tłumiennościową dysryminacją drugiego polaryzantu modu podstawowego) są niezbędne w zastosowaniach interferometrycznych, gdzie wymagana jest zgodność stanów polaryzacji interferujących wiąze światła przeazywanych transmisyjnymi i czujniowymi włónami optycznymi a minimalna separacja polaryzacyjna musi być więsza niż -60dB [1.17,1.19,1,1,1.5]. Spośród światłowodów anizotropowych (tóre stanowią szerszą grupę, do tórej należą taże światłowodu dwójłomne) najwięsze zainteresowanie, ja dotąd, budzą światłowody o właściwościach polaryzacyjnych [ ]. Spośród taich światłowodów wyróżniamy: włóna silnie liniowo dwójłomne utrzymujące stan polaryzacji fali wejściowej, włóna polaryzujące zachowujące się ja rozłożony polaryzator, włóna dwójłomne ołowo, dwójłomne eliptycznie, oraz włóna o dwójłomności modulowanej. Najbardziej rozpowszechnionymi rodzajami światłowodów polaryzacyjnych są włóna typu Panda i Musza. Dwójłomność jest wbudowywana w

23 struturę włóna wysoorzemionowego przez obszary szła bororzemionowego (taże aluminorzemionowego) o dużym współczynniu rozszerzalności liniowej położone z dwóch stron rdzenia ta aby podlegał on ścisaniu w jednej płaszczyźnie. Poprzez induowanie naprężeń termicznych w jednej płaszczyźnie w rdzeniu powstaje znaczna dwójłomność wewnętrzna [5.3], istotnie przeraczająca przypadowe zmiany dwójłomności induowane przez czynnii zewnętrzne ja zgięcia, sręcenia, loalne zmiany termiczne, residualną eliptyczność rdzenia, i statystyczne zmiany wymiarów rdzenia. Światłowody Panda wyonuje się wiercąc preformę CVD, wprowadzając pręty szlane i przeciągając całość metodą pręt-rura. Światłowody typu Musza wyonuje się całowicie w czasie procesu CVD, dodając dwa dodatowe etapy, w porównaniu z lasycznym światłowodem transmisyjnym: naładania silnie domieszowanej warstwy SiO :B O 3 oraz niesymetrycznego trawienia tej warstwy wzdłuż preformy, przed nałożeniem warstw buforowej i rdzenia a następnie olapsu preformy. Poziom naprężenia wprowadzany do rdzenia światłowodu HB jest rzędu 10g/mm [5.1]. Szlane setory naprężeniowe powinny być ja najbliżej rdzenia w celu otrzymania ja najwięszej dwójłomności. Ograniczeniem zbliżania jest wpływ setorów, tóre są stratne optycznie, na tłumienie światłowodu. Dyspersja termiczna dwójłomności wynia z zależności wprowadzanych wewnętrznych naprężeń od temperatury. W jednomodowym lasycznym światłowodzie teleomuniacyjnym stan polaryzacji, liniowo spolaryzowanej fali wejściowej, na wyjściu jest przypadowy i zależy od statystyi wymienionych czynniów. W rezultacie wprowadzenia znacznej wewnętrznej dwójłomności światłowód transmituje falę bez zmiany polaryzacji. Dzieje się to wsute np. dysryminacji jednego z polaryzantów modu podstawowego. W pratyce, część mocy optycznej przepływa do niepożądanego polaryzantu, co jest nazywane przesłuchem polaryzacyjnym i opisane współczynniiem tłumienia polaryzacyjnego p wyrażonym w [db/m] lub współczynniiem przesłuchu polaryzacyjnego h p w [db/m] wyrażającym przepływ mocy pomiędzy polaryzantami na jednostę długości światłowodu. Wartość współczynnia p w światłowodzie dwójłomnym powinna wynosić iladziesiąt db, w celu zapobieżenia nadmiernym stratom polaryzacyjnym. Wartość współczynnia p zależy nie tylo od samego światłowodu (część wewnętrzna współczynnia p wew ) ale taże od sposobu jego porycia (nierównomierności), naprężeń wyniłych z nawijania na bęben, ablowania, geometrii ułożenia włóna (pętle o małym promieniu) i przypadowych zaburzeń mechanicznych, powodujących mieszanie modów (część zewnętrzna współczynnia p zew ). Wartość sprzężenia modów spowodowana czynniami wewnętrznymi światłowodu jest związana z relatywną różnicą drogi orelacji zaburzeń przestrzennych światłowodu i długości drogi dudnienia modów, typowo ila mm. Masimum sprzężenia występuje jeśli obie drogi są sobie równe. Z poziomu tłumienia polaryzacyjnego rzędu - 40dB dla dobrych światłowodów HB wynia wniose, że podstawowym czynniiem jest p zew. Istnieją dwa podstawowe fizyczne ograniczenia utrzymywania stanu polaryzacji liniowej przez światłowód HB: spontaniczne rozpraszanie Rayleigha oraz hybrydowy charater modów w światłowodzie. Pierwsze ograniczenie, spontaniczne rozpraszanie Rayleigha, wyraża się wzorem R R=C R -4, gdzie C R jest współczynniiem rozpraszania Rayleigha zależnym od szła światłowodu. Dla czystego szła warcowego współczynni C R=0,7. Dla światłowodów teleomuniacyjnych ze szieł warcowych słabo domieszowanych GeO współczynni C R=0,51+0,76 i typowo wynosi 0,8-0,9. Dla szieł wielosładniowych jest więszy. Wsute elastycznego rozpraszania Rayleigha o charaterze dipolowym, a więc o dwóch symetrycznych masimach w obu ierunach długiej osi światłowodu, część mocy nieustannie przepływa pomiędzy polaryzantami. Promieniowanie dipolu jest masymalne w ierunu ortogonalnym do wetora pola eletrycznego fali optycznej a zerowe w ierunu równoległym. Przepływająca moc jest liniowo zależna od długości światłowodu, a więc separacja polaryzacyjna zmniejsza się taże liniowo z długością światłowodu. Dla typowej długości czujniowych zastosowań światłowodu HB rzędu ilu m, ograniczenie na tłumienie polaryzacyjne spowodowane rozpraszaniem Rayleigha wynosi o.-80db, dla długości fali =1m [5.9]. Dla 100 m długości światłowodu HB (światłowodowy interferometr o bardzo długim ramieniu) ograniczenie na tłumienie polaryzacyjne spowodowane rozpraszaniem Rayleigha wynosi o. 30dB. Teoretyczny obszar ograniczeń izolacji polaryzacyjnej spowodowany rozpraszaniem Rayleigha przedstawiono na rys.1.5. Drugim ograniczeniem jest nieidealność przybliżenia słabej propagacji (obowiązuje między innymi dla założenia małej wartości względnej różnicy współczynniów załamania pomiędzy 3

24 rdzeniem i płaszczem n), z tórego wynia założenie o liniowej polaryzacji modów (notacja modowa LP). W rzeczywistości, w światłowodzie mody nie reprezentują falę płasą ale występuje pewna wartość rzywizny pola. Mody są hybrydowe o ogólnej notacji HE i EH ze sładowymi wzdłużnymi pól oraz dwoma ortogonalnie spolaryzowanymi sładowymi poprzecznymi, mniejszą ( o poziomie o. 40 db) i więszą. Mniejsza poprzeczna sładowa pola o poziomie o. 40dB, we współczesnych światłowodach HB, względem sładowej więszej, nie spełnia warunu separacji polaryzacyjnej poniżej 60dB [5.6]. Bez polaryzacyjnej dysryminacji tłumiennościowej, sam światłowód HB nie może być zastosowany w nietórych rozwiązaniach interferometrów, szczególnie o długich drogach optycznych. Konieczny jest dodatowy zewnętrzny uład polaryzator analizator, co ompliuje uład optyczny, poprzez wyjście z czystego rozwiązania światłowodowego. Teoretyczny obszar ograniczeń izolacji polaryzacyjnej spowodowany istnieniem residualnej ortogonalnej sładowej pola modowego przedstawiono również na rys.1.5. Modem podstawowym w notacji LP w światłowodzie słabo propagującym o n 0 jest LP 01. W rzeczywistości jest to mod HE 11. Mod LP 11 jest pierwszym modem wyższego rzędu w notacji LP sładającym się w rzeczywistości z grupy modów HE 01, EH 01, HE 1. W ogólnym przypadu światłowodu quasi-izotropowego, oraz istnienia residualnej anizotropii włóna optycznego, mod podstawowy HE 11 słada się z dwóch modów zwyczajnego (parzystego, regularnego, szybiego, ang. even) e HE 11 i nadzwyczajnego (nieparzystego, osobliwego, wolnego, ang. odd) o HE 11. Rys.1.5. Obliczone fundamentalne ograniczenia separacji polaryzantów modu podstawowego w światłowodach silnie dwójłomnych i polaryzujących (rozpraszanie Rayleigha i mniejsza sładowa poprzeczna pola modu) oraz obszar (zaropowany) mierzonych parametrów światłowodów rzeczywistych. Obliczenia własne. 4

25 Rys Obliczona znormalizowana dwójłomność światłowodów polaryzacyjnych B= β x-β y /= n x-n y w funcji grubości d bororzemionowego elementu naprężeniowego, dla ilu wartości =(n 1-n )/n 1. Gwiazdami oznaczono zmierzoną dwójłomność dostępnych autorowi światłowodów HB ze szła wysoorzemionowego. Obliczenia własne. 5

26 Rys Przyłady, światłowodów HB ze szieł wielosładniowych i ich wybrane zmierzone charaterystyi dwójłomności. Dane światłowodów: =15μm, 0,5-1,5%; 1), ) Światłowód o dużej dwójłomności typu Panda i jego optyczna transformata Fouriera (całowity lub nieco rozsunięty rzyż onosopowy, duża liczba drobnych prążów), cylindryczne szlane obszary naprężeniowe o małych wymiarach, r=3μm, separacja elementów naprężeniowych od rdzenia d=3μm, średnica elementów naprężeniowych d n 15μm; 3) Elementy naprężające eliptyczno-ścięte; 4) Elemety naprężające eliptyczno-ostrzowe; 5) Elementy naprężające w ształcie litery D i niewieliej separacji od rdzenia, powięszona fotografia tego światłowodu jest na str VI; 6) Optyczna transformata Fouriera światłowodu 5; 7) Światłowód z pojedyńczym obszarem D i niewielą separacją od rdzenia, obszar D może być pusty, wypełniony innym szłem, innym materiałem np. polimerem, cieczą, metalem; 8) Światłowód typu Panda o dużych (masymalnych) rozmiarach obszarów naprężeniowych d n 35μm; 9) Światłowód analogiczny do 8 z czterema obszarami naprężeniowymi; 10)-14) Światłowody włónowe o zewnętrznym ształcie litery D i płasim regionie do ułatwienia zewnętrznego oddziaływania na rdzeń położony bliso powierzchni płasiej; 15),16) Zmierzone charaterystyi zależności dwójłomności przedstawionych na fotografiach światłowodów od temperatury i naprężenia mechanicznego, rzywych nie przyporządowano do włóien ze względu na autorsie zastrzeżenia patentowe. Światłowody wytworzone w HS Biaglass; Każdy z tych modów e HE 11 i o HE 11 jest hybrydowy i posiada obie prostopadle spolaryzowane sładowe pola poprzecznego i sładową podłużną. Odpowiednie sładowe pól np. mniejsza modu zwyczajnego może być równolegle spolaryzowana do więszej sładowej modu nadzwyczajnego, i poprzez te sładowe może następować wymiana mocy. Dwójłomność zależy od wadratu n=n 1-n i eliptyczności rdzenia. Im więszy parametr n w światłowodzie tym więsza dwójłomność ale tym gorzej światłowód spełnia przybliżenie słabej propagacji, a więc tym więsze są mniejsze sładowe pól decydujące o przesłuchu polaryzacyjnym. Światłowody o więszej dwójłomności posiadają więszą wartość ograniczenia przesłuchu polaryzacyjnego. Światłowody polaryzujące są światłowodami typu HB, w tórych dodatowo wyorzystuje się mechanizm tłumiennościowej dysryminacji jednego z polaryzantów. Stała propagacji modu o polu eletrycznym wzdłuż więszej osi indyatrysy refracyjnej rdzenia (lub wzdłuż więszej osi eliptycznego rdzenia) ohe 11 jest więsza niż modu ehe 11, tórego pole eletryczne jest równoległe do mniejszej osi indyatrysy lub elipsy oβ> eβ. Prędość fazowa fali v=/β w tych modach spełnia warune ov< ev, stąd nazwy - mod wolny i szybi. Geometria rozładu pola modu wolnego ohe 11 jest bardziej dopasowana do geometrii elipsy indyatrysy lub elipsy wymiarów, stąd mod ten jest silniej uwiązany w światłowodzie w porównaniu z modem szybim, tzn. pole modu jest silniej ograniczone w obszarze rdzenia. Mod wolny ohe 11 jest bardziej odporny na oddziaływania zewnętrzne na światłowód np. na wygięcia i mirozgięcia. Można ta dobrać waruni pracy światłowodu, że wsute oddziaływań zewnętrznych mod szybi będzie doznawał wielorotnie więszych strat niż mod wolny, w wyniu czego po pewnej długości światłowodu pozostanie pratycznie jedynie mod wolny [5.34]. Jeśli w tym światłowodzie zapobiegnie się przepływowi mocy pomiędzy polaryzantami, to włóno optyczne będzie ściśle jedno polaryzacyjne i będzie zachowywać się jao rozłożony polaryzator. Najprostszą formą otrzymania taich warunów pracy jest utworzenie ze światłowodu HB pętli o ta dobranej średnicy aby, przy danej długości fali pracy światłowodu, występowało najwięsze tłumienie 6

27 różnicowe polaryzantów. Polaryzujące waruni pracy światłowodu dwójłomnego można wybrać taże poprzez dobór odpowiedniego zaburzenia miro-zgięciowego o dobranym spetrum częstotliwości przestrzennych i taiej długości transmitowanej fali w pobliżu długofalowej rawędzi transmisji aby ponownie uzysać najwięsze tłumienie różnicowe polaryzantów. Pratyczne rozwiązania poazują [5.], że możliwe jest uzysanie tłumienia różnicowego rzędu 10 i więszego. Występowanie tłumienia różnicowego pomiędzy polaryzantami powoduje, że po pewnej początowej długości światłowodu (pratya poazuje, że rzędu stu iluset m), po tórej stabilizuje się modowy stan ustalony, współczynni tłumienia polaryzacyjnego staje się niezależny od długości włóna optycznego. Równowaga dynamiczna istnieje pomiędzy procesami mieszania polaryzantów, czyli dostarczania mocy optycznej polaryzantowi eliminowanemu osztem polaryzantu dominującego, a ciągłą utratą mocy polaryzantu residualnego wsute tłumienia różnicowego. Tai mechanizm pozwala uzysać poziom dysryminacji polaryzacyjnej w światłowodzie polaryzującym rzędu 70 db i więcej. Tego typu rozwiązanie jest przedmiotem zainteresowania żyrosopii światłowodowej, gdzie poziomem rytycznym niezbędnej dysryminacji polaryzacyjnej, w celu zapewnienia odwracalności optycznej, jest wielość rzędu 60dB. Teoretyczny obszar ograniczeń izolacji polaryzacyjnej w światłowodzie silnie dwójłomnym spowodowany stymulowanym dysryminacyjnym tłumieniem różnicowym (tzw. światłowód polaryzacyjny) przedstawiono na rys.1.5. Oprócz oreślenia obszarów ograniczeń izolacji polaryzacyjnej w światłowodzie jednomodowym, rys.1.5. przedstawia pole pomiarów rzeczywistych światłowodów dwójłomnych. Izolacja polaryzacyjna w mierzonym światłowodzie zależy od taich czynniów ja: wbudowana wielość dwójłomności wewnętrznej, onstrucja włóna (Panda, Musza, D, eliptyczny rdzeń), sposób porycia zewnętrznego i ablowania włóna, a taże od rodzaju specjalnie wprowadzonego zaburzenia zewnętrznego włóna (najczęściej zwinięcie w pętlę). Na rys.1.6. przedstawiono obliczoną zależność dwójłomności znormalizowanej B= β x-β y /= n x-n y, gdzie n x, n y efetywne modowe współczynnii załamania dla dwóch ortogonalnych stanów polaryzacji, od strutury wewnętrznej światłowodu dwójłomnego oraz wynii pomiarów ilu dwójłomnych światłowodów wysoorzemionowych o różnych onstrucjach wewnętrznych nazywanych 1- Panda,,3,4,5 Musza, Periodyczna wymiana mocy pomiędzy polaryzantami w światłowodzie dwójłomnym występuje na drodze L B=/B. Pomiary przedstawiono dla ilu wartości względnego parametru refracyjnego =(n 1-n )/n 1. Na rys.1.7. przedstawiono fotografie przerojów poprzecznych wytwarzanych esperymentalnie rodzajów światłowodów dwójłomnych metodą MMC ze szieł wielosładniowych oraz ich wybrane charaterystyi dwójłomności. Krzywa 1 na rys reprezentuje zmierzoną charaterystyę światłowodu o jednej z najwięszych wartości naprężeniowej czułości dwójłomności opubliowanej w literaturze [5.5]. Na rys.1.8. przedstawiono przyładowe wynii pomiarów polaryzacyjnego tłumienia różnicowego dla różnych warunów pracy światłowodu polaryzującego. Światłowody polaryzacyjne o dużej dwójłomności ołowej, w uzupełnieniu do przedstawionych powyżej włóien optycznych silnie liniowo dwójłomnych (utrzymujących liniowy stan polaryzacji), mogą utrzymywać polaryzację ołową propagowanej fali. Taie światłowody zostały zastosowane do pomiarów dużych natężeń prądu eletrycznego oraz pól magnetycznych [7.01,7.0,7.03,7.15,7.18,7.0,7.6]. W światłowodzie utrzymującym polaryzację ołową można obserwować zjawiso Faradaya wyorzystywane przy taich pomiarach. Zewnętrzne pole magnetyczne H wzdłuż osi światłowodu powoduje rotację pola eletrycznego propagowanej fali optycznej o ąt =VHL, gdzie V-stała Verdeta (taże nazywana sręceniem magnetycznym właściwym), L-długość światłowodu. Stała Verdeta zależy od długości fali V=Cdn/d (wzór Becquerela), C=ec /m=const. Znormalizowana stała Verdeta V/C wyraża się zależnością V n=v/c=n =n-n g. Dla szła warcowego V jest rzędu 10-3 [rad/m gauss]. Dla nietórych szieł wielosładniowych może być ilurotnie więsza. Duża wartość ołowej dwójłomności wbudowanej w światłowód masuje niepożądane tutaj przypadowe zmiany polaryzacji liniowej powodowane przez wygięcia światłowodu lub mechaniczne czynnii zewnętrzne. Podobnie ja w przypadu światłowodów dwójłomnych liniowo, silnie ołowo dwójłomne światłowody powinny posiadać stałą znormalizowaną rzędu 10-4 co odpowiada długości drogi dudnienia rzędu milimetrów [5.]. 7

28 Rys.1.8. Zmierzone charaterystyi tłumienia spetralnego światłowodów polaryzujących utworzonych ze zwiniętych w pętlę światłowodów HB przeznaczonych do pracy w pasmach 1300 i 1550nm, oraz we wstawach dla 650nm i 850nm(światłowody czujniowe). Długość mierzonych próbe światłowodu m, średnica pętli ila cm. Charaterystyę rozciągającą się w ierunu dłuższych fal zmierzono dla tych samych światłowodów nawiniętych na standardowy bęben styropianowy do przechowywania włóna. Dane światłowodów: długość drogi dudnienia polaryzacyjnego L B 1-1,5mm dla wymienionych długości fal, długości fal odcięcia, odpowiednio - c1=400nm, c=600nm, c3=1000nm, c4=150nm, współczynni estyncji polaryzacyjnej = x- y=60 75dB. Światłowody dwójłomne ołowo wytwarza się iloma różnymi metodami. Najprostszą, ale stosunowo mało suteczną metodą, z powodu ograniczonej odporności włóna na sręcanie, uzysania dwójłomności ołowej we włónie optycznym jest sręcenie go wzdłuż osi długiej. Wyorzystywane jest zjawiso elastooptyczne. Podobnie ja w przypadu zjawisa Faradaya rotacja optyczna, wyrażona zmianą ąta polaryzacji na metr długości światłowodu, jest iloczynem oddziaływania zewnętrznego na włóno (rotacji mechanicznej f wyrażonej w radianach na metr długości włóna) oraz R współczynnia proporcjonalności (rotacyjny współczynni elastooptyczny) =R f. Dla szła warcowego współczynni R posiada jedną z najniższych wartości spośród szieł R =0,07. Droga rotacji optycznej wynosi L R=/. Otrzymanie dwójłomności ołowej rzędu 10-4, czyli zmiany ąta polaryzacji o na drodze o. 1mm wymagałoby mechanicznej rotacji włóna o obrót na mm, co jest nie możliwe. Możliwe jest uzysanie ilu obrotów na metr 8

29 Podstawową metodą technologiczną wytwarzania światłowodów ołowo dwójłomnych jest rotowanie niecentrycznego uładu pręt-rura (z nieosiowym położeniem rdzenia) podczas wyciągania włóna [5.30,5.31]. Dla światłowodów eliptycznie dwójłomnych metodą wytwarzania jest rotowanie preformy światłowodu typu HB podczas wyciągania włóna. Są to metody analogiczne do wytwarzania światłowodów izotropowych o minimalnej wartości wewnętrznej dwójłomności residualnej, z tym że w przypadu światłowodów izotropowych so rotacji jest znacznie mniejszy, może być porównywalny z długością fali. So rotacji światłowodu izotropowego nie może być zbyt duży, gdyż fala optyczna doznawałaby obrotu polaryzacyjnego. Odwrotnie, so rotacji dla obu światłowodów z rdzeniem helialnym (o polaryzacji ołowej) i z rotowanym rdzeniem Panda lub Musza (o polaryzacji eliptycznej) nie może być zbyt mały, gdyż fala świetlna nie nadążyłaby z obrotem polaryzacyjnym. Jednocześnie, zbyt duży so rotacji nie daje odpowiedniej wartości dwójłomności polaryzacyjnej. Inaczej mówiąc, dla zbyt małego sou rotacji zarówno światłowodu helialnego ja i światłowodów HB fala świetlna nie nadąża za szybimi zmianami osi geometrycznej (światłowód helialny) i naprężeniowej (światłowód HB) i zaczyna uśredniać wartość dwójłomności. Dodatowo, we włónie helialnym znacznie wzrastają straty zgięciowe. Metodą rotowania preformy można otrzymać światłowód o długości drogi dudnienia dla polaryzacji ołowej i eliptycznej rzędu 1 mm i mniej, a typowo ila mm [5.30]. Podstawową metodą wytwarzania światłowodów o dwójłomności ołowej, obo opisanej poniżej metody rotacji preformy HB, jest rotacja, podczas wyciągania światłowodu, preformy przygotowanej z uładu pręt-rura, gdzie rdzeń jest umieszczony poza osią obrotu. Obrót preformy powoduje nadanie rdzeniowi ształtu izotropowej linii śrubowej. Jeśli preforma posiada dwa identyczne rdzenie, jeden umieszczony osiowo względem osi obrotu a drugi nieco poza, to rdzeń niecentryczny będzie w taim światłowodzie śrubowo owinięty woół rdzenia osiowego. Właściwości propagacyjne obu rdzeni będą różnić się między sobą znacznie. Dla ustalonej długości światłowodu rdzeń helialny jest dłuższy. Rdzeń helialny może być jednomodowy w znacznie więszym zaresie częstotliwości znormalizowanych, nawet do wartości rzędu V=30 lub więszych [5.18,5.1]. Spowodowane jest to silnym stratnym, dysryminacyjnym działaniem, w stosunu do modów wyższego rzędu, małego promienia zarzywienia rdzenia światłowodu. Konsewencją silnej stratnej dysryminacji zgięciowej modów wyższego rzędu jest możliwość powięszenia średnicy rdzenia jednomodowego światłowodu helialnego, i powięszenia apertury numerycznej zgodnie z V=aNA. Gdy fala świetlna podąża wzdłuż jednorodnej linii śrubowej (x=rcost, y=rsint, z=st) o promieniu r (promieniu rzywizny =(r +s )/r=const i torsji- sręceniu =(r +s )/s=const, oraz długości łuu l=(r +s ) 1/ t ), i o sou jednostowym s to doznaje rotacji płaszczyzny polaryzacji o ąt =(1-s/l) na długości łuu spirali l [5.14]. Średnica linii śrubowej jest przesunięciem poprzecznym rdzenia względem osi włóna. Długość drogi rotacji optycznej L R=s/ można powiązać z parametrami linii śrubowej rdzenia otrzymując: L R=s 3 / r. Funcję tą wyreślono na rys.1.9. przedstawiając taże wynii pomiarów własnych światłowodów o rdzeniach śrubowych o ilu różnych parametrach. 9

30 Rys.1.9. Obliczona długość drogi rotacji optycznej L R [mm] (ores polaryzacji ołowej) w funcji sou s śrubowej linii rdzenia dla ilu wartości promienia r linii śrubowej rdzenia. Gwiazdami zaznaczono punty pomiarowe ilu dostępnych autorowi jednomodowych światłowodów helialnych o standardowej średnicy zewnętrznej d=15m i średnicy rdzenia a=10m: 1) s=1mm, r=50m, L R=13mm, NA=0,, =10dB/m, V 5, ) s=0,75mm, r=100m, L R=mm, NA=0,4, =15dB/m, V 10, 3) s=0,5mm. r=0m, NA=0,4, =10dB/m, V 10, 4) s=0,5, r=10m, L R=10mm, NA=0,4, =10dB/m, V 10. Straty światłowodów mierzono dla =1,3m, V 5NA. Dwójłomność jest związana z rotacją optyczną poprzez zależność B=/L R. Rys Obliczona długość drogi dudnienia polaryzacyjnego dla światłowodów o polaryzacji eliptycznej (rotowane światłowody HB) jao funcja sou rotacji mechanicznej s=rv z/v t dla różnych wartości drogi dudnienia polaryzacji liniowej identycznych światłowodów wyjściowych (nie rotowane światłowody HB). Parametr L n jest znormalizowaną dwójłomnością liniową L B lin względem sou rotacji s, L n=l B lin /s. Gwiazdami zaznaczono punty pomiarowe ilu dostępnych autorowi jednomodowych rotowanych światłowodów HB o standardowej średnicy zewnętrznej d=15m i średnicy rdzenia a 10m o różnych wartościach szacowanej wyjściowej dwójłomności liniowej i różnych soach rotacji. Światłowody o rdzeniach helialnych wytworzono ze szieł wysoorzemionowych oraz ze szieł wielosładniowych. W pierwszym przypadu preforma MCVD z wytworzoną struturą płaszcz-rdzeń wprowadzana jest do położonego nieosiowo otworu wierconego w pręcie rzemionowym. W drugim przypadu światłowodowa preforma taże z wytworzoną struturą rdzeń 30

31 płaszcz otrzymana modyfiowaną metodą wielotyglową wprowadzana jest do otworu w pręcie ze szła mięiego, dobranego pod względem właściwości termo-mechanicznych do preformy. Dla sou linii śrubowej rzędu s=1mm i średnicy r=100m uzysano drogę dudnienia polaryzacji eliptycznej fali w światłowodzie L B=3mm. Odpowiada to ołowej dwójłomności modowej rzędu B=5x10-4. Uzysano taże rozwiązania światłowodów helialnych z drogą dudnienia rzędu L B 1mm i wartością dwójłomności ołowej rzędu B=10-3. Dalszy wzrost dwójłomności jest związany z aceptacją wzrastających strat wtrącenia światłowodowego elementu polaryzacyjnego. Dwójłomność ołowa silnie wzrasta z promieniem linii śrubowej, więc naturalną tendencją budowy światłowodów helialnych jest zwięszanie ich średnicy ponad normę 15m, typowo aż do 500m. Wadą taiego rozwiązania jest zwięszona sztywność włóna, i w związu z tym zmniejszenie dopuszczalnej średnicy pętli (zawijanej np. woół przewodnia z prądem, w celu pomiaru pola magnetycznego). Minimalne pratyczne średnice cewe światłowodowych wynoszą w przybliżeniu odpowiednio 5cm i 30 cm dla wymienionych średnic światłowodu. Rdzeń w światłowodzie helialnym jest zawsze sośny względem osi światłowodu, ja również pole modu podstawowego. Wymaga to stosowania modyfiowanych elementów do pobudzania światłowodu. Pomiary światłowodów helialnych poazują ich znaczną stabilność, w porównaniu z innymi rodzajami światłowodów dwójłomnych, i stosunową niewrażliwość na oddziaływania zewnętrzne. Podczas rotacji światłowodu silnie dwójłomnego w czasie wyciągania wbudowywana jest we włóno silna dwójłomność eliptyczna poprzez zamrożenie rotacji osi dwójłomności. Mod podstawowy, i mody wyższego rzędu stają się spolaryzowane eliptycznie a dwójłomność eliptyczna zależy od liniowej dwójłomności światłowodu HB przed rotacją oraz od częstotliwości rotacji. Droga dudnienia pomiędzy oboma polaryzantami modu podstawowego w światłowodzie o polaryzacji eliptycznej wynosi [5.30]: L B HB(elip) =L B HB(lin) s/[4l B HB(lin) +s ) 1/ -L B HB(lin) ], (1.17) gdzie s so rotacji preformy, L B HB droga dudnienia polaryzacyjnego dla światłowodu HB nie rotowanego o polaryzacji liniowej (lin) i rotowanego o polaryzacji eliptycznej (elip). Wyres tej funcji przedstawiono na rys Poziom wbudowanej w światłowód dwójłomności eliptycznej powinien być na tyle duży aby przeroczyć, co najmniej o rząd wielości, poziom zewnętrznych perturbacji polaryzacyjnych. W tym sensie, wielość drogi dudnienia L B HB(elip) jest miarą odporności światłowodu na niepożądane zburzenia zewnętrzne. Droga ta powinna być mniejsza od 10 mm. Wprowadzając znormalizowaną wartość polaryzacji liniowej względem sou rotacji polaryzacji eliptycznej L n= L B HB(lin) /s, z rys można stwierdzić, że dla L n=const zachodzi warune L B HB(elip) =CL B HB(lin), gdzie C=const. Dla L n=1 (linia dzieląca wyres na dwie części po przeątnej) wartość stałej C=4. Dla L n=0,5 (dolna część wyresu) zachodzi warune C. Dla L n= (górna część wyresu) zachodzi warune C=8. Stała C poazuje reducję dwójłomności przy przechodzeniu z liniowej na eliptyczną. Realistyczna, pod względem technologicznym, wartość znormalizowanej dwójłomności liniowej L n=1 daje stosune reducji dwójłomności podczas rotacji C=4. W taich warunach droga dudnienia dla polaryzacji eliptycznej równa 4 mm wymaga zastosowania do rotacji preformy światłowodu o hipotetycznej dwójłomności liniowej rzędu 1mm. Droga dudnienia polaryzacji eliptycznej rzędu 4mm jest zupełnie wystarczająca dla obecnych zastosowań czujniowych taich światłowodów [1.19,1.1]. Eliptyczność polaryzacyjna (stosune obu osi elipsy polaryzacji) wyraża się zależnością: e=tg[(1/)arctg(l B/s)], (1.18) gdzie L B-droga dudnienia wyjściowego, nie-rotowanego światłowodu HB, s-so linii śrubowej. So rotacji wynia z prędości wyciągania światłowodu v f i prędości obrotowej v r i wynosi L R=rv f/v r. Jeśli rotacja mechaniczna jest duża, czyli L B/s>1 eliptyczność polaryzacyjna e dąży do jedności. W taim światłowodzie mod podstawowy jest spolaryzowany głównie ołowo. Jeśli wyjściowy światłowód HB posiada drogę dudnienia dla polaryzacji liniowej rzędu 1 mm to droga dudnienia dla polaryzacji eliptycznej będzie rzędu ilu mm. Światłowody o polaryzacji ołowej (bądź eliptycznej) są stosowane do budowy całowicie fotonicznych czujniów wielości eletrycznych [1.1]. Z powodu różnicy prędości fazowych 31

32 dwóch ołowo (eliptycznie) spolaryzowanych polaryzantów modu podstawowego światło przepływa pomiędzy nimi, gdy pola są w fazie i antyfazie w sposób periodyczny. W światłowodzie idealnie izotropowym, mod podstawowy jest zdegenerowany i taie zjawiso nie występuje. Jeśli pole magnetyczne zaburza propagację w światłowodzie dwójłomnym taże w sposób periodyczny, ale na długości rótszej w porównaniu z drogą dudnienia dwójłomności, w miejscu oddziaływania może nastąpić dodatowe sprzężenie (mieszanie) polaryzantów spowodowane rotacją fazy Faradaya. Poprzez przesuwanie miejsca pobudzenia polem magnetycznym wzdłuż włóna optycznego, w tórym pobudzono tylo jeden polaryzant oraz zastosowanie uładu polaryzator - analizator, przy czym wyjściowy analizator jest usytuowany 45 o do osi dwójłomności, w detetorze mierzona jest droga dudnienia poprzez zliczanie liczby cyli zmian mocy optycznej w funcji przesunięcia pobudzającego pola magnetycznego. Czułość pomiaru wzrasta w uładzie homodynowym, gdy pole magnetyczne pobudzające światłowód jest modulowane a odbiorni optoeletroniczny jest fazoczuły. Najprostszym rozwiązaniem światłowodowego czujnia Faradaya jest nawinięcie odcina światłowodu jednomodowego, jednopolaryzacyjnego o polaryzacji ołowej (światłowód helialny) na linii wysoonapięciowej z mierzonym prądem. Obwodowe pole magnetyczne w pobliżu powierzchni przewodnia działa wzdłuż osi światłowodu powodując rotację polaryzacji modu. Rotacja płaszczyzny polaryzacji jest proporcjonalna do całi liniowej pola magnetycznego, więc doładne pozycjonowanie cewi światłowodowej nie ma znaczenia. Załócające pola magnetyczne nie objęte cewą nie mają znaczenia dla wyniu pomiaru. Sygnał optyczny pobudzający światłowód czujniowy oraz sygnał z czujnia odprowadzany jest światłowodem zachowującym stan polaryzacji do uładu nadajnia i odbiornia znajdującego się na potencjale zerowym. Optymalnym rozwiązaniem jest włączenie w światłowodową pętlę monitorującą właściwości dysryminacji modu szybiego. Jeśli to jest niemożliwe to onstrucja czujnia ulega ompliacji. Konieczny jest dobór taiej długości światłowodu czujniowego aby, z jednej strony uzysać odpowiednią czułość pomiaru (co wymaga więszych długości), a z drugiej aby na wyjściu zachować efetywne przesunięcie fazy będące miarą wielości pomiarowej (co wymaga długości równej jednemu oresowi, lub całowitej wielorotności, drogi dudnienia). Proponuje się cały szereg metod rozwiązania problemu onstrucji czujnia w przypadu zastosowania światłowodu HB (ale nie idealnie polaryzującego). Periodyczne pobudzenia światłowodu dwójłomnego polem magnetycznym w fazie z długością drogi dudnienia wymaga zastosowania periodycznej osłony magnetycznej włóna [1.7]. Fazowanie obu sygnałów jest onieczne, w taim rozwiązaniu, na znacznej długości włóna niezbędnej dla uzysania odpowiedniej czułości przetwornia i dla nominalnego zaresu temperatur pracy całego urządzenia. Lepsze dopasowanie fazy dla więszego zaresu temperatur uzysuje się poprzez zastosowanie modulacji przestrzennej częstotliwości eranu magnetycznego oraz rozszerzenie widma źródła optycznego, gdyż L B=/β n. W rozwiązaniach z rotowanym światłowodem HB uzysano dużą liniowość pomiaru prądu na poziomie rzędu A i czułość rzędu ilu A [7.15,7.18,7.0,7.6]. Najlepszym rozwiązaniem do pomiaru pól magnetycznych wydaje się zastosowanie światłowodu helialnego, ze względu na jego najmniejszą wrażliwość na uboczne oddziaływania środowisowe. 1.5.Światłowody eliptyczne Analiza światłowodów eliptycznych stosuje eliptyczny ortogonalny uład współrzędnych, związany z uładem artezjańsim poprzez zależności: x = qcoshcos, y = qsinhsin, gdzie jest eliptyczną współrzędną radialną (szereg elips onfoalnych), - współrzędna azymutalna (szereg parabol ortogonalnych do elips), q odległość ognisa od osi elipsy. Współrzędną osiową zgodną z ieruniem propagacji fali jest z. Jeśli elipsą ograniczającą rdzeń jest = o, to półosie elipsy wynoszą: a = qcosh o, b = qsinh o. Stopień eliptyczności wynosi e = [1-(b/a) ] 1/ = 1/cosh o i zmienia się w granicach 0<e<1, dla asymptotycznych zmian od oręgu do pasa. Równanie falowe we współrzędnych eliptycznych, dla sładowych z pól eletrycznego i magnetycznego, posiada postać: E / E / [ q ( )(sinh sin )] E 0, (1.19) z z o z 3

33 gdzie: o=/ o liczba falowa w próżni, o długość fali w próżni, - stała propagacji, - stała dieletryczna równa 1 w rdzeniu (< o ) oraz w płaszczu (> o ) dla światłowodu eliptycznego o profilu soowym. Separacji zmienności azymutalnej () i radialnej R() doonuje się załadając iloczynową postać funcji E oraz H: E(,) = ()R(). Równanie falowe dla sładowych azymutalnej i radialnej w eliptycznym uładzie współrzędnych ortogonalnych posiada postać równania Mathieu dla () i zmodyfiowanego równania Mathieu dla R(): / [ c 0,5( o R / [ c (0,5( o ) q ) q cos ] 0 cosh ] R 0 (1.0) gdzie c jest stałą separacji. Rozwiązaniem równania Mathieu są azymutalne funcje Mathieu, typu sinusowego s en i osinusowego c en, zarówno dla rdzenia ja i płaszcza światłowodu eliptycznego, tylo ze zmianą wartości argumentu z rdzeń na płaszcz : ()=[s en(, ) lub c en(, )]. (1.1) Funcje te są odpowiedniiem zmienności pola wzdłuż obwodu oręgu ( a tutaj wzdłuż elipsy) typu cos n oraz sin n dla światłowodu cylindrycznego. Parametr jest oreślony zależnością: ( )( q / 4) [( a / b) 1]( b / 4)( ) ( a / b 1)( u / 4) (1.) o gdzie: q = a b, a,b półosie elipsy, więsza i mniejsza, u=b ( o - ) odpowiada argumentowi funcji Bessela u w światłowodzie cylindrycznym. Rozwiązania periodyczne równań falowych Mathieu istnieją tylo dla charaterystycznych wartości parametru separacji c. Wartości te są oznaczane jao: a n( ) parzyste i b n( ) nieparzyste. Dla światłowodu lasycznego o orągłym rdzeniu q=0 oraz =0 i rozwiązania równania Mathieu są w postaci funcji sinus i cosinus, a rozwiązania na azymutalną wartość pola są cos n oraz sin n. Rozwiązaniem modyfiowanego równania Mathieu w rdzeniu światłowodu są radialne funcje Mathieu w postaci o R()=[S en( o, rdzeń) lub C en( o, rdzeń)] (1.3) typu sinusoidalnego S e i cosinusowego C e. Funcje te są podobne do funcji J Bessela. Rozwiązaniem modyfiowanego równania w płaszczu światłowodu są zaniające radialne funcje Mathieu F e oraz G e, podobne do funcji K Bessela: R()=[F e( o, płaszcz) lub G e( o, płaszcz)]. (1.4) Na brzegu płaszcza i rdzenia eliptycznego funcje radialne periodyczne Mathieu przechodzą w zaniające. Dla ewolucji rdzenia w orąg funcje Mathieu przechodzą w funcje Bessela. Sładniiem argumentów funcji azymutalnych Mathieu są wartości n 1 i n, w przypadu światłowodu soowego, lub profil refracyjny, w przypadu światłowodu gradientowego. Dopasowanie pól na granicy rdzenia i płaszcza jest możliwe tylo poprzez zastosowanie niesończonego ciągu funcji ( a nie pojedynczych ja w przypadu światłowodu cylindrycznego). Wynia to z fatu, że onfoalne elipsy nie posiadają jednaowego ształtu (w przeciwieństwie do oncentrycznych oręgów) i dla więszych wartości argumentów stają się bardziej podobne do oręgu. Wszystie mody światłowodu eliptycznego są hybrydowe, typu EH, HE, w przeciwieństwie do światłowodu cylindrycznego, gdzie istnieją mody azymutalnie symetryczne TM bez sładowych podłużnych pola. Mod podstawowy światłowodu cylindrycznego HE 11 (o charaterze zdegenerowanym) ulega rozszczepieniu na dwa mody jeśli rdzeń staje się słabo eliptyczny. Oznaczamy te mody jao parzysty i nieparzysty: ohe 11 oraz ehe 11, gdzie osiowe pola magnetyczne są opisane przez funcje Mathieu parzyste i nieparzyste. Podobnie do modu HE 11 mody ohe 11 oraz ehe 11 nie posiadają odcięcia i pola eletryczne są poprzeczne, wzdłuż głównej osi elipsy dla ohe 11 oraz wzdłuż mniejszej osi 33

34 elipsy dla ehe 11. Jeśli elipsa dąży do niesończonego pasa, mod ohe 11 staje się modem H 10 a mod ehe 11 modem E 10. W celu uproszczenia rozwiązań przyjmuje się opis jednofuncyjny dla rdzenia i płaszcza. Obowiązuje on tylo dla: modów HE 1m, eliptyczności nie przeraczającej a/b<,5, małej wartości różnicy współczynniów załamania n=n 1-n 0. Inne przybliżenia przyjmują opis wielofuncyjny w rdzeniu i jednofuncyjny w płaszczu lub odwrotnie. Dla opisu jednofuncyjnego równania własne przybierają postać, odpowiednio dla modów nieparzystych i parzystych: [ S [ C ' en ' en / u S / u C en en ' ' ' G / w G ][ C / u C F / w F ] n (1/ u 1/ w )( / u / w ) (1.5) en en 1 en en en en ' ' ' F / w F ][ S / u S G / w G ] n (1/ u 1/ w )( / u / w ) (1.6) en en 1 en en en Argumentami funcji Mathieu są o oraz 1 ( rdzeń ) q ( 1 )/ 4 u ( a / b 1)/ 4, ( plaszcz ) q ( )/ 4 w ( a / b 1)/ 4, gdzie (podobnie ja w światłowodzie cylindrycznym i planarnym) zachodzą zależności 1=n 1 o, =n o, u =b ( 1 - ), w =b ( - ), V b =u +w = o b (n 1 -n ). Jeśli rdzeń eliptyczny zbliża się asymptotycznie do oręgu to zachodzi: C en /C en i S en /S en dążą do uj n /J n oraz F en /F en i G en /G en dążą do wk n /K n. Jeśli rdzeń eliptyczny staje się pasowy to: C en dąży do cos u, oraz S en dąży do sin u, a taże F en oraz G en dążą do e -w. Mod ohe 11 o poprzecznym polu eletrycznym wzdłuż więszej osi elipsy, posiada więszą stałą propagacji niż ehe 11 o> e, posiada mniejszą prędość fazową, jest bardziej odporny na straty zgięciowe światłowodu, i nazywany jest modem wolnym. Najistotniejszą cechą światłowodów eliptycznych jest dwójłomność (we włónie jednomodowym dla modu podstawowego). Dwójłomność jest definiowana jao różnica znormalizowanych stałych propagacji: = o- e, jest związana z różnicą efetywnych modowych współczynniów załamania n e= on e- en e i jest funcją częstotliwości znormalizowanej V oraz różnicy współczynniów załamania pomiędzy rdzeniem i płaszczem n=n 1-n. Analizę dwójłomności w światłowodzie eliptycznym rozpoczęto historycznie w jednomodowych światłowodach izotropowych (do zastosowań teleomuniacyjnych oraz czujniowych) jao efet residualny. Stosując przybliżenie małej eliptyczności i małej różnicy współczynniów załamania oraz różne metody analizy (przybliżenia od ształtu orągłego, prostoątnego, metodę perturbacyjną, itp.) uzysiwano różne przybliżone postaci równania własnego. a en 3/ 4 / e (1 ( n / n1 ) ) 3V /( V ) (1.7) 3/ 3 a / e (1 ( n / n1 ) ) u w /8V (1.8) a e (1 ( n / n ) ) 3/ [ u w /8V J ][ Ko / K 1/ w] (1.9) / a e (1 ( n / n ) ) 3/ [ u w /8V ][1 uk J / K J ] (1.30) / 1 o a / e (1 ( n / ) ) 3/ n1 ( u w /8V ){( J o / J1) [( u w ) w / u] (1.31) 4 4 [ J / J ] [( w u }/ u ] ( J / J )u(4 w ) (8 w u )} o 1 o Równania te różnią się metodologią stosowania przybliżeń i uproszczeń analizy [1.14,1.7,8.16,8.18-,8.5-6,8.9-30, ]. W równaniu (1.7) rozwiązania dla światłowodu eliptycznego przybliżono z rozwiązań dla rdzenia prostoątnego, dla małej eliptyczności i małej różnicy współczynniów załamania. W równaniu (1.31) zastosowano przybliżenie funcji Mathieu przy pomocy funcji Bessela. Dwójłomność β jest proporcjonalna do (n). W celu otrzymania znacznej dwójłomności światłowód eliptyczny powinien posiadać dużą aperturę numeryczną. Dwójłomność posiada masimum w funcji częstotliwości znormalizowanej (w zaresie o. 1 3, typowo 1 1,7) dla różnych stopni eliptyczności rdzenia. W światłowodzie eliptycznym, podobnie ja w światłowodzie planarnym, dla pewnej wartości częstotliwości znormalizowanej, zależnie od stopnia eliptyczności rdzenia, wartość n g= o n g- e n g osiąga zero. W tym puncie dwójłomność jest zerowa. Dla mniejszych wartości częstotliwości znormalizowanej o n g> e n g i n g>0. Dla więszych wartości częstotliwości znormalizowanej zna dwójłomności zmienia się i zachodzi o n g< e n g i n g<0. Prędość grupowa wolnego (nieparzystego, osobliwego) modu o HE 11 staje się 34

35 więsza od prędości modu szybiego (parzystego, regularnego) e HE 11. Prędości fazowe pozostają bez zmian o v p< e v p. Światłowody o rdzeniach eliptycznych nie są rozważane dla celów transmisji długodystansowej z ilu powodów: są znacznie trudniejsze do wyonania, dla stałej wartości stopnia eliptyczności niż światłowody cylindryczne, oraz zerowa wartość różnicowego opóźnienia grupowego g, nawet dla światłowodów o niewieliej eliptyczności, występuje zawsze w obszarze wielomodowym. Cylindryczna symetria światłowodu eliptycznego pozwala wyrazić wszystie sładowe pól poprzez E z oraz H z. Sładowe osiowe pól spełniają równanie falowe we współrzędnych eliptycznych. Rozwiązaniami równań falowych dla światłowodu eliptycznego są funcje Mathieu-McLachlana. Światłowód eliptyczny wielomodowy posiada dwa rodzaje austy modowych: eliptyczną i hiperboliczną. Podstawową różnicą ze światłowodem o rdzeniu ołowym jest, że w światłowodzie eliptycznym nie mogą rozprzestrzeniać się rodzaje o geometrii cylindrycznej. Dla różnych stopni eliptyczności mody eliptyczne degenerują się do cylindrycznych (HE, EH, LP) i planarnych (TM, TE). Prostoątna symetria światłowodu eliptycznego powoduje, że wszystie mody posiadają dwie orientacje: e HE ml, o HE ml, e EH ml, o EH ml, gdzie liczby modowe oznaczają: m periodyczność pola dla współrzędnej, l l-ty pierwiaste równania własnego. Mody podstawowe e HE 11, o HE 11 nie są zdegenerowana i posiadają odcięcie dla zerowej wartości częstotliwości znormalizowanej. Dla wzrastającego stopnia eliptyczności mody wyższego rzędu e HE ml, o HE ml posiadają odpowiednio więsze i mniejsze częstotliwości odcięcia. Dla wzrastającego stopnia eliptyczności mod o HE 11 jest bardziej ograniczony w rdzeniu niż mod e HE 11. Nietóre obliczone charaterystyi światłowodów eliptycznych przedstawiono na rys Światłowody eliptyczne są dobrze opracowane teoretycznie w literaturze [8.15,8.19,8.6,8.9,8.34]. Rozważane były nie tylo rozwiązania podstawowe ale taże wielowarstwowe o profilu W, w uładzie onfoalnym i nie, osiowym i nie, pełne i z obszarami pustymi, z naprężeniami wewnętrznymi, stąd przedstawiono tutaj głównie własne obliczenia dla danych materiałowych i geometrycznych uierunowanych na pratyczną realizowalność taich włóien optycznych modyfiowaną metodą wielotyglową. Taie włóna wytwarzano i poddano własnym pomiarom, analizie laboratoryjnej a taże badaniom apliacyjnym [ 5]. 35

36 Rys ) Eliptyczny uład współrzędnych do analizy światłowodu eliptycznego. Doładne rozwiązania są znane dla eliptycznego światłowodu soowego. Eliptyczny rdzeń jest dobrym przybliżeniem dla dużej rodziny światłowodów o bardziej sompliowanych rdzeniach. x=q(coshξ)cos, y=q(sinhξ)sin, z=0, 0<ξ, 0π, a /a 1=coshξ o, S=q coshξ osinhξ o; ) Prostoątny uład współrzędnych stosowany do przybliżonej analizy światłowodu eliptycznego, rejony,3,4 oznaczają obszary analizy rozbieżności ształtów metodą perturbacyjną; 3) Mod podstawowy w światłowodzie eliptycznym e HE 11 (używane nazwy dla tego modu: parzysty, regularny, szybi). Poazany przebieg linii pola eletrycznego, równoległy do mniejszej osi elipsy. Dualny mod o HE 11 ( używane nazwy dla tego modu: nieparzysty, osobliwy, wolny) posiada pole eletryczne równoległe do więszej osi elipsy; 4) Kaustyi modowe w wielomodowym światłowodzie eliptycznym. Dla modów wyższego rzędu występują dwa rodzaje austy: eliptyczne onfoalne i hiperboliczne. Odpowiednie mody wyższego rzędu nazywamy, w terminologii optyi geometrycznej, ślizgowymi (pierścieniowymi, elipso-helialnymi) oraz quasiplanarnymi (elipso-planarnymi), podobnie ja dla światłowodu cylindrycznego mody ślizgowe, sośne; 5), 6), 7) Obliczone numerycznie znormalizowane stałe propagacji dwóch modów podstawowych o HE 11, e HE 11 i modów wyższego rzędu światłowodu eliptycznego, dla różnej wartości współczynnia eliptyczności e=b/a. Mod podstawowy posiada odcięcie dla zerowej wartości częstotliwości znormalizowanej; 8) Funcja n w1(v), obliczona znormalizowana dwójłomność światłowodu eliptycznego w funcji częstotliwości znormalizowanej dla różnych wartości parametru e; 9) Funcja v g(v), Obliczona zmiana grupowego współczynnia załamania w funcji V dla różnych wartości parametru e; 10) Funcja n g=f(v), Obliczona różnica prędości grupowych dla polaryzantów modu podstawowego; 11) Obliczony warune zerowej wartości różnicowego opóźnienia grupowego dla polaryzantów modu podstawowego oraz linia odcięcia modów wyższego rzędu; 1) Obliczone znormalizowane różnice w profilach modowych, rozładzie mocy w przeroju poprzecznym światłowodu eliptycznego, pomiędzy polaryzantami modu podstawowego; 13) Symbole modów najniższego rzędu w światłowodzie eliptycznym i ich, symbolicznie narysowana, ewolucja od światłowodu cylindrycznego, poprzez eliptyczny o różnych stopniach eliptyczności do światłowodu o rdzeniu pasowym, narysowano rozład mocy optycznej w przeroju poprzecznym światłowodu; 14) Obliczone znormalizowane dwójłomności - fazowa e (lewa oś rzędnych) i grupowa (prawa oś rzędnych) dla modów HE 01 i HE o 11. Oznaczenia: n w=(n eff -n )/(n 1 - n ), n w1=n eff/n, n eff=n o eff -n e eff, n g=n o g -n e g, n g=c/v g, P w=η/ηn, η=η o -η e. Pomiary i zastosowania światłowodów dwójłomnych, w tym eliptycznych, wymagają loalizacji osi szybiej i wolnej. Jeśli stan polaryzacji fali wejściowej jest w oincydencji z tórąolwie z osi polaryzacji to pozostanie stały wzdłuż światłowodu. Jeśli oś polaryzacji fali wejściowej tworzy dowolny ąt z osią polaryzacji światłowodu, to stan polaryzacji fali zmienia się oresowo z drogą dudnienia. Światłowody dwójłomne są wyorzystywane w systemach światłowodowych jao polaryzatory, jednopolaryzacyjne linie transmisyjne do transmisji oherentnej, czujnii, sprzęgacze polaryzacyjne, itp. Technia pomiarowa światłowodów dwójłomnych jednopolaryzacyjnych musi uwzględniać charaterystyi polaryzacyjne taich światłowodów spowodowane anizotropią optyczną induowaną naprężeniami. Ze względu na polaryzacyjne właściwości światłowodów eliptycznych i onieczność orientacji ątowej względem osi długiej, onieczna jest modyfiacja metod pomiarowych. Pomiary właściwości polaryzacyjnych światłowodów są odrębną szeroą dziedziną miernictwa światłowodowego. Światłowody o eliptycznych rdzeniach posiadają właściwości dwójłomne. Są one, na ogół, słabsze niż dla światłowodów z mechanicznie induowaną dwójłomnością. W przypadu światłowodów eliptycznych znormalizowany parametr dwójłomności jest rzędu B=10-5, podczas gdy dla światłowodów panda i bow-tie wynosi B=10-4 i więcej (droga dudnienia jest rzędu L B=1cm). Metody 36

37 pomiarowe są podobne ja dla światłowodów dwójłomnych z różnicą w systemie sprzężenia mocy uwzględniającą eliptyczny ształt rdzenia. W światłowodzie eliptycznym mierzone są najczęściej następujące parametry: geometryczne położenie głównych osi elipsy rdzeniowej i ewentualnie elipsy obszaru depresji refracyjnej, wymiary osi elipsy, odstępstwa od ształtu eliptycznego rdzenia; transmisyjne tłumienie, polaryzacyjna dyspersja modowa, dwójłomność, wrażliwości środowisowe. Tłumienie światłowodu o eliptycznym rdzeniu jest mierzone w lasyczny sposób, np. modyfiowaną metodą odcięcia lub metodą wtrącenia. W szczególności doonuje się, w uładzie do badania spetralnego tłumienia, pomiarów różnicy odcięcia pomiędzy polaryzantami modu podstawowego. Uład pomiarowy zawiera źródło o zmiennej długości fali, uład sprzężenia światłowodu, modulator i homodynowy uład detecyjny [30,38,39,5]. Wynii pomiarów opubliowano w [5]. Pomiary jaości (stopnia idealności) odwzorowania ształtu elipsy rdzenia doonywane są za zwyczaj przy pomocy graficznych programów omputerowych posiadających zdolność estracji rawędzi figur i porównywania ich ształtów (np. Adobe, Corel, Macromedia, itp.). Porównywania ształtów doonuje się orzystając z pewnych wygodnych, dla omputerowych programów analizy graficznej, właściwości elipsy. Wśród tych właściwości można wymienić: oręgi opisane i wpisane w elipsę, promienie rzywizny w wierzchołach elipsy, r m=b /a, r M=a /b, proporcje elips onfoalnych i podobnych, właściwości średnic sprzężonych elipsy, związi pomiędzy ierownicami elipsy, twierdzenie Apolloniusza, a 1b 1sin(+β)=ab, a 1 +b 1 =a +b, właściwości pola i obwodu elipsy, właściwości stycznych do elipsy, xx o/a +yy o/b =1, A a +B b -C =0, itp. W pratyce technologicznej zdarzają się niewielie odształcenia ształtu eliptycznego rdzenia np. w ierunu figur elipso-podobnych czwartego rzędu. Oreślono esperymentalnie, że np. dla metody MMC taim odształceniem jest przyjmowanie przez rdzeń ształtu elipsy Cassiniego [5]. Znajomość położenia głównych osi elipsy rdzeniowej jest onieczna w ażdych zastosowaniach światłowodu eliptycznego. W pratyce laboratoryjnej szybą metodą oreślenia położenia osi jest obserwacja wzoru interferencyjnego na eranie po oświetleniu światłowodu wiązą światła laserowego. Uład obserwacji położenia osi oraz pomiarów czułości dwójłomności na oddziaływania zewnętrzne przedstawiono na rys.1.1., łącznie z wybranymi wyniami pomiarów wytworzonych światłowodów eliptycznych ze szieł wielosładniowych metodą MMC [5]. Gdy światło propagowane w światłowodzie jest widzialne i pochodzi ze źródła oherentnego to pomiaru długości drogi dudnienia modów podstawowych doonuje się metodą obserwacji mirosopowej. Droga oherencji zastosowanego źródła musi być więsza niż droga dudnienia między modami. Pod mirosopem obserwuje się rozproszone w światłowodzie promieniowanie Rayleigha. Masimum promieniowania rozproszonego jest prostopadłe do pola eletrycznego fali optycznej, zgodnie z dipolowym charaterem rozpraszania Rayleigha. Jeśli w światłowodzie eliptycznym pobudzono oba mody podstawowe i propagowana jest w nich początowo jednaowa moc optyczna, początowy stan polaryzacji wybrano na 45 o do osi głównych elipsoidy, to polaryzacja wzdłuż światłowodu zmienia się, z liniowej, poprzez eliptyczną, do ołowej, periodycznie. Jeśli fale propagowane w obu modach są w fazie rozpraszanie jest masymalne i zerowe, gdy fale są w fazie przeciwnej. Periodyczny wzór rozproszenia ze światłowodu może być obserwowany przez mirosop, co przedstawiono na rys.1.1. Światłowód umieszczony jest w szlanej apilarze w środowisu immersyjnym, ta że obraz wzoru rozproszenia jest powięszony i niwelowany jest refracyjny wpływ płaszcza światłowodu. Włóno optyczne może być obracane z apilarą w celu otrzymania najlepszej widzialności wzoru interferencyjnego. Jeśli apilara jest salowana to β= o/l B, gdzie L B droga dudnienia. Zmiany dwójłomności są mierzone w funcji naprężenia mechanicznego światłowodu, temperatury itp. Mierzony jest taże wpływ zaburzenia puntowego światłowodu lub wygięcia na mieszanie modów podstawowych. Uład pomiarowy jest analogiczny do pomiaru spetralnego tłumienia, z tym że używana jest fala spolaryzowana [1.7]. Na rys.1.1. przedstawiono wynii pomiarów właściwości dwójłomności próbe wytworzonych światłowodów eliptycznych, w porównaniu z lasycznymi światłowodami polaryzacyjnymi musza i panda. Doonywano pomiarów czułości polaryzacyjnej na oddziaływania termiczne i mechaniczne. 37

38 Rys.1.1. Wybrane przyłady światłowodów eliptycznych, wielomodowych i jednomodowych, o różnych stopniach eliptyczności, wyonanych metodą MMC (ształtowanej dyszy tyglowej) i ich charaterystyi. Średnica zewnętrzna 15m; 1) Fotografia przeroju poprzecznego światłowodu wielomodowego o rdzeniu eliptycznym a/b=30m/40m, n=3%; ) Profil refracyjny światłowodu eliptycznego analogicznego do 1), z depresją refracyjną, obrazowany metodą prążowej interferometrii poprzecznej; 3) Fotografia światłowodu eliptycznego wielomodowego, a/b=30m/50m, pozostałe dane ja w światłowodzie 1; 4) =150μm, b=7μm, a=5μm, n=1%; 5) =150μm, b=7,5μm, a=3,5μm, n=4,5%; 6) b=,5μm, a=,5μm, n=,5%, =150μm; 7) Zmierzone pole daleie modu podstawowego osobliwego ohe 11 światłowodu eliptycznego. Linia ciągła oś główna, linia przerywana oś mniejsza, b/a=0,5, częstotliwość znormalizowana V=,4 n 1=1,55, n =1,48; Mod regularny usunięty poprzez wygięcie światłowodu; 8) Zmierzone pole daleie modu podstawowego osobliwego ohe 11 światłowodu eliptycznego. Linia ciągła oś główna, linia przerywana oś mniejsza, b/a=0,6, częstotliwość znormalizowana V=,1, n 1=1,55, n =1,48; Mod regularny usunięty poprzez wygięcie światłowodu; 9) Zmierzone profile refracyjne światłowodów eliptycznych. Quasi-soowy profil refracyjny wielomodowego światłowodu o rdzeniu eliptycznym zmierzony metodą poprzecznej interferencji prążowej dla obu osi głównych elipsy. Dane: n=3,5%, b=5m, a=1,5m, b/a=0,5, =150m; 10) Profile refracyjne dwóch światłowodów - 38

39 jednomodowego (quasi soowy) i nisomodowego (paraboliczny) o rdzeniach eliptycznych zmierzone metodą poprzecznej interferencji prążowej dla obu osi głównych elipsy. Dane: n=3,5%, linia cieńsza: b=5m, a=,5m, b/a=0,5, =150m; linia grubsza: b=,5m, a=1,5m; 11) Pomiary zależności przesunięcia fazy (dwójłomności) w funcji naprężenia światłowodów dwójłomnych i eliptycznych. Czułości naprężeniowe są rad/mm dla włóien HB i 5 rad/mm, oraz rad/m dla włóien eliptycznych; 1) Pomiary zależności przesunięcia fazy (dwójłomności) w funcji temperatury światłowodów dwójłomnych i eliptycznych. Czułości termiczne są 6 8 rad/m/ o C dla włoien HB i 0,6 rad/m/ o C oraz 3 4 rad/m/ o C dla włóien eliptycznych; 13) Laboratoryjna metoda znajdowania głównych osi elipsy rdzenia światłowodu; 14) Uład pomiarowy dwójłomności światłowodu eliptycznego (i innego dwójłomnego); 15) Uład pomiarowy dwójłomności światłowodu w funcji temperatury; 16) Etapy procesu technologicznego wytwarzania światłowodu eliptycznego metodą CVD; 17) Pratyczne rozwiązania światłowodów eliptycznych wytwarzanych hybrydową metodą MMC-RiT, eliptyczność zewnętrzna i wewnętrzna eliptyczny rdzeń i eliptyczna warstwa pośrednicząca. Stałe termicznego przesunięcia fazy dla światłowodów typu HB były w granicach 6 8 rad/m/ o C. Dla włóien optycznych eliptycznych o różnej onstrucji i z różnych materiałów stałe te wynosiły w zaresie 0,6 rad/m/ o C, dla niezbyt dużych wartości n oraz wymiarach rdzenia rzędu ilu μm. Dla bardzo dużych wartości n i bardzo małych rdzeni rzędu pojedynczych μm, wartość dwójłomności stawała się porównywalna do tej w światłowodach typu HB. Dwie sładowe czułości termicznej są związane z wydłużeniem włóna dl/dt=l oraz dβ/dt. Czynni L w światłowodach ze szieł wysoorzemionowych nie jest dominujący. Dla światłowodów ze szieł wielosładniowych jego wpływ jest znaczny, dla nietórych materiałów. W tym względzie światłowody te różnią się między sobą zasadniczo. W bibliografii dotyczącej światłowodów eliptycznych [1.7] mówi się o trzech podstawowych wymaganiach projetowych dla tych światłowodów. Wymagania te związane są z głównymi zastosowaniami optycznych włóien eliptycznych do techni interferometrii światłowodowej. Wymagania projetowe są następujące: tworzenie w światłowodzie ja najwięszej możliwej dwójłomności, poprzez optymalizację stopnia eliptyczności i wartości różnicy współczynniów załamania rdzenia i płaszcza, usuwanie możliwości interferencji wtórnej poprzez wbudowanie w światłowód silnej refracyjnej depresji płaszczowej, odporność światłowodu na zgięcia, poprzez odpowiednią wartość n. Klasyczne metody wytwarzania światłowodów teleomuniacyjnych, taie ja CVD, mogą być adaptowane do wytwarzania światłowodów o rdzeniach eliptycznych. Wymaga to jedna zastosowania dodatowych etapów procesu technologicznego. Najczęściej wytwarza się światłowody eliptyczne z rdzeniem domieszowanym GeO, płaszczem bezpośrednim (buforem optycznym) domieszowanym fluorem (szło fluororzemionowe) i płaszczem onstrucyjnym z czystego SiO. Typowo światłowód posiada n w zaresie,5-4%. Depresja refracyjna bufora optycznego względem płaszcza wynosi 0,-0,6%. Najczęściej w sprzedaży spotya się światłowody o stosunu osi więszej do mniejszej rzędu. Rys przedstawia schematycznie etapy procesu wytwarzania światłowodu eliptycznego metodą CVD. Puntem wyjściowym technologii jest lasyczna ultra-czysta rura warcowa do światłowodowego procesu CVD. Na rurze szlifowane są dwie równoległe płasie powierzchnie. Głęboość szlifowania oreśla potem stopień eliptyczności rdzenia. Wewnątrz taiej oszlifowanej rury osadzany i szlony jest płaszcz optyczny domieszowany fluorem (buforująca depresja refracyjna) oraz rdzeń domieszowany germanem. Rurę z naniesioną i zeszloną struturą rdzeń depresyjny płaszcz optyczny poddaje się procesowi olapsu, przy zastosowaniu regulowanego podciśnienia. Główne osie tworzącej się elipsy rdzenia i bufora optycznego są prostopadłe do płaszczyzn szlifowania preformy. Eliptyczność rdzenia regulowana jest głęboością szlifowania preformy i sposobem jej olapsu (T, -P). Metoda MMC a taże więszość innych metod technologicznych wytwarzania światłowodów dają włóna optyczne o prawie idealnie orągłych rdzeniach. Normy dopuszczają pewien stopień eliptyczności rdzenia w światłowodzie izotropowym. Ta eliptyczność powoduje pewien stopień dwójłomności włóna, na ogół przypadowo zmieniający się wzdłuż jego osi długiej. Między innymi, ewolucja residualnej eliptyczności (obo zaburzeń mechanicznych i termicznych), jest przyczyną modowej dyspersji polaryzacyjnej (MDP). W światłowodzie o rdzeniu eliptycznym sytuacja jest nieco odmienna. Żadna metoda technologiczna nie daje bezpośrednio rdzenia eliptycznego. W metodzie MMC rdzeń cylindryczny jest tworzony jao minimum energetyczne dla strugi szła lepiego [5]. Dla taiej strugi podlegającej transformacji pomiędzy różnymi ształtami elipsa (lub raczej rzywa 39

40 elipso-podobna) jest ształtem przejściowym. Kształt ten jest zamrażany w odpowiednim stadium (w naszym przypadu w momencie najwięszego podobieństwa ształtu przeroju poprzecznego strugi do elipsy) przez metodę technologiczną. Hybrydowa modyfiowana metoda wielotyglowa i pręt rura pozwala na wytwarzanie światłowodów eliptycznych o onstrucjach przedstawionych na rys Kształt zewnętrzny światłowodu i rdzenia mogą być jednocześnie eliptyczne. Wewnątrz włóna można wbudować eliptyczny bufor optyczny, oraz sam rdzeń może być eliptyczny w cylindrycznym światłowodzie. Włóna mogą być wytwarzane bezpośrednio podczas jednego etapu procesu MMC. W czasie procesu wielotyglowego można wytwarzać preformę o eliptycznym rdzeniu a następnie w czasie drugiego etapu taa preforma jest wyorzystywana w metodzie pręt-rura [5] Światłowody włónowe o rdzeniu pasowym Światłowód włónowy o jednomodowym rdzeniu pasowym stanowi, hipotetycznie, niezwyle interesujący ośrode transmisyjny pomiędzy zintegrowanymi uładami optyi planarnej. Autor nie znalazł pratycznego opisu taiego rozwiązania w dostępnej literaturze. Łączenie uładów funcjonalnych optyi zintegrowanej jest związane ze stosowaniem bardzo doładnych, i trudnych technologicznie - połączonych z seletywnym wytrawianiem w podłożu rowa V, metod justowania jednomodowego światłowodu włónistego o rdzeniu cylindrycznym ze światłowodem planarnym. Straty połączeń są istotną częścią dostępnego bilansu mocy optycznej [1.36]. Rozważamy właściwości pasa dieletrycznego o grubości r (w ierunu x) i współczynniu załamania n 1 w jednorodnym optycznie ośrodu płaszcza światłowodu włónowego o współczynniu załamania n. Załadamy, że wymiar pasa w ierunu y jest wielorotnie więszy tzn. wynosi co najmniej 0r, i w związu z tym można w przybliżeniu założyć niezmienność pola w tym ierunu. Fala optyczna propaguje wzdłuż osi długiej z światłowodu w postaci dwóch rodzajów modów E m0, H m0 o niesprzężonych sładowych pól E i H w ierunu propagacji. Pojedyncza liczba modowa dla geometrii planarnej (tutaj nazywana poprzeczną) poazuje zmienność pola w grubości rdzenia pasowego. Modami podstawowymi są E 10 i H 10. Korzystamy z tego samego równania własnego w ogólnej postaci, co poprzednio (1.1). Funcje periodyczne i zaniające są w tym przypadu F 1=sin(u), cos(u); F =exp(-w). Dla tych funcji przybliżone równanie własne światłowodu włónowego, słabo propagującego, o pasowym rdzeniu przybiera postać [1.14] [cos( u )/ usin( u) exp( w)/ wexp( w)][ n1 cos( u)/ usin( u) n exp( w) / wexp( w)] 0 (1.3) liczba modowa l=0, bra zmienności pola w ierunu y, dla modów regularnych (even) o masimum pola w centrum pasa rdzeniowego, oraz dla modów nieregularnych (odd) o minimum pola w środu pasa, [ sin( u )/ ucos( u) exp( w) / wexp( w)][ n sin( u)/ ucos( u) n exp( w) / wexp( w)] 0 (1.33) 1 Przyrównując czynnii postaci iloczynowej pierwszego równania do zera otrzymuje się dla modów H e niezależnych od profilu refracyjnego tg(u)=w/u, oraz dla modów E e zależnych od profilu refracyjnego (o ładunach eletrycznych na granicy ośrodów) tg(u)=n 1 w/n u. Drugie równanie daje rozwiązanie z minimalną wartością pola w środu grubości rdzenia pasowego światłowodu, mody osobliwe (odd) dla H o tg(u)=-u/w, oraz dla modów E o tg(u)=-n 1 u/n w. Odcięcie modowe regularne następuje, gdy efetywna wartość modowego współczynnia załamania staje się równa refracji płaszcza n. Gdy n=n eff=n, wówczas w=0, u=v=v c, sinv c=0, V c=0,,,... Dla modów osobliwych zachodzi cos V c=0, V c=/, 3/, 5/,... Na rys przedstawiono wybrane obliczone i zmierzone charaterystyi modowe włónowych światłowodów o rdzeniach pasowych a na fotografiach poazano przeroje poprzeczne wytworzonych przez autora, we współpracy z OBPTŚ HS Biaglass, próbe taich światłowodów. Mody podstawowe H 10 (wolny) oraz E 10 (szybi) posiadają nieco inne wartości stałych propagacji. Pobudzenie obu modów podstawowych powoduje, że światłowód o rdzeniu pasowym jest dwójłomny. Dwójłomność n eff jest, w przybliżeniu, proporcjonalna do wadratu różnicy współczynniów załamania n rdzenia i płaszcza, dla szeroiego zaresu wartości n=0,110%. Dwójłomność znormalizowaną dla rdzenia pasowego przedstawia się 40

41 w postaci wyrażenia n eff/(n) =f(v), podobnie ja dla rdzeni eliptycznych. Tutaj tratujemy rdzeń pasowy jao jedno z granicznych rozwiązań dla rdzenia eliptycznego. Prędości fazowe i grupowe wyrażone są podobnie ja poprzednio v=/, =f, v g=/ jest nachyleniem rzywej we współrzędnych fazowych -, v gn=v g/c=vn eff/v+n eff, n eff=/=c/, V=rNA/c, c/v g=n g. Dla małych wartości V obie prędości v i v g szybiego modu podstawowego E 10 są więsze niż dla wolnego modu podstawowego H 10. Dla więszych wartości V, v g modu szybiego staje się mniejsza niż dla modu wolnego, a różnica v g przybiera wartość zero dla V=V go. Współczynni ograniczenia pola modowego zdefiniowany jao =P 1/(P 1+P ) przybiera dla rdzenia pasowego następującą, analityczną postać funcji wyłącznie argumentów falowych i częstotliwości znormalizowanej u +w =V, =1-u /V (1+w) dla modu niezależnego od refracji H 10, oraz =1-n 1 n u /( n 1 n V +n 14 w 3 +n 4 wu ) dla modu zależnego od refracji E 10. Dla wszystich ształtów rdzenia obowiązuje zależność c /vv g=n 1 +n (1-) [1.18,8.15]. Dla modu H 10 rozład mocy nie zmienia się w funcji n. Dla modu E 10, przy ustalonej wartości częstotliwości znormalizowanej grubość r rdzenia pasowego ulega zwięszeniu, jeśli maleje n. Jeśli r, n0 i cała moc optyczna jest ograniczona w rdzeniu. Rozład pola daleiego światłowodu włónistego o rdzeniu pasowym jest oreślony przez geometrię promieniującej apertury rdzenia, i jest sumą amplitud i faz ze wszystich puntów apertury. Dla modu H 10 sładowa pola w ierunu y, znormalizowana do jedności względem masymalnej wartości na granicy rdzeń-płaszcz zmienia się zgodnie z zależnością trygonometryczną E y=cos(ux/r)/cos(u). Poza rdzeniem pasowym pole zania do zera esponencjalnie E y=exp(- wx/r)/exp(-w). Załadając, że sończona szeroość rdzenia pasowego nie wpływa na postać pola, sumując po aperturze rdzenia przy pomocy transformaty Fouriera i orzystając z tg(u)=w/u jao rozwiązania równania własnego dla modów regularnych H e, zależoność na znormalizowany rozład mocy optycznej P() w funcji ąta mierzonego od osi światłowodu wynosi [1.7] P n=p()/p o=[u w (cos-sincos(u)/usin(u))/(u - )(w + )], =rsin=vsin/na (1.34) Dla dużej wartości częstotliwości znormalizowanej V apertura jest szeroa, mierzona wielością NA/ o, moc optyczna jest całowicie ograniczona do rdzenia pasowego 1 a pole poza rdzeniem w płaszczu zania gwałtownie. Charaterystya promieniowania taiego uładu o dużej aperturze o silnie zdefiniowanych granicach refracyjnych posiada wąsą wiązę główną i wiele wiąze bocznych o relatywnie dużych intensywnościach. Z maleniem wartości częstotliwości znormalizowanej V apertura ulega zawężeniu, główny promień rozszerza się, osiągając masymalną wartość. Dalsze malenie V powoduje ponowne zawężenie głównej wiązi promieniowania, ponieważ pole modowe rozprzestrzenia się coraz głębiej z rdzenia w płaszcz i efetywna apertura promieniowania wzrasta. Granice apertury nie są teraz silnie zdefiniowane, przez co nie występuje znaczna zmiana wartości pola na tej granicy. Rozład pola w aperturze jest w przybliżeniu gaussowsi i jego transformacja Fouriera, a więc charaterystya promieniowania, też posiada ształt rzywej Gaussa, bez promieni bocznych. 41

42 Rys Fotografie wybranych próbe wytworzonych światłowodów włónowych o rdzeniach pasowych oraz wybrane obliczone charaterystyi modowe rdzenia pasowego w światłowodziw włónowym. Światłowody, o średnicy 15μm, wyonane dwoma różnymi metodami 1), ) metodą MMC oraz 3), 4) metodą hybrydową - sładania mozaii, trawienia i pręt-rura. Metodą MMC uzysuje się rdzenie pasowe o ształcie eliptycznym b/a<0,05 0,01. Metoda sładania mozaii daje rdzeń prostoątny; 1) Rdzeń eliptyczny b/a=x5μm, b/a=0,08, =%; ) Dwa rdzenie eliptyczne b/a=4x0μm, b/a=0,, odległość rdzeni d r=μm, =0,5%; 3) Rdzeń pasowy prostoątny b/a=,5x17μm, b/a 0,15, =0,5%; 4) rdzeń pasowy prostoątny b/a=0,75x0μm, b/a=0,0375, =%; 5) Obliczony efetywny modowy współczynni załamania w funcji częstotliwości znormalizowanej n eff(v) dla modów podstawowych H 10 i E 10; 6) Znormalizowana dwójłomność światłowodu z rdzeniem pasowym n w1= n eff/(n) =f(v) dla modów H 10 i E 10 oraz H 0 i E 0; 7) Grupowe współczynnii załamania dla modów podstawowych H 10, E 10; 8) Znormalizowana dwójłomność grupowa światłowodu z rdzeniem pasowym n g(v) - różnica grupowych współczynniów załamania modów podstawowych; 9) Obliczony znormalizowany rozład mocy modów podstawowych H 10 i E 10 dla różnych wartości różnicy współczynniów załamania pomiędzy rdzeniem i płaszczem n=n 1-n w światłowodzie o rdzeniu pasowym, rzywa 1 - rodzaj H 10, n 1=1,5, n 0, rzywa rodzaj E 10, n=0,, rzywa 3 rodzaj E 10, n=0,3, rzywa 4 rodzaj E 10, n=0,5; 10) Obliczone ształty przestrzennych charaterysty promieniowania z pasowego rdzenia światłowodu włónowego, [1.7] oraz obliczenia własne. Dane: n 1=1,5, n =1,49; charaterystya 1) V=5, u=1,3059, znaczna wartość częstotliwości znormalizowanej V, moc optyczna głównie ograniczona do obszaru rdzenia pasowego; ) V=/, u=0,948, szeroość promienia głównego charaterystyi promieniowania, mierzona dla puntów połowy mocy, jest masymalna; 3) V=0,, u=0,196, stosunowo mała wartość częstotliwości znormalizowanej V, pole modowe rozciąga się głęboo w płaszcz światłowodu. Analogiczne dane i charaterystyi do porównania dla światłowodu jednomodowego o rdzeniu cylindrycznym n 1=1,5, n =1,45; 4) V=5; 5) V=,5; 6) V=1, oraz dla dwóch światłowodów eliptycznych 7),8),9), b/a=1/5, n 1=1,54, n =1,47, V=5, V=,5, V=1,5; 10),11),1) b/a=1/; 11) Porównanie 4

43 zależności wielości ąta połówowej mocy głównego promienia charaterystyi promieniowania P/(V) oraz ąta pierwszego minimum charaterystyi promieniowania M1 dla światłowodów o rdzeniach pasowym, eliptycznym b/a=0,5, eliptycznym b/a=0, i cylindrycznym (pole daleie), [1.7] i obliczenia własne. Światłowody MMC wyproduowane w HS Biaglass. Światłowody mozaiowe wyproduowane w ITME Cemat przy współpracy autora. 1.7.Światłowody dziurawe z maro-otworami i ompozytowe Światłowodami ompozytowymi nazwiemy tutaj włóna optyczne zbudowane z różnych materiałów np. szlano-ceramiczne [149]. Do tej grupy należą taże ułady szło-metal, oraz szło anał powietrzny do tórego można wprowadzać inne materiały (np. gaz, ciecz, metal w stanie ciełym, najczęściej Ga, mieszanina In-Ga lub nisotopliwe stopy Sn np. In-Sn). Istnieje cały szereg różnych rozwiązań światłowodów ompozytowych i nadal wiele nowych jest badanych [.01.4]. Jednym z najbardziej oczywistych rozwiązań jest zastąpienie naprężeniowych elementów bororzemionowych w światłowodzie HB typu Panda anałami powietrznymi (ang. side-hole - SH, taże side-pit fibers) lub elementami metalowymi (ang. side-wire). Innym rozwiązaniem jest pozostawienie w światłowodzie pojedynczego dużego obszaru pustego np. w ształcie oła lub odcina oła (litery D). Płasa część obszaru znajduje się w niewieliej odległości od rdzenia (odległość porównywalna lub mniejsza od rozmiaru rdzenia). W zależności od materiału wypełnienia i jego charaterysty optycznych, eletrycznych, magnetycznych, austycznych, termicznych lub innych oraz sposobu wpływu obszaru pustego lub wypełnionego na falę optyczną propagowaną w poblisim rdzeniu światłowód będzie posiadał bardzo różne charaterystyi transmisyjne. Do pojedynczego lub dwóch obszarów metalowych można podłączyć napięcie induując w materiale światłowodu zjawisa eletrooptyczne, np. efet Kerra, Pöcelsa, eletrostrycyjne, eletroapilarne, eletroluminescencyjne, itp. Poprzez obecność anału wewnątrz włóna można taże induować, lub wzmacniać taie zjawisa ja: elastooptyczne, piezoeletryczne, magnetostrycyjne, nieliniowe, itp., [ ], [ ]. W przypadu obecności w światłowodzie biernej eletrody metalowej, obecność metalu w pobliżu pola zaniającego modu wprowadza silne tłumienie różnicowe pomiędzy ortogonalne polaryzanty x i y modu podstawowego, usuwając jeden z nich efetywnie na niewieliej drodze. Na rys przedstawiono zmierzone charaterystyi tłumienia własnych polaryzatorów światłowodowych wyonanych ze światłowodów z otworem D wypełnionym metalem, dla ilu różnych parametrów onstrucyjnych włóna optycznego. Światłowody posiadały aperturę numeryczną 0,15 oraz 0,1. Odległość metalu od rdzenia była d=1m oraz m. Współczynnii dysryminacji polaryzacyjnej były zmienne w granicach 30dB dla =1,3m (włóno 1) do o. 70dB dla =1,6m (włóno 3). Straty wtrącenia polaryzatora światłowodowego były zmienne z granicach 0,5dB (włóno 1) do o.db (włóno 3). Zmiana apertury numerycznej światłowodu (włóno 1 włóno ), przy taich samych parametrach wypełnionego metalem anału powietrznego powoduje wzrost dysryminacji polaryzacyjnej osztem rosnących strat wtrącenia polaryzatora światłowodowego. Stosunowo znaczny wzrost strat wtrącenia został spowodowany zmniejszeniem separacji rdzenia od anału. Jedna dysryminacja polaryzacyjna wzrosła do o.70db, a więc wielości dostatecznej do zastosowań w interferometrii światłowodowej. Charaterystyi spetralne tłumienia wszystich zmierzonych tutaj polaryzatorów światłowodowych są jednorodne w bardzo szeroim onie spetralnym m. 43

44 Rys Charaterystyi spetralne tłumienia różnicowego ( y- x) modów quasi TE i TM (ortogonalnych polaryzantów modu podstawowego LP 01) w światłowodzie polaryzacyjnym o anale powietrznym wypełnionym metalem. Przerój poprzeczny światłowodu przedstawiony na wstawce. Dane światłowodów: =15m, średnica anału powietrznego 35m, L m=6cm, c=150nm, 1) a=6m, NA=0,15, d=m, ) a=6,5m, NA=0,1, d=m, 3) NA=0,15, d=1m. Charaterystyi tłumienia różnicowego wyrażone w [db] przedstawiono na tle zmierzonej charaterystyi ultranisostratnego jednomodowego światłowodu VAD o długości odcina 0m [db/m]. Pomiary własne. Światłowody polaryzujące (polaryzatory światłowodowe) o przedstawionych na rys charaterystyach cechują się prawie stałą wartością stosunu tłumień polaryzantów ortogonalnych y/ x w całym wymienionym paśmie. W związu z tym możliwa jest teoretycznie onstrucja światłowodu o nieograniczonej wartości współczynnia estyncji. Ponoszonym osztem są wzrastające straty własne włóna, czyli straty wtrącenia zrobionego z niego polaryzatora światłowodowego. We współczesnych rozgałęzionych światłowodowych systemach czujniowych [140, ,36,40 48,51] nie tyle istotne są straty wtrącenia elementów fotonicznych ze światłowodów ształtowanych np. czujniów, gdyż można je ompensować przy pomocy loalnego wzmacniacza światłowodowego, ile ważna jest izolacja (nieodwracalność) optyczna, tutaj wyrażona wielością współczynnia estyncji. Analogiczny problem występuje w budowie żyrosopów [3.0], gdzie dynamia pomiaru jest determinowana wielością współczynnia estyncji polaryzacyjnej. Jeśli oba obszary wzdłuż rdzenia, ja w światłowodzie HB typu Panda, zamiast szłem bororzemionowym zostaną wypełnione metalem to istnieje, po podłączeniu do tych obszarów napięcia, możliwość umieszczenia rdzenia w stosunowo silnym loalnym polu eletrycznym. W materiale rdzenia induowane jest wadratowe zjawiso eletrooptyczne Kerra. Induowana dwójłomność wynosi n=n nzw-n zw=ke, gdzie E [V/m]-pole eletryczne, K-stała Kerra (dla szła rzemionowego rzędu m/v). Związane z tym przesunięcie fazy fali optycznej wynosi =Ln dla światłowodu o długości L. Pomimo niewieliej wartości stałej eletrooptycznej Kerra dla szła wysoorzemionowego, możliwość zastosowania długiej drogi interacji, niewieliej odległości pomiędzy eletrodami oraz supienia pola optycznego w małym obszarze rdzenia, niedostępnej w rozwiązaniach objętościowych, może prowadzić do efetywnych poziomów modulacji fazy w eletrooptycznym światłowodzie Kerra [5.8,7.17,7.19], i atracyjnych parametrów światłowodowego modulatora Kerra. W przyładowym rozwiązaniu taiego elementu światłowodowego uzysano [7.]: stacjonarne przesunięcie fazy o / dla sutecznej wartości napięcia zasilającego v s 40V, pasmo modulacyjne iladziesiąt MHz. Zjawiso Kerra w światłowodzie można induować taże na drodze całowicie optycznej. Nazywamy go dla odróżnienia optycznym zjawisiem Kerra, choć mechanizm jest tai sam. Silna 44

45 sładowa eletryczna pola optycznego propagowanego światłowodem (tzw. sygnał pompy) induuje w nim dwójłomność proporcjonalną do gęstości mocy optycznej: B~I opt=p opt/a r=e /Z w, Z w=10/β n[ω]-impedancja falowa światłowodu, A r=a dla światłowodu o rdzeniu cylindrycznym i A r=ab dla światłowodu o rdzeniu eliptycznym. Przyjmując dane P opt=100mw, β n 1,46, A r m, pole eletryczne w rdzeniu wynosi E= 10 6 V/m. Jest to poziom mogący induować zjawiso Kerra. Stan pobudzonego sygnałem pompy światłowodu o optycznie stymulowanej dwójłomności jest odczytywany sygnałem użytecznym, propagującym w przeciwnym ierunu włóna. Jeśli oba obszary wzdłuż rdzenia pozostaną puste lub zostaną wypełnione cieczą, to dwójłomność może być induowana ciśnieniem zewnętrznym gazu lub cieczy [.01]. Jeśli obszary wzdłuż rdzenia zostaną wypełnione szłem w tórym fala austyczna rozprzestrzenia się wolniej niż w płaszczu [1.19,1.1] to utworzony zostanie falowód dla fali ultradźwięowej. Podobne rozwiązanie onstrucyjne dotyczy samego rdzenia światłowodu. Zmiana współczynnia załamania wsute zjawisa elastooptycznego będzie wynosić: n=(n 3 p/)(i aust/v a ) 1/ =CI aust, gdzie n-współczynni załamania bez oddziaływania fali austycznej, p-współczynni elastooptyczny, I aust-natężenie fali austycznej, -gęstość materiału rdzenia światłowodu lub obszarów przyrdzeniowych, V a-prędość rozprzestrzeniania się fali austycznej w oreślonym obszarze światłowodu. Stała C dla światłowodu wysoorzemionowego wynosi C 0,3x10-7 [s (g/m) 1/ ]. Zjawiso elastooptyczne w światłowodzie lasycznym lub ompozytowym może stanowić bazę dla szeregu przetworniów do pomiaru ciśnienia i naprężenia w sposób statyczny lub dynamiczny [1.1]. Światłowody z dwoma otworami bocznymi typu SH (ang. side hole) i eliptycznym rdzeniem o właściwościach dwójłomnych posiadają zmienione czułości na naprężenia mechaniczne S P i termiczne S T w porównaniu ze światłowodami dwójłomnymi typu musza i Panda. Czułości na ciśnienie są rzędu rad/mpa*m a na temperaturę rzędu 1 rad/k*m. Dla porównania czułości światłowodów HB są odpowiednio rzędu pojedynczych rad/mpa*m oraz 6-8 rad/k*m. Czułości światłowodów o rdzeniach eliptycznych, są odpowiednio -5rad/Mpa m (dla włóien o średnich eliptycznościach i niedużych wartościach n), o. 100 rad/mpa m (dla włóien o dużych eliptycznościach i bardzo dużych wartościach n) oraz 0,6 rad/k m. Obecność anałów powietrznych szczególnie modyfiuje wpływ ciśnienia zewnętrznego na włóno. Rdzeń eliptyczny może być umieszczony osią długą prostopadle (pionowo) lub równolegle (poziomo) do szczeliny pomiędzy anałami, co zmienia zna czułości termicznej włóna [.07]. Daje to możliwość projetowania włóna o masymalizowanej czułości na ciśnienie i minimalizowanej na temperaturę. Na rys przedstawiono, zaczerpnięte z prac rajowych [.07], dane obliczeniowe i pomiarowe dotyczące światłowodów dziurawych z maro-otworami SH. Na rys przedstawiono ila badanych strutur a charaterystyi dotyczą włóien o anałach prostoątnych. Na czujni ciśnienia powinno być wybrane włóno o masymalnej wartości stosunu S P/S T, gdyż wyazuje najwięszą seletywność, o następujących danych: rdzeń eliptyczny 1,9mx,5m, anały 8mx35m, odległość rawędzi otworów od środa rdzenia 3m, średnica włóna 15m, profil refracyjny soowy, apertura numeryczna 0,6, droga dudnienia dla =633nm,9mm, długość fali odcięcia 0,6m. Dla porównania przedstawiono własne pomiary czułości S P dla światłowodu o anałach półolistych. Światłowód o wysoości anałów 35m i eliptyczności rdzenia e= posiadał czułość S P=91,3rad/MPa m, co zaznaczono na wyresie w postaci puntu pomiarowego odczytywanego na sali S P(d). Czułość termiczna tego światłowodu wynosiła S T= 3rad/K m. Esperymentalnie dowiedziono, że najmniejsza czułość termiczna światłowodów SH występuje dla rdzeni o niewielim stopniu eliptyczności. Taie włóna posiadają jedna znaczną wartość drogi dudnienia, rzędu iludziesięciu mm, co widać na rzywych L B(e), i co pratycznie dyswalifiuje je z nietórych zastosowań czujniowych. Wsaźniiem seletywności włóien SH jest stosune S P/S T. Stosune ten wynosi typowo iladziesiąt [K/Mpa] w światłowodach SH poazanych na rys Masymalnie może wynosić o [K/Mpa]. Krzywa technologiczna S P(d) poazuje możliwości wpływu na parametry włóna poprzez zmianę jego proporcji geometrycznych. Masimum rzywej jest szeroie i płasie dla d 30m, więc upraszcza to technologię wytwarzania taich światłowodów. Nie zaznaczono na rysunu masimum rzywej L B(e) Światłowód jednomateriałowy z maro-otworami sonstruowany jest ta, że rdzeń umiejscowiony jest w cieniej płytce zawieszonej wzdłuż apilarnego włóna i dzielącej maro-otwór i włóno na pół. Jeśli rdzeń nie posiada odrębnego profilu refracyjnego to w taim światłowodu 45

46 może bezstratnie rozprzestrzeniać się tylo jedna polaryzacja modu podstawowego. Światłowód tai był rozważany teoretycznie [1.14,1.16,1.] ale nie został zrealizowany pratycznie. Światłowód posiada bardzo silne charaterystyi dyspersyjne i prawie całe pole zaniające umiejscowione w powietrzu. Rys Badane na UMCS rodzaje światłowodów typu SH z rdzeniem eliptycznym (zaznaczono nietóre geometryczne parametry technologiczne, tórych wpływ oreślano) i ich charaterystyi czułości na ciśnienie S P i temperaturę S T oraz drogę dudnienia L B [.07]. Charaterystyi dotyczą włóna o prostoątnych anałach. Funcja S P(d) dotyczy światłowodu o odległości anału od rdzenia o. 10m i czułości S T 1,5rad/K m. d szeroość anału prostoątnego, e eliptyczność rdzenia, stosune osi elipsy. Ostatni światłowód (dolny prawy) jest jednomateriałowy o podobnej onstrucji ale innych właściwościach. Gwiazdą oznaczono punt pomiarowy dla światłowodu SH o półolistych anałach o wysoości d=35m. Rys ) Dziurawy światłowód ompozytowy szlano-polimerowy. Dane: średnica zewnętrzna d=15μm, średnica anałów d 40μm, średnica obszaru centralnego d c=3 μm, średnica rdzenia r 8μm, 0,35%. ) Charaterystyi spetralne przestrajanego termicznie filtru pasmowo zaporowego wyonanego z dziurawego światłowodu szlano-polimerowego i naniesionej na rdzeń siati Bragga o oresie Λ 550m, L B=4cm, n=5*10-4 sprzęgającej mod podstawowy rdzenia do pierwszego modu płaszcza (stratny rezonans płaszczowy). [11.19]. Światłowody o dostatecznie dużych średnicach symetrycznie rozłożonych anałów można napełniać substancjami ciełymi, atywnymi optycznie, o współczynniu załamania blisim szła, np. monomerem polimeryzowanym po napełnieniu. Jeśli profil refracyjny rdzenia światłowodu n 1(r) jest ształtowany na bardzo dużą średnicę modu, rzędu ilunastu μm lub jeśli na rdzeniu nadruowana jest siata Bragga o dużym oresie rozpraszająca w wąsim paśmie spetralnym wprzód [6.36] to fala świetlna w pierwszym przypadu będzie oddziaływać z substancją w anałach poprzez pole zaniające a w drugim przypadu poprzez mody płaszczowe LP om pł. W drugim przypadu, występuje silny rezonans stratny pomiędzy modem podstawowym rdzenia a modem podstawowym płaszcza przy 46

47 spełnionym warunu Bragga max=(n 1eff-n eff)λ, gdzie n ieff- efetywne współczynnii załamania modów sprzęganych rdzenia i płaszcza, Λ -stała siati. Jeśli współczynni załamania płaszcza silnie zależy od temperatury, a płaszcz w opisywanym światłowodzie stanowi efetywnie polimer to stratny rezonans płaszczowy będzie efetywnie przestrajany termicznie. Stała termiczna współczynniów załamania dla szła warcowego i PMMA wynosi, w zaresie temperatur o C, odpowiednio dn SiO/dT 1,1*10-5 [ o C -1 ], dn p/dt -5*10-4 [ o C -1 ]. Światłowód dziurawy z maro-otworami rozłożonymi symetrycznie woół rdzenia i dużą średnicą pola modowego lub z długooresową siatą Bragga jest modelowany warstwowo jao rdzeń szlany o średnicy d eff i współczynniu załamania n otoczony warstwą polimeru o uzależnionym termicznie współczynniu załamania n p(t) i ponownie warstwą szła n. Współczynni załamania ompozytowego płaszcza szlano-polimerowego maleje liniowo z temperaturą. Dla polimeru jest to zgodnie z zależnością n p(t)=n po+(dn p/dt)(t-t o). Pomija się tutaj termiczną zależność współczynnia załamania szła. Efetywna wartość współczynnia załamania n,m modu płaszczowego LP 0m, dla przybliżenia fali płasiej w światłowodzie, spełnia zależność [1.18] ( T 1/ 1/ deff / )( n n, m) ( m 3/ 4) arccos[( n n, m)/( n np( ))] (1.35) gdzie -rezonansowa długość fali, n -współczynni załamania płaszcza szlanego, np.(t)- współczynni załamania płaszcza polimerowego, d eff-średnica płaszcza szlanego. Jeśli n p(t) staje się więsze od efetywnego współczynnia załamania modu płaszcza n,m to prawa strona równania wynosi. Przestrajalność uładu wynia z termicznej zależności różnicy współczynniów załamania n -n p(t) i z przesunięcia fazy na granicy polimer-szło. Dla wysoich temperatur n p<n, następuje całowite wewnętrzne odbicie na tej granicy z przesunięciem fazy i spełniony jest warune rezonansu płaszczowego. Z maleniem temperatury światło penetruje głębiej w stratny polimer. Dla dostatecznie nisich temperatur n p>n i światło podlega normalnemu odbiciu. Dla n pn światło rozproszone prze siatę przechodzi bez odbicia przez rejon polimeru, gdzie jest silnie rozpraszane i pochłaniane, zanim dotrze do zewnętrznej granicy włóna. Powoduje to znaczną reducję rezonansu płaszczowego. Jeśli polimer nie byłby stratny, nie obserwowane byłoby tłumienie rezonansu płaszczowego. Polimer jest ograniczony całowicie wewnątrz włóna, nie mają na niego wpływu waruni zewnętrzne ja np. wilgoć. Zewnętrzna powierzchnia światłowodu pozostaje niezmieniona, ja w światłowodzie lasycznym. 1.8.Światłowody nieliniowe Światłowody wyorzystywane obecnie w teleomuniacji przenoszą znacznie więcej anałów i więsze moce optyczne niż iedyolwie poprzednio [ ,1.3]. Znaczna moc optyczna modyfiuje właściwości transmisyjne włóna, prowadząc do zjawis nieliniowych [1.6]. Zjawiso nieliniowe oreślamy, gdy sygnał opuszczający światłowód dla danej długości fali nie wzrasta liniowo ze wzrostem mocy optycznej dla tej długości fali na jego wejściu. Nieliniowość prowadzi do onwersji mocy pomiędzy różnymi długościami fal. Pomiary nieliniowe stały się ważne wraz z zastosowaniem szeroopasmowych wzmacniaczy światłowodowych, co pozwala na dalsze zwięszenie liczby multiplesowanych anałów. Połączenie wysoiej mocy optycznej, zwięszonej szybości transmisji, metod optymalizacji dyspersji przez ompensację w różnych odcinach światłowodów i dużej liczby wąso położonych anałów sprzyja powstawaniu zjawis nieliniowych taich ja: samo-modulacja fazy, srośna modulacja fazy, mieszanie czterofotonowe, stymulowane rozpraszanie Brillouina i Ramana [ ]. Zjawisa nieliniowe występują po przeroczeniu charaterystycznej gęstości mocy, co w światłowodzie jest łatwiejsze niż w materiale objętościowym wsute prowadzenia fali w ściśle ograniczonym obszarze rdzenia. Jednaże rozład pola modu podstawowego w światłowodzie jednomodowym jest zupełnie inny niż rozład właściwości refracyjnych, stąd onieczność oreślenia z rozładu pola efetywnej powierzchni, analogicznie do średnicy pola modu [1.16,1.0,1.3,1.30,1.31,1.3,1.33]. Precyzyjne pomiary nieliniowych parametrów światłowodu będą stawać się coraz ważniejsze, zarówno dla teleomuniacji, w celu uninięcia znieształceń nieliniowych, budowy nieliniowych światłowodowych elementów funcjonalnych oraz dla potencjalnych przyszłych systemów solitonowych, oraz dla fotonicznych 47

48 systemów nieliniowych. Mierzone są następujące parametry: nieliniowy współczynni załamania n, efetywna powierzchnia światłowodu (związana z rozładem pola modowego) A eff, oraz poziomy rozpraszania stymulowanego. Badania i pomiary zjawis nieliniowych w złożonym, szeroopasmowym transmisyjnym systemie światłowodowym, a taże w systemach czujniowych, będą ulegać dalszej ompliacji ze względu na zastosowanie różnych światłowodów o ompensujących się wzajemnie efetach dyspersyjnych i, być może ompensujących się częściowo, zjawisach nieliniowych. Spowoduje to być może dalszą potrzebę wejścia w badania zjawis jeszcze wyższego rzędu. Rozpraszanie Ramana i Brillouina mogą stać się procesami nieliniowymi w światłowodach wsute dużej gęstości mocy optycznej i bardzo długiej drogi interacji. Stymulowane rozpraszanie Ramana (SRR) i stymulowane rozpraszanie Brillouina (SRB) zachodzą, gdy moc optyczna wprowadzona do światłowodu przeracza poziom progowy dla ażdego z tych procesów. W taich warunach rozpraszania stymulowanego, moc optyczna jest efetywnie onwertowana z fali pompy wejściowej do rozproszonej fali Stoesa. Fala rozproszona jest przesunięta w częstotliwości od sygnału pompy, i w przypadu SRB, propaguje w ierunu przeciwnym. Rozpraszanie Ramana i Brillouina w światłowodach może być zarówno orzystne ja i nieorzystne. Zjawisa rozpraszania są ogólnie nieorzystne dla teleomuniacji światłowodowej, ponieważ limitują masymalną moc w światłowodzie i prowadzą do interferencji między anałami w systemach wielofalowych. SRR może być używane jao zasada działania wzmacniaczy optycznych dla długości fal, gdzie światłowodowe wzmacniacze erbowe nie są odpowiednie. SRB było wyorzystywane jao podstawa budowy rozłożonych czujniów naprężenia i temperatury wzdłuż włóna światłowodowego [4.37]. Rozpraszanie Brillouina w światłowodzie zależy od rodzaju zastosowanego źródła światła. Z tego powodu, przy brau obecnie normalizacji w tym zaresie, bardzo trudno jest uzysiwać wynii powtarzalne dla onretnego światłowodu, źródła i sposobu modulacji sygnału. W tej sytuacji poziom SRB może się znacznie zmieniać. Obecnie, z powodu brau normalizacji, oreślanie poziomu progowego SRB jest ograniczone do doładnych pomiarów bezwzględnej wartości mocy optycznej wchodzącej do włóna optycznego i opuszczającej to włóno. Alternatywnym rozwiązaniem jest zastosowanie standaryzowanego źródła o alibrowanej długości fali i szeroości spetralnej i ściśle ustalonych parametrach energetycznych. Stymulowane rozpraszanie Ramana występuje dla znacznie więszych mocy optycznych niż SRB. Moce progowe są rzędu watów dla SRR w porównaniu z miliwatami dla SRB. W przeciwieństwie do SRB, rzywa wzmocnienia Ramana jest łatwiejsza do pomiaru w pratyce niż wartość progowa, ponieważ wzmocnienie może być mierzone dla mniejszych mocy optycznych. Krzywa wzmocnienia jest bardziej użyteczna niż pojedyncza liczba oreślająca moc progową, ponieważ można ją zastosować do obliczenia wzmocnienia Ramana w systemach WDM. Poziom progowy SRR może być obliczony z masymalnej wartości bezwzględnego współczynnia wzmocnienia Ramana. W światłowodzie, przy odpowiednio dużych poziomach mocy prowadzonej, może występować szereg zjawis nieliniowych. Przyczyną samo modulacji fazowej (SMF) jest zależność współczynnia załamania w ośrodu nieliniowym od natężenia fali. Zjawiso prowadzi w światłowodzie do spetralnego rozszerzenia propagowanego impulsu. Jest czasowym analogiem zjawisa samoognisowania [4.03]. Zjawiso to połączone jest taże z zależnością prędości grupowej od natężenia fali świetlnej. Srośna modulacja fazy zawsze towarzyszy (ŚMF). Powstaje wsute zależności efetywnego współczynnia załamania nie tylo od oryginalnej źródłowej fali propagowanej w światłowodzie ale od innych fal obecnych we włónie optycznym w tym samym czasie. Sprzężenie fal poprzez ŚMF prowadzi do szeregu innych zjawis nieliniowych w światłowodzie. 48

49 Rys ) Zestaw pomiarowy dla nieliniowego współczynnia załamania światłowodu n ; ) Typowy ształt mierzonego wyjściowego spetrum ze światłowodu badanego dla oreślenia wartości nieliniowego współczynnia załamania n. Tabela 1. Mierzone wartości nieliniowego współczynnia załamania dla różnych rodzajów światłowodów jednomodowych Rodzaj światłowodu n Średnica pola Rozrzut n pomiędzy Doładność [10-16 cm /W] modowego włónami [%] pomiaru n [%] [m ] Standardowy, Z przesuniętą 4, dyspersją Ze sompensowaną dyspersją Stosowanych jest ila metod badania nieliniowego współczynnia załamania światła w światłowodzie n. W literaturze przedmiotu [1.6,4.4] można obecnie spotać liczne rozbieżności dotyczące wyniów i ich interpretacji. Wyniało to, między innymi, z brau normalizacji metod pomiarowych. Jeden ze stosowanych często normalizowanych uładów pomiarowych przedstawiono na rys Moc wyjściowa z dwóch jedno-częstotliwościowych laserów światłowodowych z siatą Bragga (DFB) jest łączona w celu generacji w światłowodzie częstotliwości dudnienia. Sygnał dudnienia jest wzmacniany w światłowodowym przedwzmacniaczu i wzmacniaczu domieszowanym Erbem EDFA i transmitowany w odcinu badanego światłowodu. W czasie propagacji sygnał podlega samo-modulacji fazowej, co prowadzi do generacji wstęg bocznych spetrum optycznego. Na rysunu przedstawiono typowy ształt zmierzonej charaterystyi spetralnej na wyjściu światłowodu. Poprzez zmiany mocy pobudzającego sygnału i pomiar intensywności wstęg bocznych możliwe jest oreślenie nieliniowego przesunięcia fazy sygnału i stąd nieliniowego współczynnia (n /A eff) światłowodu. Znając wartość efetywnej średnicy pola modu światłowodu A- eff można oreślić wartość nieliniowego współczynnia załamania n dla badanego rodzaju włóna światłowodowego. Typowe wartości pomiarowe są następujące, dla standardowego włóna teleomuniacyjnego, (n /A eff) = 0,7 * 10-9 W -1, co odpowiada wartości n =,16 * cm /W, przy założeniu średnicy pola modu rzędu 80 m. Dla światłowodów z przesuniętą dyspersją, nieliniowy współczynni załamania n jest w przybliżeniu dwurotnie więszy, niż dla włóna standardowego, co jest spowodowane mniejszą wartością efetywnych obszarów pola modowego w taich światłowodach. W jednomodowych światłowodach standardowych nie obserwuje się znacznego rozrzutu wartości parametru n pomiędzy różnymi próbami światłowodu. Średnio rozrzut ten jest mniejszy od 10%. W światłowodach z przesuniętą dyspersją rozrzut wartości n pomiędzy próbami różnych producentów jest znacznie więszy i wynosi w przybliżeniu 0%. W światłowodach z pasmowo sompensowaną dyspersją nieliniowy współczynni załamania n jest ilarotnie więszy niż w światłowodzie standardowym. Rozrzut wartości współczynnia jest jeszcze więszy i obserwowana jest zależność pomiędzy wartością rozrzutu a poziomem domieszowania światłowodu germanem oraz szczegółowych wymiarów poszczególnych warstw włóna i ształtu profilu refracyjnego. Pomiarów wartości nieliniowego współczynnia załamania doonuje się obecnie z doładnością ilu %, średnio 5% [1.10]. 49

50 Wszystie zjawisa nieliniowe są zależne od natężenia pola eletromagnetycznego w medium i obszaru w tórym to pole działa (powierzchni efetywnej pola modowego w światłowodzie). W przypadu pomiarów w technice światłowodowej bada się moc optyczną wchodzącą do światłowodu i opuszczającą go. Do analizy teoretycznej wymagane są zależności pozwalające na onwersję pomiędzy obiema wielościami. Mierzona moc optyczna opuszczająca włóno jest całą rozładu natężenia w przeroju poprzecznym światłowodu. Załadając jednorodny rozład natężenia I na powierzchni rdzenia A rdzenia, natężenie może być obliczone z mierzonej mocy z zależności: I = P mierzone/a rdzenia. (1.36) Pole modowe w światłowodzie jednomodowym nie posiada rozładu jednorodnego a nawet nie jest zamnięte wewnątrz rdzenia. Osiąga wartość masymalną na osi światłowodu, maleje w ierunu granicy rdzenia z płaszczem i wnia do płaszcza na głęboość zależną od profilu refracyjnego. Przyjmując uproszczenie stałego rozładu pola zaniżano by jego wartość na osi i zawyżano w otoczeniu graniczy rdzenia i płaszcza. Parametr efetywnej powierzchni pola modowego światłowodu (w srócie nazywany efetywną powierzchnią światłowodu) został zdefiniowany w celu obliczeń zjawis nieliniowych. Jest to pojedyncza wartość bazująca na rozładzie pola modowego w światłowodzie. Wartość ta może być wstawiona do równania (1.36) zamiast powierzchni rdzenia A rdzenia. Natężenie pola, wyrażone wadratem bezwzględnej wartości amplitudy I = E(r), od tórego zależą zjawisa nieliniowe, wyraża się zależnością I = P mierzone/a eff, E(r) jest amplitudą pola modu podstawowego dla promienia r od osi światłowodu. Powierzchnia efetywna wyrażona jest zależnością: A eff ( I( r) rdr) / I ( r) rdr. (1.37) 0 0 W światłowodzie soowym, gdzie pole można przybliżyć rzywą gaussowsą o promieniu w w puntach 1/e wartości amplitudy, efetywna powierzchnia wynosi A eff=w (), (1.38) gdzie w() jest II definicją Petermana średnicy pola modowego dla długości fali [1.3]. Średnica pola modu jest ustabilizowanym parametrem w technice światłowodowej o standaryzowanych procedurach pomiarowych [1.10,1.11]. Dla światłowodów o dowolnym rozładzie współczynnia załamania, lub dla jednomodowych optymalizowanych światłowodów teleomuniacyjnych, taich ja z przesuniętą charaterystyą dyspersyjną lub ze spłaszczoną charaterystyą dyspersyjną, pole modowe nie może być przybliżone przez funcję Gaussa, i onieczne są inne metody obliczenia powierzchni efetywnej światłowodu. Przeprowadza się to iloma różnymi metodami: mierzy się rozład pola i powierzchnię efetywną oblicza się ze wzoru (1.37), jest to metoda najdoładniejsza ale najtrudniejsza, stosuje się w odniesieniu do równania (1.38) współczynni orecyjny zależny od rodzaju światłowodu [4.], zwany współczynniiem Nahimiry, a przez to wyorzystując znaną lub zmierzoną metodami standardowymi wartość średnicy pola modowego [1.16,1.0,1.3,1.30,1.31,1.3,1.33]. Średnica pola modowego może być oreślona w polu blisim i w polu daleim 1/ d blisie [ I( r) rdr / [ I'( r)] rdr] (1.39) / d daleie [ F( p) pdp / F( p) p dp], (1.40) 0 0 gdzie F(p) jest ątowym rozładem natężenia pola promieniowanego z zaończenia światłowodu a p=sin(). Dla włóien o złożonym profilu refracyjnym zależność A eff=w () nie jest prawdziwa. Pratya poazuje, że pozornie małe zmiany w rozładzie pola modowego prowadzą do zasadniczych 50

51 zmian powierzchni efetywnej. Dla włóien o złożonym profilu refracyjnym obowiązuje przybliżona zależność Nahimiry [4.] A eff= Nw (), (1.41) gdzie N jest współczynniiem orecyjnym Nahimiry, zależnym od i rodzaju światłowodu (tzn. profilu refracyjnego). Dane esperymentalne poazują wartość współczynnia orecyjnego dla światłowodów z przesuniętą dyspersją na poziomie 0,95 i niewiele zależnego od profilu refracyjnego. Dla światłowodów z dużym polem efetywnym N jest w zaresie ,17 i wyazuje bardzo silną zależność od profilu. Ponieważ N= N(), musi być oreślony dla ażdego światłowodu. Zaletą stosowania metody orecji Nahimiry jest wyorzystanie dobrze rozwiniętej, od dłuższego czasu, technii pomiarowej średnicy pola modowego. Nietóre przyrządy mają taą funcję wbudowaną. Wadą jest silna, w nietórych wypadach, zależność współczynnia orecyjnego od rodzaju światłowodu, co pociąga za sobą onieczność oreślania tego współczynnia, a więc nie daje oszczędności w prostocie pomiaru wobec pełnej metody oreślenia bezpośrednio rozładu pola modowego. Następujące technii stosuje się do pomiaru powierzchni atywnej: bezpośrednia metoda pola odległego, sanowanie pola blisiego, zastosowanie zmiennej apertury w polu daleim, przesunięcie poprzeczne. Metody te omówiono w częściach pracy dotyczących pól daleiego i blisiego światłowodu. Rozpraszanie Ramana i Brillouina są procesami nieelastycznymi, w tórych część mocy optycznej jest tracona z fali optycznej i absorbowana przez medium transmisyjne, podczas gdy pozostała część energii jest re-emitowana jao fala o niższej częstotliwości. O procesach taich można mówić jao o onwersji padającego fotonu w rozproszony foton o niższej energii oraz fonon energii drgań. Całowita energia i momenty przed i po rozproszeniu są równe, tzn. energia fotonu padającego jest dzielona pomiędzy foton rozproszony i fonon. Ponieważ częstotliwość fali optycznej jest proporcjonalna do jej energii, foton rozproszony posiada niższą częstotliwość niż foton padający. Przesunięcie częstotliwości w dół jest nazywane falą Stoesa. Spontaniczne rozproszenie Ramana i Brillouina było obserwowane często i mierzone w próbach objętościowych taich materiałów ja ryształ warcu i szło rzemionowe (tóre nazywaliśmy szłem warcowym). Natężenie fali rozproszonej jest silnie zależne od ąta rozpraszania i gęstości mocy optycznej w materiale. Narastanie fali Stoesa jest proporcjonalne do iloczynu współczynnia wzmocnienia rozproszenia, natężenia fali pompy oraz natężenia jaiejolwie obecnej fali Stoesa. W materiałach objętościowych fala Stoesa szybo zania w miarę propagacji od miejsca generacji. Sytuacja jest odmienna w przypadu nisostratnych światłowodów jednomodowych, tóre podtrzymują propagację fali równolegle do swojej osi na dużych odległościach. W onsewencji, promieniowanie rozproszone w obu ierunach wprzód i wstecz względem fali pobudzającej, będzie propagowane wewnątrz światłowodu łącznie z sygnałem fali pompy przez długą drogę. W tych warunach jest możliwe, że fale Stoesa nadal będą oddziaływać z pewną wydajnością z falą pompy i wystąpi zjawiso esponencjalnego wzrostu mocy optycznej przesuniętej częstotliwościowo w dół. Dla ustalonej długości włóna optycznego, stopniowy wzrost mocy pompy pobudzającej światłowód z jednego ońca, będzie prowadził do stopniowego wzrostu mocy fali Stoesa przez mechanizm rozproszenia spontanicznego. Jeśli moc pompy dalej wzrasta, może wystąpić zjawiso esponencjalnego wzrostu mocy Stoesa. Poziom mocy pompy, dla tórej fala Stoesa gwałtownie wzrasta, w funcji mocy pompy, jest nazywana poziomem progowym rozpraszania stymulowanego. Podstawowa różnica pomiędzy rozproszeniem Brillouina i Ramana polega na rodzaju generowanego fononu. Proces SRR generuje optyczne fonony wysooenergetyczne. Proces SRB generuje nisoenergetyczne fonony austyczne. Różnica pomiędzy częstotliwością pompy i fali Stoesa jest znacznie więsza dla procesu SRR niż dla SRB. Typowe wartości różnicy - fala pompy - fala Stoesa wynosi 10GHz (o. 0,1 nm dla 1550nm) dla SRB i 13 THz (o. 110 nm dla 1550 nm) dla SRR. Innym podstawowym rozróżnieniem jest, że rozproszona fala spowodowana efetem SRB porusza się głównie wstecz. Fala Stoesa SRB pojawia się na wejściu światłowodu, podczas gdy fala Stoesa SRR porusza się w ierunu sygnału pompy. Oba rodzaje rozpraszania posiadają tzw. poziomy mocy progowej pompy, powyżej tórych fale Stoesa narastają gwałtownie. Dla SRB oznacza to, że ilość mocy optycznej opuszczającej odległy oniec światłowodu nie wrasta liniowo ze wzrostem mocy wejściowej. Masymalna wartość mocy 51

52 wejściowej zostaje ustalona i nadmiar mocy jest odbijany z powrotem od światłowodu. Dla systemów (łączy) światłowodowych rozgałęzionych w złożony sposób, ważne jest aby ja najwięcej mocy mogło być wpompowane we włóno wejściowe w celu ompensacji tłumienia i strat podziału mocy optycznej pomiędzy gałęzie. W taiej sytuacji ograniczeniem na masymalną moc optyczną jest SRB. Fala Stoesa dla rozproszenia Ramana może być przesunięta od fali pompy w dziedzinie częstotliwości typowo od 10 do 100 nm i jest propagowana wprzód we włónie łącznie z falą pompy. Jeśli pompa jest w rzeczywistości jednym anałem teleomuniacyjnego systemu wieloanałowego, wówczas fala Stoesa może poryć się z innymi anałami na więszych długościach fali, prowadząc do przesłuchu i wzmacniania ramanowsiego. We wzmacnianiu ramanowsim, anały o mniejszej długości fali doznają strat mocy i działają jao pompa dla wzmacniania fali w anale o więszej długości fali. Konwersja długości fali, połączona ze stratą mocy optycznej na rzecz fali propagującej w przeciwnym ierunu może mieć poważne impliacje w systemach teleomuniacji światłowodowej. Na przyład, systemy telewizji ablowej stosują silnie rozgałęzione sieci światłowodowe w celu podziału sygnału z pojedynczego nadajnia, i rozsyłają sygnał do ja najwięszej ilości odbiorców. Ja najwięsza moc powinna być wpompowana do systemu dystrybucji, w celu utrzymania u najdalszego odbiorcy aceptowalnej wartości stosunu sygnału do szumu. Stymulowane rozpraszanie Brillouina limituje masymalną wartość mocy optycznej, tóra może być wpompowana do światłowodu, ponieważ, ażda moc powyżej progu SRB będzie odbita z powrotem. Poza ograniczającym (pod względem masymalnej dozwolonej mocy pobudzającej system) wpływem na rozgałęzione systemy transmisyjne rótodystansowe, rozpraszanie stymulowane może wpływać destrucyjnie na teleomuniacyjne systemy daleosiężne, szczególnie te tóre stosują zwieloratniający system podziału falowego WDM. W systemach WDM o dużej ilości anałów np. 3, 64 rozseparowanych o 100GHz, anały o najdłuższych falach mogą znajdować się wewnątrz spetrum wzmocnienia Ramana anału o najrótszej fali. W światłowodowych systemach teletransmisyjnych o gęstym zwielorotnieniu falowym zaczyna być wyorzystywane pasmo długofalowe trzeciego ona transmisyjnego (tzw. pasmo L) obejmujące długości fal od 1600 do 165 nm. Moc w anale o dużej długości fali może zostać wzmocniona poprzez proces wzmocnienia Ramana na oszt utraty mocy anału o rótszej fali działającego jao sygnał pompy. To wzmocnienie Ramana może prowadzić do pogorszenia parametrów systemu lub w ogóle do utraty właściwości transmisyjnych poprzez gwałtowne narastanie przesłuchów międzyanałowych i silne malenie mocy sygnału optycznego w anałach pompujących. W związu ze zbliżaniem się gęstości mocy pompującej światłowodowe systemy transmisyjne, dystrybucyjne (rozgłoszeniowe) rótodystansowe i daleosiężne teletransmisyjne do poziomów progowych rozpraszania stymulowanego, istotne jest aby brać pod uwagę istnienie efetów nieliniowych w światłowodach i możliwość, w pewnych warunach, ich szodliwego oddziaływania. W tym zaresie onieczne są odpowiednie pomiary poziomów gęstości mocy progowej zjawis nieliniowych w światłowodach transmisyjnych i właściwości spetralne zjawis nieliniowych. Proces wzmacniania ramanowsiego może być wyorzystany pozytywnie w technice światłowodowej, jao podstawa działania światłowodowych wzmacniaczy ramanowsich. Wzmacniacze te mogą służyć w drugim onie transmisji światłowodowej, w paśmie o nm. W celu ich stosowania onieczne są doładne pomiary spetralne wzmocnienia ramanowsiego w światłowodach stosowanych w taich wzmacniaczach. Stymulowane rozpraszanie Brillouina w światłowodach jednomodowych charateryzuje się efetywnym transferem mocy z fali propagowanej w jednym ierunu do fali w ierunu przeciwnym. Fala pompy generuje flutuacje współczynnia załamania wewnątrz rdzenia światłowodu poprzez proces eletrostrycji. Taie flutuacje współczynnia załamania działają ja siata dyfracyjna Bragga poruszająca się wprzód z prędością austyczną. Konsewencją tego ruchu siati dyfracyjnej jest, że wstecznie rozproszona fala Stoesa jest przesunięta dopplerowso w ierunu mniejszych częstotliwości, w porównaniu z falą propagowaną wprzód. Brillouenowsie przesunięcie częstotliwości fali Stoesa jest oznaczane jao v B i wynosi typowo o. 10 GHz dla światłowodu. Wielość przesunięcia jest zdeterminowana przez prędość poruszania się austycznej siati dyfracyjnej wzdłuż światłowodu i dlatego jest zależna od mechanicznych właściwości światłowodu taich ja: współczynni elasto optyczny, zastosowane naprężenia zewnętrzne i wewnętrzne oraz taże od temperatury zewnętrznej. Przesunięcie częstotliwości zależy 5

53 taże od parametrów technologicznych światłowodu taich ja poziomy domieszowania szła warcowego w rdzeniu i w płaszczu. Współczynni wzmocnienia fali rozproszonej wstecz w światłowodzie g B(v) jest często wyrażany w przybliżeniu przez funcję Lorenza separacji częstotliwościowej pomiędzy falami pompy i Stoesa centrowanej dla wartości v B. Funcja ta wyrażona jest zależnością [4.31]: 1 [( v v ) /( v / )] 1 g ( v) g (1.4) B SRB gdzie: g SRB masymalna wartość współczynnia wzmocnienia Brillouina wyrażona w [m/w], v przesunięcie częstotliwości od częstotliwości pompy w [Hz], v B szeroość w połowie wysoości (FWHM) spetralnej rzywej wzmocnienia w [Hz]. Parametr FWHM rzywej wzmocnienia jest typowo rzędu dziesiątów MHz. Na przyład, dla światłowodu ze szła warcowego i fali pompy =1550 nm, wynosi 35 MHz. Doświadczalnie potwierdzono, że przybliżenie rzywej wzmocnienia funcją Lorenza jest spełnione dla małych wartości mocy pompy, tzn. aż do poziomu progowego SRB. Powyżej progu rzywa ta podlega ewolucji ształtu, zawęża się i zbliża ształtem do rzywej Gaussa, wraz ze wzrostem mocy ciągłej fali pompy. W celu oddania tych zjawis obserwowalnych doświadczalnie przyjęto następujący ształt rzywej wzmocnienia Brillouina [4.30] g B B ( v) g { C /[1 [( v v ) /( v / )] } (1 C)exp[ ln ( v v ) /( v / ) ]} (1.43) SRB B B gdzie: C jest stałą definiującą wzajemne proporcje pomiędzy funcjami Lorenza i Gaussa posiadającymi wpływ na ształt rzywej wzmocnienia. Krzywa wzmocnienia zależy również od czasowej szeroości impulsów pompy. Dane pomiarowe poazują, że szeroość spetralna rozproszenia Brillouina wzrasta z maleniem szeroości impulsu od pracy quasi CW do warunu czasu życia fononów, czyli o. 10 ns. Pomiary z impulsami pompy rótszymi niż 5 ns poazały, że wartość v B ulega zawężeniu z powrotem do wartości przy pracy ciągłej pompy (CW). Masymalna wartość współczynnia wzmocnienia Brillouina g SRB zależy od materiałowych właściwości światłowodu, spetralnej szeroości pompy, oraz sposobu modulacji sygnału. Dla pompy o szeroości spetralnej v P (FWHM), szczytowa wartość współczynnia wzmocnienia jest dana przez zależność [4.08]: g SRB B 8 4 n p 1 vb (1.44) 3 cp ovbvb vb vp gdzie: n jest średnim współczynniiem załamania rdzenia światłowodu, p 1 jest bezwymiarowym wzdłużnym współczynniiem elasto-optycznym materiału rdzenia światłowodu, c prędość światła w próżni w m/s, o gęstość materiału rdzenia w g/m 3, v P środowa częstotliwość fali pompy w Hz. Symbol reprezentuje onwolucję rzywych spetralnych sygnału pompy i sygnału rozproszenia 1/ Brillouina. Dla profili gaussowsich onwolucja jest równa: v ( ) B vp vb v, podczas gdy, P dla częściej używanego przybliżenia funcją Lorenza jest równa: vb vp vp v. P W literaturze przedmiotu [ ] można znaleźć wiele różnych definicji progowej mocy pompy dla zjawisa SRB w światłowodzie włónistym, np.: 1. wejściowa moc optyczna dla tórej pojawiająca się fala wsteczna osiąga moc fali wejściowej;. wejściowa moc optyczna dla tórej fala wsteczna ma moc fali transmitowanej; 3. wejściowa moc pompy dla tórej moc rozproszona wstecznie zaczyna gwałtownie wzrastać, co jest równoważne dla gwałtownego spadu transmitowanej mocy pompy; 4. wejściowa moc dla tórej moc rozproszona wstecznie na wejściu włóna optycznego jest równa 1% wejściowej mocy pompy w tym puncie. Pierwsza definicja wydaje się niepratyczna, ponieważ załada istnienie puntu, w tórym moc rozproszona wstecz ze światłowodu zaczyna przeraczać moc wprowadzaną do włóna. Ta definicja bazuje na założeniu, że fala rozproszona wstecznie jest budowana wsute wzmocnienia B B 53

54 spontanicznego szumu w światłowodzie. W pratyce pomiarowe wartości progu SRB są podawane przy pomocy definicji drugiej lub trzeciej. Wartości pomiarowe są zazwyczaj porównywane z teoretycznymi przy pomocy następującej zależności (tóra została wyprowadzona na podstawie definicji pierwszej): K P 1 A SRB eff th (1.45) g SRBLeff L eff [ 1 exp( L)] / (1.46) A eff jest powierzchnią efetywną modu, czynni K SRB jest odpowiedzialny za wpływ polaryzacji fali oraz L eff jest efetywną długością włóna optycznego, jest tłumieniem światłowodu w neperach na m. Załada się, że współczynni tłumienia jest jednaowy dla fal pompy i Stoesa, ponieważ są one bardzo bliso położone od siebie w dziedzinie częstotliwości. Równanie (1.45) na moc progową P th załada również, że rzywa współczynnia wzmocnienia Brillouina posiada ształt funcji Lorenza, założenie tóre jest ważne w zaresie małosygnałowym pracy uładu. Wartość współczynnia polaryzacyjnego K SRB zależy od polaryzacji pompy i fal Stoesa i przyjmuje wartość pomiędzy 1 i. Wartość czynnia polaryzacyjnego K SRB jest minimalizowana dla impulsów pompy i próbujących, tóre są jednaowo spolaryzowane wzdłuż całej długości włóna optycznego. Dla fali całowicie zdepolaryzowanej, przyjmuje się wartość 1,5, a dla onwencjonalnych włóien. Choć równanie na moc progową ze współczynniiem 1 jest szeroo stosowane do obliczeń, ostatnie reomendacje ITU [1.09], podane po międzynarodowych esperymentach porównawczych w ramach programu COST [1.10], podają wartość tego współczynnia jao 19. Wartość tego współczynnia przyjmuje się taże jao 18, co zależy od przyjętej definicji mocy progowej. Definicje 1 i 4 mają przewagę nad definicją (oraz 3 jeśli wsaźniiem jest transfer mocy pompy) przy pomiarach progu SRB. Jeśli próg SRB jest zdefiniowany wyłącznie przy pomocy sygnałów wejściowego i rozproszonego, to onieczny jest pomiar dwóch bezwzględnych wartości mocy optycznej. Gdy w definicji jest moc transmitowana, onieczne są trzy pomiary. Współczynni wzmocnienia Brillouina g B słada się z trzech zasadniczych parametrów przesunięcie częstotliwościowe v B 10 GHz, szeroość spetralna v B 40 MHz, oraz szczytowe wzmocnienie g SRB 5*10-11 m/w. Pomiary przesunięcia częstotliwościowego stają się coraz ważniejsze jao jedna z techni pomiarowych rozłożonych wartości temperatury i naprężenia wzdłuż światłowodu [4.37]. Szeroość spetralna i masymalne wzmocnienie widma Brillouina odgrywają zasadniczą rolę w oreśleniu progu SRB w warunach dowolnego spetrum pompy i są dlatego obecnie podstawowym zagadnieniem metrologicznym dla teleomuniacji światłowodowej. Istnieją technii pomiarowe do jednoczesnego wyznaczania wartości v B oraz v B jedna potrzebna jest tutaj duża rozdzielczość pomiaru częstotliwości rzędu pojedynczych MHz do doładnego oreślenia szeroości spetralnej. Zasadniczo stosuje się obecnie w pratyce trzy technii pomiarowe w celu doładnej charateryzacji rozpraszania Brillouina w światłowodzie: interferometria Fabry Perota, metoda dwuierunowej próbującej pompy impulsowej, technia samo - heterodynowania. Ogólny schemat bloowy systemu pomiarowego do badania rozproszonej wstecz fali Stoesa z zastosowaniem interferometru Fabry Perota przestawiono na rysunu Detetory 1 i służą do pomiaru mocy wprowadzanej i rozproszonej wstecznie. Zastosowano optyczny izolator w celu odcięcia wpływu światła rozproszonego wstecz na źródło światła. Pomiary SRB w światłowodach rozpoczęto od stosowania etalonu F-P w celu oreślenia przesunięcia częstotliwościowego. Rozdzielczość etalonu nie była dostateczna aby zmierzyć ształt rzywej wzmocnienia a jedynie oreślić wartość przesunięcia częstotliwości. Było to 3GHz dla długości fali pompy 536nm. Ostatnio do pomiaru przesunięcia częstotliwości Brillouina zastosowano interferometr F-P o swobodnym zaresie widmowym 9,7GHz i dobroci 195 [3.01]. Minimalna rozdzielczość widmowa tego urządzenia wynosiła v FP = 50MHz, nieco więcej niż oczeiwana wartość v B, tórą należało zmierzyć. Częstotliwość transmisji etalonu F-P v FP była sanowana, aż oreślono masimum sygnału przechodzącego przez urządzenie dla v FP = v B. Szczytowa moc przechodząca przez F-P była równa 54

55 mocy rozproszonej wstecznie, gdyż v FP>v RB. Pomiary rzywej wzmocnienia Brillouina zostały przeprowadzone w pełni z zastosowaniem interferometru F-P z tzw. superwnęą rezonansową o parametrach FSR= 6Ghz, Q=10 4 [4.1]. Minimalna rozdzielczość pasmowa tego urządzenia była 0,6MHz, co jest wartością dostateczną w celu pomiaru ształtu spetralnej rzywej wzmocnienia oraz badania zawężania tej charaterystyi i zmiany jej ształtu wraz ze wzrostem mocy pompy o pracy ciągłej z 6mW do 66mW dla onwencjonalnego światłowodu jednomodowego o długości 500m. Zalety tej metody pomiaru: względnie prosta onstrucja i działanie aparatury. Wady: rozdzielczość ilu MHz jest nietypowym parametrem interferometru F-P, wymaga to zastosowania specjalnej onstrucji. Rys ) Schemat bloowy uładu pomiarowego do badania rozproszenia wstecznego Brillouina w światłowodach; ) Schemat bloowy laboratoryjnego uładu pomiarowego do badania współczynnia wzmocnienia Brillouina w światłowodzie jednomodowym metodą pompy i próbi z zastosowaniem osobnych źródeł pompującego i próbującego. MEO modulator eletrooptyczny; 3) Schemat bloowy systemu laboratoryjnego do pomiaru charaterystyi widmowej wzmocnienia Brillouina we włónie optycznym z zastosowaniem szeroopasmowego modulatora eletrooptycznego (MEO) z LiNbO 3. IO izolator optyczny; 4) Schemat bloowy laboratoryjnego zestawu pomiarowego do analizy fali wstecznego rozproszenia Brillouina z heterodynową analizą fali świetlnej rozproszonej wstecz [4.19]. EDFA światłowodowy wzmacniacz erbowy; 5) Schemat bloowy laboratoryjnego uładu pomiarowego do badania stymulowanego rozpraszania Brillouina w światłowodzie [4.09,4.31]. PDL przestrajana dioda laserowa; Technia impulsowej pompy próbującej odnosi się do taich metod, gdzie pomiar wzmocnienia Brillouina dla fali ciągłej doonywany jest przy pomocy impulsów pompy poruszających się w światłowodzie w obu ierunach. Te metody mogą być używane do rozłożonych pomiarów przesunięcia częstotliwościowego Brillouina, jeśli impulsy pompy są zawężone do taiego stopnia, że droga oddziaływania pomiędzy falami pompy a próbującą jest rzędu ilu metrów [4.15]. Dla dłuższych impulsów oddziaływanie może przeroczyć długość światłowodu i może być mierzone średnie wzmocnienie Brillouina. 55

56 Technia pompy próbującej została zastosowana ostatnio [4.30] w celu pomiaru zmiany szeroości widmowej wzmocnienia Brillouina w funcji zmiany szeroości impulsu pompy pomiędzy 1 ns oraz 100 ns. Zastosowany laboratoryjny system pomiarowy przedstawiono schematycznie na rys Dwa lasery wąsopasmowe o fali ciągłej 130 nm Nd:YAG zostały zastosowane jao źródła sygnałów pompy i sygnałów próbujących. Impulsowy sygnał pompy uzysiwano poprzez zastosowanie modulatora eletrooptycznego. Separacja częstotliwościowa pomiędzy oboma laserami była zmienna i ontrolowana do 1Hz poprzez zastosowanie detecji heterodynowej i pętli fazowej. Sygnały pompy i próbujący były wprowadzane do światłowodu z przeciwnych ońców. Mierzono moc w rozprzestrzeniającym się w przód sygnale próbującym na pompowanym wejściu włóna. Gdy sygnał pompy był nieobecny, oczeiwano że sygnał próbujący będzie doznawał jednorodnych strat spowodowanych rozpraszaniem Rayleigha i absorpcją. Wyjście z detetora jest dlatego stałe. Gdy impuls pompy jest wprowadzony do światłowodu, propaguje w przeciwnym ierunu do fali próbującej i wzmacnia ją poprzez proces spontanicznego wzmacniania Brillouina. Wzmocnienie procesu zmienia się wzdłuż światłowodu, ponieważ przesunięcie Brillouina v B zmienia się z długością z powodu warunów mechanicznych ja naprężenia i temperatura. Zmienny w czasie sygnał próbujący z detetora może być analizowany w celu budowy mapy wzmocnienia Brillouina dla przesunięcia częstotliwościowego v próbi v pompy występującego wzdłuż włóna optycznego. Poprzez przestrajanie tego przesunięcia częstotliwościowego i powtarzanie pomiarów, rzywa wzmocnienia Brillouina może być mapowana wzdłuż światłowodu z rozdzielczością oreśloną przez szeroość impulsu pompy. Zalety metody: charaterystya widmowa wzmocnienia może być oreślona z rozdzielczością ograniczoną parametrami pętli fazowej (tzn., jej rozdzielczością i pasmem); pozwala na rozłożone pomiary, obecnie o rozdzielczości rzędu iludziesięciu cm. Wady metody: doonuje się bezpośredniej detecji flutuacji współ-propagującej fali ciągłej pompy niż sygnału rozproszonego wstecz; pomiary w dziedzinie czasu wymagają szybich uładów próbująco pamiętających (zastosowano uład 4 gigapróbi/s). Inne rozwiązanie metody pompująco próbującej przedstawiono w pracy [4.15]. Pojedynczy laser Nd:YAG o mocy 150mW i długości fali 1,3m, szeroości widma v P = 0 Hz zastosowano jao generator sygnału pompy i próbującego. Zestaw pomiarowy przedstawiono na rysunu W uładzie pomiarowym zastosowano szeroopasmowy modulator natężenia światła na niobianie litu. Modulator generuje i przestraja pasma boczne fali pompy, ta aby pasmo boczne o niższej częstotliwości wypadło wewnątrz pasma wzmocnienia Brillouina dla sygnału fali nośnej. Wyższa wstęga boczna może być stłumiona stosując filtr wąsopasmowy (jeśli to onieczne) pozostawiając w uładzie główny sygnał pompy i poruszający się w przeciwnym ierunu sygnał dolnej wstęgi bocznej. Wstęga boczna jest wzmacniana poprzez proces wzmocnienia Brillouina wewnątrz włóna. Spetrum wzmocnienia Brillouina może być obliczone z mierzonego wzmocnienia w funcji przestrajania częstotliwości modulatora. Jeśli można założyć, że straty sygnału pompy są pomijalne w czasie interacji z próbą, to analiza zmierzonego wzmocnienia jest uproszczona poprzez aprosymację niezmienionego sygnału pompy. Załadając, że natężenie fali pompy nie jest znacznie zreduowane wzdłuż badanego światłowodu, współczynni wzmocnienia Brillouina g B(v), dla różnicy częstotliwości v może być oreślony z: I(L,v) = I(0,v)cosh(g B(v)I PL eff), gdzie I(L,v) jest zmierzonym natężeniem sygnału próbującego dla częstotliwości v po wzmocnieniu Brillouina we włónie optycznym o długości L. I(0,v) - jest natężeniem sygnału próbującego przed wzmocnieniem, I P jest natężeniem fali pompy. Wartości natężeń w tym równaniu muszą być obliczone z pomiarów mocy optycznej wyonanych dla ażdego ońca testowanego światłowodu. Moc musi być dzielona przez powierzchnię efetywną A eff. Pomiary mocy mogą być wyonane przy pomocy sprzęgaczy światłowodowych na wejściu i wyjściu badanego włóna. Wyjścia taich sprzęgaczy są podłączone do mierniów mocy optycznej. Mierzone wartości muszą być doprowadzone do postaci wielości absolutnych a nie względnych. Do obliczenia współczynnia wzmocnienia Brillouina onieczne są bezwzględne wartości mocy optycznej. Wartość bezwzględną mocy można uzysać metodą odcięcia ońca włóna z obu stron i pomiar mocy wejściowej z obu stron światłowodu. Przy pomiarach rozłożonych orzysta się tylo z jednego ońca światłowodu i impulsowa pompa i sygnał próbujący są stosowane w celu sanowania rejonu oddziaływania wzdłuż włóna. Impulsy próbujące poruszające się w ierunu przeciwnym są wytwarzane w wynii odbicia Fresnela od odległego zaończenia światłowodu. Sygnały pompujący i próbujący są generowane ze zmiennym 56

57 opóźnieniem czasowym, poprzez odpowiednie sterowanie pracą modulatora przy pomocy sygnału impulsowego i sładowej stałej. Zaletą pomiarów impulsowych, nawet w przypadu iedy dane rozłożone nie są potrzebne, jest że interacja pomiędzy pompowaniem i próbowaniem jest ograniczona przestrzennie.. Dlatego łatwiej jest zapewnić warune nie nadmiernego obciążania sygnału pompy i przyjąć przybliżenie niezmiennej wartości sygnału pompy. Zalety metody: wymaga pojedynczego źródła, rozdzielczość pomiarów spetrum wzmocnienia jest rzędu sete Hz, możliwy bardzo doładny pomiar rozładu naprężeń w światłowodzie, przy dostępie tylo do jednego ońca włóna. Wady: wymagane zastosowanie modulatora ultraszeroopasmowego, wymagany laser dużej mocy o fali ciągłej, straty wtrącenie modulatora eletrooptycznego są wysoie, rzędu 4 5 db. Jeśli fale Stoesa generowane przez rozpraszanie Brillouina mogą być heterodynowane z falą pompy lub falą o podobnej częstotliwości, wówczas możliwe jest zastosowanie analizy spetralnej sygnałów eletrycznych a nie optycznych. Zaletą jest więsza rozdzielczość widmowa. Typowy uład pomiarowy z heterodynowaniem przedstawiono na rys Źródło laserowe musi mieć szeroość spetralną mniejszą niż szeroość spetralna wzmocnienia Brillouina. Używa się do pomiarów laserów Nd:YAG lub lasera półprzewodniowego DFB z zewnętrznym rezonatorem. Spetrum mocy sygnału dudnienia pomiędzy oscylatorem loalnym i sygnałem rozproszenia wstecznego jest mierzone, bez przestrajania długości fali lasera źródłowego. Mierzone są jedynie względne częstotliwości pompy i fal Stoesa, więc technia pomiarowa jest bardziej odporna na dryft częstotliwości źródła niż metody z etalonem F-P i metoda pompy i próbi. Próg dla SRB we włónie optycznym może być obliczony z widma wzmocnienia, ale zazwyczaj jest mierzony bezpośrednio w uładzie pomiarowym przedstawionym na rys [4.17]. Moc optyczna wprowadzana do światłowodu musi być zmienna w granicach obejmujących próg procesu SRB. Zachodzi to typowo w granicach 10 0 mw, ale zależy od długości światłowodu i szeroości spetralnej źródła. Na rysunu sygnał wyjściowy z przestrajanej diody laserowej jest wzmacniany przy pomocy wzmacniacza optycznego i poziom jest regulowany przy pomocy zmiennego tłumia, w celu otrzymania mocy pobudzających pomiędzy 0 50 mw. Miernii mocy optycznej mierzą moc wejściową, transmitowaną i rozproszoną wstecz w funcji mocy wejściowej. Z pomiarów mocy optycznej, oreśla się próg SRB stosując jedną z definicji. Przyłady pomiarów mocy optycznej w czasie tórych badano SRB w światłowodzie 10 ilometrowej długości przedstawiono na rys [4.09,4.31]. Rysune przedstawia bardziej doładnie te same dane dla małych wartości mocy wejściowej, poniżej ilunastu mw. Dla mocy wejściowej poniżej o. 0mW, rozproszona wstecz moc optyczna rośnie początowo liniowo z mocą pobudzającą z powodu odbicia Fresnela na ońcu światłowodu. Gdy moc pobudzająca zbliża się do progu SRB, moc rozproszona wstecz wzrasta gwałtownie i zużywana jest na to moc pompy. Poza progiem, transmitowana moc optyczna jest ustalona i nadmiar mocy jest transferowany do fali rozproszonej wstecz. Próg SRB może być oszacowany z taich danych esperymentalnych stosując jedną z cytowanych definicji. Używając definicji numer, próg SRB wynosi w przybliżeniu mw. Definicja 4 daje wartość znacznie niższą ooło 9 mw [4.31]. 57

58 Rys ) Moc optyczna transmitowana światłowodem i rozproszona wstecz w światłowodzie w funcji mocy pobudzającej, dla dwóch próbe światłowodu jednoomodowego z dopasowanym płaszczem, L=10m; Krzywe 1 i 1a - Zmierzona moc optyczna rozproszona wstecz; Krzywa 3-1% mocy wejściowej; Krzywe i a moc optyczna transmitowana wświatłowodzie; Krzywe 1a-a przedstawiają wynii własnych pomiarów dla światłowodu o więszej wartości A eff. ) Moc rozproszona wstecz jao funcja mocy pobudzającej dla światłowodu 10 m długości o dopasowanym płaszczu. Krzywe z początowej części wyresu na rys , tzn. dla małych poziomów mocy pobudzającej. 3) Obliczona wartość progu SRB w funcji długości włóna L dla światłowodów o różnych stratach rzywa 1-0,15dB/m, rzywa - 0,dB/m, rzywa 3-0,4dB/m, rzywa 4-1dB/m, rzywa 5-10dB/m, (obliczenia własne). 4) Obliczone wartości progów SRR w funcji długości światłowodu dla światłowodów o różnych stratach rzywe 1 5-0,15dB/m, 0,dB/m, 0,4dB/m, 1dB/m, 5dB/m. Dla oreślonego światłowodu, próg SRB, zdefiniowany przez równanie P th=1k SRBA eff/g SRBL eff, jest zależny od względnych szeroości spetralnych sygnału pompy szeroości Brillouina poprzez masymalną wartość wzmocnienia Brillouina g SRB. Zasadniczą dla pomiarów sprawą jest znajomość szeroości spetralnej źródła pompy. Szeroość spetralna źródła pompy powinna być znacznie mniejsza niż szeroość spetralna Brillouina. W przeciwnym przypadu zmierzona wartość progowa mocy jest fałszywa. Ten warune wymaga zastosowania alibrowanego źródła o ściśle znanych charaterystyach spetralnych lub doładnego pomiaru źródła nie scharateryzowanego. Podczas pomiarów szeroości spetralnej źródła należy wziąć pod uwagę jego charaterystyi modulacyjne dotyczące natężenia, fazy, częstotliwości. Do pomiaru poziomu SRB, szeroość spetralna źródła powinna być rzędu dziesiątów MHz lub mniejsza, zależnie od długości światłowodu i mocy źródła [4.31]. Równanie na moc progową P th załada, że moc pompy posiada rozład spetralny wg. funcji Lorenza. System pomiarowy źródła dla badania rozpraszania Brillouina powinien mieć możliwość doładnego pomiaru ształtu charaterystyi spetralnej i możliwości potwierdzenia tego założenia. Trudności z pomiarem spetrum optycznego o szeroości rzędu MHz związane są z braiem dostatecznej rozdzielczości w optycznych analizatorach spetrum. Typowo graniczną rozdzielczością są GHz. Detecja heterodynowa może być zastosowana do rozszerzenia zaresu rozdzielczości do wartości wymaganej i dostępnej dla lasycznych eletronicznych analizatorów widmowych. Zapewnienie odpowiedniego loalnego oscylatora może stanowić trudność dla dowolnych długości fali pompy. Detecja z opóźnionym samo-heterodynowaniem jest jedną z metod próbujących rozwiązać ten problem [1.0,1.6,4.07]. Ta technia została zastosowana zapewniając rozdzielczość 50Hz dla pompy o długości fali 840 nm w celu zmierzenia ohz widmo lasera Nd:YAG z falą ciągłą pracującego na 1300 nm [4.08]. Polaryzacja fali pompy i charaterystyi utrzymywania stanu polaryzacji we włónie optycznym mają wpływ na próg SRB poprzez stałą K SRB [4.11]. Oddziaływanie SRB jest masymalizowane dla fal Stoesa i pompy o równoległych polaryzacjach [4.16]. W przypadu gdy SRB powstaje z szumu w światłowodzie, poniżej poziomu, światło rozproszone wstecz jest w przybliżeniu w połowie spolaryzowane prostopadle i równolegle do pompy. Po przeroczeniu progu SRB stopień polaryzacji światła rozproszonego wstecz wzrasta do 100%, i polaryzacja fali dopasowuje się całowicie do pompy. W celu uninięcia zależności wyniu pomiaru procesu SRB od stanu polaryzacji, polaryzacja pompy powinna być przypadowa, jeśli nie można jej utrzymać w ściśle oreślonym stanie w 58

59 obszarze oddziaływania. Pomiary w stanie depolaryzacji posiadają przewagę, że unia się zależnych od polaryzacji strat w dzielniach mocy i cyrulatorach. Efetywna długość drogi nieliniowego oddziaływania w światłowodzie nie jest liniowo proporcjonalna do rzeczywistej długości światłowodu, ale jest oreślona przez równanie L eff=[1-exp(- αl)]/α.. Próg SRB jest zależny od długości włóna i jego współczynnia tłumienia. Równanie na P th przewiduje, że początowo próg SRB maleje ze wzrostem długości włóna optycznego, ale potem dąży asymptotycznie do stałej wartości. Długość światłowodu wymagana dla osiągnięcia tej wartości asymptotycznej wzrasta dla światłowodów o mniejszych stratach. Rysune 1.19.,3. przedstawia to zachowanie światłowodu. Próg SRB został obliczony dla światłowodu o A eff = 500 m, g SRB = 4,6* m/w, K SRB =, v B = 40 MHz, v P = 100 Hz, i tłumienia = od 0,15 db/m do 10 db/m. Dla pompy z falą ciągłą o wąsim widmie i całowicie zdepolaryzowanej, przewiduje się asymptotyczną długość na o. 100 m dla światłowodu o tłumienności 0,dB/m. Poziom progowy mocy obliczono na 48mW dla długości 1 m i na mw dla100 m. Dla typowej długości światłowodu na szpuli, rzędu 0 m, przy α = 0,dB/m, poziom SRB wynosi o. 3,5mW, pod waruniem, że szeroość widmowa pompy jest znacznie mniejsza od szeroości widmowej Brillouina. Dodate domiesze do szła rdzenia światłowodu taich ja german i fluor zmienia wartość przesunięcia częstotliwościowego Brillouina v B, tzn. wartość częstotliwości Stoesa dla tórej występuje masymalne wzmocnienie. Jeśli oncentracja domieszi flutuuje wzdłuż długości światłowodu, wówczas proces budowy ażdej indywidualnej sładowej częstotliwościowej fali Stoesa jest mniej wydajny niż dla masimum ustalonego spetrum wzmocnienia. Próg SRB jest zasadniczo oreślony przez narastanie częstotliwości Stoesa o najwięszym wzmocnieniu, i dlatego zmiana przesunięcia Brillouina powięsza próg SRB. Badania teoretyczne poazały, że zmiana progu SRB induowana przez przesunięcie częstotliwości wzdłuż światłowodu zależy od ształtu rozłożenia przesunięcia Brillouina wzdłuż włóna i nie jest po prostu związana z masymalną wartością tych zmian [4.19].Zmiany w pobliżu pompowanego zaończenia światłowodu mogą mieć więsze znaczenie niż na ońcu przeciwnym. To może prowadzić do pomiarów zależności progu SRB w zależności od ierunu fali pompy. Szeroość spetralna i ształt rzywej wzmocnienia Brillouina v B nie są stałe ale zależą od mocy fali pompy i szeroości impulsu pompy. W celu umożliwienia obliczenia progu SRB dla dowolnego sygnału pompy, onieczne są pełne charaterystyi zależności szeroości spetralnej Brillouina od mocy pompy i szeroości spetralnej pompy. Zawężanie szeroości spetralnej z powodu wzrastającej mocy pompy staje się ważne powyżej progu. Pomiary są zazwyczaj wyonywane przy pomocy pompy CW w celu reducji niepewności dotyczących pomiaru mocy optycznych. Dlatego można założyć, że przy pomiarach w falą ciągłą, dla mocy poniżej i w oolicach progowej, v B jest stałe. Zastosowanie złączy światłowodowych o powierzchniach nie prostopadłych do osi długiej światłowodu w systemach światłowodowych dużej mocy może zwięszyć niepewność odnośnie bezwzględnych pomiarów mocy wyonywanych omercyjnymi mierniami mocy. Sośne złącza światłowodowe są używane w celu reducji dużej wartości mocy odbitej wstecz, i zapobieżeniu destabilizacji warunów pracy źródła. Nie ma gwarancji, że detetor optyczny w omercyjnym światłowodowym mierniu mocy będzie w pełni pobudzony przez rozład mocy optycznej opuszczającej sośnie ucięty światłowód. Niepewność bezwzględnych wartości mocy optycznych ze światłowodów z półzłączem mierzonych we wzorcowych laboratoriach jest rzędu 0,5% [4.31]. Ocenia się, że pomiary przy pomocy nie przystosowanego sprzętu zwięsza tą niepewność do o. %, w przypadu zastosowania złączy ze światłowodowym sośnie zaończonym [4.09]. Głowica fotodetecyjna miernia mocy powinna pozycjonować zaończenie światłowodu bezpośrednio ja najbliżej znacznej powierzchni fotodiody. Nie pożądane jest stosowanie pośredniczącego uładu optycznego. Reomendacje ITU dotyczące pomiarów progu SRB [1.09,4.17] stosują definicję, moc pompy przy tórej moc transmitowana w światłowodzie na wyjściu jest równa mocy wyjściowej rozproszonej wstecz. Odpowiada to definicji. Jednocześni w tych reomendacjach obliczenia P SRB są reomendowane wg definicji 1. Typowo dane pomiarowe w literaturze prezentowane są dla mocy transmitowanej i rozproszonej wstecz w światłowodzie, więc można obliczyć wartość progu i porównać z danymi doświadczalnymi. Poazano, zarówno teoretycznie ja i esperymentalnie [4.19], 59

60 że rzywa wzmocnienia Brillouina zależy silnie od mocy i szeroości spetralnej źródła. Gdyby ta nie było, rzywa wzmocnienia Brillouina byłaby najorzystniejszym pomiarem dla procesu SRB, ponieważ wzmocnienie i poziom progowy SRB mogą być oreślone z g B(v) dla ażdego widma źródła. Jednaże pomiar współczynnia wzmocnienia jest procesem sompliowanym i w rzeczywistości nie da się uninąć zależności od źródła. Rys ) Typowa zmierzona charaterystya wzmocnienia Ramana w światłowodzie warcowym. Znormalizowany współczynni wzmocnienia w funcji przesunięcia częstotliwości [1.6]. ) Schemat bloowy zestawu pomiarowego do pomiaru wzmocnienia Ramana w światłowodzie metodą sanowania impulsowego [4.0]. 3) Schemat bloowy podstawowego rozwiązania systemu pomiarowego do oreślania wartości progu SRR w światłowodzie w przód [4.17]; 4) Schemat bloowy uładu laboratoryjnego do pomiarów wzmocnienia Ramana w światłowodzie metodą wzmocnienia Ramana z falą ciągłą [4.17]. Tabela. Typowe wartości parametrów światłowodowego wzmacniacza Ramana [4.17] z błędami pomiarowymi. Parametr wartość Szacowany błąd Długość światłowodu 10 m 1% Straty światłowodu dla 1455 nm 0,3 db/m 5% Efetywna powierzchnia światłowodu 50,3 m 5% Straty wzmacniacza dla 1550 nm 4,6 db 4% Wzmocnienie wzmacniacza światłowodowego dla ,4 db 3% nm Moc pompy 870 mw 8% Poziom progowy SRB może być obliczony ze zmierzonej rzywej wzmocnienia Brillouina, ale zależy to taże od charaterysty źródła. Lorenzianowsi ształt rzywej wzmocnienia spontanicznego rozproszenia Brillouina ewoluuje w ształt gaussowsi ze wzrostem mocy pompy do poziomu progowego SRB. Szeroość rzywej wzmocnienia zmniejsza się ze wzrostem mocy pompy. Jeśli fala pompy jest impulsowa a nie ciągła, wówczas szeroość spetralna jest również zależna od czasu trwania impulsu, załadając masymalną wartość szeroości impulsu na 10 ns. Pomiary 60

61 współczynnia wzmocnienia Brillouina mają tylo sens wtedy, gdy waruni pracy światłowodu w systemie są bardzo podobne do warunów pomiarowych, lub odwrotnie. Na razie nie mogą mieć charateru pomiarów ogólnych, ze względu na niedostateczną standaryzację sygnałową systemów światłowodowych [4.31]. W czasie pomiarów progu SRB onieczna jest znajomość szeroości spetralnej stosowanego źródła. Dla źródeł o v P<<v B, szczegółowa wartość szeroości spetralnej jest mniej ważna i poziom progowy SRB jest efetywnie nie zależny od v P. Gdy szeroość spetralna źródła zbliża się do szeroości spetralnej Brillouina, współczynni wzmocnienia jest reduowany i mierzona wartość progowa wzrasta. Asymptotyczna wartość pomiarowa progu dla małych szeroości spetralnych źródła jest zgodna z wartością teoretyczną P th. Pomiary SRB powinny być ograniczone głównie do stosowania źródła pompy z falą ciągłą o znanej wąsiej szeroości spetralnej. Konieczne wydaje się opracowanie standardu pomiarowego procesu SRB w światłowodzie ja to się stało w przypadu z pomiarami tłumienności. Możliwe jest opracowanie standardowych włóien o wzorcowym poziomie odniesienia SRB [4.31]. Stymulowane rozpraszanie Rayleigha (SRR) jest podobne do zjawisa SRB. Jest procesem nieelastycznym, w tórym energia podlega transferowi do medium, w tórym rozprzestrzenia się fala, i generowana jest fala Stoesa o niższej częstotliwości. Niepodobnie do SRB, tutaj fala Stoesa może propagować zarówno w ierunu wprzód ja i wstecz. Interacja generuje fonony optyczne i różnica energii pomiędzy falami pompy i Stoesa jest więsza niż w SRB. Odpowiada to znacznie więszemu przesunięciu częstotliwości, rzędu 10THz dla SRR, w porównaniu z 10Ghz dla SRB. Współczynni wzmocnienia Ramana g R(v) jest znacznie mniejszy niż współczynni wzmocnienia Brillouina i jego wartość oreślono pomiarowo na o. 3*10-14 m/w dla standardowego światłowodu jednomodowego pompowanego falą 1550 nm [4.0,4.0]. Szeroość spetralna wzmocnienia ramanowsiego szieł światłowodowych jest taże znacznie szersza niż dla SRB. Krzywa wzmocnienia rozciąga się typowo w zaresie o. 40 THz, zarówno dla próbe szieł objętościowych ja i światłowodów rzemionowychi ze szieł wielosładniowych. Spetrum wzmocnienia Ramana słada się z głównego piu z iloma mniejszymi wartościami masymalnymi na opadającym ogonie charaterystyi. Typowy przyład rzywej wzmocnienia Ramana przedstawiono na rys.1.0. W literaturze nie można znaleźć funcjonalnego opisu tej rzywej. Dla celów pomiarowych przyjmuje się, że główna wartość szczytowa posiada najwięsze znaczenie w procesie powstawania fali Stoesa. Załada się również, że rzywa wzmocnienia słada się z pojedynczego piu Lorentza [4.30]. Obliczenia procesu SRR stosują szczytową wartość spontanicznego widma wzmocnienia Ramana g SRR, adaptując ją na wartość wzmocnienia dla rozproszenia stymulowanego SRR. Dla zastosowań w światłowodowych wzmacniaczach Ramana oraz w celu obliczeń przesłuchów w daleosiężnych systemach WDM, onieczna jest znajomość rzeczywistego ształtu rzywej wzmocnienia Ramana. Współczynni wzmocnienia Ramana jest odwrotnie proporcjonalny do długości fali pompy i jest zależny od sładu materiału rdzenia, zmieniając się znacznie z rodzajem i oncentracją domieszi [4.0]. W warunach stymulowanego rozpraszania Ramana, natężenia pompy i poruszającej się w przód światłowodu fali Stoesa są związane sprzężonymi równaniami natężeń [1.6]: g SRR di S ( z) / dz I P ( z) I S ( z) S I S ( z) (1.47) K SRR P g SRR di P ( z) / dz I P ( z) I S ( z) PI P ( z) (1.48) K S SRR gdzie: g SRR jest masymalną wartością współczynnia wzmocnienia dla jednaowo spolaryzowanych fal pompy i Stoesa, I P(z) i I S(z) są natężeniami fal pompy i Stoesa dla współrzędnej z wzdłuż włóna, wyrażonymi w [W/m ], P, S są częstotliwościami ątowymi fal pompy i Stoesa w [rad/s], P, S są liniowym współczynniami tłumienia dla częstotliwości P i S w [neper/m]. K SRR jest czynniiem zależnym od względnej polaryzacji fal pompy i Stoesa. Wzmocnienie Ramana jest masymalizowane gdy fale pompy i Stoesa utrzymują jednaowe 61

62 polaryzacje wzdłuż włóna optycznego. Dla lasycznych światłowodów występuje pewien stopień depolaryzacji i stosowana jest wartość tego współczynnia równa K SRR =, [4.03]. Stosując założenie o nie zmniejszanej mocy pompy, równanie na natężenie fali pompy wzdłuż światłowodu reduuje się do postaci di P(z)/dz=- PI P(z), I P(z)=I P(0)exp(- Pz). Natężenie fali Stoesa po przebyciu drogi L w światłowodzie wynosi [1.6]: g SRR I I L L S ( L) I S (0) exp P (0) eff, (1.49) S K SRR gdzie: długość efetywna jest obliczana z zastosowaniem współczynnia tłumienia dla fali pompy. Poziom progowy SRR w przód jest definiowany jao poziom mocy pompy, dla tórego moce wyjściowego sygnału pompy i fali Stoesa są równe. Poziom, dla światłowodu jednomodowego przybliża się zależnością [4.01]: K P 16 A SRR eff th. (1.50) g SRRLeff Założenia dla równania na moc progową P th są następujące: fala pompy nie jest nadmiernie obciążona przez proces onwersji do fali Stoesa, efetywne powierzchnie światłowodu dla długości fal pompy i Stoesa są jednaowe, wzmocnienie Ramana jest opisane przez rzywą Lorentza, sygnał Ramana jest budowany z rozproszenia spontanicznego a nie wzmacniania sygnału wejściowego. Gdy rozważana jest fala Stoesa rozproszona wstecz, uzysuje się analogiczne równanie na moc progową P th, ale współczynniiem proporcjonalności jest nie 16 lecz 0, [1.6]. Moc progowa dla rozproszenia wstecznego jest wyższa niż dla rozproszenia wprzód, i rozproszenie wprzód dominuje, nim jaieolwie rozproszenie wstecz może być obserwowane. Wzmocnienie Ramana fali rozproszonej wstecz może być obserwowane ponieważ jest ono niezależne od względnych ierunów fal pompy i próbującej. Pierwsze pomiary spetrum wzmocnienia we włónach optycznych były wyonywane z wyorzystaniem impulsowych laserów Xenonowego i Nd:YAG pracujących w zaresie widzialnym dla 56nm i 53nm [3.01]. Wysoie straty światłowodu dla tych długości fali ograniczały długości efetywne światłowodu do ilu metrów. Wymagało to stosowania mocy pobudzających rzędu ilu W. Podstawowa procedura pomiarowa polegała na pobudzeniu światłowodu pompą i badaniu spetrum wyjściowego przy pomocy pryzmatu. Mierzono względne natężenia sładowych częstotliwościowych fali Stoesa. To dawało względny przerój światłowodu na spontaniczne rozpraszanie Ramana jao funcję długości fali Stoesa. Nie dawało wartości bezwzględnych. Bezwzględne wartości dla przeroju poprzecznego były oreślane poprzez zastosowanie tego samego uładu pomiarowego do oreślenia natężenie fali rozproszonej w omórce benzenowej, dla tórej bezwzględny przerój poprzeczny rozproszenia był znany. Z bezwzględnej wartości przeroju rozproszenia Ramana był obliczany współczynni wzmocnienia g R(v), jao funcja długości fali Stoesa. Podobna metoda została zastosowana do oreślenia masymalnej wartości przeroju Ramana innych szieł i domiesze do rdzenia światłowodu ja GeO, B 0 3, P O 5 względem przeroju rozproszenia dla szła warcowego SiO [4.0]. Szło warcowe posiada najmniejszą wartość przeroju rozproszenia z tych wszystich materiałów. Zalety tej metody: prosty uład pomiarowy. Wady: metody impulsowe sprawiają łopoty w oreśleniu szczytowych wartości mocy w impulsie, wymaga alibracji do bezwzględnego odniesienia, nie wygodna dla długości fal teleomuniacji światłowodowej. Metoda ze sanowaniem impulsowym [4.17,4.18,4.0] pomiaru wzmacniania Ramana w światłowodzie polega na zastosowaniu jedno-impulsowego źródła w oolicach długości fal 1550nm. W przeciwieństwie do metody pomiaru względnego przeroju na rozpraszanie, mierzone jest stymulowane rozpraszanie Ramana a nie spontaniczne. Bezwzględne wartości współczynnia wzmocnienia mogą być znalezione bez onieczności stosowania odniesienia. Technia używa laserowej pompy z falą ciągłą i modulatora LiNbO 3 w celu generacji impulsów prostoątnych o czasie trwania w zaresie od 1 ns do 100 ns. Te impulsy generują fale Stoesa wewnątrz włóna optycznego, tóre propagują wspólnie z falą pompy, ale z różną prędością grupową, ze względu na dyspersyjne 6

63 właściwości światłowodu. Niedopasowanie prędości grupowej powoduje, że impulsy pompy i Stoesa rozchodzą się i w związu z tym droga interacji SRR jest ograniczona. Długość drogi interacji może być regulowana poprzez zmianę szeroości impulsów. Uład pomiarowy stosowany w tej metodzie sanowania impulsowego przedstawiono na rys Średnia moc w impulsie była ustalona na 10 mw dla wszystich impulsów poprzez pracę wzmacniacza optycznego w stanie nasycenia. Moc szczytowa była taże ustalona, rzędu 4W, poprzez utrzymywanie stałego współczynnia wypełnienia, częstotliwości powtarzania i stałej mocy średniej. Stymulowane rozpraszanie Brillouina było tłumione poprzez zastosowanie modulatora fazy na niobianie litu działającego pomiędzy i 3 GHz. Średnia moc fali Stoesa opuszczająca światłowód dla częstotliwości v była mierzona jao funcja czasu trwania impulsu. Krzywą pomiarową przybliżano rzywą parametryczną z parametrami w postaci współczynnia wzmocnienia g R(v) i rozdopasowaniem prędości grupowych. Masymalna wartość współczynnia wzmocnienia g SRR obliczona tą metodą zgadzała się z rezultatami innych pomiarów wzmocnienia wyonanych dla tego samego światłowodu. Typowe wartości pomiarowe dla g SRR, oreślone przy pomocy tej metody były o. 3*10-4 [m/w] z bezwzględną wartością niepewności obliczoną na 5%. Głównym ograniczeniem tej metody jest, że sygnał rozproszony w przód musi być odseparowany od fali pompy na wyjściu światłowodu. Dla sładowych fali Stoesa o odległości 3 THz od fali pompy oniecznym było zastosowanie przestrajanego filtra pasmowego przed spetrometrem w celu masymalizacji czułości. W innym przypadu doładność wzmocnienia Ramana znacznie maleje w pobliżu długości fali pompy. Nawet z zastosowaniem filtru pasmowo przepustowego nie można było w tej metodzie zmierzyć współczynnia wzmocnienia w odległości mniejszej od 1 THz od sygnału pompy [4.31]. Zalety metody: bezwzględna wartość współczynnia wzmocnienia może być oreślona bez potrzeby alibracji do odniesienia, wymaga pojedynczego źródła, sygnały popy i próbujący są opolaryzowane automatycznie. Wady: wymagany wysoi poziom mocy do osiągnięcia progu SRR, wymagany pomiar mocy impulsowej, choć impulsy stosunowo długie, doładność maleje w pobliżu długości fali pompy, ponieważ metoda polega na dysryminacji pomiędzy falą Stoesa rozproszoną w przód i falą pompy. Obecnie częstą metodą stosowaną do pomiaru współczynnia wzmocnienia Ramana w światłowodzie jest tzw. metoda wzmocnienia Ramana z falą ciągłą [4.17]. Podstawowy schemat uładu pomiarowego przedstawiono na rys Fale pompujące i próbujące propagują w światłowodzie wzmacniającym w przeciwnych ierunach i są separowane na ażdym ońcu włóna przy pomocy optycznych cyrulatorów OC1 oraz OC. Fala pompy słada się z wyjścia ze światłowodowego lasera Ramana o szeroości widmowej 1nm na 1455nm co odpowiada szeroości spetralnej 150 GHz. Próg SRB dla tego światłowodu z tym źródłem wynosi w przybliżeniu 0 W, co znacznie przeracza wartość 870mW, typowo sprzęganą do światłowodu. Konfiguracja systemu pomiarowego z falami propagującymi w przeciwnych ierunach uśrednia flutuacje mocy wysoiej częstotliwości w pompie i również reduuje wymagania na seletywność optyczną w analizatorze spetrum. W celu pomiaru szeroiego zaresu spetralnego wzmocnienia Ramana, zastosowano przestrajany laser półprzewodniowy w zaresie 1459 nm 1580 nm z szeroością spetralną 700 Hz. Względne spetralne pomiary wzmocnienia są prowadzone przez przestrajanie lasera i pomiar mocy wejściowej i wyjściowej we wzmacniającym włónie przy pomocy analizatora widma. Przyładową zmierzoną charaterystyę widmową wzmocnienia przedstawiono na rys [1.6]. Krzywa wzmocnienia nie uwzględnia strat wewnątrz wzmacniacza spowodowanych tłumieniem linowym. Straty są mierzone odrębnie dla nisich poziomów mocy w celu uninięcia efetów nieliniowych. Gdy znana jest charaterystya spetralna strat wzmacniacza efetywne wzmocnienie wzmacniacza Ramana jest obliczane przez odejmowanie obu rzywych. Efetywne wzmocnienie wzmacniacza Ramana jest odnoszone do współczynnia wzmocnienia Ramana poprzez równanie I S(L) w postaci: g eff g R ( v) PP (0) Leff ( v) P L v P v L S (, ) / S (0, ) exp. (1.51) S K SRRAeff Równanie załada przybliżenie nie obciążania sygnału pompy, a więc jest ważne dla małych poziomów sygnałów tzn. wzmocnienia małosygnałowego. W celu obliczenia współczynnia 63

64 wzmocnienia Ramana z powyższego równania, trzeba znać powierzchnię efetywną światłowodu A eff, moc pompy pobudzającą światłowód wzmacniający P P(0), efetywne wzmocnienie i względne polaryzacje fal pompy i Stoesa. Przyłady wielości tych parametrów z niepewnościami ich oreślenia przedstawiono w tabeli [4.17,4.31]. Dodatowe błędy w procedurze pomiarowej zawierają zmienne straty rozłączalnych złączy światłowodowych stosowanych na wejściu i wyjściu światłowodu wzmacniającego. Wartość współczynnia wzmocnienia Ramana dla przesunięcia Stoesa 95 nm od fali pompy dla 1455 nm wynosi 4,17*10-14 [m/w] z niepewnością 10%. Zalety metody: stosowanie fali ciągłej ułatwia doładne pomiary mocy, przeciwbieżne fale pompy i próbująca poprawia stosune sygnały do szumu SNR i pozwala na pomiary wzmocnienia na długości fali pompy, unia się czułości polaryzacyjnej systemu pomiarowego poprzez stosowanie źródła zdepolaryzowanego oraz przeciwbieżnych sygnałów pompy i próbującego. Moc progowa obliczona według równania na P th (1.50) wynosi 4,79 W dla 1550 nm dla SRR w typowym światłowodzie jednomodowym o długości 10 m, A eff = 50 * 10-1 m, g SRR = 4,17 * W, =0, db/m, K SRR =. Ta wartość mocy jest zbyt duża aby mogła być doświadczalnie potwierdzona dla 1550 nm. Definicja wartości P th dla SRR wymaga jednoczesnego pomiaru mocy wejściowej pompy, wyjściowej pompy i sygnału Stoesa. Wyjście ze światłowodu w ierunu w przód musi być rozdzielone na sładowe pompy i Stoesa odseparowane w przybliżeniu o 1 THz (o. 100 nm dla 1550 nm). Podstawowy zestaw pomiarowy do badania poziomu SRR w światłowodzie jest przedstawiony na rys Trzeba stosować środi zapobiegawcze aby masymalna wartość mocy ciągłej fali wprowadzanej do światłowodu nie była ograniczona przez SRB. Moc progowa dla SRB wynosi typowo jedynie iladziesiąt mw, gdy jest zastosowana dioda z falą ciągłą o wąsiej charaterystyce spetralnej (<100 MHz). Ten poziom może być zwięszony przez zastosowanie źródła o szerszym spetrum lub przez zastosowanie modulatora fazy w celu spetralnego rozszerzenia sygnału pompy. Więszość rozważań specjalistycznych, odnośnie pomiarów SRR, jest taa sama ja dla pomiaru SRB. Stosowanie dużej mocy optycznej oznacza, że źródła muszą być zabezpieczone optycznymi izolatorami w celu uninięcia destabilizacji pracy lasera. Trzeba stosować uośne złącza światłowodowe z tego samego powodu. Sośne złącza powodują te same problemy z pomiarami mocy bezwzględnej. Czułoś polaryzacyjna mierzonego współczynnia wzmocnienia jest problemem i najprościej jej uninąć poprzez zastosowanie źródła o polaryzacji przypadowej. Zależność progu SRR od długości ta ja dla SBS. Poziomy SRR dla światłowodów o następujących danych: A eff = 50 m, g SRR = 4,17*10-14 m/w, K SRR =, =0, db/m są przedstawione na rys w funcji długości światłowodu. Widać, że poziom mocy spada zasadniczo dla dłuższych światłowodów, ale zawsze pozostaje o. trzy rzędy więszy niż poziom SRB dla pompy wąsopasmowej. Pomiary SRR wymagają znacznego wzrostu progu SRB. Wymagana jest szeroość spetralna sygnału pompy powyżej 40 GHz aby podnieść próg SRB dla światłowodu o długości 10 m do poziomu o. 5 W. Tłumienie procesu SRB można uzysać stosując modulację fazy sygnału pompy [4.08,4.17,4.31] albo poprzez generację sygnału dudnienia pomiędzy dwoma blisimi sobie źródłami [4.04]. Stosując modulację 1-PSK z pseudoprzypadową sewencją binarną dla szybości bitowej B przewidziano liniowy wzrost progu SRB w funcji B według zależności: P PSK = P CW (B+v B)/v B. Poazano również w [4.04], że SRB może być znacznie stłumione w światłowodowym anale omuniacyjnym ASK poprzez zastosowanie dupliacji danych na dwie bliso położone optyczne częstotliwości nośne. Ta sama zasada stosuje się do pompy z falą ciągłą. Przewidziano wzrost poziomu progowego SRB w światłowodzie warcowym do 15 W, jeśli zastosuje się dwa źródła o falach ciągłych odseparowanych od siebie o 1GHz. Tłumienie SRB otrzymano również poprzez zastosowanie zmiennego naprężenia w światłowodzie. Naprężenie powoduje rozmycie agregowanego współczynnia wzmocnienia na szerszy zares częstotliwości [3.16]. Dla szeroości widmowej pompy znacznie mniejszej niż normalna szeroość spetralna Brillouina, masymalna wartość współczynnia wzmocnienia staje się odwrotnie proporcjonalna do v B poprzez równanie na g SRB (1.44). Rozszerzenie widma Brillouina z 50 MHz na 406 MHz spowodowało przesunięcie poziomu SRB z, w przybliżeniu, 7 dbm do ponad 14 dbm, co było najwięszą mocą użytą w tym pomiarze. Załadając, że próg SRB wzrasta liniowo z szeroością spetralną Brillouina, naprężenie zastosowane wobec włóna jest spodziewane podnieść 64

65 poziom progowy mocy o 9 db. Ten wzrost jest ciągle niewystarczający aby pozwolić na pomiary progu SRR, co typowo wymaga mocy pobudzających rzędu 30 dbm. Natężenie rozproszenia Ramana jest proporcjonalne do ramanowsiego przeroju poprzecznego ośroda rozpraszającego. Ten parametr jest charaterystyczną stałą danego ośroda. Przedmiotem szczególnego zainteresowania w światłowodach są przeroje na rozpraszanie szieł rzemionowych i germanowych. Pomiary poazały, że szło germanowe jest znacznie silniejszym ośrodiem rozpraszającym niż szło warcowe. Dlatego silnie domieszowane światłowody warcowe i ze szieł wielosładniowych posiadają zreduowane wartości poziomów SRR [4.0]. Wyższe oncentracje germanu w rdzeniu bardziej ograniczają pole modowe i dają mniejsze wartości pola efetywnego. Więszy poziom domieszowania zwięsza taże straty we włónie optycznym, reduując efetywną drogę oddziaływania nieliniowego L eff. Wszystie te efety zwięszają szybość z jaą moc pompy jest transformowana wzdłuż światłowodu w moc fali Stoesa zarówno przez wzrost atywności nieliniowej ja i więsze straty liniowe. Zależność progu SRR od różnicy współczynniów załamania pomiędzy rdzeniem i płaszczem jest stosunowo sompliowana, ponieważ zależy od funcji wzrostu strat liniowych z poziomem domieszowania, powierzchni efetywnej światłowodu i współczynnia wzmocnienia Ramana [4.09]. Podobnie ja w procesie SRB, fala Stoesa w SRR jest budowana ze wzmacniania szumu dla częstotliwości najwięszego wzmocnienia rzywej Ramana. Każda przyczyna, tóra powoduje flutuacje tej częstotliwości wzdłuż drogi oddziaływania w światłowodzie powoduje spowolnienie aumulacji promieniowania Stoesa i wzrost poziomu progowego SRR. Przesunięcie częstotliwościowe masymalnej wartości wzmocnienia Ramana w światłowodzie domieszowanym germanem zmienia się jedynie nieznacznie z oncentracją domieszi germanowej [1.10]. Wartość szczytowa jest w procesie SRR słabiej zdefiniowana niż w procesie SRB. Światłowody jednomodowe posiadają bardzo niewielie wzdłużne flutuacje poziomu domieszi, więc zjawiso to można pominąć. Istnieją dwie główne metody pomiaru SRR: sanowanie impulsowe i wzmacnianie fali ciągłej. Obie metody zostały pratycznie wyorzystane do pomiarów w zaresie spetralnym 1550 nm, gdzie wzmocnienie Ramana może dotyczyć systemów pracujących według standardu ITU WDM oraz systemów w paśmie L. Niepewności pomiarów według tych metod wynoszą obecnie 5% i 10% [4.17]. Technia sanowania impulsowego traci na doładności pomiaru przesunięcia Stoesa mniejszego niż ila THz z powodu rozdzielczości spetrometru oraz współ-propagujących fal pompy i Stoesa. Mierząc wzmocniony sygnał propagujący w przeciwnym ierunu niż fala pompy pozwala na poprawienie stosunu sygnału do szumu. Najwięszym pojedynczym źródłem niepewności w metodzie wzmacniania fali ciągłej był pomiar bezwzględnej mocy pompy 870mW, wyonywany przez termiczny mierni mocy. Spodziewać się można poprawy doładności pomiaru światłowodowych mierniów mocy do zaresu 1 W do poziomu o. 1,5% [4.17]. Metody pomiarowe z falą ciągłą są preferowane ponad metody impulsowe, ponieważ moc optyczna może być mierzona bardziej doładnie. Trudnością techniczną związaną z zastosowaniem metod z falą ciągłą w zaresie długości fal teleomuniacji światłowodowej jest dostarczenie dostatecznego poziomu mocy optycznej aby przeroczyć próg SRR. Pomiary mogą być teoretycznie wyonane dla dowolnej długości fali ponieważ współczynni wzmocnienia może być salowany dla innej długości fali pompy. Źródła dużej mocy taie ja Nd:YAG są dostępne dla widzialnych długości fal. Trudności powstają przy obliczaniu długości efetywnej i powierzchni efetywnej dla dowolnej długości fali. Efetywna długość zależy od liniowego współczynnia tłumienia światłowodu, tóry dla systemów teleomuniacyjnych nie jest specyfiowany dla długości fal mniejszych niż 1300 nm. Występują trudności z pomiarem powierzchni efetywnej poniżej długości fali odcięcia, co typowo zachodzi dla o. 100 nm, gdzie jednomodowe teleomuniacyjne włóno optyczne staje się wielomodowe. Dostatecznie wysoie podniesienie progu SRB, aby przeroczył próg SRR jest ważnym zagadnieniem pomiarowym, jeśli nie jest stosowane stosunowo szeroopasmowe źródło. Wzmocniony sygnał wyjściowy ze światłowodowego lasera Ramana posiada dostateczną szeroość spetralną aby wyeliminować problem progu SRB. Standaryzacja metod pomiarowych SRR powinna bazować na pomiarach współczynnia wzmocnienia. Współczynni wzmocnienia Ramana może być używany do obliczeń progu SRR dla jednej długości fali a również do oreślania profilu wzmocnienia Ramana odnośnie zastosowań w systemach WDM i wzmacniaczach ramanowsich. Preferowane jest zastosowanie metod z falą ciągłą 65

66 [4.17] ponieważ umożliwia to znacznie bardziej doładne pomiary mocy optycznej niż w przypadu metod impulsowych. Najbardziej przyszłościowa wydaje się technia ramanowsiego wzmacniania fali ciągłej. Ta technia nie oferuje jednaże taiego samego potencjału w zaresie pomiarów rozłożonych ja technia sanowania impulsowego. Jednaże pozwala na ocenę rzywej wzmocnienia Ramana bliso pompy, co jest ważne dla oreślenia wzmocnienia Ramana w anałach DWDM daleosiężnych i dystrybucyjnych systemów światłowodowych. W stymulowanych procesach rozpraszania światłowód działa jao optyczny ośrode nieliniowy odgrywający atywną rolę poprzez zjawisa fononowe i wibracje moleularne. W wielu zjawisach nieliniowych światłowód odgrywa rolę bierną, w sensie pośredniczenia pomiędzy oddziaływaniem ilu propagowanych fal, poprzez nieliniową odpowiedź związanych eletronów. Taie procesy nazywane są parametrycznymi ponieważ ich przyczyną jest modulacja przez falę świetlną parametru ośroda np. współczynnia załamania. Tai procesy zawierają: generację fal harmonicznych, mieszanie czterofalowe, wzmacnianie parametryczne. Mieszanie czterofalowe zachodzi gdy dwie lub więcej częstotliwości światła propagują razem w światłowodzie. Jeśli spełniony jest warune dopasowania fazowego, generowana jest fala świetlna dla nowej częstotliwości używająca mocy optycznej z oryginalnych sygnałów. Generacja światła przez mieszanie czterofotonowe posiada poważne impliacje dla światłowodowych systemów transmisyjnych z DWDM. Systemy DWDM przesyłają dane w wielu anałach, typowo w 3, 64, itd. Każdy o ściśle oreślonej częstotliwości. Jeśli dwa lub więcej anałów doznają interacji poprzez mieszanie czterofalowe, wówczas moc optyczna jest generowana dla nowych częstotliwości na oszt reducji mocy w anałach oryginalnych. Taa strata mocy powoduje silne obniżenie mocy w nietórych anałach transmisyjnych i niemożność detecji w nich sygnału dla oreślonej wartości stosunu sygnału do szumu, co prowadzi do reducji pasma transmisyjnego systemu. Mieszanie czterofalowe może być taże wyorzystane jao efet pozytywny w systemach transmisyjnych DWDM, ja np.: Całowicie optyczna bardzo szyba metoda onwersji częstotliwości, Metoda ompensacji dyspersji w światłowodowych łączach daleosiężnych, Metoda rozłożonych pomiarów dyspersji i nieliniowych parametrów światłowodu, Metoda generacji fal milimetrowych dla celów ruchomej omuniacji miroomórowej. Pomiaru obecności zjawisa mieszania czterofalowego i innych zjawis parametrycznych w transmisyjnym systemie światłowodowym doonuje się poprzez monitoring mocy we wszystich anałach DWDM, oraz monitoring spetralny całego sygnału transmisyjnego. Zapobieganie tym zjawisom polega na uniemożliwieniu spełnienia warunu fazy w światłowodzie dla żadnej z par propagujących fal. Sprzyjanie tym zjawisom polega, odwrotnie, na umożliwieniu spełnienia warunu fazy dla propagowanych fal w światłowodzie. 1.9.Światłowody atywne Rozwój metody CVD doprowadził, w połowie lat osiemdziesiątych, do możliwości domieszowania preformy światłowodowej jonami ziem rzadich (a taże metalami przejściowymi) bez istotnego wzrostu strat włóna poza pasmami absorpcyjnymi domieszi [3.04]. Światłowody wysoorzemionowe domieszowano między innymi następującymi pierwiastami Nd, Dy, Tb, Ce, Eu, Yb, Pr o poziomach w zaresuie 0,ppm-3000ppm. Pierwsze prace dotyczyły biernych zastosowań taich światłowodów jao np. czujniów temperatury [3.03], działających na zasadzie absorpcyjnej lub fluorescencyjnej. Przy pomocy domieszi uzysiwano znaczną modyfiację właściwości materiału światłowodu np. w ierunu zwięszenia stałych Verdeta, Kerra, wartości nieliniowego współczynnia załamania, doładnego ształtowania charaterystyi spetralnej [ ]. Od rou 1985 obserwowany był gwałtowny wzrost liczby prac nad światłowodami atywnymi, prowadzącymi do onstrucji całowicie światłowodowych wzmacniaczy i laserów fotonicznych [ ,3.13,3.15,3.17,3.19]. Rozłożony pomiar temperatury wzdłuż światłowodu domieszowanego Nd3+ [3.03,3.11] lub Ho3+ [3.09] polega na umieszczeniu puntu pracy na silnie zależnej od temperatury rawędzi pasma absorpcyjnego i odczytywaniu loalnej absorpcji przy pomocy czasowej refletometrii optycznej OTDR. Liniowa zmiana absorpcji jest w granicach 0, 0,5%/ o C co reprezentuje zmianę tłumienia o iladziesiąt db/m w zaresie pomiaru (np. od -00 do +00 o C). Uzysuje się doładności pomiaru lepsze od 1 o C z rozdzielczością przestrzenną lepszą od 1m. 66

67 Znaczne zmiany tłumienia wprowadzane przez domieszę wyłącznie w pasmach absorpcyjnych, rys , wyorzystuje się do onstrucji seletywnych filtrów światłowodowych przeznaczonych do dysryminacji lub separacji wybranych długości fali z widma nadawanego lub odbieranego. Uzysuje się nisie straty wtrącenia, poniżej 0,5dB i znaczny współczynni izolacji, zależny od długości włóna, powyżej 100dB [3.15]. Izolatory światłowodowe są stosowane do budowy włónistych ramanowsich źródeł światła, w celu separacji spontanicznego rozpraszania w paśmie anty-stoesa ( as=616nm) od sygnału pompy HeNe. Światłowody laserujące posiadają szereg potencjalnych zalet względem rozwiązań źródeł światła objętościowych i półprzewodniowych dla technii światłowodowej. W światłowodach wysooaperturowych średnica modu podstawowego jest rzędu pojedynczych m, co obniża poziom laserowania i podwyższa wzmocnienie. Z powodu niewielich wymiarów włóna zjawisa termiczne odgrywają rolę dla wyższych poziomów mocy. Szło rzemionowe rozszerza przejścia ziem rzadich umożliwiając przestrajanie lasera i ułatwiając pompowanie laserami półprzewodniowymi i diodami eletroluminescencyjnymi. Nisie straty w nominalnym paśmie transmisji pozwalają na budowę laserów i wzmacniaczy światłowodowych o znacznych długościach (nawet ilometrów). Atywny światłowód wysooaperturowy, tóry posiada nisi poziom efetów nieliniowych, pozwala na połączenie w jednym włónie zjawis atywnych i nieliniowych w celach generacji dodatowych pasm widma lub w celach czujniowych. Podniesienie zdolności transmisyjnych wysoiej mocy światłowodu atywnego jest możliwe poprzez zwięszenie pola efetywnego modu podstawowego np. poprzez obniżenie apertury numerycznej. Początowe rozwiązania laserów światłowodowych wymagały zastosowania zewnętrznego rezonatora, analogicznie do rozwiązań lasycznych laserów objętościowych. Pompowanie odbywa się przy pomocy lasera półprzewodniowego poprzez jeden z ońców światłowodu. Zastąpienie jednego ze zwierciadeł siatą dyfracyjną pozwala na przestrajanie lasera. Zwierciadła mogą być zastąpione przez siati Bragga wyonane w materiale światłowodu przy obu jego ońcach. Współczesne lasery światłowodowe posiadają próg laserowania zależny od domieszi w zaresie ila mw iladziesiąt W, dostarczają mocy rzędu W. Długości generowanych fal zależą od domieszi i wynoszą Nd nm, Er nm, Pr nm [3.15, ]. W laserach światłowodowych obserwuje się zjawiso bistabilności optycznej, bazującej na nasycalnej absorpcji [3.19], tóre budzi nadzieję na zastosowania w fotonicznych pamięciach, uładach logicznych, wzmacniaczach [1.36], itp. Najwięcej z prac nad światłowodami atywnymi dotyczyło domieszi erbowej w światłowodzie wysoo-rzemionowym pracującym w paśmie 1550nm, ważnym dla teleomuniacji światłowodowej [3.15]. Światłowody atywne zapewniają ompensację strat w systemie transmisyjnym a taże dzięi wzmocnieniu zapewniają budowę systemów funcjonalnych, w tym pomiarowych w rozwiązaniu całowicie światłowodowym. Domiesza erbowa posiada stosunowo szeroie widmo wzmocnienia, wynoszące o. 50nm w oolicach 1550nm. Stanowi to podstawę do budowy wielu uładów laserów światłowodowych z przełączaniem modów przeznaczonych do generacji impulsów ultrarótich femtoseundowych. Najbardziej udane onstrucje dotyczyły laserów z biernym przełączaniem modów [ ], w tórych nieliniowy współczynni załamania światłowodu jest odpowiedzialny za mechanizm przełączania modów. Dzieje się to np. poprzez nieliniowy obrót polaryzacji lub w nieliniowym światłowodowym zwierciadle pętlowym. W taich systemach, nieliniowość światłowodu i dyspersja mogą działać wspólnie powodując sracania długości impulsu poprzez, podobną do transmisji solitonowej, ompresję impulsu. Prowadzi to do generacji wewnątrz światłowodu bardzo rótich impulsów. Praca taich laserów zależy w dużym stopniu od subtelnych szczegółów onstrucyjnych, więc rozwinięto cały szereg metod pomiarowych umożliwiających optymalizację onstrucyjną laserów światłowodowych. Procesem ograniczającym w solitonowych laserach światłowodowych, a taże w systemach teleomuniacyjnych z periodycznie rozłożonymi wzmacniaczami światłowodowymi jest ciągła utrata energii z impulsów do dyspersyjnego ontinuum. Występuje to, gdy długość wnęi rezonansowej lasera światłowodowego (lub odległości pomiędzy wzmacniaami światłowodowymi) staje się porównywalna do charaterystycznego oresu impulsów solitonowych. W laserze światłowodowym, ta energia pozostaje wewnątrz wnęi i zaczyna odgrywać rolę interferencja pomiędzy promieniowaniem utraconym z impulsów w czasie różnych etapów periodycznego poonywania wnęi. Prowadzi to do systematycznego powstawania pasm bocznych woół widma solitonu. W czasie gdy soliton podlega 67

68 procesowi ompresji w laserze, coraz więcej energii jest traconej z widma częstotliwościowego impulsu. Ten mechanizm powoduje ograniczenie procesu sracania się impulsu. Przedmiotem zainteresowania są taże inne jony domiesze atywnych w światłowodzie, ja np. prazeodym Pr. Z taim jonem domieszi możliwe jest uzysanie wzmocnienia w paśmie o. 1300nm, tóre jest pierwszym onem transmisyjnym i naturalnym onem minimum dyspersyjnego. Prazeodym posiada, jao domiesza w światłowodzie rzemionowym, bardzo róti czas życia w stanie górnym pobudzenia, wsute występowania procesów nie-radiacyjnych. W celu wbudowania prazeodymu w uład radiacyjny, jao szło bazowe stosuje się materiały cięższe np. szła fluorowe. Mimo iż przedłuża to czas życia Pr w stanie górnym o o. dwa rzędy wielości, wprowadza szereg innych problemów związanych z właściwościami materiału szlistego. Szła fluorowe charateryzują się nisimi temperaturami topnienia, co powoduje duże trudności w technologii spawania taich światłowodów z włónami wysoo-rzemionowymi. Mimo taich problemów prazeodym jest przedmiotem zainteresowania ja atywny materiał światłowodowy i zbudowane zostały femtoseundowe lasery światłowodowe z przełączaniem modów [3.15,3.]. Więszość prac badawczych i pomiarowych nad laserami światłowodowymi jest stymulowana przez zastosowania teleomuniacyjne. Stosowane są one jao źródła impulsów, a więc metody pomiarowe odnoszące się do nich dotyczą np. pomiarów stabilności generacji. Lasery światłowodowe, już na obecnym etapie rozwoju, posiadają szereg zalet technicznych taich ja: prostota onstrucyjna, stabilność, łatwość zastosowania, zintegrowaną budowę. Są bardzo wydajnymi źródłami o poziomie mocy średniej osiągającej ila watów i szeroich możliwościach zastosowań, taże poza bezpośrednim obszarem teleomuniacji np. w metrologii optoeletronicznej, czy do generacji szeroopasmowych impulsów o bardzo wysoiej energii. Do generacji impulsów o wysoiej energii wyorzystywane jest zjawiso biernego przełączania dobroci lasera światłowodowego, powodowane przez rozłożone rozproszenie wsteczne ze światłowodu do obszaru wzmocnienia. Proces ten jest wzmacniany poprzez zastosowanie całowicie światłowodowego interferometru pętlowego, ja przedstawiono na rys Wyniające z tego przełączanie dobroci jest procesem stabilnym z częstotliwością powtarzania w zaresie 1 0Hz, w zależności od mocy pompy. Proces może być dodatowo stabilizowany, jeśli moc pompy jest modulowana rezonansowo. Taą technię zastosowano w odniesieniu do laserów erbowych i iterbowych. W przypadu domieszi erbowej, dla lasera pracującego w oolicy 1545nm, otrzymano impulsy o czasie trwania 5 15ns i mocy szczytowej rzędu 100W oraz częstotliwości powtarzania przestrajanej w zaresie 100Hz 0Hz. Światłowodowy laser iterbowy generuje impulsy rótsze niż ns o średniej mocy 1W dla 1060nm. Energia wynosi w przybliżeniu 0,05mJ, co daje moc szczytową rzędu 10W [3.]. Ta wysoa moc jest wystarczająca do generacji super-ontinuum Ramana [3.01,3.16,3.5,3.8,4.01,4.0] nawet w rótich światłowodach. Na rys poazano widmo generowane na wyjściu pompowanego diodą lasera Yb o średniej mocy 450mW. Podstawowa długość generowanej fali wynosi ooło 1060nm, jedna więszość mocy jest onwertowana do super-ontinuum rozciągającego się w całym obszarze podczerwieni, gdzie światłowód jest przezroczysty aż do,3m. Połączenie szeroiego widma spetralnego z wysoą mocą szczytową może być wyorzystane dla podwajania częstotliwości i generacji przestrajanego promieniowania w zaresie widzialnym. Stosuje się do tego np. przestrajany ątowo, dopasowany fazowo ryształ LiIO 3 [3.13,3.14]. 68

69 Rys ) Spetralna charaterystya tłumienia światłowodu domieszowanego 300 ppm Nd3+ (pomiary własne); ) Zmierzona charaterystya spetralna światłowodowego lasera domieszowanego Yb z przełączaną dobrocią pompowanego diodą półprzewodniową. Na charaterystyce spetralnej jest widoczna obecność więszości zjawis nieliniowych występujących w światłowodzie; 3) Schemat bloowy światłowodowego lasera z przełączaną dobrocią;. 4) Charaterystya spetralna współczynnia wzmocnienia światłowodowego wzmacniacza erbowego dla umownych pasm C oraz L; 5) Zmierzone straty wtrącenia elementów funcjonalnych dla typowego wzmacniacza w paśmie C zmieniają straty całowite o 0,5dB w paśmie C oraz o 0,6dB w paśmie L; Krzywa 1 - straty całowite, rzywa - izolator, rzywa 3 - WDM 980nm, rzywa 4 - odsprzęgacz 5/95%, rzywa 5 - WDM 1480nm; 6) i 7) Porównanie mierzonych parametrów wzmacniaczy światłowodowych erbowych w paśmie C i paśmie L. Wzmocnienie w paśmie L jest o. pięciorotnie mniejsze. Wahania wzmocnienia w paśmie L są o rząd wielości mniejsze. Współczynni szumów w paśmie L jest nieco więszy. Rozwój technii gęstych systemów multiplesowania falowego w ierunu dłuższych fal w połączeniu z rozwojem wzmacniaczy światłowodowych jest stymulowany popytem na pasmo. Technii te wymagają rozwoju systemów i metod pomiarowych. W systemach pracujących w paśmie C ( nm), umieszcza się o. 100 niezależnych anałów transmisyjnych WDM. To pasmo jest zdefiniowane i ograniczone tradycyjnie przez pasmo wzmocnienia światłowodowego wzmacniacza erbowego [3.15]. Obecny popyt na pasmo wzrasta dwurotnie w sali rou [1.1]. 69

70 Przewiduje się, że za ila lat popyt przerośnie możliwości systemów pracujących w paśmie C dla standardu OC-48,,5Gb/s z odległością międzyanałową 100GHZ (0,8nm). Przewiduje się wprowadzenie trzech zasadniczych zmian do systemów DWDM w ierunu zasadniczego zwięszenia pojemności transmisyjnej [3.31]: - Wzrost szybości transmisji w pojedynczym anale. Standardy OC-19 (10Gb/s) oraz OC-768 (40Gb/s). Przy długich odcinach światłowodu odgrywa rolę dyspersja dla ta szeroich pasm transmisji. - Zmniejszenie odległości międzyanałowych, co jest równoważne ze zwięszeniem liczby anałów. Reducja będzie postępowała od obecnych 100GHz, poprzez 50GHz (0,4nm) nawet do 5GHz (0,nm) a w przyszłości nawet dalej do 0,1nm. Trudności związane ze zmniejszeniem odległości pomiędzy anałami poniżej 100GHz są spowodowane nieliniowymi właściwościami włóien optycznych. Przy gęstym upaowaniu anałów następuje wzrost poziomu mocy sprzężonej. - Zwięszenie iloczynu pasmo-wzmocnienie. Światłowodowe wzmacniacze erbowe mogą wzmacniać taże w paśmie długofalowym od 1570nm do 1605nm. Wyorzystanie pasma długofalowego L podwaja pole wzmocnienia światłowodowego systemu transmisyjnego ze wzmacniaczem, bez zastosowania poprzednich metod. Łącznie z poprzednimi metodami można ocenić potencjał wzrostowy tej technii transmisji. Wzmacniacze w paśmie L stosują podobną technologię jaa jest używana w paśmie C. Przewiduje się stosowanie hybrydowych rozwiązań obu rodzajów wzmacniaczy w sieciowej architeturze równoległej. Pomiędzy oboma rodzajami wzmacniaczy istnieją pewne różnice. Wzmocnienie można przedstawić zależnością: G=g cl, gdzie g c współczynni wzmocnienia, L długość wzmacniającego światłowodu erbowego. Ponieważ pasmo L zawiera ogon pasma wzmocnienia erbu, to współczynni wzmocnienia jest trzy do czterech razy mniejszy niż odpowiednia wartość w paśmie C. Zmiany wzmocnienia w funcji długości fali dla obu pasm przedstawiono na rys Relatywnie mniejsze wzmocnienie w paśmie L powoduje onieczność zastosowania wzmacniaczy o znacznie więszych długościach (przy zastosowaniu światłowodu standardowego Typu-, wg. norm ITU [1.09]) niż w paśmie C. Stosunowo więsza długość wzmacniaczy nałada szereg problemów projetowych, technologicznych, onstrucyjnych i pomiarowych. Po pierwsze, całowite straty włóna biernego (iloczyn stratności i długości światłowodu) w paśmie L są więsze. Wzmacniacz powinien reompensować te różnice, co powoduje zmniejszenie wydajności onwersji sygnału pompującego (moc pompy wymagana do otrzymania oreślonego poziomu sygnału wyjściowego). Następnie, różnice w wartości współczynnia wzmocnienia powodują znacznie więszą aumulację wzmocnionej, emitowanej spontanicznie mocy, co powoduje wzrost poziomu szumów związanych z procesem wzmocnienia. Ponownie, wydajność onwersji sygnału pompy spada. Moc pompy wzmacnia ogólny poziom emisyjny zamiast poziom sygnału. Dodatowa wzmocniona emisja spontaniczna powięsza współczynni szumów. Współczynni szumów jest tu miarą szumowej jaości pracy wzmacniacza, tzn. ile niepożądanego szumu dodaje do systemu wzmacniacz. Wsute tych procesów zmniejszających wydajność onwersji wymagana moc pompy jest więsza i jaość szumowa systemów w paśmie długofalowym L jest ogólnie znacznie gorsza w porównaniu w systemami z pasma C. Taie porównanie przedstawiono na rys i 7. Do tych problemów dochodzi zagadnienie technologiczne więszej trudności producji dłuższych odcinów światłowodów erbowych. Te czynnii ja: ryzyo związane z masową producją wzmacniaczy i pogorszenie parametrów jaościowych, powodują szybi rozwój wysoo-domieszowanych, nisostratnych, światłowodów erbowych na wzmacniacze przeznaczone do pracy w paśmie L. Inną ważną różnicą pomiędzy pasmem C i L jest przeciętny poziom inwersji. Ten poziom oznacza procent jonów erbu, tóre uczestniczą w procesie wzmacniania. Poziom inwersji można związać z ształtem spetralnej rzywej wzmocnienia. Wzmacniacze w paśmie L pracują dla nisiego poziomu inwersji, o. 40% w celu zminimalizowania wewnętrznego wahania poziomu zmian wzmocnienia. Wahanie wzmocnienia jest definiowane jao względny stosune masymalnego i minimalnego wzmocnienia w paśmie wyrażony w procentach: g=[(g max-g min)/g min]100%. Dla porównania, wzmacniacze w paśmie C pracują przy poziomie średniej inwersji rzędu 60-65%. Dla najlepszego przypadu, wahania wzmocnienia w paśmie L jest o rząd wielości mniejszy. Ta reducja wahań wzmocnienia oznacza, że wymagania na filtry wyrównujące poziom wzmocnienia w paśmie są łatwiejsze do spełnienia niż w paśmie C. 70

71 Jaość wzmacniacza światłowodowego, jao gotowego elementu funcjonalnego, zależy w dużej mierze od współpracujących elementów fotonicznych taich ja: izolatory, multiplesery, odsprzęgacze, filtry i rozdzielacze pasmowe. Elementy taie, wyonywane dla pasma C wyazują zauważalny wzrost strat wtrącenia dla więszych długości fali. Przedstawiono to na rys Izolatory zaprojetowane dla pasma C wyazują izolację 0dB pomiędzy 1550nm oraz 1580nm. Dlatego elementy w paśmie L stosują izolację dwupasmową (w celu rozszerzenia zaresu izolacji) albo izolatory optymalizowane dla pasma L. Widać stąd, że potrzebne są elementy funcjonalne wyonywane odrębnie dla pasma L, a nie ja obecnie adaptowane z pasma C. Waruni pracy w paśmie L dotyczą taże długości fali pompy. Światłowodowe wzmacniacze erbowe stosują dwie długości fali pompy 980nm oraz 1480 nm. W paśmie C, efetywność onwersji pompy dla 980nm jest mniejsza niż dla 1480nm, co jest spowodowane różnicą w onwersji energii fotonu, tóra jest proporcjonalna do pompy/ sygnału. Pompa 980nm musi dostarczać więcej mocy niż pompa 1480nm, aby efet był tai sam. Ta różnica w efetywności onwersji sygnału pompy jest jeszcze więsza w paśmie L. Ponieważ oszt źródła laserowego pompy stanowi zasadniczą część całowitego osztu wzmacniacza, więc zwięszenie wydajności onwersji pompy jest istotnym czynniiem dla wzmacniaczy w paśmie L. W paśmie L istnieją nowe możliwości wyboru długości fali pompy i jej onfiguracji. Jedną z metod powięszenia wydajności onwersji sygnału pompy jest wprowadzenie przestrajania długości fali. Wydajność pompy 980nm można poprawić o ila decybeli poprzez jej przestrajanie o 5nm od masimum absorpcyjnego pompy na 980nm. Taą samą technię można zastosować w odniesieniu do pompy 1480nm dla wzmacniaczy w paśmie L. Z powodu nisiej wartości stopnia inwersji w paśmie L jao pompę można rozważać sygnał 1550nm. Taa opcja jest ważna ponieważ daje możliwość wzmacnianego pompowania emisji spontanicznej, w tórej wstecznie wzmocniona emisja spontaniczna (posiadająca masimum w paśmie C) jest mocą pompującą. Taa technia wydajnie używa ponownie moc pompy, tóra została onwertowana w moc wzmocnionej emisji spontanicznej. Druga możliwość polepszenia sprawności onwersji sygnału pompy polega na zastosowaniu laserów światłowodowych jao pomp. Sygnały optyczne we wzmacniaczu światłowodowym L pasmowym łatwiej doznają mieszania czterofalowego niż w C pasmowym. Interacje nieliniowe pomiędzy sygnałami optycznymi powodują przesłuch międzyanałowy. Odbiorni widzi ten przesłuch jao szum, tóry powoduje degradację parametrów systemu transmisyjnego. To zjawiso występuje wewnątrz światłowodu erbowego i jest przypisywane długości pętli tego światłowodu. Wydaje się, ze reducja długości światłowodu, przy więszej oncentracji erbu może zreduować ten problem. Wzmocnienie i współczynni szumów we wzmacniaczach L pasmowych są bardziej czułe na temperaturę pętli światłowodu erbowego. Stanowić to może poważną przeszodę pratyczną bowiem w warunach polowych wzmacniacze powinny pracować stabilnie w szeroim zaresie temperatur (ogólnie 0-70 o C), [1.09]. Wzmocnienie wzmacniacza i współczynni szumów są projetowane dla onretnych warunów apliacyjnych (budżet mocy dla łącza) i nadmierne flutuacje tych parametrów z temperaturą mogą uniemożliwić pracę systemu. Wzmacniacze L pasmowe wyazują również inną reację na przejściowe stany mocy zasilania niż w paśmie C. Dodawanie lub odejmowanie anałów optycznych może spowodować nieprzewidywalne i nagłe spadi mocy wejściowej do wzmacniacza. Istotne impulsowe zaburzenia sygnału będą interpretowane w odbiorniu jao błędy. Poznanie natury i minimalizowanie propagacji taich zjawis przejściowych jest obecnie istotną sprawą badawczą w dziedzinie wzmacniaczy światłowodowych L pasmowych. Co więcej, wprowadzane nowe światłowody o rozszerzonym paśmie transmisyjnym aż do 160nm dalej rozszerzają obszar pasma L dodając nowe możliwości zwięszenia pojemności transmisyjnej Światłowody z ryształów fotonicznych, dziurawe z mirootworami Ostatnio duże zainteresowanie badawcze przyciągnęły światłowody włóniste (i inne strutury fotoniczne) wyonane ze szła o sztucznie stworzonej wewnętrznej refracyjnej struturze periodycznej lub quasi-periodycznej oraz nieperiodycznej. Materiały taie, o struturze periodycznej nazywane są w literaturze ryształami fotonicznymi a światłowody w srócie PCF (ang. photonic crystal fibers). Strutura refracyjna tworzona jest z uporządowanych (lub rozłożonych 71

72 przypadowo), wypełnionych powietrzem, otworów apilarnych obecnych w szle objętościowym lub ciągnących się równolegle wzdłuż osi światłowodu. Przyjęła się taże ogólniejsza nazwa światłowody dziurawe (ang. holey optical fibers, w srócie HF). Światłowód tworzony jest z pojedynczego materiału a waruni propagacji ustalane są przez rozład otworów oraz proporcje wymiarowe otwór - przerwa. Fala świetlna może być propagowana w światłowodzie dziurawym orzystając z dwóch zupełnie odmiennych mechanizmów. Pierwszym mechanizmem jest wyorzystanie, przewidzianego numerycznie w taich struturach, zjawisa występowania fotonicznej przerwy zabronionej [.04.06,.08.4]. Pełna dwuwymiarowa fotoniczna przerwa zabroniona tworzona jest jeśli dziuri są ułożone w sieć hesagonalną i jeśli posiadają stosunowo duże wymiary r w odniesieniu do przerw między nimi a. Wartość rytyczna wymiaru dziure została obliczona na r min=c mina=0,a, gdzie r=ca, C=const. Dla taiego warunu wymiarowego istnieje pewien zares częstotliwości, dla tórego fala świetlna nie może rozprzestrzeniać się w płaszczyźnie prostopadłej do dziure. Gdy w taą struturę periodyczną, tworzącą np. rdzeń światłowodu, wprowadzony jest pojedynczy defet w postaci brau jednej dziuri, odpowiada to utworzeniu ściśle zloalizowanego stanu energetycznego i przestrzennego wewnątrz zabronionej przerwy fotonicznej. Istnienie taiego stanu pozwala na propagację fali świetlnej wzdłuż światłowodu z ryształu fotonicznego. Propagacja wyorzystująca tai mechanizm w światłowodzie o dużej długości nie została w pełni, a jedynie częściowo, ja na razie, potwierdzona doświadczalnie, z powodu technologicznych trudności spełnienia warunu C min=0, dla stałej C fotonicznej sieci rystalicznej i nieidealności taich sieci. Rdzeń światłowodu dla, technologicznie realistycznych, wartości C w zaresie 0,5-0,7 wygląda ja deliatna siatecza cienich ściane pomiędzy struturą hesagonalnie ułożonych orągłych otworów. Tai rdzeń musi być zintegrowany z masywnym, najlepiej standardowym, płaszczem światłowodu, jeśli włóno ma podlegać dalszemu rozwojowi w ierunu apliacyjnym. Obecność więszej fotonicznej przerwy zabronionej, w sensie szerszego zaresu częstotliwości nieprzezroczystości materiału, zaobserwowano teoretycznie w siatce ułożonej na ształt plastra miodu, z otworami hesagonalnymi. W taich struturach włónistych osadzonych jednostronnie wewnątrz podpierającej ruri szlanej przeprowadzano pierwsze esperymenty z transmisją wyorzystującą mechanizm defetu w fotonicznej przerwie zabronionej [.10]. Światłowód dziurawy o bardzo dużych dziurach jest bardzo silnie dyspersyjny z powodu dużej różnicy współczynniów załamania w struturze. Drugi mechanizm propagacji światła w światłowodzie dziurawym wyorzystuje zjawiso loalnej zmiany (masymalizacji) efetywnego współczynnia załamania. Loalny bra otworu w sieci stanowi defet o wysoim efetywnym współczynniu załamania. Wyorzystanie tego mechanizmu do propagacji światła w światłowodzie dziurawym nie wymaga ani spełnienia warunów na wymiary stałej sieci fotonicznej (otwory mogą być mniejsze) ani periodycznego ułożenia otworów (mogą być ułożone przypadowo). Fala może być prowadzona w miejscu loalnego masimum efetywnego współczynnia załamania. Im głębiej mod wnia w otworowy płaszcz tym więcej obejmuje otworów swym zasięgiem i tym więszemu obniżeniu ulegać może efetywny współczynni załamania. W pewnym sensie, światłowody dziurawe o refracyjnym mechanizmie propagacji są rozwinięciem wcześniejszego pomysłu światłowodów z bocznymi dwoma otworami (lub pojedynczym otworem), gdzie niewielą liczbę otworów marosopowych zastąpiono dużą ilością otworów mirosopowych. Na rys.1.. przedstawiono fotografie przerojów poprzecznych, wytworzonych przez autora we współpracy z OBPŚ HS Biaglass, dwóch wymienionych rodzajów światłowodów dziurawych: z fotoniczną przerwą zabronioną oraz z loalnym masimum efetywnego współczynnia załamania. Włóna wytworzono wieloetapową metodą hybrydową ze szieł wielosładniowych obejmującą między innymi taie etapy ja: sładanie mozaii z rure szlanych, spieanie w prasie izostatycznej, wyciąganie preformy metodą pręt rura, ewentualne trawienie otworów do oreślonej średnicy, wiercenie pręta szlanego na nośni preformy. Szczegóły procesu są przedmiotem opracowywanych przez autora, wspólnie z HS Biaglass, ilu zastrzeżeń patentowych. Technologia nisostratnych światłowodów dziurawych o dużej długości, prezentowanych tutaj po raz pierwszy, jest onsewencją, opisanej w niniejszej pracy i opanowanej przez autora ila lat temu, we współpracy z ITME Cemat, oryginalnej metody sładania mozaii wytwarzania światłowodów ształtowanych [19,13,134,138,141,14,144,05,8]. Rdzeń światłowodu z fotoniczną przerwą zabronioną (o relatywnej dużej średnicy otworów) zawiera dwa rodzaje dziure: główne o ształcie orągło 7

73 hesagonalnym oraz pomocnicze o ształcie trójątnym. Otwory trójątne o rozmiarze o o. rząd wielości mniejszym od otworów głównych są pozostałością po sładaniu matrycy rure szlanych i mogą być zliwidowane bądź na etapie spieania w prasie izostatycznej bądź podczas pocieniania preformy lub wyciągania włóna (co zależy od stosunu pocienienia). Całowita liwidacja otworów trójątnych związana jest często z hesagonalnym znieształceniem otworów głównych. Otwory trójątne nie występują w światłowodach dziurawych o małych otworach, gdyż ulegają naturalnemu zamnięciu podczas wytwarzania włóna. Wytwarzanie światłowodów z masimum efetywnego współczynnia załamania nie wymaga na ogół tylu etapów procesu technologicznego. Obszar otworów stanowi płaszcz optyczny a pozostała część włóna stanowi płaszcz technologiczny. W światłowodzie dziurawym typu refracyjnego efetywna różnica współczynniów załamania rdzenia i płaszcza jest silną funcją długości fali, znacznie szybciej zmienną niż w lasycznym światłowodzie jednomodowym. Odpowiada to, w przybliżeniu, światłowodom jednomodowym o bardzo złożonym profilu refracyjnym i modyfiowanych charaterystyach dyspersyjnych. Dla więszej długości fali pole modowe wnia głębiej w płaszcz, obejmuje swym zasięgiem więszą ilość otworów, i maleje efetywny współczynni załamania płaszcza optycznego. Podobnie ja w światłowodzie o złożonym profilu refracyjnym pole modowe obejmuje olejne warstwy refracyjne, odczytując inną efetywną wartość refracji ośroda. Obliczenia numeryczne wsazują [.05], że tai światłowód dziurawy typu refracyjnego może być bez przerwy jednomodowy dla całego zaresu przezroczystości, przy niewieliej średnicy otworów w płaszczu optycznym. Oznacza to, że możliwe będzie badanie światłowodów dziurawych dla dwóch srajnych wartości efetywnego pola modu bardzo dużych i bardzo małych. Duże efetywne wartości pola modu w światłowodzie dziurawym oznaczają możliwość transmisji relatywnie dużych mocy w modzie podstawowym bez zbliżania się do poziomu zjawis nieliniowych. Małe efetywne pola modu w taim samym światłowodzie dziurawym oznaczają relatywnie nisie poziomy mocy optycznej induującej optyczne zjawisa nieliniowe. Na rys.1.. przedstawiono schematycznie jedno i dwuwymiarowy obraz profilu refracyjnego strutury rdzenia i płaszcza optycznego obu rodzajów światłowodów dziurawych. Od czasu zaproponowania materiału z fotoniczną przerwą zabronioną na światłowody [.04] opracowano ila modeli opisujących fotoniczny i refracyjny mechanizm propagacji. Najbardziej oczywistym rozwiązaniem była adaptacja znanego wcześniej [1.14] modelu efetywnego współczynnia załamania [1.18,1.8]. Światłowód dziurawy jest aprosymowany włónem o soowym profilu refracyjnym. Refracja płaszcza włóna soowego jest równa efetywnemu współczynniowi załamania płaszcza optycznego światłowodu dziurawego. Efetywny współczynni załamania oblicza się sumując objętość pustej przestrzeni apilar dla jednostowej objętości szła w analizowanej warstwie walcowej i odnosząc stosune objętości do refracji materiału włóna. Model nie uwzględnia zależności refracyjnej n(x,y)=n(r,) a jedynie załada zależność n(r) w płaszczu światłowodu dziurawego. Można się spodziewać, że dyspersja i dwójłomność światłowodu dziurawego zależą od rozmiarów i rozmieszczenia otworów [.06]. Adaptacja całowicie wetorowego modelu światłowodu lasycznego [1.34] wymaga wprowadzenia w postaci funcyjnej dowolnego profilu refracyjnego n(x,y) i pozwala na przewidywanie właściwości modowych światłowodu dziurawego o periodycznym rozładzie współczynnia załamania. Pola modowe i profil są rozładane na sładowe fale płasie. Aperiodyczny rozład napotya w tym modelu na trudności obliczeniowe wyniające z onieczności uwzględniania wielu wyrazów rozwinięcia pól modowych i onieczność slejania więszych obszarów z mniejszych przy pomocy warunów brzegowych. Model salarny z zastosowaniem funcji Hermita-Gaussa (HG) do opisu pól modowych [.1,.15] oraz funcji trygonometrycznych i HG do opisu właściwości refracyjnych jest bardziej efetywny, gdyż nie wymaga deompozycji pól na sładowe fale płasie, oraz szeregi funcyjne są szybo zbieżne, więc znaczna doładność obliczeń uzysiwana jest przy pomocy niezbyt dużej liczby wyrazów rozwinięć [.18]. Załada się, że światłowód dziurawy jest jednorodny w ierunu propagacji z i w onsewencji modowe pole eletryczne może być rozdzielone na dwie sładowe poprzeczne e x, e y i sładową wzdłużną e z. E(x,y,z)=[e xx+e yy+e z(x,y)z]exp(jβz). (1.5) 73

74 Wprowadzając rozwiązanie zastępcze do wetorowego równania falowego otrzymuje się dwa równania sprzężone, tóre spełniają poprzeczne sładowe pól (poniżej zapisano jedno z nich) [ ( n) ] E ( / x)( E ln n / x E ln n / y). (1.53) x x Gdy dziuri są niewielich rozmiarów, można zastosować przybliżenie salarne E x=e y=e(x,y), ( n ) E 0. Długość fali, do tórej można stosować przybliżenie salarne zależy od geometrii włóna dziurawego i maleje wraz ze wzrostem sumarycznej powierzchni otworów w przeroju poprzecznym światłowodu. Ocenę doładności przybliżenia salarnego można doonać obliczając wartość prawej strony wetorowego równania falowego dla onretnej geometrii światłowodu. W pratyce, np. dla r=,5m, doładność przybliżenia salarnego zaczyna gwałtownie maleć dla r/a>0,5 [.1]. y Rys.1.. Dwa fundamentalne rodzaje światłowodów dziurawych: dwie fotografie z lewej - rdzenie o różnych średnicach z fotoniczną przerwą zabronioną (sieć otworów periodyczna, pojedynczy defet sieci, 1=13,6, =30,5m, C min=0,, tutaj a 1=0,9m, a =,3m, C 0,3), fotografia z prawej prowadzenie fali w masimum efetywnego współczynnia załamania, nie spełniony warune ryształu fotonicznego, 3=38m, a 3=1,4m, C=0,15. Poniżej przedstawiono sieciowy hesagonalno - orągły rozład współczynnia załamania w rdzeniu oraz obliczony profil pola modu podstawowego. Światłowody wytworzone przez autora w OBPŚ HS Biaglass. Średnica zewnętrzna włóien 15m, długości próbe L f=100m. Zdjęcia poazują powięszony obszar prowadzenia fali światłowodów dziurawych obejmujący rdzeń, płaszcz dziurawy i płaszcz technologiczny. Rozwiązanie równania falowego wymaga założenia próbnego funcyjnego rozładu pola i profilu refracyjnego. Od sposobu rozładu zależy metoda analizy. Pole modowe i profil refracyjny są rozwijane jao E C 1 ij i, j0 E ( x) ( y) x i j, n ( x, y) C C3 Ciji ( x) j ( y) Dij i, j0 i, j0 cos(ix / l)cos( jy / l) (1.54) i 4 Ortonormalne funcje HG są x) [ 1/ /((i)! w ) 1/ ]exp( x / w ) H ( x/ w ), (1.55) i ( i gdzie H i wielomian Hermita i-tego rzędu, tutaj wyorzystywane tylo rzędu parzystego, gdyż profile modowe w hesagonalnym światłowodzie dziurawym są taże symetryczne, C i ograniczenie 74

75 sumowania, C i+1 liczba członów rozwinięcia, l poprzeczna rozciągłość obszaru rdzenia i płaszcza światłowodu dziurawego. W celu modelowania światłowodu dziurawego o asymetrycznym profilu refracyjnym i oceny odcięcia modów drugiego rzędu, onieczne jest uwzględnienie w rozwinięciu nieparzystych funcji H i. Wówczas jedna sładowe x oraz y w równaniu falowym nie mogą być rozdzielone wprost. Rozwinięcia funcyjne pola modowego i refracyjnego są wprowadzane do salarnego równania falowego i całość jest całowana w płaszczyźnie (x,y). W wyniu otrzymywane jest równanie własne (charaterystyczne) światłowodu dziurawego [.1] w postaci macierzowej zależności pomiędzy wetorem własnym współczynniów rozwinięcia pól modowych E ij a modowymi stałymi propagacji β. Rozwiązanie równania własnego dla oreślonej długości fali daje rozład pola modowego i stałe propagacji. Macierz własna posiada rozmiar C 1 *C 1, a więc rozmiar nie zależy od C oraz C 3. Rozwiązaniem jest C 1 wartości własnych z odpowiadającymi im wetorami własnymi. Prowadzone mody fizyczne muszą spełniać warune n eff<β<n szła. Na rys.1.. przedstawiono obliczony profil natężenia pola modu (ontury co db) na tle refracyjnej sieci hesagonalnej, dla =633nm, C=r/a=0,15 dla światłowodu dziurawego o refracyjnym mechanizmie propagacji poazanego na fotografii z prawej strony rys.1.. Dla więszych długości fali pole wnia głębiej w dziurawy płaszcz obejmując swoim zasięgiem olejne pierścienie otworów. Dla =1300nm analogicznie obliczone ontury pola obejmują trzy pierścienie otworów. Ostatni ontur narysowano dla poziomu mocy 14dB względem mocy masymalnej w środu rdzenia. Kształt pola modu odwzorowuje hesagonalny ształt efetywnego profilu refracyjnego. Dla =1600nm pole obejmuje onturem 14dB czwarty pierścień otworów. Przy zbyt małej ilości pierścieni otworów mod staje się upływowy, jeśli pole zaczyna wniać zbyt głęboo w nie dziurowany bufor optyczny. Dla mniejszej długości fali centralna część pola modu posiada bardziej orągły ształt. Funcje HG posiadają charater zloalizowany i dobrze odwzorowują obiety zloalizowane a źle periodyczne. Funcje HG we wzorach na pole i refrację różnią się tylo argumentami w nazywanymi szeroością charaterystyczną funcji HG. Dla funcji E(x,y) szeroość charaterystyczną przyjmuje się jao w e= a/, gdzie a separacja między otworami, so siati refracyjnej. Dla funcji n (x,y) szeroość charaterystyczną przyjmuje się esperymentalnie ta, aby odwzorowanie profilu refracyjnego było najlepsze dla danego uładu otworów. W pratyce oznacza to w n=r/, czyli w e/w n=a/r. Wybór refracyjnej szeroości charaterystycznej w n proporcjonalnej do r (promień defetu) a nie do a oznacza szybszą zbieżność szeregu opisującego defet refracyjny. Rdzeń jest formowany poprzez nieobecność jednej dziuri, więc stała siati a definiuje jednoznacznie wymiar rdzenia. Dwa człony rozwinięcia profilu refracyjnego oznaczają rdzeniowy defet refracyjny podwyższający efetywny współczynni załamania (funcje zloalizowane HG) oraz periodyczną sieć refracyjną (funcje trygonometryczne). Pole modu i defet refracyjny opisane są taim samym szeregiem funcji HG o różnej (lub tej samej, jeśli w e=w n) szeroości charaterystycznej. Współczynnii rozwinięcia profilu refracyjnego C ij oraz D ij są obliczane jednorazowo dla ażdej strutury światłowodu dziurawego poprzez obliczenie całe porywania się szeregu trygonometrycznego z periodycznym płaszczem optycznym oraz szeregu funcji HG z centralnym defetem refracyjnym. Liczba wyrazów rozwinięcia profilu refracyjnego C i (dla i=,3) zależy od parametrów sieci. Dla małych wartości r (małe otwory względem odstępów między nimi) jest więsza ponieważ do odwzorowania onieczne są wyższe częstotliwości funcji trygonometrycznych [1.14,1.]. Z obliczeń profilu modowego wynia że, w porównaniu do jednomodowych światłowodów lasycznych, efetywna powierzchnia modu A eff (lub promień Petermana pola modu) światłowodu dziurawego zmienia się w znacznie szerszych granicach i może być efetywniej modelowana poprzez dobór geometrii włóna, głównie stałej sieci refracyjnej a definiującej jednocześnie wymiar rdzenia. Zmniejszanie wartości r powoduje zwięszenie pola efetywnego i odpowiada zmniejszeniu efetywnej wartości apertury numerycznej światłowodu. Duże pole efetywne jest poszuiwane w światłowodach jednomodowych w celu umożliwienia transmisji dużej mocy i uninięcia optycznych zjawis nieliniowych. Minimalna wartość pola efetywnego jest niezbędna w światłowodach nieliniowych. Poprzez zmianę warunów technologicznych wytwarzania światłowodu dziurawego, w ciągu tego samego procesu, autor był w stanie zmieniać pole efetywne o rząd wielości. Dobór procesu zwięsza ten zares do ponad dwóch rzędów wielości. Minimalne pole efetywne było rzędu pojedynczych m, masymalne rzędu iluset m. Definicja A eff jest analogiczna ja dla światłowodów lasycznych (1.37), (1.38), (1.41) z tym, że całowanie odbywa się nie po 75

76 współrzędnej radialnej (r) a dwurotnie po współrzędnych prostoątnych (x,y). Całowane modowe pole eletryczne wyrażone jest poprzez przedstawioną powyżej reprezentację funcyjną HG, co prowadzi do zależności C1 C1 Eij] / A l i, j 0 l 0 A [ w (1.56) eff gdzie A l funcje współczynniów pola E ij. Dla porównania, pole efetywne modu, tóre w lasycznym teleomuniacyjnym światłowodzie jednomodowym wynosi o. 100m a w światłowodzie przesuniętym dyspersyjnie o. 40m, w światłowodzie dziurawym można, stosunowo łatwo, technologicznie zmieniać w zaresie 5-500m. Tabela 3. Przyładowe, wybrane wymiary światłowodów dziurawych zrealizowanych pratycznie. # włóno rys.19 rys.0 a [m] r/a A eff [m ] # włóno a [m] r/a A eff [m ] 1: 3a 0,75 0,45 1,3 : a 0,75 0,4 1, , : 1a 0,75 0,35, , : 0,9 0,3 3, , : 8a 1,4 0,15 3, , : 1,8 0,5 4,7 15 0,05 0 7:,3 0,15 9,4 5 0, :,3 0,3 7, , : 5a 3, 0, , , : 8 5 0, , W tabeli 3 podano obliczone przez autora wymiary periodycznej siati refracyjnej płaszcza światłowodu oniecznej do uzysania szeregu wartości A eff dla =1,5m. W tabelce umieszczono taże dane dla wytworzonych światłowodów dziurawych przedstawionych na fotografiach. Dla więszych wartości parametru sieci refracyjnej a zwięszają się straty zgięciowe S R i mirozgięciowe S R światłowodu dziurawego. Promień minimalnego zgięcia, poniżej tórego straty wzrastają esponencjalnie spełnia zależność r b min ~a 3 [5.1,7.10]. Na rys.1.3. i 1.4. poazano, obliczone według powyżej przedstawionego modelu, wartości pola efetywnego modu dla przypadów estremalnych możliwości realizacji technologicznych światłowodu dziurawego oraz przypadów analogicznych do jednomodowych światłowodów lasycznych przy pomocy autorsiej metody sładania mozaii. Efetywne pole modowe można zmieniać w światłowodzie dziurawym o trzy rzędy wielości (od 1m do tysięcy m ), rys.1.3., 1.4., zares niedostępny światłowodom lasycznym. Obliczenia przeprowadzono dla trzech grup światłowodów o polach efetywnych w następujących zaresach wartości: pojedyncze m, m oraz ilaset m. Pomiary przeprowadzono dla trzech światłowodów o A eff 3, 50 i 100m dla =1300 i 1500nm. W światłowodzie dziurawym o niewieliej zawartości powietrza (światłowód gęsty), co w pratyce oznacza r/a<0,15, i niewielich wartościach a, powierzchnia efetywna modu jest zdeterminowana głównie przez rozmiar rdzenia (zdefiniowany przez a). A eff jest stosunowo słabą funcją długości fali. Pole modowe stosunowo słabo wnia w dziuri. Zmieniając wartość stałej sieci refracyjnej a można otrzymać stosunowo łatwo światłowody o modowym polu efetywnym w zaresie jeden ilaset m. Dla więszych wartości stałej siati refracyjnej, przy małej wartości r/a, wzrastają straty zgięciowe światłowodu dziurawego. 76

77 Rys.1.3. Obliczone efetywne pole modu jao funcja długości fali dla światłowodów dziurawych o realizowalnych technologicznie estremalnych parametrach geometrycznych: dużych otworach małe wartości A eff oraz o dużych separacjach duże wartości A eff (obliczenia własne). Krzywe 1,,3 odnoszą się do lewej sali rzędnych, rzywe 1a,a,3a odnoszą się do sali na prawej osi rzędnych. Przybliżone dane nietórych włóien w tabelce. Dla małych wartości funcji A eff() zmienia się ona szybciej z długością fali propagowaną w światłowodzie. Rys.1.4. Obliczone efetywne pole modu jao funcja długości fali dla światłowodów dziurawych o wartościach A eff porównywalnych ze światłowodami lasycznymi oraz porównanie z wyniami pomiarów włóien optycznych wytworzonych przez autora hybrydową metodą mozaiową (obliczenia i pomiary własne). Krzywe 4-8 odnoszą się do lewej sali rzędnych, rzywe 4a-8a odnoszą się do sali na prawej osi rzędnych. Przybliżone dane włóien w tabelce. Próba 8a odpowiada w przybliżeniu światłowodowi z rys.1.., prawa fotografia. Jeśli stała siati refracyjnej światłowodu dziurawego jest znacznie mniejsza od długości fali propagowanej włónem optycznym (nazwijmy taie światłowody rzadimi) to znaczna część mocy optycznej uloowana jest w powietrzu. W taich warunach rozład pola modowego nie jest ściśle związany o obszarem defetu refracyjnego (rdzenia) i wartość A eff może znacznie przeraczać rozmiar defetu quasi-periodycznej sieci refracyjnej uładu rdzeń płaszcz optyczny. Dużą bezwzględnie wartość A eff można jedna otrzymać tylo dla bardzo małych wartości r lub dużych 77

78 wartości a. Dla teleomuniacyjnego zaresu fal ( nm) i zaresu instrumentalnego ( nm), mimo bardzo małych wartości a, wartość A eff jest też bardzo mała, rzędu pojedynczych m. Można przewidywać, że włóna taie są idealnymi andydatami do zastosowań nieliniowych z wartością A eff modelowaną nawet poniżej 1m. Duże wartości a dają światłowody dziurawe o dużych modowych polach efetywnych. Przy dużej wartości a, im światłowód jest gęstszy, tym bardziej dodatowo wzrasta A eff. Ten dodatowy czynni wzrostu A eff (związany z gęstością światłowodu) jest niezależny od bezwzględnej wartości a. W niewielich otworach światłowodu gęstego zani pola jest proporcjonalnie niewieli i jest ono w stanie penetrować olejne otwory w siatce refracyjnej płaszcza optycznego. Adaptując model mirozgięć światłowodu [5.1,7.10,9.0], obliczono straty zgięciowe dla nietórych światłowodów dziurawych o refracyjnym mechanizmie propagacji, rys.1.5 i 1.6. Zastosowano model efetywnego współczynnia załamania. Stosując ten model można, dla ograniczonej lasy światłowodów dziurawych, zaniedbując np. ątowy rozład właściwości (taże zgięciowych), wprowadzić efetywne wielości apertury numerycznej NA eff, względnego parametru refracyjnego eff. W przypadu częstotliwości znormalizowanej będzie to wielość V eff=() 1/ (ar)( eff) 1/. Ponieważ minimalna wartość a min=r (światłowód dziurawy rzadi), oraz minimalna wartość r min=0 (światłowód dziurawy gęsty), więc efetywna częstotliwość znormalizowana osiąga szczególne wartości V eff(a=r)=rk( eff) 1/, oraz V eff(r 0)=aK( eff) 1/, gdzie K=() 1/. W pierwszym wypadu granicznym właściwości światłowodu dziurawego nie zależą od parametru stałej sieci refracyjnej a, w drugim nie zależą od średnicy otworów r. Podobnie ja pole modowe, oceniana jest dyspersja w światłowodzie dziurawym orzystając z lasycznej całowej definicji prędości grupowej, wymieniając współrzędną radialną na uład prostoątny oraz wstawiając rozwinięcie funcyjne HG pola modowego: v g ( c / )[ E dr / n E dr, C v ( c / ) E / (1.57) g 1 i, j 0 C1 ij B l l 0 gdzie B l funcje współczynniów pola E ij oraz wyrazów z macierzy własnej (całi porywania się pól rzeczywistych i odwzorowania). Obliczenie dyspersji czasu przejścia modu jao funcji długości fali wymaga rozwiązania równania własnego w postaci funcji β() dla onretnej, doonanej raz i tabelaryzowanej, deompozycji strutury światłowodu dziurawego. Gdy dziuri są małe (światłowód dziurawy gęsty) dyspersja materiałowa dominuje nad falowodową. Dla małych otworów, ale powolnym wzroście ich średnicy, przesunięciu ulega zero dyspersji chromatycznej w ierunu więszych długości fal. Wraz ze wzrostem średnicy otworów rola dyspersji falowodowej rośnie, podobnie ja w światłowodzie o złożonym profilu W. Ze wzrostem średnicy otworów rośnie taże całowita wartość dyspersji, co jest spowodowane bardzo dużą różnicą współczynniów załamania pomiędzy otworem i szłem. Na rys.1.7. przedstawiono obliczone zależności dyspersji światłowodu dziurawego w funcji długości fali dla ilu pratycznych, oraz dla ilu estremalnych onstrucji włóien optycznych. Dla znacznej średnicy względnej otworów, powyżej wartości r/a=0,, obserwuje się dyspersję anomalną w zaresie rótszych długości fal <1m. W związu z taim zachowaniem dyspersyjnym światłowodów dziurawych w paśmie poniżej 1m, ten zares falowy może budzić nadzieje na rótofalową transmisję solitonową w ta zaprojetowanych włónach. 78

79 Rys.1.5. Obliczone straty zgięciowe światłowodów dziurawych o propagacji refracyjnej i modelowaniu efetywnym profilem refracyjnym w funcji promienia zgięcia pętli dla różnych wartości stałej a quasiperiodycznej sieci refracyjnej. Dane: =1300nm, r/a=0,15=const, rzywa 1 - a=1,4m, - a=,3m, 3 - a=10m, 4 - a=15m, 5 - a=5m. Obliczenia własne. Rys.1.6. Obliczone straty zgięciowe światłowodów dziurawych o propagacji refracyjnej i modelowaniu efetywnym profilem refracyjnym w funcji efetywnej wartości częstotliwości znormalizowanej, dla różnych wartości znormalizowanej stałej sieci refracyjnej r/a oraz eff. Dane: = nm, dwie pętle włóna, 1), ), 3) r/a=0,05, eff=0,5%, a=,5m, R=10mm, 4), 5). Dla próbi 3) doonano pomiary strat zgięcia dla dwóch wartości Veff. Obliczenia i pomiary własne. Dla stałej siati refracyjnej a=,5m, oraz względnych wymiarów otworów w dziurawym płaszczu r/a 0,14-0,16 występuje, w obszarze spetralnym =1,-1,8m, zjawiso spłaszczenia i przesunięcia charaterystyi dyspersyjnej światłowodu, analogicznie ja w jednomodowych światłowodach typu W. To zachowanie można przesalować w światłowodzie dziurawym dla innych par wartości r/a oraz. Analogia występuje taże w poziomach dyspersji i jej pochodnej. Nachylenie charaterystyi dyspersyjnej w pewnych fragmentach tego obszaru (np. 1,8-1,6m, dla zastosowań transmisyjnych np. w DWDM) może być zreduowane do wartości rzędu dziesiąte fs/m*nm. Reducja lub przeciwnie masymalizacja (ze znaiem plus lub minus) drugiej pochodnej prędości 79

80 grupowej w innych pasmach może mieć na celu budowę światłowodowych elementów ompensacyjnych (loalnych ompensatorów dyspersji) lub optymalizację pasmową dyspersji dla celów budowy innych fotonicznych elementów funcjonalnych i czujniów. Ze względu na występowanie zjawis nieliniowych ja mieszania czterofalowego [1.6,4.34], całowity poziom dyspersji nie powinien być zbyt mały w nietórych transmisyjnych zastosowaniach światłowodów. Wszystie właściwości światłowodu dla ustalonej wartości znormalizowanego promienia otworu r/a są oreślone przez dwie liczby, stałą sieci refracyjnej płaszcza optycznego a oraz długość fali, a w zasadzie przez znormalizowaną długość fali n=/a. Stała sieci refracyjnej jest czynniiem normalizującym (salującym) właściwości światłowodu dziurawego refracyjnego. Dla tych samych wartości znormalizowanej długości fali światłowód dziurawy posiada te same charaterystyi. Innymi słowy dla ażdych dwóch wartości stałej sieci refracyjnej a można znaleźć taie dwie długości fali dla tórych światłowód dziurawy ma właściwości taie same. Sieć refracyjna stanowi o właściwościach falowodowych światłowodu dziurawego a nie dotyczy właściwości materiałowych, tóre są wyłącznie funcją długości fali. Salowanie w przestrzeni wymiaru stałej sieci refracyjnej i długości fali (znormalizowanej długości fali) dotyczy sładowych falowodowych charaterysty światłowodu. Właściwości światłowodu dziurawego z propagacją refracyjną wyniają z silnej zależności różnicy efetywnych współczynniów załamania rdzenia i płaszcza od długości fali, co wynia z obejmowania przez falę o więszej długości olejnych otworów, również rozłożonych przypadowo. Wsute tego maleje wartość efetywnego współczynnia załamania płaszcza. W onsewencji przewiduje się, że nietóre strutury światłowodów dziurawych mogą być wiecznie jednomodowe [.05] niezależnie od długości fali. Wstępne pomiary poazują [.13], że refracyjne światłowody dziurawe propagują mody liniowo spolaryzowane LP. Projetując światłowód dziurawy onieczne jest przewidzenie ile pierścieni otworów obejmie pole modu podstawowego dla danej długości fali aby uninąć znacznych strat upływowych. Inną onsewencją geometrii jest, że znaczna część mocy optycznej w światłowodzie dziurawym jest propagowana w otworach. Ruri apilarne nie muszą być oniecznie wypełnione powietrzem. Wypełniając je nieliniowym ośrodiem optycznym (np. ciełym ryształem) można otrzymać światłowód nieliniowy. Wypełniając je ośrodiem badanym światłowód dziurawy spełnia rolę spetrosopu z polem zaniającym. 80

81 Rys.1.7. Obliczona dyspersja czasu grupowego przejścia impulsu, i jej pochodna względem długości fali, w światłowodzie dziurawym dla r/a=0,05, 0,1, 0,14, 0,15, 0,16, 0,175, 0,, 0,5, a=,5m, pochodna dla r/a=0,14 0,17, a 1μm. Obliczenia własne. Światłowody dziurawe o refracyjnym i fotonicznym mechanizmie propagacji są absolutnym przebojem technii światłowodowej ostatnich trzech lat [.04.06,.08.4] Wiele spraw teoretycznych pozostaje nie wyjaśnionych, nie opanowana jest standardowa technologia włóien o więszej długości, wymagają opracowania metody instrumentalne i pomiarowe (np. łączenie ze światłowodami lasycznymi). Kieruni badawcze i pytania, a ażde z nich może być przedmiotem rozprawy dotorsiej, są następujące: budowa pełnego modelu falowego, wyjaśnienie esperymentalne właściwości wiecznej jednomodowości światłowodów i ewntualnie warunów powstawania modów wyższego rzędu, salowanie światłowodów do zaresu długości fal, światłowody bardzo dużej mocy dla daleiej podczerwieni, atywne światłowody dziurawe a szczególnie lasery na taich światłowodach, dziurawe światłowody nieliniowe dla bardzo nisich poziomów mocy optycznej, światłowody dziurawe z wielorotną siatą Bragga, światłowody anizotropowe dwójłomne, transmisja solitonowa w paśmie rótofalowym, przypadowy i założony statystycznie rozład otworów w refracyjnej sieci fotonicznej, światłowody dziurawe niepuste, ile masymalnie mocy optycznej można umieścić w powietrzu czy nawet powyżej 30%, zagadnienie unilateralności optycznej przy mechanizmie propagacji fotonicznej, zależność fotonicznej przerwy zabronionej i efetywność loalizacji defetów wewnątrz przerwy od strutury światłowodu. Tym milej jest autorowi niniejszej rozprawy zaprezentować nietóre z powyższych własnych wyniów badawczych nad światłowodami dziurawymi po raz pierwszy, łącznie z wstępnie opanowaną technologią ich wytwarzania jao w jednym z zaledwie ilu ośrodów na świecie. Tym milej jest autorowi zaprosić młodych nauowców, zainteresowanych fotonią światłowodową, do współpracy nad wyżej wymienionymi, jeszcze nie rozwiązanymi, znaomitymi tematami badawczymi, o mocnym podłożu inżyniersim i apliacyjnym Światłowody z rdzeniem ciełorystalicznym Wybór nematycznego ciełego ryształu o małej dwójłomności na rdzeń światłowodu (taże na płaszcz) spowodowany jest trzema przyczynami: znacznym zwięszeniem drogi interacji fali świetlnej w ciełym rysztale (tóra jest zwyle róta, gdyż ryształ jest umieszczony pomiędzy płytami szlanymi), eliminacja elementów optyi objętościowej (na orzyść realizacji całego urządzenia w postaci światłowodu) oraz bardzo duża czułość ciełych ryształów na pola zewnętrzne. Cieły ryształ jest pompowany do apilary warcowej o mirometrowych średnicach wewnętrznych. Możliwe są trzy rodzaje uporządowania ciełego ryształu w apilarze rdzeniowej oreślone przez strutury ustawienia diretora: planarna, radialna i osiowa. Rozwiązanie zagadnienia własnego 81

82 prowadzi do uładu równań Hondros Debay a [7.4]. Stała propagacji jest wielością zespoloną o postaci β=β r+iβ j opisującą mody prowadzone i upływowe. Efetywny współczynni załamania oraz współczynni strat dla modów TE i TM są wyrażone zależnościami: n eff=β r/, =-β i. Na rys.1.8. przedstawiono wybrane obliczone i zmierzone charaterystyi światłowodów ciełorystalicznych [7.3]. Współczynnii załamania ciełego ryształu były n e=1,56 wzdłuż osi moleuł, n o=1,486 poprzecznie do osi moleuł, a apertury numeryczne taiego światłowodu, odpowiednio dla n e i n o oraz r=3m, wynosiły NA e 0,5, NA o 0,1. Mod TE 01 jest prowadzony bezstratnie, 1(r)=0. Mody TM są upływowe. Wartości współczynniów strat (r) oraz 3(r) dla małych wartości r są znaczne. TM stają się modami prowadzonymi dla więszych wartości promienia rdzenia r, co poazują malejące do zera wartości i(r). Mody TE i TM ulegają onwergencji (degeneracji) dla więszych wymiarów rdzenia. Z pomiarów apertury numerycznej NA=(n o(e) -n eff ) 1/ można wywniosować rodzaj uporządowania ciełego ryształu w apilarze rdzeniowej. Tutaj przeważa strutura planarna. Poddając światłowód ciełorystaliczny działaniu zmiennego i stałego pola eletrycznego otrzymano charaterystyi NA 1 n(r n) oraz I n(e). Reorientacja moleuł ciełego ryształu w rdzeniu, tóra powoduje zmiany zarówno współczynnia załamania, osi dwójłomności, apertury numerycznej ja i strat, opisana jest równaniami Eulera-Lagrange a, tutaj przedstawionymi w geometrii planarnej [7.4]: (1.58) ( / x )( K 33 cos K sin ) 0,5( / x) ( K K )sin ( / y ) K n n (( E E E E o * x z * x z cos ( E z E x )sin ) 0 gdzie: K ii-są stałymi elastycznymi trzech rodzajów odształcenia, 1-pochylenie, -sręcenie, 3- zarzywienie. n=n e-n o, -ąt pomiędzy diretorem i osią x. Tensor współczynnia załamania posiada następujące wyrazy (tutaj zapisane liniowo) [n ]=[a 11,a 1...a 33]= [n o+n cos ; 0; n sincos; 0; n o; 0; n sincos; 0; n o+n sin ]. Rys.1.8. Ułożenie moleuł ciełego ryształu w rdzeniu światłowodu, od góry planarne, radialne i osiowe. Efetywny współczynni załamania n eff(r) i współczynni strat (r) w funcji promienia rdzenia r; 1 - TE 01, TM 01, =90 o, 3 TM 01, =0 o, - ąt pomiędzy diretorem i osią symetrii; NA n(r n,e) rozład pola daleiego jao miary zależności apertury numerycznej od zewnętrznego pola eletrycznego, E 0=0V/m, E 1=0,V/m; I n(e) znormalizowana transmisja światła w światłowodzie ciełorystalicznym w funcji zewnętrznego pola eletrycznego. [7.3]. Propagowana światłowodem ciełorystalicznym fala świetlna modyfiuje współczynni załamania i mechanizm ten nazywany jest nieliniowością orientacyjną. Anizotropia ciełego ryształu jest stosunowo duża, może wynosić n 0,8, więc zmiana orientacji moleuł, wywołana czynniiem 8

83 zewnętrznym, powoduje bardzo duże zmiany efetywnego współczynnia załamania rdzenia światłowodu. Problemami technicznymi podczas orzystania ze światłowodów ciełorystalicznych są: napełnianie mirometrowych apilar ciełym ryształem, łączenie światłowodu ciełorystalicznego z lasycznym światłowodem jednomodowym w celach pomiarowych i apliacyjnych. Możliwe jest wytwarzanie jedynie rótich odcinów taiego światłowodu Światłowody przewężone, dwustożowe Światłowody jednomodowe uformowane w stożowe przewężenie są podstawą do onstrucji szeregu światłowodowych elementów funcjonalnych ja: sprzęgaczy, ontrolerów polaryzacji, czujniów [ , , ,]. Stożowy ształt jest otrzymywany przez ogrzewanie odcina światłowodu do puntu mięnięcia i powolne wyciąganie w celu osiągnięcia odpowiedniego ształtu przewężenia. Reducja średnicy powoduje zmniejszenie loalnej wartości częstotliwości znormalizowanej V i rozład pola modu zmienia się na coraz szerszy, aż w ońcu prawie cała moc propagowana jest w płaszczu. Jeśli światło transmitowane przez przewężenie światłowodowe jest monitorowane podczas wyciągania to obserwuje się szereg masimów i minimów transmisji, łącznie z osiągnięciem wartości zerowej. Te właściwości oscylacji mocy optycznej oraz zależność oscylacji od długości przewężenia, wartości współczynnia załamania ośroda otaczającego przewężenie i długości fali stanowią mechanizm działania wymienionych elementów. Przewężenie światłowodowe modelowane jest metodą schodową, rys.1.9. Wyróżnione są trzy regiony: zbieżny stoże, talia o stałej średnicy i rozbieżny stoże. Dodatowo wyróżnia się trzy regiony w światłowodzie jednomodowym, gdzie V<,405, V c, V c(z) >1 oraz V c(z)<1. Wraz z maleniem V c pole modu wnia głębiej w płaszcz.. Średnica pola modu d wzrasta z maleniem średnicy rdzenia r i funcja stosunu tych dwóch wielości zależy jedynie od V zgodnie z przybliżoną (do o. 1%) zależnością d/a=0,65+1,619v -3/ +,879V -6 [1.14,1.]. Dla wartości,4>v c>1 na proces rozszerzania pola modu mają wpływ dwa przeciwstawne procesy wzrastająca dyfracja w malejącym rdzeniu d=/n 1w o (w o- gaussowsa średnica pola modu w rdzeniu) oraz uwiązanie modu przez granicę rdzeń płaszcz c=() 1/. Rozszerzenie pola modowego jest minimalne jeśli te dwa efety są porównywalne, co ma miejsce dla częstotliwości znormalizowanej V c. Dalsze zmniejszanie średnicy stoża powoduje dyfracyjne rozszerzenie pola modu i dla wartości V c<1 granica płaszcz-rdzeń przestaje mieć wpływ na propagację fali w światłowodzie. Światło jest prowadzone przez granicę zewnętrzną płaszcz powietrze. W tych warunach rdzeń może posiadać średnicę poniżej 1m (dla światłowodów o rdzeniu rzędu 5m) i jego rola może być pominięta. Ten rejon posiada długość równą sumie długości tych części obu stożów, dla tórych V c<1 oraz długości talii z c=z s1+z s+z t. Loalne wartości częstotliwości znormalizowanej numerycznej wynoszą: V c=(/)r o(n 1 -n ) 1/, V p=(/)r(z)(n p -n zew ) 1/, gdzie r o- początowy promień rdzenia, r(z) promień światłowodu w obszarze V c<1, r i promienie rdzenia w schodu i-tym przewężenia, n 1, n, n zewwspółczynni refracji rdzenia, płaszcza i obszaru zewnętrznego (powietrze, płyn immersyjny, polimer). W obszarze V c<1 propagacją fali rządzi wartość V p, gdyż w taich warunach dla typowego światłowodu jednomodowego tylo 6% mocy pozostaje w rdzeniu (dla V=,4-86%). Wartość V p jest znaczna (rzędu dla =0,633), gdyż talia posiada średnicę iludziesięciu m (np. 0m), a wartość n=n p-n zew też jest znaczna. Światłowód przewężany w obszarze V c<1 jest wielomodowy. Mod podstawowy rdzenia ulega transformacji w mod podstawowy płaszcza w miejscu stoża zbieżnego gdzie V c 1, podlega mieszaniu z innymi modami w dalszej części stoża zbieżnego, talii i części stoża rozbieżnego oraz ulega ponownej transformacji z modu podstawowego płaszcza na mod podstawowy rdzenia. Pozostałe mody, powstałe w wyniu mieszania, pozostają płaszczowe. Proces mieszania modów w najcieńszej części przewężenia (V c<1) i talii jest bardzo czuły na oddziaływania zewnętrzne ja wygięcia, drgania, zmiany zewnętrznego współczynnia załamania. Najprostszy model sprzęgania modów załada liniową zbieżność/rozbieżność przewężenia, wówczas można aprosymować obszar jao fragmentami liniowy, zawierający M odcinów o różnych średnicach. Załadając, że mody są w światłowodzie i przewężeniu liniowo spolaryzowane tzn. opisane jao LP, wartości argumentów funcji falowych i częstotliwość znormalizowana przyjmują następującą postać: U i nm=r i( n -β i nm ) 1/, W i nm=r i(β i nm - n zew ), V i=r i(n 1 -n zew ) 1/, gdzie β i nm- stała propagacji nm-tego modu w stopniu i-tym stoża 83

84 światłowodowego o średnicy r i. Argument oresowej funcji Bessela U można otrzymać rozwiązując równanie własne światłowodu dla tórego przyjęto wartość współczynnia załamania rdzenia jao n, wartość współczynnia załamania płaszcza jao n zew oraz średnicę rdzenia jao r i. W pratyce parametr U oblicza się z zależności asymptotycznych obowiązujących dla dużych wartości V [1.18] U i =,405e -1/Vi dla LP 01, U i =3,83e -1/Vi dla LP 11, U i =5,135e -1/Vi dla LP 1, itd. Zaniedbując odbicia na granicy stopni, można zapisać równanie ciągłości w postaci n0 m1 a i nm E i nm ( r, ) e i j nm zi p0 q1 b i1 pq E i1 pq ( r, ) e j i1 i pq z ( r, ), i=1,,... (1.59) E i nm i i i ( r, ) A J ( U r / r ) cosn dla r r i, E A K ( W r / r ) cosn dla r>r i, (1.60) nm n nm i nm gdzie, (r, φ) - pole promieniowania przewężenia, a i nm amplituda modu w stopniu i-tym przewężenia światłowodowego, b pq amplituda modu w stopniu i+1 przewężenia, E nm znormalizowana funcja własna modu LP nm, A nm- współczynni normalizujący. Wyorzystując ortogonalność modów otrzymuje się wyrażenie na amplitudy modów w schodu i+1 w postaci nm n nm i n0 m1 a e i j nmz nm i i C nmpq b i1 pq e i i nm j z i1 Cnmpq Epq ( r, ) rdrd, C nmpq 0 tylo dla n=p, (1.61) 0 0 gdzie C nmpq jest amplitudowym współczynniiem sprzężenia pomiędzy modem LP nm w i-tym schodu stoża oraz modem LP pq w schodu i+1. Dla z=z o (lub 0, jeśli z o=0) moc optyczna z modu podstawowego rdzenia światłowodu tworzącego stoże 1 LP 01 r1 transformuje się do modu podstawowego LP 01 p płaszcza. Mod LP 01 p może sprzęgać się, zgodnie z wartością C nmpq, tylo z modami LP oqp. Dla z=z 1+z +L moc pozostała w tym miejscu w modzie LP 01 p jest sprzęgana z powrotem do modu LP 01 r rdzenia światłowodu tworzącego stoże. Moc pozostająca w tym miejscu w płaszczu w innych modach staje się radiacyjna i jest tracona. Optymalizacja budowy światłowodu przewężonego i wyorzystania go do onstrucji sprzęgacza polega na minimalizacji mocy traconej i zwięszeniu efetywności powrotnej onwersji modów płaszcza w mod podstawowy rdzenia. 84

85 Rys.1.9. Światłowód przewężony, jego model schodowy do analizy i wybrane charaterystyi obliczone i zmierzone. Dane włóien: I P -długość rejonu o V c<1 l wm=15mm, długość talii l t=,5mm, standardowa średnica zewnętrzna włóna 15m, średnica rdzenia r=4,5m, n 1=1,464, n =1,460, 1=633nm, =1,3m, II średnica rdzenia 9,5m; Charaterystyi: 1 i -T(L P) obliczona i zmierzona transmisja T w funcji długości przewężenia L P dla światłowodu I, 3 i 4 T() Obliczone charaterystyi transmisji w funcji ąta wygięcia przewężenia dla światłowodu I i długości fali i 1; 5- r(z) zmierzony profil geometryczny przewężenia światłowodu I; 6 C(L c) - zmierzony współczynni sprzężenia w funcji długości wydłużenia w czasie wyciągania przewężenia dla dwóch światłowodów II; S() zmierzona rodzina charaterysty spetralnych sprzężenia szeroopasmowych sprzęgaczy przewężanych (dwustożowych) optymalizowanych na pasmo 1,3-1,5m; W P() zmierzona rodzina charaterysty podziału mocy w przewężanych sprzęgaczach 3dB; T n() zmierzona rodzina charaterysty spetralnych transmisji przewężanych multipleserów, optymalizowanych na pasmo 1,3-1,5m; Jeśli światłowód przewężony jest zarzywiony o ąt to do oreślenia jego charaterysty transmisyjnych można również zastosować model schodowy. Secje i oraz i+1 są połączone ze sobą pod ątem ψ=/n (N-całowita liczba secji schodowych). Talia przewężenia jest taże wygięta, więc modelowana jest również przy pomocy schodów o tej samej średnicy ale połączonych również pod niewielimi ątami ψ=/n, jeśli N jest dostatecznie duże. Równanie ciągłości jest w regionie wygięcia włóna stożowego następującej postaci [7.10] n0 m1 a i nm E i nm ( r, ) e i j nm zi e i j nm x sin p0 q1 b i1 pq E i1 pq ( r, ) e j i1 i pq z ( r, ), (1.6) Równanie to przechodzi w równanie światłowodu prostego jeśli ψ=0. Długość światłowodu przewężanego jest np. 10mm, ilość secji N=0-50, ąt wygięcia niewieli w zaresie =1 10 o, ąt połączenia secji ψ jest bardzo mały i można zastosować przybliżenie ψ sinψ, x=rcosφ, czyli 85

86 xsinψ=rψcosφ. Rozładając czynni esponencjalny związany z wygięciem w szereg funcji Bessela i stosując przybliżenie związane z małą wartością ąta ψ, otrzymuje się j r cos e nm i J ( r o nm ) 1 ( j) i i J ( r )cos J ( r nm o nm i jj ( r )cos. 1.63) Wstawiając ten rozład do równania ciągłości przewężonego światłowodu zgiętego, oraz orzystając z ortogonalności modów otrzymuje się zależność na amplitudy modów w secji i+1 (1.64) 1 nm b i1 pq e i1 i j pq z n0 m1 a i nm e i i j nmz C nmpq, Cnmpq 0 0 E i nm E i1 pq [ J o i i ( r ) jj ( r )cos] rdrd nm 1 nm gdzie, C ψ nmpq jest współczynniiem sprzężenia pomiędzy modem wejściowym nm oraz modem wyjściowym pq w przypadu obecności wygięcia. Reguła wyboru dla mieszania modów jest C ψ nmpq 0 dla n=p lub n=p1, w innych przypadach C ψ nmpq=0. Na początu wąsiej części przewężenia, gdzie V c<1, pobudzony jest wyłącznie mod LP 01, więc w przypadu rozpoczęcia wygięcia, następuje mieszanie modów LP 0m oraz LP 1q. Na ażdym połączeniu secji pod ątem ψ następuje sprzęganie modów pomiędzy LP nm oraz LP nq lub LP n1q. Poza częścią przewężenia wygiętą i podzieloną na N secji połączonych pod ątem sprzężenie między modami następuje jedynie, gdy n=p. Dla z=z 1+z +L jedynie moc obecna w modzie płaszczowym LP 01 ulega transformacji w podstawowy mod rdzeniowy. Na rys.1.9. przedstawiono wynii obliczeń i pomiarów zachowania transmisyjnego ilu próbe światłowodów przewężonych prostych i ze zgięciem. Dane światłowodów onieczne do obliczeń są następujące: średnica rdzenia, wartości współczynniów załamania rdzenia i płaszcza oraz profil przewężenia, włączając w to długość obszaru dla V c<1 oraz długość i średnicę talii. W obliczeniach uwzględniono ila modów LP 0m najniższego rzędu (01, 0, 03, 11, 1). Moc optyczna w modzie podstawowym, charaterystyi T(L P), flutuuje w granicach o. 10% z powodu mieszania modów. Dla małych ątów wygięcia mieszanie występuje głównie pomiędzy LP 01 i LP 11, charaterystyi T(). Gdy moc w modzie podstawowym jest minimalna to moc w płaszczu jest masymalna. Moc w modzie LP 11 i modach wyższego rzędu płaszcza nie jest sprzężona z modem podstawowym w obszarze przewężenia w tórym V c>1. Minimum na rzywej transmisji przewężonego światłowodu wygiętego występuje dla o. 4 o. Zwięszenie długości fali z 633 na 1300 nm powoduje zmniejszenie zmian transmisji i przesunięcie minimum w ierunu więszych ątów. Z charaterysty transmisyjnych wygiętego światłowodu przewężonego wyraźnie widać, że przyczyną flutuacji jest sprzężenie modów. Ilościowy charater tego sprzężenia jest zależny od rodzaju przewężenia, jego charateru funcyjnego. Funcję można wprowadzić, do opisanego powyżej modelu, poprzez secyjną aprosymację schodową. Zbyt gwałtowne zmiany średnicy prowadzą na ogół do zwięszonych strat przewężenia. Doładność modelu maleje ze wzrostem ąta wygięcia światłowodu, gdyż wówczas trzeba wziąć pod uwagę więcej modów oraz nie obowiązuje przybliżenie LP. Zaproponowany model analizy transmisji w statycznie wygiętym przewężeniu można rozszerzyć na drgania przewężenia. Powierzchniowa fala austyczna o częstotliwości f a i długości a rozprzestrzenia się w przewężeniu światłowodowym o średnicy talii r t (rzędu 10 m) z prędością austyczną v a a=(r tv a/f a) 1/. Droga dudnienia modów LP 01 i LP 11 w talii wynosi L B=55,n r t/. Jeśli L B a to występuje rezonans optyczno austyczny i od intensywności fali austycznej zależy transmisja przewężenia. Element tai jest sutecznym tłumiiem regulowanym o zaresie o. 0-0dB [10.18]. Szereg właściwości światłowodów przewężonych (np. szyba zmienność mocy optycznej na charaterystyce T(), zostało wyorzystanych do budowy elementów funcjonalnych. Światłowód przewężony w pojedynczy stoże jest wyorzystywany jao espander wiązi w elementach z falą zaniającą a taże do polepszenia powietrznego sprzężenia szczelinowego między dwoma światłowodami. Podstawowe zastosowania światłowodów przewężonych to sprzęgacze, multiplesery i filtry. Nietóre ze zmierzonych charaterysty taich elementów przedstawiono na rys.1.9. [10.18]. Na charaterystyce C(L c) odzwierciedlona jest zależność sprzężenia od długości przewężenia. Charaterystya powstaje w czasie wyonywania przewężenia dwóch sręconych włóien. Dla 86

87 pewnych długości przewężenia podział mocy jest po połowie. Każdy inny stosune podziału mocy można otrzymać ontrolując długość przewężenia. Periodyczność charaterystyi sprzężenia C(L c) wynia z zależności mocy w gałęziach jednaowych światłowodów, β=0, P 1(z)=P osin (C oz), P (z)=p ocos (C oz), L cp =P o/c o oresowość transferu energii, współczynni sprzężenia wyrażony przybliżonym wzorem wyniłym z przybliżeń argumentów U i W jao funcji częstotliwości znormalizowanej C o=96n a (1+V -1 ) -1, gdzie V=V c czyli światłowodu wielomodowego o współczynniu załamania rdzenia n równym współczynniowi załamania płaszcza światłowodu wyjściowego. Charaterystyi W P() przedstawiają zmierzone sprzężenie w funcji długości fali. Sprzęgacze były projetowane jao 3dB dla dwóch długości fal z zaresu 1,3m oraz 1,5m. Nachylenie charaterystyi jest rzędu 0,1 0, [%/nm] dla pierwszego 3 db podziału mocy, oraz może być więsze (więsza seletywność spetralna) dla olejnych podziałów, co przedstawia jedna z charaterysty dla 1,5m. W zależności od parametrów przewężenia i rodzaju światłowodów można ształtować szeroość pasma elementu przewężonego, np. sprzęgacza. W najprostszym rozwiązaniu światłowód przewężony jest elementem wąsopasmowym. Stosując w przewężeniu różne światłowody, o niewieliej różnicy średnic rdzenia rzędu 1%, gdzie β 0, moc optyczna wyjściowa jest P 1(z)=(1+(β/C) ) -1/ sin (C +(β/) ) 1/ oraz P (z)=1-p 1(z). Przyładową rodzinę charaterysty taiego przewężenia przedstawiają zmierzone rzywe S(). Nachylenie spetralnej charaterystyi sprzężenia jest o. 10 razy mniejsze niż w poprzednim przypadu i wynosi o. 0,01-0,0 [%/nm]. Straty wtrącenia taich elementów są w granicach 0,1 0,5 db. Dla bardzo dobrych elementów powinny być poniżej 0,1dB. Dla zmierzonych charaterysty na rys.1.9. straty wtrącenia sprzęgaczy przewężonych były w 0,1-0,18dB dla W P() i optymalizacji na s=1,3m oraz w 0,3-0,35dB w przypadu szeroopasmowym s=1,3 i 1,5m. Zmierzone charaterystyi T n() przedstawiają sytuację, gdy przewężenie światłowodowe jest wyciągane do taiej długości przy tórej dla jednej wybranej długości fali 1 sprzężenie jest zerowe C 1=0 oraz dla drugiej wybranej długości fali jest masymalne C =1. Ja widać ze zmierzonych charaterysty seletywność wyboru długości fal jest rzędu iludziesięciu nm i pratycznie osiągalna dysryminacja (izolacja) rzędu 0-30dB dla pojedynczego przewężenia. Szeregowe łączenie nieco wzajemnie odstrojonych przewężeń poprawia te charaterystyi osztem strat wtrącenia. Zwięszenie długości przewężenia zwięsza seletywność spetralną charaterystyi T n() osztem pogorszenia charaterysty polaryzacyjnych Światłowody z siatą Bragga Światłowodowa siata Bragga jest periodyczną zmianą współczynnia załamania światła wzdłuż rdzenia włóna optycznego. Na ażdym oresie siati część fali optycznej jest odbijana wstecz interferując w sposób onstrutywny. Względna zmiana wartości współczynnia załamania n B, ores zmian T B ( lub zares oresów zmian T B jeśli siata jest przestrajana, czyli posiada zmienny ores w pewnym ograniczonym zaresie) i długość siati L B oreślają jednoznacznie zares długości fal podlegających odbiciu B oraz stopień odbicia R B. Technia stosowana do wytwarzania siate polega na naświetleniu włóna optycznego (często podczas jego wyciągania) światłem UV o dostatecznie dużej mocy. Światło UV przechodzi przez masę i na światłowodzie tworzony jest, w sposób impulsowy, prążowy obraz interferencyjny o parametrach siati. W rdzeniu wytwarzane są stałe zmiany struturalne modyfiujące współczynni załamania. W rezultacie powstaje światłowód z siatą Bragga w rdzeniu, z tórego można wytwarzać bierne, bardzo seletywne falowo, elementy funcjonalne. Rozróżniane są dwa typy siate, wytworzone przy pomocy dwóch różnych mechanizmów oddziaływania światła UV na szło: I tworzenie centrów barwnych w procesie fotoczułości, II przebudowa (niszczenie) strutury quasi sieci amorficznej. Zasadniczą różnicą pomiędzy typami jest stabilność typu II w wysoich temperaturach i dla dużych mocy optycznych. Siata typu I może ulec odbarwieniu, podobnie ja centra barwne induowane w światłowodzie promieniowaniem jonizującym [35,46,55,73,98]. Na rys przedstawiono ila uładów pracy światłowodów z siatą Bragga ( ) oraz zmierzone charaterystyi ilu rodzajów taich światłowodów ( ). Odcine światłowodu z 87

88 siatą Bragga pracuje jao bezstratne zwierciadło dla długości fali 1 (3). Demultipleser WDM zbudowany z siate Bragga i sprzęgaczy ze światłowodów przewężonych doonuje seletywnego rozdziału długości fali z magistrali światłowodowej do poszczególnych gałęzi sieci optycznej (1,4). Na magistralę optyczną nałada się dodatową falę nośną 1 oraz doonuje jej estracji, w dowolnym miejscu, przy pomocy cyrulatora i siati Bragga (5). Nachylone do osi światłowodu siati Bragga (1.30.) stosowane są jao onwertery modowe we włónach dwumodowych [9.07] z dopasowanym i obniżonym płaszczem. W lasycznych światłowodach jednomodowych onieczne jest wytworzenie odcina dwumodowego poprzez napromieniowanie światłowodu falą UV i loalne podwyższenie współczynnia załamania. Induowane UV zmiany współczynnia załamania są rzędu n UV 10 - [6.6,6.31,6.3]. Na obu ońcach ta wpisanego w światłowód jednomodowy światłowodu dwu-modowego tworzone są sośne siati Bragga. Pomiędzy siatami następuje sprzęganie modów LP 01 oraz LP 11. Wnęa pomiędzy siatami działa jao bezodbiciowy rezonator F-P, taże jao adiabatyczny sprzęgacz do filtru OADM [6.3]. Jeśli obie siati są wyonane z innego materiału [6.35] lub wnęa rezonansowa pomiędzy siatami jest światłowodem przewężonym [6.30] to można uzysać rozdzielenie wrażliwości termicznej i mechanicznej światłowodu [6.30]. Rozdzielenie wrażliwości było testowane w światłowodach braggowsich z odniesieniem [6.11], dwufalowych [6.13], dwusiatowych z jedną siatą o długim oresie [6.18], polaryzacyjnych [6.15], o dwóch średnicach rdzenia [6.8], dwumateriałowych [6.35]. Odpowiedź spetralna światłowodu braggowsiego z przewężoną wnęą rezonansową posiada podwójne masimum [6.30]. Znormalizowana różnica mocy w obu podpasmach zmienia się liniowo z naprężeniem światłowodu i jest niezależna od temperatury. Doładność pomiaru oceniana jest na 9μ w zaresie 100μ. Poszczególne zmierzone charaterystyi na rys przedstawiają odmienne rodzaje światłowodów Bragga przeznaczonych do różnych zastosowań w systemach transmisyjnych i telemetrycznych oraz elementach funcjonalnych i czujniach światłowodowych. We wzmacniaczach EDFA onieczna jest eliminacja emisji spontanicznej jonów erbu w szle. Dodatowe straty wtrącenia, na poziomie o. ilunastu db, wprowadzane są dla długości fali emisji spontanicznej erbu Er 1530nm, obejmujące zares Er= (6). Filtr tai musi posiadać ja najmniejsze straty już dla 1540nm, nie przeraczające 0,15dB. Na charaterystyi wzmacniacza EDFA może mieć nieorzystny wpływ sprzężenie zwrotne ze wzmacniacza do diody laserowej pompy a taże flutuacje termiczne i zasilania diody. Rezultatem jest niestabilność długości fali i natężenia sygnału wzmacniacza. Poprzez połączenia ilu pomp stabilizowanych światłowodowymi filtrami Bragga dla ilu długości fali otrzymuje się efetywną metodę zwięszenia mocy pompy. Np. połączenia czterech laserów pompujących po 50mW dla długości fal np. 978,5nm 979nm 979,5nm i 980nm daje całowitą optyczną moc pompowania 1W. 88

89 Rys Wybrane podstawowe funcje oraz zmierzone charaterystyi światłowodów z siatą Bragga. Pomiarów omercyjnych światłowodów Bragga (między innymi firm Bragg, Innovative Fibers, itp.) doonano sprzętem reomendowanym przez ITU-T: zestaw Photon Kinetics 500, EG&G CD300; OTDR Siemens K310, Tetronix TFS3030FM, ExfoFCS-100; używano spaware Ericcson FSU-95RTC, Fujiura FSM-30S, Siemens RXS76; Typowa długość siate 10mm dla filtrów i zwierciadeł oraz mm dla siate czujniowych i o długiej stałej rozpraszających w przód, typowa długość światłowodu 1-m; 1),) Transformacja znormalizowanego spetrum falowego ITU; 3) Zwierciadło rozłożone, całowicie światłowodowe; 4) Demultipleser WDM; 5) Światłowodowy system (magistrala) OADM; 6) Filtr supresor emisji spontanicznej w EDFA, oraz przyład znormalizowanej charaterystyi dyspersyjnej analogicznego filtru; 7),8) Filtry stabilizujące ila sygnałów pompy w EDFA; 9) Filtr wyrównujący wzmocnienie EDFA w paśmie C; 10) Zwierciadło sprzężenia zwrotnego pompy EDFA; 11),1),13) Filtry wąsopasmowe dla znormalizowanej siati fal ITU DWDM; 14) Filtr do czujnia światłowodowego do jednoczesnych pomiarów naprężeń mechanicznych i termicznych; 15) Filtr z liniowym zboczem spetralnym charaterystyi; 16),17),18) Przyłady wąsopasmowych zwierciadeł i filtrów dla siati ITU; 19),0),1) Szeroopasmowe filtry z modulowanymi siatami Bragga i dużym nachyleniu zboczy; ) Charaterystya termiczna filtru dla siati ITU DWDM; Na rys (7) i (8) przedstawiono charaterystyi odbiciowe światłowodowych stabilizujących zwierciadeł braggowsich służących jao sprzężenie zwrotne dla sygnałów pomp EDFA. W ten sposób stabilizowane są długości fali pomp, gdyż przy odstrojeniu maleje sprzężenie zwrotne, oraz minimalizowany jest szum wzmacniacza. Parametry zwierciadeł stabilizujących sygnały pomp dla EDFA są następujące: o= (lub o= nm) z tolerancją 0,3nm, szeroość połówowa 0,3-0,6nm (0,5-nm) z tolerancją 0,1nm (0,nm), współczynni odbicia 3-6% (- 10%) z tolerancją1%. 89

90 Istotnym problemem technicznym zastosowania EDFA jest nierównomierność wzmocnienia w onwencjonalnym paśmie nominalnym C nm (patrz rys wzmocnienie EDFA). W celu wyrównania tej charaterystyi wzmocnienia stosuje się wąsopasmowy braggowsi element stratny dla pasma w oolicach 1530nm (9), wówczas charaterystya wzmocnienia posiada płasi grzbiet w całym paśmie nominalnym. Straty wprowadzane są rzędu 5dB dla centralnej długości fali B a szeroość pasma B=7nm. Tai element stratny (filtr pasmowo zaporowy) tworzy światłowodowa siata braggowsa o bardzo dużej stałej d B, w zaresie sete m. Fala świetlna dla rezonansowej długości fali max=(n 1eff-n eff)λ, gdzie n ieff- efetywne współczynnii załamania modów sprzęganych rdzenia i płaszcza, Λ-stała siati, w pewnym paśmie, zależnym od modulacji stałej siati, jest rozpraszana wprzód z modu podstawowego do modów płaszcza. Propagacja modów płaszcza zależy od środowisa zewnętrznego światłowodu z długą stałą siati. Celem zwierciadeł dla sygnału pompy jest odbicie światła z powrotem do wzmacniającego obszaru EDFA. Zwierciadła taie wyonywane są dla dwóch pasm falowych 1=980nm oraz =1480nm. Pasmo zwierciadeł wynosi do i=5nm, a współczynni odbicia powinien być więszy niż R i>95% (10). Światłowodowe braggowsie filtry do DWDM są stosowane w celu izolacji długości fal z tzw. siati długości fal ITU [1.09] oraz budowy systemu OADM. Na ogół są połączone ze sprzęgaczami w onfiguracji interferometru Michelsona w celu tworzenia szeregu wąsopasmowych filtrów transmisyjnych lub w onfiguracji interferometru Macha-Zehndera w celu budowy multipleserów i demultipleserów WDM. W obu onfiguracjach są elementami sładowymi systemów wielofalowych. Jeśli siata Bragga dla Bi jest zapisana w światłowodzie pomiędzy dwoma przewężanymi sprzęgaczami 3dB (onfiguracja M-Z) to światło, zawierające Bi i inne długości fal, przechodzi przez pierwszy sprzęgacz, jest dzielone po połowie, osiąga siatę i w tej gałęzi jest odbijane wstecz tylo dla długości fali filtru Bragga Bi. Faza optyczna obu sygnałów odbitego i przechodzącego jest zgodna poprzez dobranie odpowiednich długości ramion ta, że w pierwszym sprzęgaczu następuje rozdzielenie sygnału Bi od pozostałych. Na rys (11), (1) i (13) przedstawiono zmierzone charaterystyi światłowodów braggowsich dla systemu DWDM. Parametry taich filtrów są następujące: o zgodne z siatą długości fal ITU (tutaj 1549nm oraz 1550,9nm), płasa część dla R 0, współczynni odbicia w paśmie R>95 99%, izolacja międzyanałowa I B>30 35dB, separacja międzyanałowa B=0,5 1,5nm, straty wtrącenia S W<0,5dB, FWHM=0,5 5nm, stabilność temperaturowa o/t=0,005nm/ o C. Przedstawione charaterystyi różnią się np. poziomem zafalowań bocznych oraz nachyleniem zboczy. Dla systemu OADM, o 50GHz separacji anałów, i szybości transmisji od 10Gb/s, światłowody braggowsie, jao elementy cyrulatorów optycznych, posiadają pasmo dostępne dla anału dodatowego w granicach 0,-0,7nm, dwuierunowość wyrażającą się możliwością dodawania i odejmowania anału w tym samym porcie dostępowym, przesłuch do przyległego anału w porcie odejmowania C adj>5db, przesłuch do nieprzyległego anału w porcie odejmowania C nadj>30db, straty całowite dodawania anału S add<1db, straty całowite odejmowania anału S drop<1,8db, oraz możliwość ompensacji dyspersji chromatycznej sygnału odejmowanego z magistrali DWDM [1.09]. Wyorzystując charaterystyi dyspersji światłowodów braggowsich (o siatce znacznie dłuższej niż w zastosowaniach do filtrów optycznych), i ich zależność od parametrów siati wyonuje się ompensatory dyspersji onretnego sygnału, ale taże nachylenia dyspersji, dostosowane do charaterysty długiej, szeroopasmowej magistrali światłowodowej [1.10] lub ompensatory do systemów czujniowych. Dwa parametry dyspersyjne siate to średnia dyspersja w paśmie transmisyjnym siati D śr oraz wahania dyspersji w paśmie transmisyjnym D śr. Definiuje się parametry pomocnicze ja dyspersja dla fali środowej pasma D( B)=D o, Dyspersja dla brzegów pasma transmisyjnego np. dla 90% spadu charaterystyi D 1( 1), oraz np. dla połowy wysoości charaterystyi D ( ). Parametry te zaznaczono na znormalizowanej charaterystyce dyspersyjnej światłowodu braggowsiego przedstawionej na rys (6). Siati jednorodne posiadają znaczną dyspersję na rańcach pasma przepuszczania. Siati zmienne posiadają znaczną niezerową dyspersję wewnątrz całego pasma. [6.33,6.34]. Światłowody braggowsie (taże o długiej siatce) są wyorzystywane w licznych pracach nad onstrucją czujniów światłowodowych [1.1]. Najszersze rezultaty badawcze a następnie omercyjne uzysano dla światłowodowych czujniów mierzących, jednocześnie, naprężenia 90

91 mechaniczne i termiczne (14), a taże w systemach pomiarowych z liniową onwersją lub dysryminacją długości fali (15). Światłowody do wymienionych czujniów wymagają zazwyczaj grubego, mięiego porycia silionowego, lub poliimidowego. Podstawowym parametrem filtru światłowodowego dla czujnia mechaniczno termicznego jest wąsie pasmo. Uzysuje się tutaj wartości rzędu B 0,15 0,nm przy R>80% w pasmach falowych 1300nm i 1500nm. Dla dysryminatorów długości fali podstawowym parametrem jest liniowość zbocza dysryminującego (ila %) i jego zares (15-30nm ). Światłowody braggowsie wytwarzane są standardowo dla nominalnych długości fal [1.10,1.11] np. w pasmach 800nm, 980nm, 1300nm, 1550nm i ostatnio w paśmie długofalowym do 1650nm. Nominalne parametry taich standardów są: absolutna doładność oreślenia centralnej długości fali w zaresie 0,01 0,5nm, powtarzalność centralnej długości fali lepsza od 0,05nm, pasmo w zaresie od 0,05nm do 5nm, współczynni odbicia od 0,1% do 99,9%, tłumienie 0,1 65dB, FWHM 0,50,1nm, straty wtrącenia S w<0,1db, straty polaryzacyjne p<0,db, temperaturowy dryft centralnej długości fali B/T (103)pm/ o C. Na olejnych charaterystyach przedstawiono wynii włsnych pomiarów światłowodów stanowiących nominalne standardy techniczne: (16) wąsopasmowe zwierciadło o dużym współczynniu odbicia o=980nm, R max=99%, FWHM=0,5nm, (17) podobnie ja (16) dla o=1551,5nm, R max=95%, FWHM=0,nm; (18) filtr z serii długości fal ITU o stłumionych pasmach bocznych, o=1559,8nm, R max=99%, FWHM=0,4nm, (19) szeroopasmowa siata o zmiennej stałej o=1550, R max=95%, FWHM=7nm, (0) ultraszeroopasmowa siata o zmiennej stałej o=1113nm, R max=95%, FWHM=nm, (1) ja (0) o=139nm, () zmierzona charaterystya termiczna światłowodowej siati dyfracyjnej w inwarowej obudowie omercyjnej, W zaresie temperatur o C zmiana o była 50pm Światłowody plastyowe Nietóre rodzaje tworzyw sztucznych wyazują wysoą przezroczystość w zaresie widzialnym i blisiej podczerwieni. W technice światłowodowej wyorzystuje się je do budowy światłowodów plastyowych lub do nisostratnych poryć. Jednym z taich materiałów jest poli-metarylan-arylu PMMA. Straty transmisyjne tego materiału są ograniczone przez wibracje wiązania węgiel-wodór i rozpraszanie Rayleigha. Zastępując wodór deuterem otrzymuje się struturę rdzeń płaszcz w jednym uładzie materiałowym oraz światłowody o stratach poniżej 100dB/m. Inne ułady materiałowe na światłowód o soowym profilu to PMMA na rdzeń fluoropolimery (FP) na płaszcz oraz polistyren (PS) na rdzeń i PMMA na płaszcz. Współczynnii załamania tych materiałów są: PS n=1,59, PMMA n=1,49, FP n=1,40. Materiały te wytrzymują wydłużenia względne w sposób odwracalny do o. 8% i są bardziej odporne względnie na złamania od światłowodów szlanych. Apertury numeryczne światłowodów soowych wynoszą NA PMMA/FP=0,51, NA PS/PMMA=0,55 [1.10,1.11]. Światłowody plastyowe budzą zainteresowanie badawcze [ ] ze względu na oszty i pewne orzystne cechy do zastosowań obrazowodowych, czujniowych, nieliniowych i transmisyjnych na niewielie odległości. Z wymienionych materiałów wyonuje się taże soczewi światłowodowe GRIN oraz planarne matryce mirosoczewe. Transmisyjne światłowody plastyowe, i wyonane z nich able, wymieniane są jao przyszłe możliwe rozwiązanie problemu taniego dojścia światłowodem do pojedynczego prywatnego abonenta sieci teleomuniacyjnej (telefoniczno teleinformacyjnej). W tym zaresie prowadzone są duże programy badawcze (Fiber to the Home, The Last Mile, itp. [1.10]). Inne zastosowanie transmisyjne związane jest z domowymi systemami omputerowymi i multimedialnymi (np. standard audio Toslin [1.10]). Pasmo gradientowych światłowodów plastyowych jest rzędu 1-5GHz/100m a soowych o. 00MHz/100m dla średnicy rdzenia 100m. Światłowody o dużych średnicach nie wymagają precyzyjnych złączy. Serie wymiarowe dla średnicy zewnętrznej są 300m, 500m, 750m, 1mm. Możliwe jest zastosowanie złączy plastyowych. Przygotowanie zaończeń ablowych jest bardzo proste i szybie. Nie wymaga pratycznie specjalistycznego sprzętu, np. firmowych zestawów złączowych. Do cięcia wystarcza żyleta i pewne doświadczenie, oraz płyn immersyjny. W systemach fotonicznych wyorzystywane są w paśmie widzialnym. Są znacznie bardziej elastyczne od światłowodów szlanych. Nominalny zares temperatur pracy jest od -40 do +15 o C. Posiadają dosyć słabą odporność chemiczną. Typowa średnica zewnętrzna 1mm. Są odporne na drgania i zmęczenie mechaniczne. Najczęściej stosowane są 91

92 ze źródłami DEL w paśmie nm (GaAsP 665nm - czerwony, AlGaAs 66nm czerwony), rzadziej w paśmie nm (GaP 565nm -zielony, GaP 583 żółty), ze względu na mniejsze moce i wolniejsze działanie DEL. Używane pasma transmisyjne w światłowodzie polistyrenowym to nm oraz 675nm. Loalne masimum absorpcji występuje dla 650nm. Wadą polistyrenu jest żółnięcie pod wpływem ultrafioletu. Polistyren słabiej absorbuje wodę niż PMMA. Na rys przedstawiono zmierzoną w uładzie spetrofotometrycznym charaterystyę tłumienia światłowodów soowych z PMMA/FP oraz PS/PMMA. Zafalowania rzywej są harmonicznymi drgań wiązania C-H. Podobne pomiary prowadzi się dla szieł światłowodowych w celu badań stopnia idealności amorficznej strutury szła. Na rys.1.3. przedstawiono zmierzone profile refracyjne omercyjnych gradientowych światłowodów plastyowych i ich charaterystyi dyspersji. Obecnie podstawowym zagadnieniem technologicznym w dziedzinie światłowodów plastyowych przeznaczonych do transmisji sygnału jest tworzenie gradientowego profilu refracyjnego. Stosowane są trzy technii: tworzenie preformy przez fotoopolimeryzację dwóch monomerów o różnych reatywnościach i współczynniach załamania [11.0] oraz międzyfazowa polimeryzacja żelu [11.04] i domieszowanie modyfiatorami o małym ciężarze cząsteczowym (zamiast stosowania opolimeru). Wszystie te technii posiadają jedynie ograniczone możliwości ształtowania profilu refracyjnego. W pierwszej technice prace badawcze idą w ierunu projetu sztucznej złożonej cząsti opolimeru lub domieszi dopasowanej do polimeru bazowego i odpowiednio modyfiującej jego właściwości: refracyjne, termiczne i mechaniczne. W drugiej technice, modyfiatory posiadają cechy plastyfiatorów, obniżają temperaturę T g przejścia w fazę szlistą i ich mieszalność z polimerem oraz dyfuzja są silnymi funcjami temperatury. Wybór odpowiedniego plastyfiatora, nie jest zagadnieniem do ońca rozwiązanym i jest obecnie podstawowym problemem ze względu na termiczną stabilność pracy światłowodu [11.03,11.07,11.08]. Proces fluorowania obniża straty światłowodu i dyspersję, poprawia stabilność środowisową, podwyższa temperaturę T g oraz polepsza morfologię polimeru. Uważa się obecnie, że perfluorowane polimery amorficzne [11.03] stanowią podstawę do dalszego rozwoju materiałowego światłowodów plastyowych, np. ze względu na bardzo wysoą wartość T g. Materiały te, znane i stosowane od dawna ja Teflon, są badane od stosunowo rótiego czasu pod ątem otrzymania formy o jaości optycznej. Obecnie w pracach badawczych najwięsze zainteresowanie budzi monomer 1,3-Dioxol 4,5-difluoro-,-bis-trifluorometyl. Materiał ten poddaje się ultraoczyszczaniu i polimeryzacji do postaci przezroczystej. Światłowód gradientowy wytwarza się dyfundując chlorofluorowęglową domieszę oligomerową wewnątrz fluoropolimerowej rury. Rura podlega olapsowi podczas wyciągania włóna światłowodowego. Światłowody FP posiadają współczynnii załamania w zaresie 1,34-1,36 i stosunowo nisie apertury numeryczne w zaresie 0,15-0,3. Rys Zmierzone charaterystyi spetralne tłumienia wysoiej jaości światłowodów o profilu refracyjnym soowym z PMMA/FP i PS/PMMA (pomiary własne). a=100μm, d=750μm, NA 0,5; 9

93 Rys.1.3. Obliczone i zmierzone profile refracyjne gradientowych światłowodów plastyowych (firmy Asahi GC, BOF- MA) i ich charaterystyi dyspersji (pomiary własne). Profile 1-4 obliczone dla sali n=1,49 1,5, 1- pe=4, - pe=3, 3- p=, 4- pe=, Profile 5-7 dla sali n=1,49 1,59; 5- p=3, 6-profil zmierzony, 7- pe=3,6; Analiza właściwości propagacyjnych światłowodu plastyowego jest podobna do szlanego światłowodu gradientowego. Różnica jest we właściwościach materiałowych, geometrycznych i falowym zaresie pracy (650nm). PMMA, czysty i domieszowany, nie wyazuje istnienia zerowej wartości dyspersji materiałowej. Otrzymywane technologicznie profile refracyjne w światłowodach plastyowych są potęgowe lasy - n (r)=n 1 (1- ), wielorotne [1.04] i parabolicznoesponencjalne (PE), typu n ( r) n1 (1 (1 exp r)/(1 exp ), gdzie =(n 1 -n )/n 1, n(r) profil refracyjny, jest parametrem profilu, n 1, n współczynnii załamania rdzenia i płaszcza, r promień rdzenia. Rys.1.3. przedstawia profile refracyjne: paraboliczny, parabolicznoesponencjalne dla =, =4 oraz profil zmierzony w światłowodzie Gipof-Cytop (Asahi). Na wyresie widać różnicę pomiędzy parabolą a profilem paraboliczno-esponencjalnym dla =. Stałe propagacji i charaterystyi dyspersyjne można znaleźć przy pomocy lasycznej metody WKB [1.01], a pomiary wyonywane są metodą różnicowego tłumienia modów [1.03]. Tutaj jedna można zastosować podejście całowicie geometryczne. Załadając propagację fali monochromatycznej w światłowodzie i pomijając mody sośne, czas przejścia wynosi (1.65) t( z) ( z / cn z ) p p z p rp r p 1/ 1/ n ( r) dz ( z / cz p) n ( n N p) dr ( z / cz p) N p( n N p) dr N p, z p r p 0 N ( n N ) p 1/ p dr gdzie: z p ores promienia, N p inwariant promienia, r p promień austyi promienia, z droga wzdłuż światłowodu, c prędość światła w próżni. Wstawiając do zależności na czas przejścia najpierw profil a potem paraboliczno esponencjalny otrzymujemy t rp 1 rp ( z) ( z / c){ N p z p [ r( n N p) o 0,5 dr( n N 1/ p) rdn / dr]} (1.66) 0 gdzie pochodna profilu jest rdn /dr=c(n -n 1 ) oraz drugi sładni jest równy zeru, czyli t(z)=[zn 1/c(+)][N p/n 1+cn 1/N p]. (1.67) 93

94 Dla profilu refracyjnego potęgowego, czas przejścia promieni południowych może być wyprowadzony wprost, bez załadania lasycznego przybliżenia przyosiowego. W przypadu profilu paraboliczno esponencjalnego równanie na czas przejścia promienia i impulsu t(z) można również całować otrzymując t( z) ( zn / c){ 1 eff n / N 1 p ( n / N Efetywne wartości parametrów refracyjnych są 1 p N p 1 / n )[ ln((1 )/(1 ))] } (1.68) 1 eff eff eff 1/ 1 eff [( n1 N p)/( eff n1 N p)] ( 1 exp )(exp 1) eff (1.69) Szeroość impulsu dla profilu paraboliczno-esponencjalnego jest obliczona, w funcji jego parametru, według tej zależności i narysowana na rys.1.3. dla n 1=1,5, n =1,49. Właściwości rozwiązania są podobne do rozwiązania dla profilu. Minimalne rozszerzenie impulsu dla rozważanych parametrów występuje przy =1,88 i wówczas czas przejścia dla modów najniższego i najwyższego rzędu są jednaowe. Profil parabliczno-esponencjalny dla =, z powodu różnicy od paraboli daje rozszerzenie impulsu ponad dwa rzędy wielości więsze od profilu parabolicznego. Oba profile są jednaowe dla pe=0 oraz p=1, taże dla p= pe=, gdzie dla rozróżnienia oznaczono inaczej parametry obu profili potęgowego i paraboliczno esponencjalnego. Możliwe jest znalezienia taiego profilu paraboliczno-esponencjalnego tóry jest jednaowy z profilem w celu analizy wpływu małych zmian profilu na dyspersję. Profile porywają się np. dla następujących par wartości parametrów wyładniów: pe=3,6 oraz p=3 lub pe= p=. Rys Schemat uładu pomiarowego DMD do oreślenia charaterysty dyspersyjnych światłowodu plastyowego. Wyjście ze światłowodu jednomodowego (NA jm=0,11, r=5,1μm) pobudza badany wielomodowy gradientowy światłowód plastyowy o średnicy rdzenia 100μm, NA 0, (FP), NA 0,5(PMMA), NA 0,7 (PS), d=350μm, =50-80dB/m. 94

95 Rys Wynii pomiarów charaterysty dyspersji ilu próbe światłowodów plastyowego metodą DMD. Krzywa 1 - impuls wejściowy, Krzywe,3,4, odpowiedź światłowodu, - pobudzenie osiowe, 3 - przesunięcie poprzeczne 0μm, 4 40μm, Krzywe 5,6,7, średniowadratowe opóźnienie impulsu RMS(L): 5 ~L 0,89, 6~L 0,6, 7~L 0,5. Powierzchnie czołowe światłowodów polerowane chemicznie (Fluorinert), L=100m. Pomiary profili refracyjnych gradientowych światłowodów plastyowych wyonanych metodami zarówno międzyfazowej polimeryzacji żelu (IGP) (Lucina, Mitsubishi Rayon) ja i metodami dyfuzyjnymi (Asahi), taże metodą perfluoryzacji (Cytop), poazują że dane pomiarowe znacznie doładniej można aprosymować profilem PE niż potęgowym. Na rys.1.3. przedstawiono profile refracyjne obliczone i zmierzone: 1,,4 profile PE pe=4,3,; 3 dla porównania z profilem pe= przedstawiono profil potęgowy p =; 5 - p=3 aprosymacja profilu zmierzonego z rzywej 6 profilem potęgowym, 6 profil zmierzony, 7 - pe=3,6 aprosymacja profilu zmierzonego z rzywej 6 profilem PE. Inne zmierzone profile były typowo aprosymowane wartością parametru pe w zaresie pe=,5 3,5. Mimo znacznie lepszego dopasowania profilu zmierzonego przez profil PE, ocena dyspersji dla obu przypadów daje podobne rezultaty. Obliczenia wpływu niewielich zmian perturbacyjnych profilu na charaterystyę dyspersyjną światłowodów plastyowych poazują niewielie wrażliwości dla tej lasy profili refracyjnych. Dyspersja impulsu jest taże stosunowo mało wrażliwa na sładni materiałowy dyspersji chromatycznej. Zmierzone pasmo próbe gradientowych światłowodów plastyowych wynosi, w zależności od profilu w zaresie -5GHz/100m. Obliczenia według powyższego modelu dają rezultaty w zaresie 0,5-1,5 GHz/100m. Model nie uwzględnia taich zjawis ja: mieszanie modów, różnicowe tłumienie modów [1.03], zgięcia i nieidealności włóna [1.01,1.14]. Zjawisa te orzystnie wpływają na pasmo światłowodu wielomodowego [1.03,1.04], między innymi poprzez usunięcie nietórych grup modów wyższego rzędu. W uładzie z rys zmierzono metodą różnicowego opóźnienia modowego (DMD) zależność ształtu impulsu i czasu przejścia modów od długości światłowodu plastyowego i położenia plamii pobudzającej. W metodzie DMD światłowód wielomodowy jest pobudzany impulsem laserowym (t imp=00ps, =80nm) ta, że plama pobudzająca jest znacznie mniejsza od średnicy rdzenia i jest możliwe oreślenie zależności czasu przejścia impulsu od położenia plami na rdzeniu. Światłowód jest zwinięty w pętlę w celu usunięcia modów płaszczowych. Wraz z przesuwaniem plami pobudzającej od osi impuls wyjściowy ulega rozszerzeniu i tłumieniu. Zjawiso jest wyraźne dla pobudzania tuż przy granicy rdzeń-płaszcz. Średni czas przejścia impulsu ulega zmniejszeniu wsute łącznego działania dwóch zjawis - wzrostu poziomu mieszania modów oraz więszej prędości grupowej modów wyższego rzędu dla tej lasy (przeompensowanych) profili refracyjnych (prawie paraboliczne). Krzywe 6 i 7 na rys przedstawiają przybliżenie średniowadratowych zmian czasu przejścia w funcji długości światłowodu dla włóien FP i PMMA. Krzywa 5 została zmierzona dla porównania, w tym samym 95

96 uładzie pomiarowym, dla szlanego wielomodowego światłowodu gradientowego 15/6,5μm o znacznie mniejszym poziomie mieszania modów. Zależność pierwiastowa ~L 0,5 wynia z dyfuzyjnej teorii mieszania modów w światłowodzie wielomodowym [1.14,1.]. Obowiązywanie prawa pierwiastowego dla długości włóna plastyowego poniżej 100 m oznacza, że dostatecznie silne mieszanie modów następuje dla odległości znacznie mniejszych od 0m oraz, że przyczyną mieszania modów są czynnii zewnętrzne, gdyż czynnii wewnętrzne powodowałyby osiąganie stacjonarnego rozładu pola (SFD) po iluset metrach [1.16]. Moduł Younga PMMA jest o. 70 razy mniejszy od wartości dla szła i wynosi 0,1GPa. Zmiany refracyjne fotionduowane w PMMA n UV 10 - są stosunowo duże. Odwracalne odształcenie mechaniczne i termiczne włóien PMMA jest rzędu 10%. Powoduje to, że siati Bragga wpisane w jednomodowy światłowód polimerowy mogą być przestrajane mechanicznie i termicznie w bardzo szeroim zaresie [11.06,11.16, 11.17]. Dla polimerowego światłowodu jednomodowego z PMMA o parametrach r=7μm, n 1=1,49, n =1,48 i siati o długości 10mm, oraz n UV 10-4, uzysano parametry filtru: B 0,5nm, R max 80%. Dla =0,8% charaterystya spetralna filtru przesunęła się o 1nm i nie zmieniła szeroości, dla =1,3% o 0nm, przy zmianie szeroości na 0,9nm. Po zwolnieniu naprężenia charaterystya spetralna powraca natychmiast do położenia bez naprężenia. Powięszenie długości siati zwięsza zares przestrajania mechanicznego filtru. Światłowody plastyowe stanowią silną onurencję dla światłowodów szlanych w nietórych zastosowaniach oświetleniowych a szczególnie obrazowodowych. Występują znaczne analogie w technice wytwarzania [9]. Kwadratowy pręt PS, wytworzony z ilurotnie destylowanego monomeru styrenu, (lub PMMA), o bou ilucentymetrowym, jest umieszczany w cienim ilumilimetrowym płaszczu PMMA (lub FP) i przeciągany do średnicy o. 1mm. Proporcje rdzeńpłaszcz w pręciu 1mm są następujące 950μm-50μm. Z pręciów 1mm pociętych na rótie odcini 0 50cm sładana jest matryca hesagonalna 5x5 lub więsza 35x35, 50x50. Preforma jest wytwarzana poprzez prasowanie i zgrzewanie do postaci całowicie sonsolidowanej, ta jedna aby nie znieształcić uładu pojedynczych światłowodów wewnętrznych. Otrzymanie więszej matrycy wymaga złożenia ilu preform 5x5 i zgrzanie strutury w całość. Preforma o założonej liczbie piseli jest przeciągana do rozmiarów oreślonych przez wymaganą średnicę pojedynczego pisela światłowodowego w matrycy. Wymiar pisela obrazowodu może być zmienny w zaresie 1 50μm, typowo o. 8 10μm. Przeciąganie do ostatecznych rozmiarów pisela odbywa się z wprowadzaniem uporządowanej orientacji moleuł polimeru i przy zastosowaniu małych sił ciągnienia, w celu zwięszenia wytrzymałości mechanicznej i poprawy właściwości optycznych. Matryca 5x5 złożona z pręciów 1mm daje po przeciągnięciu do średnicy 100μm 65 piseli o średnicy 4μm ażdy. Złożenie czterech taich matryc daje 500 piselowy obrazowód o średnicy zewnętrznej 00μm a pratyczne rozwiązanie wymaga co najmniej szesnastu matryc łącznie 10 4 piselowych. Podczas pierwszego przeciągania uporządowanie moleularne nie jest wprowadzane, gdyż może prowadzić do porowatości preformy. Otrzymanie znacznie więszej matrycy, jeśli obrazowód ma pozostać gięti, wymaga fazowego zgrzania ońcówe ilu włóien wielordzeniowych, po przeciągnięciu preformy. Przeciąganie odbywa się w warunach bezpyłowych. Straty jednostowe mirowłóien tworzących pojedynczy pisel wynoszą PS/PMMA=dB/m oraz PMMA/FP=1dB/m dla 0,6μm i prawie nie zależą od średnicy pisela dla więszych piseli i wzrastają o 0-30% przy bardzo małych średnicach, poniżej 6μm [8]. Zmierzono moduły Younga i wygięcia dla światłowodów plastyowych. Wynoszą one o.,5 4GPa, przy odpowiednich wartościach 73GPa i 34 GPa dla światłowodu rzemionowego oraz w zaresie 80 50GPa i 40-0GPa dla światłowodów ze szieł wielosładniowych. Moduł wygięcia jest o. 10 razy mniejszy dla światłowodów plastyowych niż dla szlanych co oznacza, że są one o. 10 razy bardziej giętie (mniej sztywne) przy taiej samej średnicy włóna. Ta właściwość połączona z więszym względnym wydłużeniem elastycznym (odwracalnym) na charaterystyce Hooa =E, oraz więszą aperturą numeryczną, oznacza możliwość ilurotnego zwięszenia promienia wygięcia światłowodów plastyowych w porównaniu ze światłowodami szlanymi. Nominalne dane dotyczące masymalnych wygięć obrazowodów szlanych są: 100 średnic pojedynczego światłowodu dla wygięć pojedynczych oraz 300 średnic światłowodów dla wygięć wielorotnych (10 3 ). Nominalne reomendowane dane dotyczące średnicy wygięć obrazowodów medycznych mówią o 3mm, co w przypadu światłowodu szlanego wymagałoby 96

97 10μm średnicy indywidualnego włóna w luźnej wiązce. Nie dotyczy to pojedynczego pisela ale pojedynczego włóna wielopiselowego w luźnej wiązce. Ja dotąd taiego rozwiązania się nie stosuje, więc światłowody plastyowe są w tym względzie nie do zastąpienia [14, ]. Jasność obrazu transmitowanego obrazowodem światłowodowym można zdefiniować jao /10 ) L J S( NA 10, gdzie S powierzchnia efetywna obrazowodu - stosune powierzchni piseli do powierzchni całowitej apertury optycznej - dla małych rozmiarów pisela, w zaresie 5-10μm, można przyjąć S=0,8, NA 0,5 apertura numeryczna, 1 [db/m] - straty jednostowe uśrednione dla zaresu nm, L 1 3[m] długość światłowodu tworzącego indywidualny pisel. Na rys przedstawiono obliczone i zmierzone wartości jasności dla ilu próbe badanych obrazowodów światłowodowych plastyowych i szlanych wytworzonych, przy współpracy autora, w HS Biaglass i ITME [80,111,19,134,64]. Grupa światłowodów o dużej wartości apertury numerycznej dla uładu tworzyw PS/FP, próbi 1,,3 na rys dają obrazowody o najwięszej jasności mimo dwurotnie więszych strat jednostowych PS w porównaniu z PMMA. Apertura numeryczna odgrywa tutaj więszą rolę niż straty jednostowe, przy typowych długościach apliacyjnych obrazowodów, rzędu m. Przy porównywalnych wartościach apertur numerycznych, dla uładów tworzyw PMMA/FP i PS/PMMA, charaterystyi przecinają się dla L 0,5 1[m], i dla więszych długości przewagę posiada uład z rdzeniem PMMA. Dla mniejszych długości przewagę posiada rdzeń PS. Światłowody wysoorzemionowe, ze względu na małą wartość apertury numerycznej dają obraz o ilurotnie mniejszej jasności J (rzywe 9-1). Straty dla rozważanych długości obrazowodu są do pominięcia. Światłowody ze szieł wielosładniowych dają obrazowody również o znacznych wartościach jasności (rzywe 4-6) i podlegają dalszemu rozwojowi. Konurencję dla światłowodów ze szieł mięich stanowi uład materiałowy PS/FP. Rys Obliczona, na podstawie zmierzonych parametrów próbe rzeczywistych obrazowodów, zależność jasności ilu rodzajów obrazowodów światłowodowych od długości dla sr= nm d 8 10μm, 1,,3 światłowody PS/FP, NA 0,7 0,8 średnio NA sr 0,755, 4,5.6 światłowody ze szieł wielosładniowych, NA 0,4 0,6, 7 światłowód PS/PMMA, NA 0,55, 8 światłowód PMMA/FP, NA 0,51. 97

98 Rys Obliczona i zmierzona rozdzielczość przestrzenna obrazowodów w funcji średnicy światłowodu tworzącego indywidualny pisel obrazu. Krzywe I i II poazują dolną i górną teoretyczną granicę rozdzielczości przestrzennej dla ustalonej średnicy światłowodu w matrycy piseli. Te same próbi obrazowodów zmierzono co na rys. poprzednim. Światłowody1a,8a,b,c,d posiadają wyłącznie inne wymiary zewnętrzne niż 1 i 8. Optyczna rozdzielczość przestrzenna (ostrość) obrazu była mierzona lasyczną metodą analizy odpowiedzi soowej (rawędziowej) [19]. Z odpowiedzi soowej, poprzez funcję rozszerzenia liniowego i jej transformatę Fouriera obliczono modulacyjne funcje przejścia obrazowodów i ich rozdzielczość przestrzenną R p w parach linii na milimetr [pl/mm]. Rozdzielczość przestrzenna obrazowodu światłowodowego jest definiowana jao wartość częstotliwości przestrzennej w parach linii na mm dla wartości modulacyjnej funcji przejścia MTF=0,1 i wynosiła w zaresie R p dla d 10μm przy bardzo dużej jasności obrazu Światłowody uczulane i znieczulane technologicznie Dodatowe etapy procesu technologicznego mogą prowadzić do uczulania włóna optycznego na pewne wielości lub grupy oddziaływań zewnętrznych. Przeciwnie do światłowodów teleomuniacyjnych, gdzie włóno powinno wyazywać wysoi znormalizowany poziom odporności na mirozgięcia i zmiany temperatury, wrażliwość mirozgięciowa i termiczna nietórych grup światłowodów ształtowanych jest badana w ierunu wyorzystania do budowy czujniów wielości mechanicznych, optycznych, chemicznych i temperatury. Straty mirozgięciowe m są funcją n(t). Zjawisa termiczne są wzmocnione w światłowodach typu PCS, gdzie współczynni załamania płaszcza polimerowego jest silną funcją temperatury. Na rys przedstawiono ila wybranych par szieł na rdzeń i płaszcz światłowodu. Funcje współczynniów załamania n(t) tych szieł przecinają się, dając w puncie przecięcia NA=0 i zani właściwości propagacyjnych światłowodu w uładzie rdzeń płaszcz, ale nie płaszcz powietrze lub płaszcz porycie (bufor optyczny, dodatowy płaszcz). Wyjściowa moc optyczna ze światłowodu P opt wy(t) spada do zera, po usunięciu modów płaszczowych, dla charaterystycznej dla ażdej pary szieł temperatury T o. Punt T o daje się efetywnie zmieniać w granicach o C, rys Jeśli nie usuwamy modów płaszcza, w puncie T o następuje przełączenie właściwości światłowodu z jednomodowego na wielomodowy bezpłaszczowy lub płaszczowy, jeśli istnieje w danej temperaturze trzecia efetywna warstwa refracyjna, podobnie ja w światłowodzie stożowym dla V1. Występowanie tego zjawisa zarejestrowano w sposób pomiarowy i przedstawiono na rys Zmierzono zmiany apertury numerycznej oraz moc optyczną wyjściową z rdzenia światłowodu po usunięciu modów płaszcza oraz bez usuwania modów płaszcza. Światłowód zachowuje się ja przełączni jedno-wielomodowy. 98

99 Rys Grupa charaterysty poazująca możliwości technologicznego ształtowania właściwości sygnałowych światłowodów wytwarzanych metodami - modyfiowaną wielotyglową, mozaiową, pręt-rura i hybrydowymi. 1),),3),4) Zmierzone funcje n(t), termiczna dyspersja refracji, szieł światłowodowych oraz NA(T) do tórej wadratu jest proporcjonalna P opt wy(t) wytworzonych z nich światłowodów (wielomodowych). 1),),3) Przyład doboru par szieł światłowodowych na rdzeń i płaszcz włóna optycznego ształtowanego. 99

100 Szła omercyjne i z analogicznych rodzin syntetyzowane na salę badawczą przez autora we współpracy z HS Biaglass, pomiary własne. W puncie przecięcia NA=0 a po przecięciu uład refracyjny w światłowdzie ulega inwersji, i cała moc optyczna jest propagowana w płaszczu. 4) Krzywe 1 7 zmierzone zjawiso zerowania się apertury numerycznej światłowodów z różnych materiałów, z różnym nachyleniem dla różnych temperatur w zaresie o C.; 5),6) Przyłαdowe zmierzone rzywe dyspersji apertury numerycznej dla światłowodwów szyttałtowanych; 7),8) Przyładowe zmierzone rzywe dyspersji materiałowej dla wybranuych szieł światłowodowych; 9) Krzywe odniesienia dyspersji materiałowej i grupowej dla czystego szła rzemionowego; 10) Dyspersja grupwego współczynnia załamania dla grupy wybranych szieł światłowodowych, dla nietórych szieł, w użytecznym paśmie, nie występuje zerowanie się dyspersji materiałowej; 11),1),13),14) Grupa zmierzonych charaterysty zgięciowych światłowodów lasycznych i ształtowanych, uczulonych i znieczulonych na straty zgięciowe w bardzo szeroim zaresie promieni wygięcia, profile refracyjne quasi-soowe, n 1 1,5, =1μm; 11) rzywa 1 - n=5%, a=,5μm, rzywa - n=1%, a=,5μm, rzywe 3,4,5 - n=0,8%, n=0,6%, n=0,4%; 1) rzywa 1 - n=0,3%, a=4μm, rzywe,4, n=0,5%, n=0,15%, rzywa 3 światłowód o danych ja z rzywej 1 ale o pierścieniowym profilu refracyjnym, ja na rys ; 13) rzywa 1 - n=0,07%, a=7μm, rzywa - n=0,05%, a=5μm, rzywa 3 - n=0,03%, a=1,5μm; 14) rzywe 1,,3 - n=0,05%, n=0,0, n=0,015, a=μm, rzywa 4 - n=0,01%, a=μm; 15) 0) Zmierzone funcje (R) n,a=const; (V) n, R=const.; 15) Zmierzone straty zgięciowe w światłowodach jednomodowych o różnych wartościach n; 16) Straty zgięciowe światłowodów jednomodowych w funcji n=n 1-n ; 17),18),19),0) Grupa obliczonych według wzoru (1.70) (linie przerywane) i zmierzonych (linie ciągłe) charaterysty zgięciowych jednomodowych światłowodów ształtowanych w funcji częstotliwości znormalizowanej V dla zaresu V=1,4 oraz promieni zgięcia R=0,7 6cm, n=0,4%, mierzony światłowód tworzy podwójną pętlę o zadanej średnicy; Światłowody wytworzone przez autora, we współpracy z HS Biaglass. Rys Obliczone i zmierzone czułości, na polowe oddziaływania zewnętrzne, światłowodów ształtowanych w różnych poryciach bezpośrednich; 1), ) Obliczone sładnii czułości ciśnieniowej ilu światłowodów ształtowanych o różnych onstrucjach i w lasycznym dwuwarstwowym mięo-twardym poryciu polimerowym oraz poryciu metalowym Al o różnej grubości. Pomiary wyonano dla ilu próbe uczulanych światłowodów ształtowanych wyonanych w HS Biaglass; 3) Obliczone czułości ciśnieniowe wybranych światłowodów ształtowanych w oszulach uczulających w funcji modułu objętościowego G dla oszule o różnych wartościach modułu Younga. Cieniowany rejon oznacza obszar parametrów dla twardych tworzyw sztucznych, polimerów UV i gum stosowanych typowo na porycia światłowodów lasycznych i ształtowanych, - zewnętrzna średnica światłowodu; 4) Zmierzone względne wydłużenie włóna światłowodowego typu MMC w wielowarstwowym poryciu ze szieł metalicznych (MG) i/lub stopów magnetostrycyjnych Ni, Co-Fe; 5) Fotografia przeroju podłużnego światłowodu MMC z domieszowanym loalnie obszarem płaszcza, zmieniającym właściwości refracyjne i uczulającym światłowód na otaczające 100

101 płynne środowiso refracyjne [154,159,163,19]; Światłowód przeznaczony do budowy czujnia z polem zaniającym, typu EWS. Szeroi zares parametrów wielosładniowych szieł światłowodowych pozwala na dobór materiałowych właściwości dyspersyjnych uładu rdzeń-płaszcz, rys , w celu np. uzysania projetowanej dyspersji apertury numerycznej, rys Tai zares swobody jest zupełnie nie możliwy dla lasycznych światłowodów teleomuniacyjnych, dla tórych główną materiałową charaterystyę dyspersyjną, fazową i grupową, dla porównania przedstawiono na rys Analogiczna rodzina charaterysty materiałowej dyspersji grupowej dla wybranych stosowanych światłowodowych szieł wielosładniowych jest przedstawiona na rys Zmiana, charaterystycznej dla danego światłowodu wielości, rytycznego promienia zgięcia r z ryt, powyżej tórej następuje esponencjalny wzrost strat, a taże zmiana funcji r z ryt (T) na drodze technologicznej (poprzez dobór współczynniów rozszerzalności termicznej) jest jedną z najsuteczniejszych metod uczulania i znieczulania światłowodu na oddziaływania zewnętrzne (np. termiczne, mechaniczne, refracyjne). Na rys przedstawiono obliczone i zmierzone charaterystyi strat zgięciowych dla ilu rodzajów wytworzonych (uczulanych i znieczulanych technologicznie) światłowodów ształtowanych. Straty spowodowane z jednorodnego wygięcia światłowodu zależą esponencjalnie od promienia wygięcia i liniowo od różnicy współczynniów załamania n. Na rysunach przedstawiono zależności pomiędzy tymi wielościami. Straty zgięciowe wyrażone są przybliżoną zależnością, obowiązującą dla małych wartości V [1.14,1.]: 3 u F w z *, 4nw R F exp( ), (1.70) V w wra K ( w) 3V a 1 gdzie: V =w +u, w jest znormalizowanym parametrem zaniu pola w płaszczu światłowodu, K 1 modyfiowana funcja Bessela pierwszego rzędu. Obowiązuje przybliżona zależność w=1,14v- 0,9960 dla 1,5<V<,5. Wartości teoretyczne, obliczone z powyższej zależności, i ich porównanie z pomiarami, poazano na rys Relatywnie niewielie zmiany promienia zgięcia mogą, dla przedziału zmian charaterystycznego dla danego włóna optycznego, znacznie zmienić straty. Uczulanie przez domieszowanie polega na wyborze rodzaju atywnej optycznie domieszi szła światłowodowego w rdzeniu lub płaszczu zmieniającej właściwości pod wpływem wybranego czynnia. Na charaterystyce spetralnej tłumienia światłowodu domieszowanego Nd3+, rys , zafalowanie charaterystyi w obszarze 850nm słada się z dwóch masimów 840nm i 860nm rozdzielonych minimum. Oba reagują przeciwnie na wzrost temperatury pierwszy maleje drugi wzrasta. Sonstruowany w oparciu o to zjawiso czujni jest liniowy w zaresie 0800 o C [3.03,8.06]. Znieczulenie włóna polega na usunięciu wewnętrznego czynnia uczulającego. Domieszowanie, dedyowanego do pracy w warunach promieniowania jonizującego, szła wielosładniowego Ce [195] powoduje znaczne zwięszenie odporności na generację centrów barwnych. W światłowodowym uładzie interferometrycznym (najczęściej M-Z) obserwowane jest przesunięcie fazy w funcji temperatury i naprężeń mechanicznych. Zwięszenie seletywności polega na uczuleniu światłowodu na jedną z tych wielości i znieczulenie na drugą. Termiczne przesunięcie fazy we włónie o długoci L wynosi /T=nL/T+n/T. W światłowodzie ształtowanym, o odróżnieniu od włóna warcowego o bardzo małej wartości współczynnia rozszerzalności termicznej w związu z czym czynni n/t dominuje, oba czynnii mogą być uczynione porównywalne [183]. Czułość ciśnieniowa odczytu interferometrycznego w światłowodzie jest /P, =Ln, =(nl+ln)=ln(l/l+n/n)=ln(l/lp+n/np)p, /P=L/LP+n/nP. (1.71) Wielość / można powiązać z induowanym w światłowodzie względnym odształceniem poprzecznym (promieniowym) r=/ i podłużnym z=l/l oraz współczynniami elastooptycznymi p ij, [1.17] /= z-0,5n [(p 11+p 1) r+p 1 z] = Є 1+Є +Є 3. (1.7) 101

102 Pierwszy sładni w równaniu (1.7) odpowiada za czułość ciśnieniową związaną ze zmianami długości, a drugi i trzeci ze zmianami współczynnia załamania (spowodowanymi geometryczną zmianą wzdłużną i radialną światłowodu). Efety te są przeciwnego znau. Wład w naprężenia włóna posiada cała jego strutura. Istotną rolę odgrywają bezpośrednie porycia zewnętrzne włóna światłowodowego, zarówno o charaterze optycznym i mechanicznym, przy pomocy tórych można sutecznie uczulać i znieczulać całą struturę na ciśnienie, fale austyczne, pola eletryczne, magnetyczne, a nawet wilgotność, temperaturę, itp. Wraz ze wzrostem grubości porycia polimerowego rośnie znacznie czułość ciśnieniowa światłowodu. Wraz ze wzrostem grubości porycia metalowego, czułość maleje. Porycie światłowodu oszulą z materiału o dużym module sprężystości objętościowej obniża czułość ciśnieniową. Dla dużych grubości zintegrowanej z włónem oszuli naprężenie włóna spowodowane ciśnieniem hydrostatycznym jest spowodowane podatnością na ompresję oszuli (odwrotność modułu objętościowego) [1.17]. Dla grubej oszuli światłowodu, czułość ciśnieniowa jest funcją wyłącznie modułu sprężystości objętościowej i jest niezależna od innych modułów elastyczności. Na rys przedstawiono obliczone zależności czułości ciśnieniowej w funcji modułu sprężystości objętościowej oszuli światłowodu. Duża wartość modułu Younga powoduje silniejszą zależność od modułu sprężystości objętościowej. Problem uczulania i znieczulania światłowodu na oddziaływania zewnętrzne ma swoje pratyczne odzwierciedlenie np. w onstrucji interferometrów światłowodowych, gdzie jedna gałąź jest czujniowa a druga odniesienia. Płaszcz światłowodu ształtowanego może być zbudowany z uczulającej ceramii [149] lub szła poddającemu się trawieniu jednego ze sładniów. Powstaje szło porowate, tóre jest impregnowane czynniiem uczulającym. Powierzchnia szła trawionego może być taże porywana folią z immobilizowanym czynniiem uczulającym. Technologie tego typu wyorzystywane są do budowy specjalizowanych światłowodów dla czujniów chemicznych [136,150,15 164], [ ,173,176], [11 16,19], [40 45], [47 48], [75 79], [1.5,8.13]. Tematya ta, dotycząca bezpośrednio światłowodów ształtowanych, przeracza zares niniejszej pracy Światłowody wielordzeniowe Rysune 1.39 przedstawia schematycznie światłowód dwurdzeniowy i bliźniaczo-rdzeniowy o profilach refracyjnych typu step-index (soowych). W przypadu światłowodu bliźniaczordzeniowego mamy do czynienia z dwoma doładnie jednaowymi rdzeniami. Rdzenie o promieniu a są usytuowane symetrycznie względem osi włóna optycznego. Odległość pomiędzy rdzeniami wynosi D, a pomiędzy osiami rdzeni d. Ta więc, osie rdzeni są odległe od osi włóna o a+d/. Współczynnii załamania rdzenia i płaszcza wynoszą odpowiednio n 1=n r oraz n =n p. Załada się waruni słabej propagacji w analizowanym światłowodzie dwurdzeniowym. Podstawowe charaterystyi światłowodu bliźniaczo-rdzeniowego przedstawiono na rys Obliczone charaterystyi modów podstawowych światłowodów dwurdzeniowych w notacji modowej AS przedstawiono na rys Naturalną onsewencją rozwoju możliwości sygnałowych światłowodu ształtowanego jest wprowadzenie wielorotnych rdzeni. Analizując sprzężenie międzyrdzeniowe, we włónowym światłowodzie wielordzeniowym, wprowadza się standardowe wartości początowe i załada pewne niezbędne uproszczenia. Przyjmujemy, że separacja międzyrdzeniowa jest porównywalna do promienia rdzenia, światłowód jest słabo propagujący, profil refracyjny jest soowy, geometria rdzenia i włóna jest idealnie cylindryczna. Załadamy, że jeden z rdzeni jest sprzężony ze źródłem mocy optycznej. W taim przypadu, mod podstawowy z rdzenia pobudzonego rozciąga się na obszar sąsiedniego rdzenia. Przepływ mocy optycznej pomiędzy rdzeniami, o periodycznym charaterze, jest rezultatem tego zjawisa rozciągania się profilu modu poza rdzeń. Współczynnii sprzężenia pomiędzy przyległymi rdzeniami wynoszą [1.14,1.18,8.04,9.0,9.05,10.06]: C ij C o A j clad core n da, i j, i,j=1, (1.73) j i j 10

103 gdzie C o, N= o V K1 W a n o core / 4 onin U K W j o o, (1.74) A j - przerój poprzeczny j-tego rdzenia. Przyjmując dalsze uproszczenia, tóre są oczywiste ja: pominięcie zjawisa samo sprzężenia, używając znanych rozwinięć funcji K oraz substytutów dla całe funcji Bessela, można otrzymać współczynnii sprzężenia w formie analitycznej. Dla światłowodu o M rdzeniach, równanie na współczynnii sprzężenia trzeba modyfiować uwzględniając sumę całe po wszystich M-1 rdzeniach: C M ij C ij C M o core1 Ac ci, c j clad clad n da. (1.75) core i j Drugi sładni w tym równaniu jest sprzężeniem pomiędzy i-tym oraz j-tym rdzeniem poprzez serię rdzeni przyległych (sąsiadujących) pomiędzy nimi i załadamy, że jest do pominięcia. Ta sytuacja występuje jedynie w przypadu, gdy sprzężenie pomiędzy nie-sąsiadującymi rdzeniami może być pominięte, lub gdy występuje w uładzie rdzeni sąsiadujących sprzężenie dominujące. Gdy tego rodzaju założenia nie są spełnione w światłowodzie, współczynnii sprzężenia nie mogą być wyrażone w prostej postaci. Moc optyczna jest wówczas złożoną superpozycją mocy modów z różnych rdzeni. Zależności fazowe w sprzężeniu mocy optycznej nigdy nie osiągają wartości 0 1 w dowolnym światłowodzie wielordzeniowym, ja to ma miejsce w idealnym światłowodzie bliźniaczordzeniowym (o dwóch identycznych rdzeniach). Analityczna forma współczynnia sprzężenia międzyrdzeniowego, w naszym uproszczonym przypadu jest: C, (1.76) ij C o ij gdzie, ij jest algebraiczną zależnością pomiędzy funcjami I, J oraz K o postaci: ij a jk K o o Wid / ai Wi / ai I1 Wia j / ai J o U j U j / a j Io Wia j / ai J U 1 j W J U i o j W / a U / a Zazwyczaj wprowadzanych jest do analizy ila użytecznych wielości falowych ja: i i j j. (1.77) Średni współczynni sprzężenia: C= C C 1 1 ; (1.78) Kila zależności na znormalizowaną stałą propagacji, / 1 s, r AS AS SA AS 1, r 1 /, (1.79) 1 AS /, V p / -prędość fazowa; (1.80) AS / N o cclad / core clad Sprawność transferu mocy pomiędzy rdzeniami oraz moc znormalizowana: P te = 1 / C 1/ ; (1.81) ; (1.8) c Kontrast międzyrdzeniowy: P P P P P cos(mz C ) ij i j / i j zmz b ij b. (1.83) 103

104 AS jest oreśleniem indesowym modów w światłowodzie dwurdzeniowym w aspecie ich właściwości symetrii antysymetrii rozładu pola modowego względem osi włóna optycznego. Różnicowa wartość stałych propagacji w światłowodzie bliźniaczo-rdzeniowym jest miarą jego dwójłomności. Droga dudnienia modowego jest definiowana jao funcja współczynnia sprzężenia te Zb P / C. Z ostatnich zależności można wniosować, że wartości C oraz P te zachowują się jao dodatowe stałe propagacji. Jest to zrozumiałe, ponieważ mody sprzężone mogą być tratowane jao nowe mody propagujące w światłowodzie o złożonej struturze dwurdzeniowej a w tym wypadu o rdzeniu dwuczęściowym. Notacja modowa Symetryczny Antysymetryczny wynia w światłowodzie dwurdzeniowym właśnie z taiego założenia Światłowody dwurdzeniowe Mod podstawowy HE 11 x ulegnie całowitemu sprzężeniu z jednego rdzenia do drugiego, jeśli całowite przesunięcie fazy spełnia następujący warune =(m+1). Dla modów SA jest on równoważny następującej zależności: 1 1 [( V, (1.84) 1 AS1 1 AA 1 p ) ( V p ) ] ds gdzie V p AS jest prędością fazową danego modu SA Warune całowitego transferu energii modu jest: 1/ 1 AS 1/ AA1 ] ds (n 1 o rdzen [ 1 N N ). (1.85) 1 Dla niewielich wartości Δ wyrażenie pod całą jest upraszczane do postaci β N xx =β N AS1 -β N AA1. Załóżmy, że w jednym z rdzeni jest pobudzany mod HE 11x, co jest ewiwalentne do pobudzania następującą sumą modów SA AS 1+AA 1. Na wyjściu powinniśmy otrzymać ponownie mod HE 11 x, ale z drugiego rdzenia, co odpowiada następującej ombinacji modów AS AS 1 AA 1. Współczynni sprzężenia fali pomiędzy rdzeniami w światłowodzie bliźniaczo-rdzeniowym zależy od geometrycznych i optycznych, tj. materiałowych i technologicznych parametrów włóna. Interesuje nas projetowanie procesu wytwarzania światłowodu, ta aby wyjściowym produtem było włóno o pożądanych charaterystyach sprzężenia rdzeni. Dobór odpowiednich charaterysty procesu technologicznego pozwala na producję światłowodów dwurdzeniowych o ściśle założonych wartościach współczynnia sprzężenia. Parametry podlegające zmianie przy wyborze i optymalizacji procesu technologicznego są: wybór zestawów szieł, metoda modyfiacji procesu wielotyglowego (separacja tyglowa, diafragmowanie przestrzeni między-dyszowych, aperturowanie dysz), szczegóły onstrucji indywidualnych tygli, temperatura i prędość wyciągania. Materiał światłowodu wpływa na proces sprzęgania między rdzeniami [9]. Gdy rdzenie w światłowodzie nie są identyczne i początowo niezbyt silnie sprzężone, wówczas stałe propagacji modów podstawowych HE 11x w ażdym rdzeniu są różne i wynoszą β 1 oraz β. Bezpośredni transfer mocy pomiędzy modami podstawowymi nie jest możliwy, jeśli mody nie są doładnie dopasowane w fazie. Z puntu widzenia materiału, z jaiego jest zrobiony światłowód dwurdzeniowy, oraz jego dyspersji falowodowej, istnieje tai punt na charaterystyce dyspersyjnej, gdzie β=0. Dzieje się to dla szczególnej długości fali = o dysp. Rys ,,3,7. przedstawia obliczone rzywe dyspersyjne β N() i β () dla ilu rzeczywistych, wyciągniętych, i zmierzonych dla porównania, próbe jednomodowych światłowodów dwurdzeniowych. Krzywe dyspersji dla różnych światłowodów przecinają się w ilu miejscach, rys Osiągają wartość zerową w różnych miejscach dla różnych. Wartość długości fali o dysp dla włóna dwurdzeniowego wzrasta z malejącą różnicą wymiarów rdzeni oraz ze wzrastającą wysoością soowego profilu refracyjnego. Współczynnii sprzężenia wzajemnego C 1 oraz C 1 nie są jednaowe w światłowodzie dwurdzeniowym. Sprzężenie może być silniejsze w jednym ierunu, czyli może być silnie 104

105 niesymetryczne. Konsewentnie, więcej mocy będzie średnio propagować w jednym z rdzeni. Miarą dysp symetrii sprzężenia, i sprawności transferu mocy optycznej (lub odstrojenia od puntu o ) jest względny współczynni sprzężenia wzajemnego C ijr =C ij/c ji. te Wyresy wartości funcji C 1r ()P 1 (), odpowiadające rzywym z rys przedstawiono na rys Obliczona efetywność transferu mocy nie przeracza 60% w badanych przypadach światłowodów dwurdzeniowych, rys Dla taiej geometrii włóien dwurdzeniowych nie jest możliwa więsza efetywność transferu. Kila przeciwstawnych procesów falowodowych wpływa na ształt rzywych efetywności sprzężenia. Współczynnii sprzężenia wzrastają z długością fali dla dysp > o. Dla więszych wartości separacji między-rdzeniowej, sprzężenie ogólnie maleje i jest mniej czułe na różnice stałych propagacji w obu rdzeniach. Względny współczynni sprzężenia wzajemnego C ijr =C ij/c dysp ji dla długości fali o zależy wyłącznie od różnicy wysoości profilu refracyjnego obu rdzeni. Optymalizacja sprzężenia mocy w światłowodzie dwurdzeniowym zawiera taie parametry ja: separacja rdzeni d, wysoość bezwzględna n (i ewentualnie różnicowa n) profili refracyjnych, średnice rdzeni a i, różnice wymiarów rdzeni a ij. Gdy wybrać długość światłowodu równą drodze dudnienia L L B, wówczas mierzony sygnał wyjściowy jest proporcjonalny do ontrastu międzyrdzeniowego P 1c. Dyspersja ontrastu między-rdzeniowego, dla badanych próbe włóna dwurdzeniowego została przedstawiona na rys jednaowe rdzenie) i 9 (różne rdzenie). Spetralne charaterystyi sprzężenia mogą być zawężone poprzez zwięszenie wartości parametru separacji międzyrdzeniowej. To powoduje jedna znaczne zwięszenie długości drogi dudnienia L B=Z B. Rys prezentuje charaterystyi spetralne wyjściowej mocy optycznej z drugiego (więszego) rdzenia światłowodu dwurdzeniowego, próba # 4, z rys Jest to charaterystya filtru pasmowo-przepustowego. Nietóre z tych cech światłowodu dwurdzeniowego mogą być potencjalnie wyorzystane w systemach WDM. 105

106 Rys ),),3) Obliczone z równania własnego podstawowe modowe charaterystyi transmisyjne jednomodowego światłowodu bliźniaczo-rdzeniowego, [49]. 1) Krzywe dyspersji β(v) dla modów SA1, AS1, HE11 oraz modów SS1, AA1, Δ=1,5%; ) Funcja dwójłomności Δβ AS (V) dla różnych wartości parametru d/a; 3) Funcja Δβ AS (Δ) dla różnych wartości częstotliwości znormalizowanejv=1 5; 4) Uład rdzeni w światłowodzie dwurdzeniowym (dwa rdzenie dowolne) i bliźniaczo-rdzeniowym (dwa rdzenie identyczne); 5) Teoretyczne charaterystyi sprzężenia międzyrdzeniowego dla światłowodu bliźniaczordzeniowego w funcji znormalizowanej separacji rdzeni według wzoru (1.87); 6) Dyspersyjne charaterystyi ontrastu c międzyrdzeniowego P 1 w dwóch wytworzonych próbach światłowodu bliźniaczo rdzeniowego. Próba #1 z rys rdzeń, a=3μm, Δ=0,4%, d= 3μm, V=,; Próba # - rdzeń a=μm, Δ=0,4%, d=4μm, V=1,5; 7) Obliczona dyspersja dwójłomności międzyrdzeniowej w światłowodzie dwurdzeniowym. Dwójłomność osiąga zero dla dysp o. Ta długość fali jest funcją geometrii dwurdzeniowego włóna optycznego i jego parametrów materiałowych. Dane światłowodu i rdzeni: 1- a=3μm, Δ=0,%, rdzeń #, a=9μm, Δ=0,15% ; - a=3μm, Δ=0,3%, rdzeń #, a=9μm, Δ=0,% ; 3 - rdzeń #1, a=3μm, Δ=0,4%, rdzeń #, a=9μm, Δ=0,% ; 4 - rdzeń #1, a=3μm, Δ=0,4%, rdzeń #, a=7,5μm, Δ=0,% ; 5 - rdzeń #1, a=3μm, Δ=0,4%, rdzeń #, a=6,5μm, Δ=0,% ; d=10μm; 8) Obliczone charaterystyi dyspersji efetywności transferu mocy w światłowodzie dwurdzeniowym. Dane włóien taie same ja na poprzednim rysunu 7); 9) Obliczona dyspersja ontrastu międzyrdzeniowego w światłowodzie dwurdzeniowym. Dane światłowodu ja na rysunu 7). Próbi światłowodu #4 (linia ciągła) oraz #5 (linia przerywana). 10) Spetralne charaterystyi mocy optycznej wyjściowej ze sprzężonego rdzenia światłowodu dwurdzeniowego, próba #

107 Rys Fotografie przerojów poprzecznych wytworzonych do badań próbe światłowodów dwurdzeniowych i wybrane zmierzone charaterystyi tych światłowodów [1.04,1.05,17,0,06,0,49]. 1) Światłowód bliźniaczordzeniowy =15μm, a=3μm, 0,5%, separacja rdzeni d=3μm, fotografia powięszona na str. XIV; ) Światłowód bliźniaczordzeniowy =60μm, a=,5μm, d 1μm, NA=0,3; 3) Obraz w interferencyjnym, mirosopowym polu prążowym światłowodu bliźniaczordzeniowego z depresją refracyjną; 4) Światłowód bliźniaczordzeniowy, =60μm, a=,5μm, d=7,5μm, NA=0,3; 5) Światłowód o dwóch rdzeniach eliptycznych o różnych aperturach numerycznych NA 1=0,, NA =0,1, rdzeń bxa=1x10μm, d=13μm; 6) Znieształcenia 107

108 rdzeni w czasie wyciągania światłowodu dwurdzeniowego; 7) Światłowód dwurdzeniowy o różnych średnicach rdzeni (heterordzeniowy), =60μm, a 1=7μm, a =3,5m, NA=0,3; 8) Dwurdzeniowy jednomodowy światłowód eliptyczny, hybrydowa metoda technologiczna, =150μm, b=μm, a=1,5μm, d=1μm; 9) Światłowodowy stożowy sprzęgacz wielo-włónowego o zgrzanym ońcu do sprzęgania ze światłowodami wielordzeniowymi; 10 13) Przełączanie mocy optycznej w wielomodowym światłowodzie bliźniaczordzeniowym MMC. Analogicznie do terminów TDM, FDM, WDM, metoda nazwana CDM (ang. Core division multiplexing), multiplesowanie z podziałem rdzeni. Przełączanie mocy uzysano w sposób statyczny przez wygięcie i naprężenie włóna. =45μm, a=14μm, NA=0,5; 14) Światłowód bliźniaczordzeniowy, =15μm, a=10μm, d=4μm, NA=0,15; 15) Optyczna transformata Fouriera światłowodu 14; 16) Spetralne charaterystyi transmisji T() wybranych próbe światłowodów dwurdzeniowych, dla różnych par szieł rdzeń płaszcz; 17),18),19) Zmierzone profile refracyjne indywidualnych rdzeni w próbce światłowodu dwurdzeniowego. A. Próba nr sd30499 profil gradientowy, B. próba nr sd50499 profil quasi soowy, C. próba nr 50499a profil soowy. Metoda pomiaru automatyczne przetwarzanie obrazu z mirosopu interferencyjnego; 0) 3) Profile jonowe w przeroju poprzecznym światłowodu bliźniaczo-rdzeniowego; 0),1) Próba 0499c; ),3) Profile jonowe w szle barowo ołowiowym. Światłowód dwurdzeniowy, próba 0499d. Rys Zależność charaterysty światłowodu bliźniaczo-rdzeniowego od materiału włóna. Wyresy przedstawiają drogę dudnienia jao funcję współczynnia separacji międzyrdzeniowej L B(d) oraz L B() dla ilu próbe światłowodów o różnych średnicach rdzenia i wyonanych z dwóch różnych zestawów szieł rdzeniowo - płaszczowych; 1) A zestaw szieł n r=1,516, n p=1,510; promienie rdzeni i długości fal: rzywa 1 - a=,4μm, λ=0,85μm; rzywa - a=,4μm, λ=1,3μm; rzywa 3 - a=3,6μm, λ=0,85μm; rzywa 4 - a=3,6μm, λ=1,3μm; ) B zestaw szieł n r=1,5, n p=1,511; promienie rdzeni i długości fal: rzywa 1 - a=1,75μm, λ=0,85μm; rzywa - a=1,75μm, λ=1,3μm; rzywa 3 - a=,7μm, λ=0,85μm; rzywa 4 - a=,7μm, λ=1,3μm; 3),4) Przyładowe charaterystyi dla innych zestawów szieł rdzeniowo-płaszczowych; 5),6) Zależność charaterysty światłowodu bliźniaczo-rdzeniowego wytworzonego metodą MMC od materiału włóna. Obliczona długość drogi dudnienia w funcji długości fali L B()dla onretnych wytworzonych próbe światłowodu bliźniaczo-rdzeniowego. Światłowody posiadały rdzenie o dwóch różnych wartościach promienia a=,0m oraz a=,4m i wyonano je z zestawu szieł rdzeniowo płaszczowych A ; 5) a=μm, rzywa 1 - d=5,5μm, rzywa - d=11μm, rzywa 3 - d=16,5μm, rzywa 4 - μm; 6) a=μm, rzywa 1 - d=6μm, rzywa - d=10μm, rzywa 3 - d=15μm; 7),8) Zależność charaterysty światłowodu bliźniaczo-rdzeniowego wytworzonego modyfiowaną metodą wielotyglową (MMC) od materiału włóna. Długość drogi dudnienia w funcji długości fali światła rozprzestrzeniającego się w światłowodzie L B(). Światłowody posiadały dwie różne średnice rdzeni a=1,5m oraz a=1,75m. Światłowody wyonano z iloma różnymi wartościami parametru separacji międzyrdzeniowej z uładu szieł płaszczowo rdzeniowych B ; 7) a=1,75μm, rzywa 1 - d=4μm, rzywa - d=10μm, rzywa 3 - d=15μm; 8) a=1,5m, rzywa 1 d=6m, rzywa d=10m, rzywa 3 d=15m; [171,18,0,9,1.04,1.05] 108

109 Jeśli fala świetlna jest sprzężona wyłącznie do pojedynczego rdzenia, wówczas znormalizowana moc optyczna w drugim rdzeniu wynosi P(z)=sin (Cz), gdzie C jest współczynniiem wzajemnego sprzężenia rdzeni. W światłowodzie bliźniaczo-rdzeniowym oba współczynnii sprzężenia wzajemnego rdzeni są sobie równe. Wspólczynni sprzężenia w światłowodzie bliźniaczordzeniowym wynosi: 1/ U Ko Wd / a 3 a V K W C, lub droga dudnienia L B=Z B=/C, (1.86) 1 gdzie: U=a(n r -β / ) 1/, W=a(β / -n p ) 1/ - argumenty funcji Bessela, V=an r() 1/ - częstotliwość znormalizowana, =(n r -n p )/n r - współczynni profilu refracyjnego. Rozwiązano równanie własne dla różnych zestawów wartości parametrów technologicznych. Wybrano przyłady dla dwóch różnych zestawów A oraz B szieł rdzeniowo płaszczowych: A - n r=1,516, n p=1,510, B - n r=1,5, np.=1511. W porównaniu ze światłowodem dwurdzeniowym, światłowód bliźniaczo-rdzeniowy spełnia następujące waruni modowe i sprzężenia rdzeniowego: C 1=C 1 oraz β 1=β z=z B. Konsewencją tych warunów jest, że moc optyczna może być transferowana z efetywnością 100% pomiędzy rdzeniami (w całowicie idealnym włónie optycznym). Efetywność sprzężenia nie jest dyspersyjna, ja we włónie dwu-rdzeniowym. Wyłącznie współczynni sprzężenia jest dyspersyjny we włónie bliźniaczo-rdzeniowym. Jednaże, wszystie niedosonałości fizyczne włóna ja: odstępstwo od idealnej geometrii cylindrycznej, różnice w promieniach rdzeni i profilach refracyjnych, zjawisa temperaturowe (niesymetryczne osiowo), naprężenia, zarzywienia, zjawisa nieliniowe, efety wyższego rzędu, zmieniają sprzężenie, wartość drogi dudnienia oraz transfer mocy optycznej pomiędzy rdzeniami. Rys poazuje obliczoną wartość ontrastu między-rdzeniowego w światłowodzie bliźniaczo rdzeniowym, analogicznie do ontrastu międzyrdzeniowego w światłowodzie dwurdzeniowym, co poazano na rys Transfer mocy nie jest dyspersyjny i zawsze wynosi 100%. Dla światłowodu bliźniaczordzeniowego słabo propagującego, obliczoną przybliżoną zależność współczynnia sprzężenia C od częstotliwości znormalizowanej przedstawiono na rys Doładność przybliżenia powyżej linii przerywanej wynosi ila % [1.14,1.]. Doładność ta jest związana z przyjęciem do obliczeń pierwszego wyrazu rozwinięcia asymptotycznego funcji Bessela K. Dla obszaru słabych sprzężeń, gdzie stała propagacji indywidualnego rdzenia nie jest determinowana przez wpływ rdzenia sąsiedniego, obszar na wyresie powyżej linii przerywanej, obowiązuje przybliżony wzór na drogę dudnienia L B - całowitej periodycznej wymiany mocy: L B=(C o/nn) exp(c 1V), C 1=0,74+,3(d/a-1) (1.87) Przyładowo dla n 1=1,5, n=3%, d=a, D/a=1, V=,4, o=850nm, C 8, C 1=0,75, L B=0,9mm. Natomiast dla D/a=1,5, V=, C=5, C 1=1,9, L B=cm. Droga dudnienia jest bardzo czuła na separację rdzeni. Dla tych szczególnych próbe jednomodowych światłowodów bliźniaczo-rdzeniowych, wyonanych z dwóch różnych zestawów szieł rdzeniowo płaszczowych badano długość drogi dudnienia jao funcję długości fali i separacji międzyrdzeniowej d. Rysune przedstawia wartość długości drogi dudnienia jao funcji parametru separacji międzyrdzeniowej d. Funcja L B=Z B() jest liniowa dla wszystich ombinacji argumentów λ oraz a. Parametry światłowodu zostały wybrane w ten sposób aby zapewnić waruni jego jednomodowości. Rys prezentują długość drogi dudnienia jao funcję długości fali L B(). Porównanie rzywych na tych rysunach poazuje silną zależność drogi dudnienia od. Obliczone zależności posiadają znaczenie pratyczne, ponieważ pozwalają na oreślenie warunów technologicznych wytwarzania światłowodów dwurdzeniowych i bliźniaczo-rdzeniowcyh o założonych wartościach współczynnia sprzężenia pomiędzy rdzeniami. Technii pomiarowe światłowodów wielordzeniowych wymagają adaptacji metod sprzęgania mocy optycznej w celu umożliwienia pobudzania indywidualnych rdzeni oraz detecji wyjściowej 109

110 mocy optycznej z indywidualnych rdzeni, nawet położonych bliso siebie. Zastosowano metodę wyorzystującą specjalnie przygotowany światłowodowy wielowłónowy sprzęgacz stożowy. Jeśli rozład rdzeni w światłowodzie wielordzeniowym jest regularny geometrycznie (np. liniowy o równych odstępach, trójątny równoboczny, wadratowy, hesagonalny, itp.), wówczas technologia wytworzenia wielowłónowego sprzęgacza stożowego ulega uproszczeniu. Sprzęgacz stożowy jest wyonywany zazwyczaj z odpowiedniego uładu włóien optycznych jednordzeniowych. Jego część ońcowa jest deliatnie zgrzana, ta aby nie znieształcić pojedynczych włóien. Założoną wartość ąta stoża otrzymuje się poprzez rozciągnięcie odpowiednio złożonego uładu światłowodów, łącznie z zastosawaniem zewnętrznej ruri ze szła rozpuszczalnego. W ogólnym przypadu włóna wielordzeniowego proporcje wymiarowe rdzeń płaszcz są niestandardowe, co dodatowo utrudnia sprzężenie. Inną metodą wyonania sprzęgacza jest wytworzenie w czasie tego samego procesu technologicznago producji światłowodu, znacznie grubszego włóna przy zmniejszonej prędości wyciągania. Tego rodzaju preforma jest następnie wyciągana w odrębnym etapie obróbi wysootemperaturowej do postaci stoża. Uład rdzeni w taim stożu odpowiada doładnie uładowi rdzeni we włónie mierzonym. Fotografia stożowego sprzęgacza wielowłónowego jest przedstawiona na rys.1.40., łącznie z przyładowymi światłowodami dwurdzeniowymi wytwarzanymi metodą MMC i hybrydową w HS Biaglass. Stoże jest łamany na taiej długości dla tórej średnica przełomu lub rozstaw i wymiary rdzeni odpowiadają wymiarom i topologii przeroju proprzecznego światłowodu sprzęganego. Detetor wyjściowej mocy optycznej ze światłowodu wielordzeniowego pracuje w typowym uładzie z homodynowym anałem odniesienia [9]. Na rys przedstawiono wybrane wytwarzane, w OBPŚ HS Biaglass, do badań i celów apliacyjnych światłowody dwurdzeniowe i ich przyładowe mierzone charaterystyi technologiczne i sygnałowe. Podstawowe zaresy parametrów, wytwarzanych do badań, światłowodów dwurdzeniowych są: Zares przezroczystości: 0,35m 1,45m nominalnie; Współczynni tłumienia: db/m, nominalnie dla szieł z materiałów CDA, o. 10dB/m dla szieł światłowodowych; Apertura Numeryczna: 0, 0,5 nominalnie, dostępne taże niso aperturowe NA<0, i wysooaperturowe NA>0,5; Średnica włóna: 50m nominalnie, dostępne taże w szeregu 35m, 45 m, 50μm, 55m, 60μm, 100m, 15μm, 150μm, 00m, 50μm, 300μm, 350μm, 500μm, 700μm, 750μm, 1mm; Inne średnice włóna dostępne na żądanie; Średnica rdzenia: 3 5 m nominalnie; Separacja międzyrdzeniowa: 3m 5 m nominalnie; Stosune wymiarów rdzeni dla światłowodu heterordzeniowego: 1:, 1:3, nominalnie; Długość próbe włóna: 1m, 3m, 5m nominalnie, inne długości dostępne na żądanie, m; Porycie zewnętrzne włóna: laier termoutwardzalny, dwu lub trzywarstwowy, polimer grubowarstwowy, lub oszula mięo-twarda [9]; Światłowody trzyrdzeniowe W światłowodzie trójrdzeniowym istotne są, z puntu widzenia jego właściwości sygnałowych, dwie onfiguracje rdzeni: liniowa i trójątna. Inną możliwą onfiguracją jest spiralny uład rdzeni [0]. Załadamy dla uproszczenia identyczność rdzeni. Obowiązują poprzednie założenia dla światłowodu bliźniaczordzeniowego. Do analizy sprzężenia międzyrdzeniowego wybrano dwie wyonane próbi światłowodów metodą hybrydową, z preformą MMC. Separacja rdzeni była porównywalna z wymiarem rdzenia. Droga wymiany mocy pomiędzy rdzeniami została obliczona numerycznie zgodnie ze wzorem (1.76), a pomiarów doonano metodą odcięcia ońca światłowodu. Światło do włóien wielordzeniowych sprzęgano przy pomocy wielordzeniowego światłowodu stożowego dopasowanego do ażdego przypadu mierzonego włóna indywidualnie, rys

111 Fig.1.4. Fotografie przerojów poprzecznych wytworzonych przyładowych wielomodowych i jednomodowych światłowodów trzyrdzeniowych (1 16) oraz obliczone i zmierzone (prawie identyczne) charaterystyi transferu mocy optycznej w nisostratnych światłowodach trzyrdzeniowych o prawie identycznytch rdzeniach jednomodowych (17 19) dla dwóch uładów rdzeni liniowego i trójątnego równobocznego, z pobudzonym rdzeniem oznaczonym strzałą (0); Dane światłowodów są w [0]; 17) Uład rdzeni liniowy, rdzenie równoodległe d 1=d 3, pobudzony rdzeń brzegowy; 18) Uład rdzeni liniowy, rdzenie równoodległe, pobudzony rdzeń środowy lub synfazowo dwa rdzenie zewnętrzne; 19) Uład identycznych rdzeni w trójąt równoboczny, pobudzony jeden rdzeń; P i(z) moc optyczna w rdzeniu i-tym; Dane światłowodów: =10μm, a=3μm, =0,4%, d 1=d 1=d=5μm dla liniowego uładu rdzeni (fot.16.) oraz d=8μm dla trójątnego równobocznego uładu rdzeni (fot.15.), rzywe przedstawione w jednostach względnych [j.z.]. Pomiarów doonano dla 1,3μm, V ; Bezwzględne wartości drogi dudnienia są porównywalne do przedstawionych dla światłowodów dwurdzeniowych na rys.1.41, [0]. Obliczono sprzężenie międzyrdzeniowe dla dwóch typów światłowodu trójrdzeniowego, zgodnie ze wzorem (1.76, 1.77), i wynii przedstawiono na rys Zależności fazowe sprzężenia dla światłowodów heterordzeniowych nie osiągają wartości identycznych ja w przypadu światłowodów homordzeniowych. Konsewencją jest masymalne sprzężenie mniejsze od 100%. Nawet dla światłowodów homordzeniowych, o ilości rdzeni więszej niż dwa, wsute podziału mocy, nietóre rdzenie nie są pobudzone całowicie. Taże nie całowicie pozbywają się, wsute onstrutywnej interferencji, mocy optycznej w funcji długości światłowodu, w przeciwieństwie do włóna optycznego bliźniaczordzeniowego. Na przyład, w stosunowo prostym przypadu idealnego światłowodu trójrdzeniowego o liniowym równoodległym uładzie jednaowych rdzeni (światłowód homordzeniowy), przy pobudzeniu rdzenia brzegowego, rdzeń środowy nigdy nie propaguje pełnej optycznej mocy pobudzenia, co przedstawiono na rys , rzywa P (z). Pomiarów sprzężenia międzyrdzeniowego doonywano, na stosunowo rótich odcinach, zwiniętego w pętlę, jednomodowego światłowodu trójrdzeniowego. Długość próbe pomiarowych wynosiła o. 3 5m. Dla ta niewielich długości niezbędne było mierzenie światłowodu w pętli w celu usunięcia modów 111

112 płaszczowych i ustabilizowania wyniu pomiaru. Waruni pomiaru ustalono dla jednomodowej pracy światłowodu dla V, 1,3μm. Zastosowano metodę odcięcia ońca światłowodu w celu pomiaru mocy optycznej w funcji długości włóna P opt wy (z). Obliczenia zgadzały się doładnie z obliczeniami, uwzględniając znaczne straty sprzężenia i niewielie straty transmisji. Droga dudnienia wynosiła o. 3mm (liniowy równoodległy uład rdzeni) oraz 1,5mm (trójątny równoboczny uład rdzeni) dla wymienionych światłowodów o parametrach i fotografiach podanych na rys ,16. Włóna posiadały pratyczną wartość częstotliwości odcięcia w pobliżu jedności. Poniżej tej wartości niemożliwa była obserwacja zjawis propagacji w rdzeniu. Nietóre próbi światłowodów wielordzeniowym mierzono dla znacznie mniejszych długości włóna w zaresie L=10cm 1m. Wówczas w celu usunięcia modów płaszczowych, pobudzanych przez źródło, stosowano zewnętrzny mechaniczny filtr modów płaszcza [30]. Dla liniowego uładu rdzeni, moc optyczna jest w pełni przeazywana do rdzenia przeciwległego w stosunu do pobudzanego, z rdzeniem centralnym działającym jao pośredniiem, przeaźniiem w procesie sprzężenia. Rdzeń centralny pośredniczy w sprzęganiu mocy optycznej w obie strony pomiędzy rdzeniami srajnymi. Gdy pobudzony jest rdzeń centralny, wówczas moc ulega jednaowemu sprzężeniu do obu rdzeni srajnych, rys i 0. Jeśli sprzężenie jest jednaowe to otrzymuje się 3dB dzielni mocy. Gdy jednocześnie pobudzane są współfazowo oba rdzenie srajne, moc optyczna podlega sumowaniu w rdzeniu centralnym i z powrotem podlega równomiernemu sprzężeniu do rdzeni brzegowych. Rdzenie srajne nie są sprzężone ze sobą bezpośrednio lecz za pośrednictwem rdzenia centralnego. Sytuacja jest analogiczna do pobudzenia tylo rdzenia centralnego. Sprzężenie jest zależne od wygięcia włóna optycznego. Gdy rozład rdzeni w płaszczu jest trójątem równobocznym, wówczas wszystie rdzenie są sprzężone wzajemnie jednaowo. Pobudzenie jednego rdzenia powoduje identyczne sprzężenie w obu pozostałych rdzeniach niepobudzonych, dla z=z o, na początu światłowodu, analogicznie do przypadu pobudzenia rdzenia centralnego w uładzie liniowym. Różnica jest teraz taa, że sprzężone rdzenie (srajne w przypadu liniowego uładu rdzeni) są obecnie, w przypadu trójąta równobocznego, sprzężone również bezpośrednio, a nie tylo pośrednio (przez rdzeń centralny). W rezultacie zachodzą jednocześnie dwa dwuierunowe procesy sprzężenia, lewosrętny i prawosrętny. Moc optyczna nigdy nie osiąga zera w rdzeniu pobudzonym, podczas gdy pozostałe rdzenie są pobudzane identycznie w fazie. Taa sytuacja jest przedstawiona na rys i 0. Światłowód trójrdzeniowy posiada wbudowane właściwości przeaźnia optycznego. Rdzeń centralny, w przypadu pobudzenia rdzenia srajnego, działa jao optyczny anał separujący drugi sprzężony rdzeń srajny. Jeśli światłowód jest homordzeniowy uład jest całowicie symetryczny. Jeśli światłowód jest heterordzeniowy, separacja anałów optycznych, w światłowodzie trójrdzeniowym (lub ogólnie wielordzeniowym, heterordzeniowym) może być niesymetryczna [9,30]. Jeśli założyć obecność nieodwracalności optycznej w tym anale separującym, światłowodowy element trójrdzeniowy tworzy izolator optyczny [9]. Waruniem niesymetrii uładu jest C 1>>C 3, co można w taim światłowodzie uzysać na drodze technologicznej [49]. Trzeci rdzeń, w tych warunach, działa jao nieodwracalny dren mocy optycznej. Z drugiej strony, dla całowicie symetrycznego przypadu światłowodu trójrdzeniowego o liniowym uładzie rdzeni i pobudzeniu centralnym lub srajnym, światłowód działa jao sumator lub dzielni mocy Światłowody czterordzeniowe Rozwiązanie równania własnego światłowodu czterordzeniowego [137,0,49] prowadzi do jego charaterysty modowych i w onsewencji sygnałowych. Rozpatrywane są trzy podstawowe geometrie rozładu rdzeni w płaszczu: wadratowa, liniowa i trójątna i wiele ich modyfiacji. Tutaj, bardziej szczegółowo, charateryzowana jest geometria wadratowa. Mody sprzężone mogą być opisane systematycznie orzystając z terminologii uładu Symetryczny-Antysymetryczny notacja SA. Wszystie standardowe mody HE i EH [1.14], lub uproszczone, liniowo spolaryzowane LP [1.13] mogą być w światłowodzie czterordzeniowym, o wadratowym uładzie nieodległych, słabo sprzężonych rdzeni, wyprowadzone z modów SA [137], jao przypadi specjalne lub zdegenerowane interferencji rodzajów SA. Notacja SA stanowi, pewnego rodzaju, uogólnienie obrazu modowego w światłowodzie wielordzeniowym, szczególnie o symetrycznym uładzie wielorotnych rdzeni (o 11

113 symetrii osiowej lub płaszczyznowej). Sformułowanie i rozwiązanie równania własnego daje znormalizowane stałe propagacji modów SA. Rys.1.43 przedstawia przerój poprzeczny światłowodu czterordzeniowego do analizy numerycznej oraz obliczone wartości odcięcia i charaterystyi stałych propagacji modów SA najniższego rzędu w funcji częstotliwości znormalizowanej V, dla jednomodowego światłowodu homordzeniowego, o wadratowym uładzie rdzeni [137]. Załadamy, że obszary rdzeni o stałych dieletrycznych i są ograniczone rzywymi L i od obszaru płaszcza L 5 o stałej 5. Przyjmuje się założenie homordzeniowości. Równanie Helmholtza dla tego uładu posiada postać ( T + i -β )H=0 V j, (1.88) gdzie j rdzeniowa liczba falowa, V j-rejony światłowodu, j=1,,3,4,5, laplasjan jest poprzeczny, dwuwymiarowy. Komplet warunów brzegowych jest: (H z -H w ) L j=0, (dh z /dn-dh w /dn) L j=( 5- j) jt (t o dh w /dn n o dh z /dt) L j, (1.89) dla wszystich granic rdzeń-płaszcz, gdzie oznaczenia są zgodne z rys , podreślenie oznacza wielość wetorową, a zna o iloczyn wetorowy, z,w zewnętrzne i wewnętrzne granice przejścia pomiędzy rdzeniem i płaszczem. Równania Helmholtza i waruni brzegowe obszarów (rys ) stanowią pełne sformułowanie problemu własnego światłowodu wielordzeniowego. Rys ) Przerój poprzeczny światłowodu czterordzeniowego i uład współrzędnych do analizy rozładu pola [137]; Dane: P punt obsewacji, jednaowy dla wszystich rdzeni P=P 1 (i=1,,3,4); R i odległość puntu obserwacji od środów rdzeni; V i pięć analizowanych obszarów światłowodu, L i granice analizowanych pięciu obszarów; i stałe dieletryczne analizowanych obszarów; R średnica płaszcza światłowodu; d,d parametry separacji rdzeni, a jednaowa średnica rdzeni a i=a; C i cztery obszary rdzeniowe; t wersor styczny, n wersor normalny, α,φ ąty do analizy pola i obszarów przeroju poprzecznego światłowodu wielordzeniowego, z,w graniczne przejście od obszaru wewnętrznego do zewnętrznego dla rdzenia; ) Obliczone, znormalizowane stałe propagacji modów podstawowych SA światłowodu czterordzeniowego o wadratowym uładzie jednaowych rdzeni w funcji częstotliwości znormalizowanej (podstawowe charaterystyi dyspersyjne); β N=(β / o - 5)( 1-5); i (i=1,,3,4) refracja rdzeni; i (i=5) refracja płaszcza; waruni homordzeniowości - n 1=n =n 3=n 4=n r=( 1) 1/ >n 5=n p, a 1=a =a3=a 4=a; Dane światłowodu: średnica rdzenia a=,5μm, separacja międzyrdzeniowa d=0,5μm, NA=0,05 0, refracja rdzenia n 1=n r=1,6, profil refracyjny soowy, rzywa 1 cztery mody zdegenerowane w przypadu światłowodu idealnie izotropowego SA +x, SA -x, AS +y, AS -y ; rzywa rodzina modów trzyindesowa np. SAA +x, ASA -y, itp.; rzywa 3 rodzaje jednoindesowe: S x, S x*, S y, S y*, A x, A x*, A y, A y*, gdzie np. A * =A z odwróconą olejnością znaów + i -, tzn. zamiast powinno być ; rzywa 4 rodzaje podstawowe SA y, SA y*, AS x, AS x* ; rzywa 5 odniesienie dla rodzaju podstawowego HE 11 dla cylindrycznego światłowodu jednordzeniowego o +y analogicznych parametrach, rzywa AS odcięcie i rzywa dyspersji modu drugiego rzędu w światłowodzie czterordzeniowym; 3) Schematycznie przedstawione, obliczone numerycznie, rozłady pola modów podstawowych SA w analizowanym światłowodzie czterordzeniowym; a podstawowy mod symetryczny (S), b podstawowy mod symetryczno-antysymetryczny (SA), c podstawowy mod antysymetryczny (A), d podstawowy mod symetryczny SA (SAS), e sprzężony mod antysymetryczny SA (ASA=SAS+ASS). Próbne rozwiązanie podstawowe równania Helmholtza dla regionu płaszcza V 5 może być wybrane w postaci: h(p,p )=0,5K o( β - 5 1/ p-p ), (1.90) 113

114 Gdzie: K i(g,) funcja MacDonalda i-tego rzędu, p,p punty obserwacji w poprzecznym przeroju światłowodu. Stosując tożsamość Greena do czterech par funcji h i H w czterech obszarach rdzeniowych V j, j=1,,3,4 oraz w płaszczu otrzymuje się następujące równanie charaterystyczne, w postaci całowej reprezentacji poprzecznego pola H dla puntów obserwacji leżących w płaszczu: X ( V ) H L j 3 w { hd H L j ( hdh z / d n H z / d n H dh/ d n) dl [ war. brzegowe] z dh/ d n [ h( ) t / ]( t d H 5 j j w / d n n d H/ d t )} dl, j 1,,3,4 (1.91) Rozwiązanie próbne trzeba rozwinąć w regionach rdzeniowych C j, j=1,,3,4, (rys ), h 0,5 Km m i doonać transformacji zgodnie z tożsamością: ' B ( g )exp im( ), (1.9) m j j j m l l exp im ( ) K ( g ) ( 1) B ( g ) K ( gr)exp( l ), i j, (1.93) j m j j l m j gdzie B jest modyfiowaną funcją Bessela. Te zależności pozwalają wyrazić wszystie punty obserwacji w płaszczu światłowodu poprzez jeden z uładów współrzędnych związanych z jednym z rdzeni (X, X ) światłowodu i sformułować problem własny w formie niesończonego uładu równań jednorodnych: n Fj Km, H) dl ( 1) Knm( gr) L j gdzie ( F ( B, H) dl 0, m=0, 1,, 3,..., (1.94) d / d n B n, i1,,3,4, i j Fj ( Bm, H) Bm ( g j )exp( im j )( d H / d n ( 5 j ) t / j ( t d H m ( g )exp( im ) H j j. L j w i n w w / d n n d H / d t (1.95) Gdy cztery rdzenie są orągłe i refracja rdzeni identyczna, to rozład pola H j modów prowadzonych jest oreślony standardowym uładem równań z funcjami trygonometrycznymi i funcjami Bessela p,j p,j J o nieznanych ośmiu ompletach współczynniów a q, b q, j,p=1,,3,4, q=0,1,...,: H j 4 q0 p1 [ a p, j q p, j 1/ cos q b sin q J (( ) )], j 1,,3,4 (1.96) j q j q Wstawiając powyższe zależności (1.96) na H j do uładu równań własnych (1.94) transformuje je w niesończony uład jednorodnych równań liniowych. Uład posiada 16 równań dla ażdej wartości m>0 oraz 8 równań dla m=0. Idealny światłowód czterordzeniowy o wadratowym rozładzie rdzeni jednomodowych posiada symetrię wadratową z czterema płaszczyznami symetrii obróconymi o 45 o. Symetria loalna, płaszczyznowa, występuje taże dla osi X i X oraz Y, Y. Te stopnie symetrii ształtu oreślają symetryczne i antysymetryczne właściwości poprzecznego rozładu pola wetorowego rodzaju prowadzonego. Uład modów może być rozłożony w pod-ułady modów symetrycznych S i antysymetrycznych A, względem dostępnych płaszczyzn i osi symetrii światłowodu. Światłowód czterordzeniowy, homordzeniowy, o wadratowym uładzie rdzeni może propagować teoretycznie osiem uładów modów SA: SSSS, AAAA, AASS, SSAA, SAAS, ASSA, ASAS, SASA. Litery S oraz j j 114

115 A oznaczają symetrię lub antysymetrię pola H modu prowadzonego względem osi X i Y. Pełne oznaczenie modowe słada się z czterecjh liter. Pierwsza para odnosi się do osi X, druga para do osi Y. Nazwy taie są redundancyjne, więc mogą być srócone. Na przyład rodzina modów SSSS jest jednoznacznie oreślona pojedyńczym indesem S, i nazywana rodziną modów jednoindesowych S. Analogicznie jest z rodziną AAAA oreślaną jao A. Srót można utworzyć, gdyż znana jest ściśle liczba wszystich symetrycznych i asymetrycznych rozładów pola. Pozostałe mody mogą być, zgodnie z tą regułą tworzenia sróconych nazw, nietrywialne: dwuindesowe, trójindesowe, czteroindesowe, pięcioindesowe i trywialne szścioindesowe. Srót tworzony jest ta aby pozwolić na jednoznaczną identyfiację indywidualnego rodzaju światłowodowego. Wetor H jest symetryczny (antysymetryczny) do obu osi X i Y dla modów SSSS (AAAA), i analogicznie dla pozostałych modów. W rezultacie istnieją trzy główne rodziny modów podstawowych w analizowanym światłowodzie czterordzeniowym: 1) Rodzina jednoindesowa - S, A; ) Rodzina dwuindesowa SA, AS; 3) Rodzina trzyindesowa SAA, ASS, SAS, ASA. Możliwe jest utworzenie bardziej złożonych rodzin modów podstawowych, spowodowanych przez interferencję międzymodową (rodzaje te są analogami modów w światłowodzie jednordzeniowym): 4) Rodzina czteroindesowa AS+SA, S lub A + (SAA, ASS, SAS, ASA); 5) Rodzina pięcioindesowa AS lub SA + (SAA, ASS, ASA, SAS); 6) Rodzina sześcioindesowa jest trywialna. Symetria światłowodu i, w onsewencji, pola EM pozwala na uproszczenie uładu liniowych równań własnych ( ). Uproszczony uład równań słada się, dla modów S, z czterech równań dla ażdego m>0 i dwóch równań dla m=0, ażde równanie o dwóch rozwiązaniach. Jednomodowy światłowód czterordzeniowy propaguje następującą liczbę modów (reszta wsaźniów modowych jest analogiczna dla modów S: 1) Dwie grupy po dwa mody S x S x nazywane S +x, S -x, oraz S y - S +y, S - y ; ) Dwie grupy modów, x mody A - A x (A +x, A -x ), A y (A +y, A -y ); 3) Dwie grupy modów x SA - SA x (SA +x, SA -x ), SA y (SA -y, SA +y ); 4) Dwie grupy modów AS - AS x (AS +x, AS -x ), AS y (AS -y, AS +y ); 5) Dwie grupy po osiem modów trzyindesowych, np. trzyindesowe mody X SAA +x, ASS +x, SAS +x, ASA +x, SAA -x, itd. Rozwiązując uproszczony, i poprawnie przerwany w rozwinięciu funcyjnym, uład równań własnych dla ażdej podgrupy modów otrzymuje się indywidualne modowe stałe propagacji (rys.1.43.) i rozład pola dla ażdego rodzaju (rys ). Bra symetrii cylindrycznej w rozładzie pola światłowodu czterordzeniowego sutuje rozbiciem (dysretnym rozszerzeniem) onwencjonalnego modu podstawowego LP światłowodu cylindrycznego w mody podstawowe SA szybsze i wolniejsze od LP 01y lub HE 11 ( o więszych i mniejszych stałych propagacji). Zjawiso to dotyczy taże modów wyższego rzędu. Mody SA podlegają degeneracji w mod HE 11(LP 01) dla parametu separacji rdzeniowej d0. Stopień separacji modowej wzrasta, gdy separacja rdzeni maleje, w zaresie d a. Dla d>>a mody w indywidualnych rdzeniach stają się niezależne, niesprzężone. Wyłącznie rodzaje SA 1 x oraz AS 1 y (w sumie 4 rodzaje) nie posiadają odcięcia (tzn. posiadają teoretyczne odcięcie dla V=0). Pozostałe mody podstawowe posiadają niewielie niezerowe wartości częstotliwości znormalizowanej odcięcia, jedna znacznie mniejsze od V=,4 dla przypadu światłowodu jednordzeniowego cylindrycznego. Obliczono [137], że trzyindesowa rodzina modów podstawowych posiada odcięcie dla V 0,9. Jednoindesowa rodzina modów podstawowych posiada odcięcie dla V 1. Dwuindesowe rodziny modów podstawowych SA y, AS x posiadają częstotliwość odcięcia dla V 1,5. W powyższej notacji modów podstawowych pominięto dla uproszczenia liczby modowe azymutalną i radialną, tzn. mod podstawowy dwuindesowy SA y powinien być zapisany w pełnej notacji jao SA 11 +y, SA 11 -y, i podobnie dla innych modów podstawowych, a następnie rodzajów wyższego rzędu. W sumie światłowód czterordzeniowy posiada 3 nietrywialne mody podstawowe. Rys przedstawia mody podstawowe niesprzężone (a,b,c,d) oraz jeden wybrany przyład modu podstawowego sprzężonego. Tabela 4. Niesprzężone i sprzężone rodzaje podstawowe w jednomodowym światłowodzie czterordzeniowym o wadratowym rozładzie jednaowych rdzeni we współnym płaszczu [137,0]. Klucz do wartości pola: o masymalna wartość pola, x minimalna wartość pola, : - zerowa wartość pola. Symetria pola modów SA jest rozważana względem artezjańsiego uładu współrzędnych o zerze w osi światłowodu i osiach X,Y zgodnie z rys Srócone nazwy modów z podreśleniem oznaczają mody sprzężone. Symbole oo oo, xx xx, itp. należy odczytywać jao rozład wartości pola w ułαdzie rdzeni 1, 3,4 wg. rys Komutacja wzoru modowego prawosrętna - w ierunu zgodnym z ruchem wsazówe zegara; 115

116 # Nazwa modowa, grupa lub podgrupa modów podstawowych Symbol modu Srócon y symbol modu Liczba modów grupy Rozład pola modowego w rdzeniach Uwagi, omentarz 1 Symetryczny SSSS S 1 oo oo xx xx Mody Symetryczny-Antysymetryczny SSAA SA 1 ox ox xo xo 3 Antysymetryczny-Symetryczny AASS AS 1 oo xx xx oo 4 Antysymetryczny AAAA A 1 ox xo xo ox 5 Symetryczny SA SASA SAS 4 ox oo xo xx Symetryczny AS ASSA ASS xo oo ox xx Antysymetryczny AS ASAS ASA oo xo xx ox Antysymetryczny SA SAAS SAA oo ox xx xo 6 Sprzężony Symetryczny SA S+SA SSA 1 o: o: x: x: :o :o :x :x SAS+SAA, ASA+ASS Sprzężony Antysymetryczny AS A+AS AAS :o :o o: x: Sprzężony Symetryczny AS S+AS SAS :: oo oo :: SAS+ASS, ASA+SAA Sprzężony Antysymetryczny SA A+SA ASA ox :: :: ox Sprzężony Symetryczny S+A SA :o o: o: :o Antysymetryczny SAA+ASS, ASA+SAS Sprzężony Antysymetryczny SA+AS ASSA o: :x :o x: Symetryczny SA lub SAAS 7 Sprzężony Symetryczny SAS S+SASA SSAS 8 :o :: o: oo :x :: x: xx Sprzężony Symetryczny ASS S+ASSA SASS o: :: :o oo Sprzężony Symetryczny ASA S+ASAS SASA :: o: oo :o Sprzężony Symetryczny SAA S+SAAS SSAA :: :o oo o: Sprzężony Antysymetryczny SAS A+SAS ASAS 4 :: o: ox :o Sprzężony Antysymetryczny ASS A+ASS AASS :: :o xo o: Sprzężony Antysymetryczny ASA A+ASA AASA :o :: o: xo Sprzężony Antysymetryczny SAA A+SAA ASAA o: :: :o ox Sprzęż. Symetryczny Antysymetryczny SAS Sprzęż. Symetryczny SA+ASS :: o: xo :o Antysymetryczny ASS Sprzęż. Symetryczny SA+AS o: :: :o xo Antysymetryczny ASA A Sprzęż. Symetryczny SA+SA :o :: o: ox Antysymetryczny SAA A Sprzęż. Antysymetryczny AS+SAS 4 o: :: :x oo Symetryczny SAS Sprzęż. Antysymetryczny AS+ASS :o :: x: oo Symetryczny ASS Sprzęż. Antysymetryczny AS+AS :: :o oo x: Symetryczny ASA Sprzęż. Antysymetryczny Symetryczny SAA niesprzężone; Podstawowy rozład pola przy pobudzeniu wszystich rdzeni Sprzężone mody bliźniaczordzeniowe Sprzężone mody jednordzeniow e i trójrdzeniowe; Komutacja rozładu pola lewosrętna SA+SAS 8 :: :o ox o: Komutacja międzyrdzeniowego wzoru modowego prawosrętna A AS+SA A :: o: :: x: oo :x xx :o Załadamy początowo, że wszystie rdzenie są, na płaszczyźnie wejściowej światłowodu czterordzeniowego, pobudzone jednaowo, synfazowo falą płasą z jednego źródła oherentnego. Po pewnej długości propagacji w światłowodzie, równej pratycznie wielorotności drogi dudnienia (estremalnej wymiany mocy), specyficznej dla danego rodzaju modu podstawowego sprzężonego, 116

117 otrzymuje się obraz pola modowgo przedstawionuy przyładowo na rys e. Cała moc optyczna, w tym przeroju poprzecznym światłowodu czterordzeniowego, dla L=L B,i,j,SA,x. Propaguje się wyłącznie w dwóch rdzeniach, z antysymetrycznymi amplitudami pola. Załadając światłowód bezstratny, amplituda pola w tych dwóch rdzeniach jest podwójna, osztem rdzeni czarnych (martwych, niepobudzonych, dla tego przeroju światłowodu nie propagujących mocy optycznej, nazwa bierze się z czarnej barwy rdzenia na fotografiach badanych próbe światłowodów). W tai sam sposób można otrzymać inne obrazy pól modowych dla rodzajów podstawowych sprzężonych, posiadających jeden, dwa i trzy rdzenie czarne dla pewnego przeroju poprzecznego światłowodu. Mówimy, że reszta rdzeni jest biała, tzn propaguje swoją, niezerową, część mocy optycznej pobudzającej światłowód. Rys Symboliczna prezentacja rozładu poprzecznego pola H w modach podstawowych SA światłowodów dwurdzeniowych (pierwsza linija) i czterordzeniowych (pozostałe) o wadratowym rozładzie identycznych rdzeni. Niesymetria pola względem źródłowego modu podstawowego HE 11 jest na tych rysunach przesadzona, w celu poazania wpływu sprzężenia mocy optycznej w sąsiadujących rdzeniach. Sprzężenie, tutaj załadane jao słabe, wpływa na rozład pola w przeroju poprzecznym światłowodu poprzez przesunięcie pól, w 117

118 indywidualnych rdzeniach, względem osi włóna, odpowiednio do wewnątrz lub na zewnątrz włóna, ale całowicie symetrycznie. Rodzina trzyindesowa modów SA, ja wynia z obliczeń, wyazuje niewielie niesymetrie w rozładzie pola. Nie wszystie plami modowe dla tej rodziny są jednaowo odległe od osi światłowodu. 118

119 Rys Wybrane charaterystyi sprzężenia międzyrdzeniowego dla jednomodowych światłowodów czterordzeniowych; 1) Podstawowe ułady pobudzania rdzeni, ułd liniowy, trójątny i wadratowy, odpowiadające olejności charaterysty 3 10; ) Fotografie przerojów poprzecznych światłowodów czterordzeniowych wytworzonych metodą hybrydową MMC-RIT, o trzech podstawowych ułαdach badanego sprzężenia rdzeni, Dane światłowodów - =65μm, a=4,8μm, d=7,5μm, dla liniowego i wadratowego uładu rdzeni; d=8μm dla trójątnego ułαdu rdzeni; uład szieł rdzeń-płaszcz - A ; 3) Obliczone i zmierzone sprzężenie dla liniowego uładu rdzeni i pobudzenia rdzenia srajnego; 4) Uład liniowy rdzeni, pobudzony rdzeń wewnętrzny; 5) Ułαd liniowy rdzeni, pobudzone dwa rdzenie przyległe; 6) Uład liniowy rdzeni, pobudzone dwa rdzenie nieprzyległe, w tym srajny; 7) Uład tróątny rdzeni, pobudzony rdzeń centralny; 8) Ułαd trójątny rdzeni, pobudzony rdzeń wierzchołowy; 9) Uład wadratowy rdzeni, pobudzony pojedyńczy rdzeń; 10) Obliczona, wybrana charaterystya seletywności falowej procesu sprzężenia międzyrdzeniowego dla badanego światłowodu czterordzeniowego o wadratowym rozładzie identycznych rdzeni. Moc wyjściowa z rdzenia nr.4, przy pobudzeniu rdzenia po przeątnej nr.1. Obliczona onfiguracja modów podstawowych sprzężonych poazuje [137], że czarne rdzenie mogą być rotowane wzdłuż światłowodu zgodnie z ruchem wsazówe zegara lub przeciwnie, co narzuca dla danej rodziny modów sprzężonych onieczność zapisu dodatową binarną liczbą modową rotacji czarnego rdzenia. Uład rdzeni czarnych i białych ma charater dualny, więc w przypadu rodziny modów sprzężonych o trzech rdzeniach czarnych i jednym białym, mówimy raczej o rotacji sygnału białego pomiędzy rdzeniami, wzdłuż światłowodu wielordzeniowego. Analogicznie, rotacji podlega sygnał czarny wzdłuż światłowodu. Tabela 4 przedstawia zbiór wszystich modów podstawowych, niesprzężonych i sprzężonych, SA światłowodu czterordzeniowego, o wadratowym rozładzie jednaowych rdzeni. Rys przedstawia schematycznie reprezentacje poprzecznego rozładu pola H modów podstawowych SA, nazywanych fundamentalnymi wzorami pola rdzeniowego. Na początu dodano, dla porównania, wzory pola modów SA światłowodu dwurdzeniowego, bliźniaczordzeniowgo (homordzniowego). Z obliczonych rozładów pola podstawowych modów niesprzężonych można jednoznacznie przewidzieć rodziny modów sprzężonych z jednym, dwoma i trzema rdzeniami czarnymi. Zaproponowany model rodzajów SA [137] jednoznacznie opisuje zachowanie modowe jednomodowego światłowodu czterordzeniowego o wadratowym uładzie rdzeni w płaszczu. Rozład pola modowego z jednym czarnym rdzeniem jest ombinacją następujących modów podstawowych: S+SAS, S+ASS, S+ASA, S+SAA, S+SAS, S+ASS, A+ASA, A+SAA, SA+SAS, SA+ASS, SA+ASA, SA+SAA, AS+SAS, AS+ASS, AS+ASA, AS+SAA. Dwa czarne rdzenie są wyniiem interferencji pól modowych pomiędzy: S+SA, S+AS, A+SA, A+AS, S+A, SA+AS. Trzy czarne rdzenie dla modów podstawowych powstają podczas oherentnego sumowania: S+SAS, S+ASS, S+SAA, tabela 4. Dla modów symetrycznych niesprzężonych i sprzężonych, sewencja omutacji pojedyńczego rdzenia czarnego, o symbolu modowym :o oo, tj. sprzężony symetryczny mod podstawowy trzyrdzeniowy, jest następująca: SASA, SSAA, SSAS, SASS, SASA. Komutacja pary rdzeni czarnych/białych, gdy tylo jeden rdzeń jest przełączany w jednym oresie drogi dudnienia L B, tj. sprzężony mod podstawowy dwurdzeniowy o symbolu rozładu pola oo ::, zachodzi dla sewencji modów: SSA(SAS+SAA), SA(SAA+ASS), SAS(ASA+SAA), SA(ASA+SAS), SSA(ASA+ASS), SA(SAA+ASS), SAS(SAS+ASS). Jednoczesna omutacja dwóch rdzeni zachodzi dla sewencji modowej: SA(od SAA+ASS do ASA+SAS) lub SAS (od SAS+ASS do ASA+SAA), itd. Komutacja prawosrętna (zgodnie z ruchem wsazówe zegara) pojedyńczego rdzenia białego zachodzi dla następującej sewencji sprzężonych modów podstawowych pięcioindesowych: SAASA, SASAA, SASAS, SAASS. Komutacja lewosrętna pojedyńczego rdzenia białego zachodzi dla następującej sewencji sprzężonych modów podstawowych czteroindesowych: SASS, SASA, SSAA, SSAS. Prawosrętna omutacja pojedyńczego czarnego rdzenia dla sprzężonych modów antysymetrycznych o symbolu :o ox, występuje dla sewencji: ASAA, AASA, AASS, ASAS. Rodzaj sprzężony jednordzeniowy, czteroindesowy, antysymetryczny A nie może być w pratyce odróżniony od innej ombinacji modów S oraz AS/SA prowadzących do rodzajów jednordzeniowych. Sewencja dla prawosrętnej omutacji antysymetrycznej pojedyńczego białego rdzenia jest: ASAA, AASA, AASS, ASAS. Zwraca uwagę ta sama sucesja modowa co w przypadu omutacji pojedyńczego rdzenia czarnego. 119

120 W pratyce laboratoryjnej mody AS od SA i trzyindesowych symetrycznych SA rozpoznaje się po szczegółach niesymetrii rozładu pola. Fotografie pola blisiego modów SAS, ASS, ASA, SAA, oraz symboliczne rozłady pola dla modów podstawowych i wyższego rzędu przedstawiono w [137]. Pola modowe są najbardziej symetryczne wadratowo dla rodziny modów dwuindesowych AA, SS, SA i AS. Masima pól w indywidualnych rdzeniach są przesunięte nieco na zewnątrz lub do wewnątrz względem osi długiej światłowodu. Rodzina modów trzyindesowych SAA, ASS, SAS, ASA posiada wbudowane niesymetrie rozładu pól, tóre można przewidzieć teoretycznie z rozwiązania równań (1,94), (1.96). Niesymetrie wyniają z niejednaowych przesunięć masymalnych wartości pól w różnych rdzeniach. Mody symetryczne antysymetryczne SA/AS posiadają rozsunięcie masimów na zewnątrz względem jednej z płaszczyzn wyznaczonych osią włóna Z i osią X lub Y. Mody podstawowe symetryczne SA, SAS, a taże inne mody trzyindesowe ASS, ASA, SAA posiadają w obrazie pola blisiego wyraźną separację np. na zewnątrz jednego z rdzeni. W światłowodzie czterordzeniowym o wadratowym rozładzie identycznych rdzeni możliwe jest, zgodnie z rozwiązaniem równania własnego ( ) rozprzestrzenianie się drugiego ompletu modów SA o osiach symetrii dla uładu artezjańsiego rotowanego o 45 o względem ułady XY z rys Rozłady pól, względem przedstawionych na rys.1.44, są rotowane o 45 o, i mówimy wówczas o geometrii diamentowej [137]. Na przyład, wetory pola H we wszysyich rdzeniach, dla modu SS diamentowego, wsazują na oś długą światłowodu, lub wszystie sierowane są od osi na zewnątrz włóna. Mody wyższego rzędu badanego światłowodu czterordzeniowego dzielą się taże na rodzinę niesprzężoną i sprzężoną. Dla rodziny dwuindesowej oznaczamy je jao: SS, SS3, SS4,..., AA, AS, SA,..., itd., oraz dodatowo TM 01, TE 01. Mody wyższego rzędu TM, TE, HE można przedstawić jao sprzężone mody SA: TM 01=AA-AA3, TE 01=SS+SS3, o e HE 1 =AA+AA3, HE 1 =SS-SS3. Mod podstawowy HE 11 jest przedstawiany jao ombinacja nstępujących modów SA: HE 11=AS1=AA1 lub (AS1-AA1, SA1+SS1, SA1-SS1). W celu uzysania lepszego wglądu fizycznego w zjawisa sprzęgania modów podstawowych w światłowodzie czterordzeniwoym (a w onsewencji w innych jednomodowych światłowodach wielordzeniowych), zastosowano onurencyjną, wobec pól modowych, metodę analizy przepływu mocy pola modowego (wetor Poyntinga). Podobna analiza przepływu mocy, ja przedstawiona poprzednio dla światłowodów dwurdzeniowych (w tym bliźniaczordzeniowych) i trójrdzeniowych, została wyonana dla trzech modeli światłowodu czterordzeniowego o odmiennych fundamentalnych rozładach rdzeni w płaszczu: wadratowym, trójątnycm i liniowym. Wynii obliczeń numerycznych zostały zebrane na rys , odpowiednio dla: uładu liniowego i różnych sposobach pobudzenia brzegowym, środowym, wielorotnym i mieszanym: uładu trójątnego i dwóch rodzajach pobudzenia brzegowym i centralnym; oraz uładu wadratowego i pobudzeniu pojedyńczego rdzenia (a nie ja w przypadu polowym wszystich rdzeni naraz). Analiza tych przypadów wyczerpuje wszystie podstawowe, nietrywialne ułady rdzeni sprzężonych i pól modowych oraz rodzajów sprzężenia w światłowodzie czterordzeniowym. Analiza ulega znacznemu utrudnieniu dla ogólnego przypadu światłowodu czterordzeniowego, heterordzeniowego o odwolnym rozładzie rdzeni. Jednaże szereg rozwiązań heterordzeniowych nie wydaje się być istotnych, w chwili obecnej, z puntu widzenia apliacyjnego. Rys przedstawia olejność analizy sprzężenia rdzeniowego dla rodzajów pobudzenia, i odnosi się do olejnych rysunów Rys przedstawia przyładowe fotografie wyonanych przez autora, we współpracy z OBPŚ HS Biaglass światłowody czterordzeniowe o regularnym uładzie rdzeni (liniowym, trójątnym i wadratowym) olejno analizowanych na rzywych Rys przedstawia obliczone charaterystyi sprzężenia dla jednomodowego światłowodu czterordzeniowego o liniowym jednorodnym (równoodległościowym) rozładzie rdzeni dla d 1=d 3=d 34=d. Charaterystya ta jest podobna do charaterystyi sprzężenia dla liniowego uładu rdzeni w światłowdzie homordzeniowym, równoodległościowym, trzyrdzeniowym. Przeaźniowy, izolujący optycznie, charater rdzeni wewnętrznych ulega wzmocnieniu w światłowodzie czterordzeniowym, w porównaniu ze światłowodem trzyrdzeniowym. Dodatowy rdzeń dodaje więcej przesunięcia fazowego oraz opóźnienia do głównej drogi sprzężenia, i przepływu mocy optycznej, pomiędzy rdzeniami srajnymi. Moc ulega ostatecznie aumulacji, po drodze dudnienia, w czwartym rdzeniu, przy pobudzeniu pierwszego. Rozszerzając to rozwiązanie geometryczne na więcej rdzeni w uładzie liniowym, można spodziewać się dalszej ompliacji 10

121 przebiegu rzywej mocy w oresie sprzężenia, i odtworzenie calej mocy w poszczególnym rdzeniu zabiera znacznie więcej czasu. Zachodzi wiele jednoczesnych, dwuierunowych, procesów sprzężenia. Rys przedstawia sytuację, gdy pobudzono jeden srajny rdzeń (np. nr 1) dla z=0. Z obliczonej i zmierzonej charaterystyi sprzężenia widać, że dla względnej wartości odległości od puntu pobudzenia (początu światłowodu) z=z w=z x/z o=0,15 prawie cała moc rezyduje w rdzeniu nr.4. Rdzenie 1, i 3 są czarne. Dla odległości dudnienia d 11 (rdzeń 1 do 1), czyli na wyresie z=0,5, prawie cała moc jest z powrotem sprzężona do rdzenia 1 pobudzonego na początu światłowodowu dla z=0. Residualny poziom mocy pozostaje w drugim rdzeniu srajnym. Mówimy, że rdzeń jest szary i oreślamy ontrast wobec rdzenia pobudzonego lub białego [137,0]. Światłowody, o identycznych parametrach przyjętych do analizy numerycznej, zostały wytworzone metodą hybrydową, pręt-rura, z preformą MMC, i zmierzone pod względem sprzężenia międzyrdzeniowego, rys , metodą odcięcia ońca światłowodu, w lasycznym uładzie pomiarów tłumienia spetralnego z adaptowaną metodą sprzężenia wejściowego. Zmierzone sprzężenie było prawie identyczne z obliczonym. Na rys przedstawione są obliczone charaterystyi sprzężenia rdzeni przy pobudzeniu jednego z rdzeni wewnętrznych uładu liniowego równoodległego. Interesujące jest, że całowicie symetryczny uład rdzeni w światłowodzie czterordzeniowym, pobudzony niesymetrycznie, posiada silnie niesymetryczne charaterystyi sprzężenia. Cała moc jest sprzężona z drugiego rdzenia do przyległego, również wewnętrznego, rdzenia trzeciego dla z=0,15. Następnie prawie cała moc jest sprzężona do rdzenia pierwszego dla z=0,5. Przyległe rdzenie do pobudzonego są sprzężone jednaowo ale z przesunięciem fazy wzdłuż długości światłowodu. Rys i 6. przedstawiają obliczone rzywe sprzężenia dla tego samego światłowodu, gdy pobudzone są jednocześnie dwa rdzenie w czterordzeniowym uładzie liniowym, przyległe i nieprzyległe. Rdzeń 4 na rys , dla pobudzenia dwóch rdzeni przyległych, w tym srajnego 1, utrzymuje moc optyczną na więszej długości i traci moc optyczną na więszej długości, niż dla innych przypadów sprzężenia. Na rys rozład rzywych sprzężenia jest bardziej jednorodny w funcji długości światłowodu i pomiędzy rdzeniami. Rys i 8. przedstawiają rzywe sprzężenia mocy pomiędzy rdzeniami dla dwóch pobudzeń trójątnego uładu rdzeni z pobudzeniem rdzenia środowego i srajnego. Symetria rdzeni odzwierciedla symetrię rzywych sprzężenia. W pierwszym przypadu jest podział mocy na trzy, w drugim przypadu podział na dwa do rdzeni 3 i 4 ale poprzez rdzeń przeaźniowy. Tutaj mechanizm rdzeniowego przeaźnia mocy optycznej opóźnia fazę sprzężenia doładnie o /. Rys przedstawia jeden ze szczególnych przypadów sprzężenia mocy w światłowodzie czterordzeniowym o wadratowym rozładzie rdzeni i pobudzonym pojedyńczym rdzeniu. Uład jest podobny do trójątnego z pobudzeniem rdzenia srajnego, z tym że dwa rdzenie,3 pełnią funcje symetrycznych przeaźniów mocy do rdzenia pojedyńczego 4. Prawie całowita moc przechodzi do najbardziej odległego rdzenia po przeątnej wadratu. Gdy w tym uładzie pobudzone są dwa przyległe rdzenie odpowiada to sytuacji w światłowodzie bliźniaczordzeniowym. Gdy pobudzone są dwa rdzenie po przeątnej uład jest doładnie symetryczny i sumuje albo dzieli na dwa moc pomiędzy dwa pozostałe rdzenie Światłowody złożone Przy pomocy prezentowanych w niniejszej pracy metod technologicznych możliwe jest wytwarzanie światłowodów włónowych, jednomodowych i wielomodowych, o znacznie bardziej złożonych struturach wewnętrznych geometrycznych i materiałowych niż przedstawione - opisane teoretycznie, wytworzone i mierzone powyżej. 11

122 Rys Wybrane rodzaje wytworzonych i badanych światłowodów włónowych o złożonych struturach wewnętrznych materiałowych i geometrycznych; Dane i właściwości materiałowe i sygnałowe tych światłowodów znajdują się w cytowanych powyżej publiacjach; Na ogół, w celu uporządowania możliwości testowania nowych strutur, parametry światłowodów są wewnętrznie standaryzowane; W pewnych przypadach standaryzowana jest np. średnica zewnętrzna włona do 15μm w celu ułatwienia sprzężenia z innymi światłowodami, pobudzającymi, itp. 1),) Światłowody pięciordzeniowe, o jednaowych rdzeniach, o cylindrycznycm rozładzie rdzeni i różnym promieniu cylindra rozładu; 3) Optyczna transformata Fouriera światłowodu z fotografii ; 4) Światłowód sześciordzeniowy o rdzeniach eliptycznych ułożonych cylindrycznie i niewieliej separacji międzyrdzeniowej; 5) Analogiczne do 1 i rozwiązanie strutury wewnętrznej światłowodu ośmiordzeniowego o cylindrycznym rozłądzie rdzeni; 6) Rozwiązanie roujące bardzo duże nadzieje apliacyjne, światłowodu dziewięciordzeniowego o matrycowym uładzie jednaowych rdzeni o niewieliej separacji wzajemnej; 7) Światłowód o rdzeniu położonym nieosiowo wewnątrz płaszcza; 8) Światłowód wadratowy o rdzeniu wadratowym; 9 14) Światłowody o rdzeniu wielolistowym ostrzowym, tutaj prowadzą fale o różnych długościach w zaresie widzaln; 15) ) Różne badane rozwiązania strutury geometrycznej i materiałowej ształtowanych światłowodów złożonych; 19) Światłowód o rdzeniach położonych bliso brzegu strutury włóna. Przeroje złożonych strutur włónowych poazane tutaj jao ilustracja możliwości ształtowania technologicznego opisanymi w pracy metodami MMC, pręt-rura, mozaiową i hybrydowymi; 3 30) Badane ształty rdzeni światłowodów jednomodowych i wielomodowych, tzw. uczulanych technologicznie, do zastosowań czujniowych [139,3,4]; 3,4,5,7,8,30) Klasa rdzeni ostrzowych z wyróżnionym ieruniem dużych strat; 6,9) Klasa rdzeni podzielonych, podwójne D i wielopłatowy; 30 34) Nietóre właściwości rdzeni wielomodowych wadratowych i hesagonalnych; Wśród taich strutur można np. wymienić: rociordzeniowe - pięciordzeniowe, sześciordzeniowe, ośmiordzeniowe, dziewięciordzeniowe, szesnastordzeniowe o rdzeniach w uładzie macierzowym, o nieregularnym uładzie rdzeni, o rdzeniach w postaci ostrzowych figur czwartego rzędu, np. lemnisaty Bernoulliego, owalu Cassiniego, o rdzeniach położonych tuż przy brzegu strutury światłowodu. Część z taich strutur została opisana przez autora poprzednio, np. w [45,48,50,90,91,9], [10,105,108,109], [111,11,14], [133,138,139], [144,171,17,18,187], [0,06,18, ,1.08], wiele podlega dalej badaniom [0]. Nietóre z nich posiadają użyteczne charaterystyi sygnałowe z puntu widzenia potencjalnych apliacji [4,10,11,39,170,17,9,68]. 1

123 Do grupy światłowodów złożonych należą włóna o rdzniach niecylindrycznych. Najprostsze z taich światłowodów posiadają rdzenie trójątne, wadratowe, prostoątne, hesagonalne, itp. Cechą charaterystyczną taich światłowodów jest zależność charaterysty modowych i sygnałowych oraz wrażliwościowych od azymutu [4]. Każdy rodzaj sośny w wielomodowym światłowodzie cylindrycznym, w uproszczonym ujęciu optyi geometrycznej, posiada pojedyńczą wartość ąta sośności. Rdzenie wadratowe i hesagonalne posiadają dwa ąty sośności dla ażdego modu prowadzonego, rys Te ąty są związane z parą równoległych ścian rdzenia. Najwięszy ąt aceptacji dla promieni sośnych jest sin max=() 1/ sin max. Istnienie pary sośnych modowych ątów własnych (w rdzeniach wadratowych i hesagonalnych) powoduje, że dla małych wartości NA, pomiar wartości NA z obrazu pola daleiego jest niejednoznaczny, tzn. znacznie trudniejszy w pratyce laboratoryjnej, ze względu na rozmycie brzegu obrazu. Najwięszy ąt wyjścia promienia (i najszerszy obraz pola daleiego) jest w płaszczyźnie diagonalnej rdzenia światłowodu. Najmniejszy ąt wyjścia (najwęższe miejsce w obrazie pola daleiego) jest w płaszczyźnie równoległej do ścian rdzenia. W światłowodzie o wadratowym rdzeniu nie występuje zjawiso ciemnych pasów podczas obserwacji pod ątem powierzchni rdzenia wielomodowego, ponieważ sąt sośności jest stały dla danego ierunu obserwacji. Taie zjawiso jest obserwowane dla rdzenia cylindrycznego. Dla rdzenia wadratowego warune aceptacji promienia, dla dużych ątów, powyżej warunu aceptowalności południowej jest >arccos(na/sin), gdzie: -ąt sośny, -ąt osiowy. Zdolność aceptacji mocy optycznej przez światłowód o rdzeniu wadratowym ze źródła Lamberta jest: P=4I ona gdy NA<() -1/, oraz P=I o-4i o[arccosna-na(1-na )] 1/, gdy NA>() -1/. Masymalny ąt aceptacji dla rdzenia hesagonalnego jest: max=/3 dla promienia sośnego odbijającego się od ażdej ściany, max=/6 dla promienia sośnego odbijającego się od co drugiej ściany, oraz sin max=sin max gdy max=/3, sin max=(/3 1/ )sin max, gdy max=/6. Ciemne pasy są obserwowane na powierzchni rdzenia wielomodowego światłowodu hesagonalnego dla promieni odbijających się od wszystich ścian, gdy obserwacja jest prowadzona z ierunu normalnego do ściany. Ciemne pasy nie są obserwowane dla regularnych promieni trójątnych (odbicie od co drugiej ściany), gdy obserwacja jest prowadzona wzdłuż ierunu diagonalnego. Analiza jednomodowych światłowodów wadratowych i hesagonalnych zostanie tutaj pominięta. Przy pomocy złożonych strutur wewnątrz włóna optycznego można wprowadzić znaczną niesymetrię w charaterystyi sygnałowe wytworzonego z niego elementu światłowodowego. Szczególne zainteresowanie badawcze przyciągają np. światłowody dziurawe o propagacji fotonicznej i bardzo złożonej struturze wewnętrznej, a taże światłowody ultranisostratne o dużej stratności loalnej. Opis tych bardzo interesujących i przyszłościowych strutur, pod względem możliwości przetwarzania sygnałów fotonicznych, przeracza znacznie ramy tej pracy. Na rys przedstawiono fotografie i rysuni przerojów poprzecznych wybranych światłowodów o złożonej struturze wewnętrznej, stanowiące przyłady badanych przez autora strutur, we współpracy z OBPŚ HS Biaglass Światłowody dla zaresu średniej i daleiej podczerwieni Przedmiotem zainteresowania technii światłowodowej średniej i daleiej podczerwieni (nazywanej dalej w srócie TŚ IR), operującej w orientacyjnym zaresie spetralnym 30μm są szła, poliryształy i monoryształy podatne na tworzenie z nich światłowodów włónowych. Liczne szła IR, np. fluorowe, mają zbliżoną wartość temperatury przejścia w fazę szlistą T g oraz temperatury rystalizacji T, wyazują silną tendencję do rystalizacji podczas obróbi cieplnej. Oreśla się następujące waruni na materiały dla technii światłowodowej IR: 1) Stabilność ze względu na dewitryfiację w wystarczająco szeroim zaresie temperatur, ) Wystarczająca lepość, aby możliwe było wyciągnięcie włóna, 3) Wystarczająco wysoa temperatura przejścia w fazę szlistą, w szczególności znacznie więsza od temperatury poojowej, 4) Ja najwięsza różnica pomiędzy T i T g, 5) Podatność na ultraoczyszczanie, 6) Stabilność mechaniczna i chemiczna, szczególnie względem H O, 7) Bra sładniów tosycznych, 8) Podatność na porywanie innym materiałem szlistym, w celu utworzenia trwałej strutury rdzeń-płaszcz, 9) Odpowiedni zares spetralny przezroczystości, w zaresie IR mała wartość masymalnej częstotliwości fononowej, 10) Podatność na domieszowanie efetywnie zmieniające refrację materiału bazowego. Jao 13

124 hipotetyczne zalety TŚ IR wymienia się, małe straty włóien optycznych, wzrost wymiarów światłowodów jednomodowych, znacznie zmniejszone wrażliwości na wiele rodzajów oddziaływań zewnętrznych na światłowód IR. Wymieniane są cztery grupy zastosowań TŚ IR: transmisja mocy, optya światłowodowa IR, radiometria i czujnii oraz hipotetycznie teleomuniacja. W zaresie transmisji dużej mocy uzysuje się poziomy sete W CW dla lasera CO. Inne pasma (np. 3 6μm, powyżej 11μm) posiadają na ogół swoją odrębną ścisłą specyfię techniczną, wyniającą z dostępnością odpowiednich, przezroczystych w tym zaresie i nisostratnych, materiałów. Optya światłowodowa IR to elementy taie ja: płyti, stożi, soczewi GRIN, pryzmaty oherentne, obrazowody, odery i transformatory obrazów. Zastosowania w radiometrii związane są z oherentną matrycą światłowodów IR. Potencjalne możliwości zastosowania w teleomuniacji, ja dotąd nie spełnione, związane są z nisim poziomem rozpraszania Rayleigha w nietórych rodzajach światłowodów IR. Całowite straty światłowodu IR można, w ujęciu pasmowym, zapisać w postaci zależności; α c=α R+ abs,uv+α abs,ir=a/ 4 +B 1expB /+C 1expC /; A, B i, C i=const. (1.97) Współczynni Rayleigha dla światłowodów IR ocenia się przy pomocy zależności R R=(8/3) 5 n 8 p βt g (8/3) 3 (n -1)βT g, (1.98) gdzie n-współczynni załamania, p-średnia stała fotoelastyczna, β-ściśliwość izotermiczna, T g- temperatura przejścia w fazę szlistą, -stała Boltzmanna. Obliczenia według powyższych wzorów dają straty światłowodu na poziomie [db/m],.[58,148,186,5,6]. Osiągane w pratyce straty są w granicach 0,1 100dB/m, przy relatywnie słabych właściwościach mechanicznych, termicznych i chemicznych światłowodów IR. Światłowody IR wyonywane są z następujących materiałów [186]: 1) bardzo ciężie szła tlenowe, np. o sładach TeO -WO (Ta O 5, Bi O 3), TiO -BaO-ZnO-PbO, przezroczyste do o. 6μm; ) Szła wieloanionowe, oxyhalogenowe, tlenowo- fluorowe, chlorowe i bromowe, ja fluororzemiany (SiO -F), fluorofosforany (NaPO 3-AlF 3-CAF 3), chlorofosforany (NaPO 3-ZnCl 3), szła fluorowo-glinowe (AlF 3-T-MF ); szła mieszane tellurowe (TeO -MF); 3) Ultraczyste szła halogenowe, halide, cyronowe, hafnowe, (ZrF 4-BaF -M 1F-M F), lub bezcyronowe PbF, AlF, ZnF, BeF -CoF-M 1F-M F, PF 6-AsF 6, MnF, ScF 3, ZnCl, BiCl 3, BiBr 3; przezroczyste do ilunastu μm; 4) Szła halogenowe mieszane; 5) Szła tlenowcowe, niemetaliczne, chalogenowe; siarczowe, selenowe i tellurowe (S,Se,Te+ Ge,Si,P,As,Sb); 6) Poliryształy, AgCl, AgBr, CaF. TlBrL, CsIBr. Omówienie szeroiej problematyi światłowodów IR wyracza poza ramy niniejszej pracy. 14

125 . Wybrane materiały i metody wytwarzania światłowodów nieteleomuniacyjnych Podstawowe parametry wielosładniowych szieł optycznych, wytapianych z mieszaniny oczyszczonych tlenów, stosowanych na światłowody ształtowane to: współczynni załamania n d, liczba Abbego L A lub dyspersja, właściwości spetralne, oraz mechaniczno - termiczne. Znajomość tych parametrów jest niezbędna w celu oreślenia rodzaju szieł do danego zastosowania światłowodu. Współczynni załamania n d dla szieł zmienia się w granicach o. 1,3,4 a liczby Abbego w zaresie [ ]. Trwają poszuiwania w celu rozszerzenia wymienionych granic, głównie dla celów szieł laserowych oraz technii światłowodowej ultrafioletu, średniej i daleiej podczerwieni. Na rysunu.1. przedstawiono obszar zajmowany przez szła w przestrzeni Abbego z zaznaczeniem pozycji zajmowanej przez luczowe dla teleomuniacji światłowodowej szło SiO. Na wyresie zaznaczono zmianę ilu dodatowych parametrów szieł ja: wartość przerwy energetycznej oraz nieliniowego współczynnia załamania n. W porównaniu ze szłami wysoorzemioowymi, szła wielosładniowe oferują: możliwość zmian parametrów optycznych w stosunowo szeroich granicach, nisie oszty wytwarzania, niższe temperatury procesów przetwarzania, słabszą wytrzymałość mechaniczną i wyższe straty. Typowe słady szieł światłowodowych bazują na następujących uładach jonów: Na-B-Si (SBS), K-B-Si (KBS), Ge-B-Si (GeBS), Na-Ca-Si (SLS), Na-Pb-Si, Na-Ba-Si. Typowe ułady szieł rdzeń-płaszcz, lub w uładzie wielowarstwowym, są: SLeS1-SBS1, zalety tej pary znaczna różnica wartości n d nisa temperatura procesu, duża stabilność i odporność chemiczna, bardzo dobre właściwości mechaniczne, słaba tendencja do dewitryfiacji, neutralna płasa charaterystya spetralna w zaresie widzialnym i blisiej podczerwieni, SLS1-SLS, SLBS1-SLS, S7-S6, S7-S8, BLF1-BK7, BLF- BK7, BLF-S6, BLF-S8, S3-S, S3-S1, B4-B, SK5-B, SF5-LF7, F-S6, BF8-S1, F-S6-S7-S8, F-BLF-S6, BLF1-BLF-S4, BF8-BLF5-F-S8, BF8-BLF1-F-S6, B14-BK17, SK1-BLF-S9, B4- BLF-S6. W tabeli 5 przedstawiono wybrany typowy przyład doboru szieł rdzeniwo płaszczowych na światłowód ształtowany. W tabeli 6 zebrano ila podstawowych rodzin szieł atalogowych i syntetyzowanych we własnym zaresie, na terenie OBPŚ HS Biaglass, stosowanych do wytwarzania światłowodów ształtowanych prezentowanych w niniejszej pracy. Przedstawiono słady szieł oraz ich wybrane właściwości fizyochemiczne. Zares wymienionych parametrów decyduje o właściwościach tworzonego ształtowanego włóna optycznego. W tabeli 9 zebrano szeroi zares parametrów lasycznych światłowodów teleomuniacyjnych oraz światłowodów ształtowanych ze szieł mięich. Umożliwia to porównanie i analizę wpływu materiału i strutury na właściwości fizyochemiczne i sygnałowe badanych rodzajów włóien optycznych 15

126 Rys..1. 1) Obszar zajmowany przez szła w przestrzeni Abbego [58,148186]: współczynni załamania światła dyspersja materiałowa. W przestrzeni Abbego naniesiono zmiany przerwy energetycznej w szłach oraz nieliniowego współczynnia załamania n ; ),3) Konstrucja i parametry zestawu tygli w lasycznej metodzie dwutyglowj wycoiągania światłowodów ze szieł wielosładniowych; Parametry - l i długości dysz wylotowych, h i wysoości ciełego szła w tyglach, r i promienie wylotów dysz tyglowych, A i efetywna powierzchnia ciełego szł, i gęstość szła, i lepość szła i jej zależność od temperatury η(t), n i współczynnii załamania szieł. Tabela. 5. Przyładowe słady szieł światłowodowych wytwarzanych metodą MMC obszar Typ sład [% wagi] n D T g NA SiO NaO CaO GeO LiO MgO BO3 [ o C] [10 6 /K ] rdzeń SLS , ,9 0,3 płaszcz SLS , ,4 rdzeń SBLS , ,9 0,1 płaszcz SLS , ,4.1. Modyfiowana metoda wielotyglowa Klasyczna metoda dwutyglowa [ ,39], rys..1.., wyciągania światłowodów ze szieł wielosładniowych dała począte szeregu modyfiacjom polegającym na zwięszeniu liczby tygli w stosie oraz wprowadzeniu możliwości wewnętrznego ształtowania strumienia ciełego szła podczas tworzenia strutury rdzeniowo-płaszczowej światłowodu. Wprowadzono szereg autorsich (taże opatentowanych [0]) modyfiacji lasycznego uładu podwójnego tygla ja: metodę wielotyglową [44,50,64,66,187], wielotyglową-strefową [84,86,87,187], wielotyglową wewnętrznie diafragmowaną [111], wielotyglową z ształtowaną dyszą [48,49,65,76,139], wielotyglową z wielorotną dyszą [90,91,9,96,105,108,11,17,198,0,49,1.05]. Wszystie te metody objęto następnie współną nazwą - modyfiowana metoda wielotyglowa, MMC (ang. modified multicrucible) [14,170,171,18,0,9,37]. Metoda lasyczna operuje zestawem dwóch tygli ze szłem rdzniowym (wewnętrzny tygiel) i płaszczowym (zewnętrzny tygiel), umieszczonych osiowo jeden nad drugim z dyszami olinearnymi. Szło rdzeniowe wypływa do tygla ze szłem płaszczowym i dalej cylindryczne włóno, ze struturą rdzeń płaszcz, jest wyciągane z płaszczowego tygla zewnętrznego. Szła muszą być dopasowane pod względem mechaniczno-termicznym: η i 0 dla temperatury procesu, t gi 0, t si 0, i 0 i optycznym n i>0, n rdz>n pl, gdzie: η i lepość szieł tworzących światłowód, t g temperatura transforamcji, t s temperatura mięnięcia, [10-7 / 0 C] liniowy współczynni rozszerzalności termicznej, n i współczynnii załamania. Podstawowymi parametrami procesu technologicznego MMC, decydującymi o wewnętrznej i zewnętrznej struturze geometrycznej i struturze refracyjnej światłowodu są: h i wysoości słupów ciełego szła w tyglach, l it separacja tygli, l id, r id separacja i średnice dysz tyglowych, l i długości dysz, temperatura i jej rozład w piecu, szybość wyciągania włóna v f. Tygle są wypełniane na zasadzie jednowsadowej lub ciągłej, przy pomocy alibrowanych prętów szlanych wporwadzanych do tygla z oreśloną prędością w celu utrzymania stałego poziomu szła. Masymalna temperatura procesu nie przeracza standardowo 1100 o C. Dla nietórych zestawów szieł dochodzi do 100 o C. Parametry termiczne procesu oraz onieczność dopasowania uładu stanowi podstawowe ryterium ograniczające wybór szieł. 16

127 Światłowody nieteleomuniacyjne Tabela 6. Wybrane parametry syntetyzowanych szieł wielosładniowych stosowanych do wytwarzania światłowodów ształtowanych metodami modyfiowaną wielotyglową, mozaiową, pręt-rura i hybrydową. sładni szło SiO[%w] AlO3 BO3 NaO KO PbO BaO CaO GeO LiO MgO ZrO ZnO AsO3 SbO3 CeO nd d [10-7 / 0 C] Tg[ o C] Ts[ o C] [g/cm 3 ] E /G [GPa] Pure SiO , ,0-5, ,48 7,5/30 B 58,8-3,5 3,5 9,9-19,0-4,7 0, , ,9 75/31 B3 55-5,0 5,0 10,0,0 0, , ,0 7/9 B4 49,7-6,0 4,6 5,0,1 19,9-11,4 0,8 0,5-1, ,0 7/9 B104 49, - 6,0 4,6 5,0,6 19,0-11,4 0,5 0,3 0,5 1, ,0 7/9 BF7 40,0 1,6 6,0 0,4 3,0 1,0 8, , ,5 66/7 BF8 40,0 1,6,0 0,4 3,0 15,0 9,0-8,0 0,5 0,5-1, ,6 70/8 BLF1 5,8 0,8 -, 11,0 10,3 14,1-8,0 0,5 0,3-1, , 68/8 BLF 56,8 0,8 -,5 10,5 6,3 14,0-8,1 0,5 0,5-1, ,0 68/9 BLF1 60,0 0,8 -,0 14,0 10,0 11, , ,9 70/30 BK1 60,0-0,0 11,0 6,0 -, , ,5 74/31 BK107 68,1-11,0 11,0 6,0 -, ,0-0,5 1, ,5 78/3 BK7 66,0-13,0 11,0 6,0 -, , ,5 78/3 F1 47, ,0 10, , ,5 58/4 F 45,6 - -,6 6,0 45, ,3 0, - 1, ,6 60/5 FK3 60, ,0 10,0 0, , ,3 46/18 K3 69,0 -,0 8,0 11,0, ,5 1, , ,6 71/9 K4 69,0 -,0 6,0 10,0 5, ,5 1, , ,6 71/9 K5 39,6 4,1 15, , ,5 0,5-1, ,3 85/33 S ,0 13,5 14, ,0 0, , ,6 73/31 S 48,4-1,5 9, ,0,4,4 0, , , 60/5 S3 49,0-6,0 5, ,0 3,4-0, , ,5 66/7 S4 61,4 1,6 13,5 13, ,0 0, , ,7 64/6 S5 41,0-6,8 3, ,0 4,4-0, , ,6 56/3 S6 64,0 3,0 14,4 15, ,6 0,5 0,5-1, ,6 57/4 S7 30,0 5,0 11,5 -, - 48,0 -,3 0,5 0,5-1, ,5 58/4 S8 7,0-14,0 9, , ,5 0,5-1, ,6 67/8 S9 71,0 1,5 5,0 16,8 5, , , ,6 68/9 SalS , ,8 55/3 SalS , ,7 56/4 SalS , ,6 57/4 SBS1 (pła.) 65,0 3,0 14,0 15, , , ,7 55/3 SK1 60, , , ,0 66/7 SLS1 (rdzeń) 55, , ,0 18,0 5,0 1, , ,7 57/4 SLS (pła.) 65, , ,0 7,0 5,0 1, , ,7 55/3 SLBS1 (rdz.) 55,0-10,0 15, ,0 8,0 5,0 1, , ,7 55/3 SleS1 (rdzeń) 46, ,0 6,0 45, , ,6 60/5 sładni szło SiO[%w] AlO3 BO3 NaO KO PbO BaO CaO GeO LiO MgO ZrO ZnO AsO3 SbO3 CeO nd d [10-7 / 0 C] Tg[ o C] Ts[ o C] [g/cm 3 ] Klucz: n d- współczynni załamania dla =587,6nm, d-liczba Abbego, [10-7 / 0 C]-współczyni rozszerzalności liniowej, T g[ o C]- temperatura transformacji szlistej, T s[ o C]- temperatura mięnięcia, [g/cm 3 ]-gęstość, E/G[GPa]-moduły Younga/sprężystości ształtu; E/G [Gpa] 17

128 Światłowody nieteleomuniacyjne Rys... 1) Schemat menisu wypływowego szła z tygla do analizy, podział strumienia wypływowego na trzy regiony; ),3),4) Fotografie i schematycznie przedstawione ształty trzech rodzajów menisu wypływowego w czasie procesu MMC; ) wlęsły, T bm=1000 o C; 3) wypuły, T bm=1030 o C; 4) wypuło-wlęsły, T bm=1070 o C, T bm temperatura podstawy menisu - apertury wypływowej dyszy. Kąt wypływu jest mierzony pomiędzy pionem a styczną do rzywej powierzcni menisu w puncie styu z brzegiem apertury wypływowej; 5) Transformacja ształtu dyszy rdzeniowych w ształt rdzenia. Rys..3. Kila przyładowych rozwiązań stosu tygli; 1),),3),4) Modyfiacje onstrucji stosu tygli dla metody MMC ze zwielorotnieniem tygla; 5),6),7) Proces MMC z diafragmowaniem dysz tyglowych i jego modyfiacja z zasilaniem ciągłym tygli; 1-tygiel wewnętrzny, -tygiel zewnętrzny, 3-cylindryczna diafragma międzytyglowa o dwóch (lub więcej) aperturach 4; 5-wielorotne dysze w tyglu rdzeniowym, 6-dysza tygla płaszczowego; 8) Uład trzytyglowy (stos) do wytwarzania wielordzeniowych włóien MMC. Proces z wewnętrzną separacją tygla, lub podziałem dyszy rdzenoiowej; 1- tygiel wewnętrzny do tworzenia rdzenia osiowego (zawiera szło rdzeniowe) lub do separacji rdzeni poza-osiowych (zawiera szło płaszczowe), - tygiel pośredni ze szłem rdzeniowym, 3 tygiel zewnętrzny ze szłem płaszczowym, dysza separująca, dysze dla dwóch rdzeni. Proces diafragmowania dysz może być ewentualnie połączony z procesem separacji tygla we wspólnym stosie o odpowiedniej onstrucji. 18

129 Światłowody nieteleomuniacyjne W metodzie MMC światłowód jest ształtowany w czasie wypływu strumienia szła. Przedmiotem analizy jest dynamiczne zachowanie wypływającego strumienia cieczy o zmiennej lepości w przeroju poprzecznym przy małych wartościach liczby Reynoldsa. Wypływ może być swobodny lub wymuszony dodatowymi czynniami taimi ja nadciśnieniem w tyglach lub wyciąganiem. Lepość cieczy w strumieniu zmienia się w przeroju poprzecznym, co istotnie utrudnia analizę, gdyż warstwy ciełego szła poruszają się z różnymi prędościami względem brzegu dyszy tygla zewnętrznego. Zmiana lepości jest znacznie więsza wzdłuż długości wyciąganego włóna szlanego, ze względu na jego stygnięcie. Strumień do analizy dzieli się na trzy części: górną gorącą, centralną stygnącą, i zimną o stałej średnicy. Załadamy, dla uproszczenia analizy, że rozład temperatury i prędości jest jednowymiarowy w dwóch ostatnich strefach strumienia. Warstwa cieczy przesuwająca się po drugiej wywiera na nią ciśnienie styczne P s (naprężenie ścinające) proporcjonalne do zmiany prędości przypadającej na jednostę długości w ierunu do niej normalnym: P s=ηdv/dz (.1) Współczynni proporcjonalności jest dynamicznym współczynniiem lepości i ma wymiar [Puaz]=[0,1*Pa*s]. Zależność (.1) dotyczy najprostszego przypadu jednorodnego odształcenia postaciowego, a więc taiego z jaim mamy do czynienia w przypadu wyciągania światłowodów. Lepość jest współczynniiem proporcjonalności pomiędzy naprężeniem ścinającym P s=f/s, gdzie F- działająca siła zewnętrzna powodująca przepływ strumienia cieczy lepiej, S-powierzchnia przesuwanej warstwy, a prędością odształcenia G=d/dt, gdzie =x o/h, h-grubość warstwy cieczy, v o=x o/t-prędość przemieszczania się warstw cieczy lepiej odległych od siebie o h, v o=const, G=v o/h=dv/dz= const, czyli prędość odształcenia jest równa gradientowi prędości. W ogólnym przypadu naprężenie p ij i prędość odształcenia ij są tensorami, a więc lepość jest związiem pomiędzy ich sładowymi (prawo Newtona). p ij d ij ' p / 3 dla i=j, (.) dt p ij dij dla ij, (.3) dt gdzie, p-ciśnienie, -prędość odształcenia objętościowego, -lepość objętościowa (tzw. druga lepość). Gdy przepływ jest laminarny, wówczas lepość nie zależy od naprężenia ścinającego i od wymiaru geometrycznego ośroda lepiego. Dynamiczny współczynni lepości oreśla się mierząc objętość cieczy lepiej V przepływającej w czasie t przez rurę włosowatą o promieniu otworu r i długości l, przy różnicy ciśnień p pomiędzy ońcami ruri. Współczynni podawany jest w postaci wzoru Poisseuille a na lepość lub przepływ objętościowy (nazywany taże współczynniiem wypływu szła): 4 pr t / 8lV. (.4) Różnica ciśnień w przeroju poprzecznym dyszy rdzeniowej wynia nie tylo z wysoości słupa rdzeniowego, ale i z różnicy wysoości słupów szieł rdzeniowego i płaszcza. Współczynni wypływu objętościowego szła rdzeniowego będzie: 4 Rr g Vr 8 L r r h h r r p p 4 R r gr hr h 8 rlr p p, (.5) r gdzie: R r, R p-promienie dysz rdzeniowej i tyglowej, g-przyspieszenie ziemsie, V r- objętościowy wypływ szła rdzeniowego w uładzie dwutyglowym, L r-długość dyszy rdzeniowej, r, p- gęstość szieł rdzeniowego i płaszczowego, h r, h p- wysoości słupów szieł rdzeniowego i płaszczowego, r, p-lepości szieł rdzeniowego i płaszczowego. Zachodzi zależność, związana z wypływem: 19

130 Światłowody nieteleomuniacyjne dhr Ar dt V, (.6) r gdzie: A r- efetywna powierzchnia słupa szła rdzeniowego. Podobnie, wypływ szła płaszczowego opisany jest analogicznymi relacjami: V p 4 Rpg hp p, 8 L p p A p dh dt p V. (.7), (.8) p Zdefiniujmy współczynni podobieństwa wypływu szieł rdzeniowego i płaszczowego: n 4 R g / 8A L, gdzie n=r, p. (.9) n n n n Liczba Reynoldsa oreśla stosune sił bezwładności do sił lepości i wyrażona jest zależnością: Re / /, (.10) gdzie: -gęstość, =/- współczynni lepości inematycznej, -współczynni lepości dynamicznej, V, l -prędość i wymiar liniowy charateryzujące dany przepływ. Małym wartościom liczb Reynoldsa odpowiadają powolne przepływy bardzo lepich cieczy. Dla ażdej postaci przepływu istnieje wartość rytyczna liczby Reynoldsa Re<Re ryt, że możliwy jest tylo przepływ laminarny. Dla uładu przepływu spotyanego w tyglowej metodzie wytwarzania światłowodów, mamy do czynienia z przepływem cieczy lepiej, o stosunowo dużej lepości np. w porównaniu z wodą, przez długą cylindryczną rurę o przeroju ołowym lub eliptycznym. Z wartości rytycznej liczby Reynoldsa dla taiego idealizowanego ( idealizowanego, gdyż załadamy, że przepływ jest swobodny i lepość gwałtownie nie wzrasta po opuszczeniu przez szło dyszy) przypadu można oreślić graniczne wartości parametrów przepływu rytycznego z przybliżonego wzoru: Re ryt=v srd sr/v sr=00, gdzie: V sr-średnia prędość przepływu, d sr- uśredniona średnica dyszy tygla (w przypadu niewieliej eliptyczności dyszy), sr- uśredniona wartość lepości inematycznej uładu szieł. Taie hipotetyczne wartości obliczone dla typowych danych technologicznych wynoszą w przybliżeniu: =10 4 puaza, sr=0,3[m /s], (przy wartości =10-6 [m /s] dla wody w 0 o C), oraz d=10mm i =6,6*10 5 m/s, a więc wielość zupełnie nierealistyczna (przy danych dla wody d=1mm, V=,m/s). Liczba Reynoldsa stanowi parametr podobieństwa dynamii przepływów cieczy lepiej. Przepływy szła w dyszach tyglowych (np. cylindrycznych i eliptycznych) mogą być podobne pod względem działających sił tylo wtedy gdy liczby Reynoldsa obu przepływów są taie same. W przypadu zastosowania teorii podobieństwa do analizy tworzenia włóna światłowodowego, ruch cieczy lepiej nie jest oreślany przez dużą liczbę wartości poszczególnych parametrów fizycznych (lepość, gęstość, prędość przepływu, itp.), ale przez związi między siłami, tóre powstają w przepływie i są wyrażane w postaci złożonych ombinacji tych parametrów. Taie związi nazywamy omplesami. Komplesy nabierają znaczenia charaterystycznych zmiennych. Liczba argumentów ulega reducji. W pewnych przypadach, jeśli możliwe jest ułożenie równań opisujących zjawiso, omplesy są bezwymiarowe. Ta jest w przypadu liczby Reynoldsa. W przypadu przepływu lepiej cieczy nieściśliwej zjawiso opisane jest równaniem Naviera-Stoesa: vv 0 g p v (.11) gdzie: v-prędość, p-ciśnienie, -gęstość, -lepość cieczy, g-przyspieszenie grawitacyjne. Z równania Naviera-Stoesa wynia, że suma siły ciężości g, ciśnienia p, tarcia wewnętrznego v oraz bezwładności - vv jest równa zeru. W przypadu strumienia swobodnego to równanie trzeba uzupełnić napięciem powierzchniowym, a więc czynniiem r, gdzie -energia powierzchniowa. Przebieg procesu zależy od stosunów pomiędzy siłami. W tym przypadu zależy na przyład od wartości wyrażenia względnego vv/ v, tóre oreśla stosune sił bezwładności i tarcia wewnętrznego. 130

131 Światłowody nieteleomuniacyjne Ograniczamy analizę do obszaru górnego strumienia. Czynniiem dominującym jest tutaj lepość szła, tórą regulujemy temperaturą. Strumienie szła, obserwowane przy wyciąganiu włóien szlanych z apilarnych dysz mają różny ształt, zależny od warunów wypływu na ońcu dysz. Kształt strumienia szła, podobnie ja i innych cieczy, związany jest z napięciem powierzchniowym oraz charaterem przepływu szła przez dyszę, oreślonym przez liczbę Reynoldsa. Dla szieł i procesu wyciągania światłowodów wartość tej liczby jest stosunowo mała (rzędu ) i przepływy taie zaliczamy do pełzających. Ze zmianą wartości liczby Reynoldsa ształt wypływającego z dyszy strumienia szła ulega zasadniczym zmianom. Obo powyżej wymienionego równania Naviera Stoesa, opis zjawis w wysootemperaturowym etapie procesu wyciągania światłowodu zawierają równanie ciągłości strumienia i równanie energii. Ogólne rozwiązanie taiego uładu równań w postaci analitycznej nie istnieje. Trzeba przyjmować uproszczenia mające jaąś podstawę techniczną. Załadamy na przyład, ze rzywizna strumienia dr/dt jest mniejsza od 0,1. Bardzo ważną onsewencją tego założenia jest, że prędość osiowa V, temperatura T, ciśnienie loalne p, lepość strumienia szła, mogą być uważane za stałe w całym obszarze przeroju poprzecznego. Analizowany poprzednio wypływ objętościowy można powiązać z liczbą Reynoldsa, a wartość liczby Reynoldsa z parametrami procesu technologicznego wyciągania światłowodu, możliwymi do bezpośredniego pomiaru, taimi ja: V-przepływ objętościowy, R-promień dyszy, η- lepość przepływającego szła V Re, (.1) R Podstawowym założeniem wyjściowym dla uładu N tygli i wyniającego włóna wielowarstwowego jest warune stałych proporcji wymiarowych w czasie procesu. Stałe wymiary oznaczają, że poszuujemy rozwiązania stacjonarnego dla równania przepływu szła. Przepływ cząstowy wynia z geometrii poszczególnych dysz. Przepływ całowity jest zdeterminowany przez dyszę zewnętrzną o najwięszym wymiarze. Znane zależności dla procesu DC można uogólnić na uład stosu N tygli: H n n1 m n n1 1 H n m n n1 n 1, dla n=1,...m-; (.13) n n m H n n1 n n n n1 H n1 4, dla n=m-1, n R ng / 8An nl, (.14) n gdzie: n=1 - rdzeń, n=...m warstwy refracyjne włóna,, H n - początowa wysoość płynnego szła w n-tym tyglu H n=h n(t=0); Następująca nierówność musi być spełniona dla n: (m-n) n> m. Współczynnii n są jednymi z najbardziej istotnych parametrów procesu technologicznego. Zależą one w istotnym stopniu od temperatury. Rozład temperatury wzdłuż osi x oraz z pieca posiada zasadnicze znaczenie dla sprawności procesu. Stacjonarne rozwiązania dla najbardziej pratycznego zestawu trzech tygli są: H r r p1 p p H p, r p p1 p r H 4, p1, p i Ri g i / 8Ai i L, (.15) i p1 p p1 H p p1 p p1 gdzie: H wartości początowe wysoości roztopionego szła w tyglach, r-rdzeń, p1-pierwsza warstwa refracyjna, p-druga warstwa, p3-trzecia warstwa. Poszuiwanie rozwiązania stacjonarnego dla uładu czterech tygli, i uogólnionego na N tygli, przebiega w następujący sposób. Parametry procesu są: S i powierzchnie szieł w tyglach, h i wysoość słupów szła, H i początowa wysoość słupów szła, L i długość dyszy tyglowych, R i średnice dyszy tyglowych, =(T) lepość szła, -gęstość szła, g stała grawitacyjna, subsrypty: i=1 dotyczy tygla osiowego np. rdzeniowego, i=,3,4, druga, trzecia, czwarta,..., 131

132 Światłowody nieteleomuniacyjne warstwa szła tworząca profil refracyjny włóna optycznego lub warstwy płaszczowe, bufora optycznego, naprężające, itp., W-przepływ objętościowy. Równania przepływu Hagen Poisseule, są: 4 W S ( dh / dt) ( R g /8 L ) ( h h ) (.16) i i i 1 i i ji Ogólne, zależne od czasu rozwiązanie tego uładu równań liniowych, dla czterech tygli, jest,: h i i h4 H4 exp( 4t), (.17) 3 34 t 43H4 exp( 4t) ( H3 3443H4)exp( 3 ), (.18) j j h [ H H 4 H exp( t), ( H 3 H ) ]exp( t) ( H 3 H )exp( t) (.19) h H p p p )exp( 3 t) p exp( t) p exp( t) p exp( ) (.0) 1 ( t where: 3> 4, > 4, i 4 Ri ig / 8SiLi, i p f (, H, )}, ij f ( i, j ), ij f ( i, j). i { i i i i (.1) Funcje i, p i, ij, ij, dla oreślonych warunów technologicznych, stają się stałymi zależnymi od materiału i parametrów gfeometrycznych. Z powyższych rozwiązań (.17.1) można obliczyć wszystie względne cząstowe wypływy z poszczególnych tygli, tj. W ij=w i/w j. Warune stacjonarności uładu jest dw ij/dt=0 dla wszystich indesów i,j. Warune rozwiązania stacjonarnego jest równoważny utrzymywaniu stałych proporcji wyciąganego szlanego włóna podczas procesu MMC. Przeształcenia powyższych równań prowadzą do zestawu wymaganych początowych wartości parametrów procesu dla rozwiązania stacjonarnego: H H (3 1 H ( ) / (3 ) H (3 )( ) / ( )( )( )(3 ), ) / (3 )( ) 4 (.) H H )/ ( ) H ( )/ ( )( ), (.3) 3 3 ( H H ( ). (.4) / W R g /8 L )[( h h ) ( h h ) ( h h )] S dh / dt, centralny rejon rdzeniowy, (.5) 1 ( W R g /8 L )[( h h ) ( h h )] S dh / dt ( , pierwsza warstwa z drugiego tygla, (.6) 4 W R g /8 L )( h h ) S dh / dt, wypływ objętościowy z trzeciego tygla, (.7) 3 ( W R g /8 L ) h ) S dh / dt, wypływ z czwartego tygla, (.8) 4 ( h1 [ H1 x1 1 /(31 ) x1 /(31 3) x31 /(31 4)]exp( 31t ) [ x1 1 /(31 )]exp( t) (.9) [ x /(3 )]exp( t) [ x /(3 )]exp( t), gdzie 4 R g 8S L, (.30) /

133 Światłowody nieteleomuniacyjne 133 ), ]exp( ) )( ) /( ( [ ) )]exp( ( / ))[ /( ( ) exp( )] / ))( ( / ))( /( ( ) )( ( ) / ( [ t H t H H t H H H H h, (.31) gdzie 3> 4, > 4, > 3, (.3) ), )]exp( ( / [ ) ]exp( ) /( [ t H H t H h (.33) ), exp( t H h (.34) / 1, 1 1 y x / / y y x, ), )exp( / ( ) ( / / t H H y x (.35) ), ( ) ( / ) /( ) )( ( )/ ( y y H H H H H y (.36) ) ( / ) /( H H y, ), )( ( )/ ( H y (.37) ), )(3 )( )/( )( (3 )[ / ( S S W gdzie 3 1> 4, > 4, 3> 4, (.38) Równania na względne wypływy są: ), )( )/(3 )/(3 )( )[(3 / ( S S W (.39) )] )(3 )[(3 / ( S S W, (.40) )], )( )[( / ( S S W (.41) )], )( )/( )[( / ( S S W (.4) ). ) /( / ( S S W (.43) Rozwiązania stacjonarne powyższych równań, dla często stosowanego w warunach laboratoryjnych zestawu poczwórnego tygli są: p p r p p p p p p r r p r H H, (.44) p p p p p p p r p p H H, p p p p p p p H H (.45), (.46) Równania przepływu szła dla modyfiacji trzytyglowej geometrii stosu przyjmują następującą postać, dla pierwszego tygla: / h h L g r Q, / R dt dh A Q, / / h h dt dh. (.47) Uład równań dla pozostałych tygli jest: / h h L g r N Q, / R N dt dh A Q, (.48) / / h h A dt dh, (.49) / L gh r Q, / / / R dt A dh dt A dh dt A dh Q, (.50)

134 Światłowody nieteleomuniacyjne A h A dh dt A dh / dt A dh / dt. (.51) / 3 3 Współczynnii są zdefiniowane jao: r g / L A, Nr g / 8 L A, 3 r3 g3 / 8 3L3 A. (.5) Liniowy uład równań różniczowych jest: dh / dt h h / 1, dh / dt h h / 3 dt 1A1 h1 / A3 A / A3 h3 1 3A1 /, (.53) dh / A. (.54) Rozwiązaniem jest prędość wyciągania włóna o stacjonarnych proporcjach: A h R e xt / 3. (.55) Powyższe zależności zostały wyorzystane pratycznie w celu wytwarzania zaprezentowanych w poprzednim rozdziale niniejszej pracy włóien MMC (taże wielordzeniowych) o złożonej struturze refracyjnej. W procesach DC oraz MMC można zastosować onstrucję dzielącą strumień wypływającego szła z tygli. Konstrucja ta dotyczy dysz wypływowych oraz podpór pomiędzy tyglami w stosie. Podpory z otworami nazywamy diafragmami. Przez otwory płynne szło łączy się ze szłem w sąsiednich tyglach. Kształt otworów w diafragmach ich wielość i usytuowanie względem dyszy decyduje o loalnym ierunu i prędości przepływu szła formującego włóno optyczne. Loalne, indywidualne strumienie szła w uładzie dysz diafragmowanych formują wewnętrzne elementy włóna. W przypadu taiej modyfiacji budowy stosu tygli, onieczne jest ponowne sformułowanie równań przepływu. Diafragmy w istotnym stopniu wpływają na waruni przepływu szła pomiędzy tyglami w rytycznym dla tworzenia włóna obszarze międzydyszowym. Tu tworzone są subtelne strutury wewnętrzne włóna modyfiujące jego ostateczne właściwości falowodowe. Zachowanie diafragmy międzydyszowej można opisać w przybliżeniu przy pomocy prawa Stoesa 1 3 F 6vr (.56) gdzie: F siła oporu powodowana przez element diafragmy o średnicy r wstawionej w przepływ, v prędość przepływu. Zaburzenie przepływu szła wprowadzamy do równań poprzednich w postaci funcji zaburzenia F p. Ta funcja jest dodatowym mnożniiem w powyższych równaniach i stanowi rodzaj transmitancji dla strumienia szła przez uład diafragmujący. Argumentami funcji są F p(η i, (x), S ic, E), gdzie: η i(l, r, ) - loalna lepość szła z i-tego tygla, (x) - rozład temperatury wzdłuż drogi tworzenia i wyciągania włóna, S i c - funcja ształtu i powierzchni apertury diafragmy pomiędzy tyglami i-tym i i+1- szym, E współczynni modyfiacji dobierany esperymentalnie. Funcja F p została zastosowana z powyższymi równaniami w celu obliczenia warunów stabilnego procesu wytwarzania włóna o wcześniej założonych, złożonych proporcjach geometrycznych i właściwościach refracyjnych. W celu dalszego umożliwienia ształtowania charaterysty włóna powyższa metoda została złożona z technią separacji tygla wewnętrznego, podziału dyszy wylotowej. Istnieje szereg modyfiacji lasycznego procesu DC. Modyfiacje mają na celu otrzymanie włóien o projetowanych właściwościach propagacyjnych, wrażliwościowych, mechanicznych, geometrycznych, itp. Jedną z modyfiacji, dającą np. włóna wielordzeniowe, lub o rdzeniach nie cylindrycznych jest metoda gdzie dodatowy tygiel (lub ila tygli) zapewnia obecność separującej warstwy (separującego strumienia) (lub ilu warstw) szła. Geometria stosu tygli tego rodzaju modyfiacji metody MMC nie musi być osiowa. Wewnętrzne dwa tygle mogą być połączone stałym przejściem o regulowanej szeroości. Połączenie zapobiega całowitemu slejaniu strumieni szła tworzących przez pewien czas indywidualne strugi w czasie wyciągania włóna. Połączenie zapobiega również przed zmianą ształtu tworzonych rdzeni wsute oddziaływania sąsiadujących strumieni 3 134

135 Światłowody nieteleomuniacyjne szła. W podstawowym rozwiązaniu uład zapobiega przed przyjęciem przez rdzeń osiowej pozycji we włónie. Pośredni tygiel posiada liczbę dysz i wielość ich przeroju odpowiadającą projetowanemu odształceniu rdzenia w światłowodzie. Tygle wewnętrzny i zewnętrzny mogą być załadowane tym samym rodzajem szła lub różnymi szłami. W drugim przypadu możliwa jest budowa włóna z rdzeniem centralnym cylindrycznym lub odształconym o tej samej lub różnej wartości apertury numerycznej. Gorący strumień szła opuszczający dyszę ostatniego tygla, wchodzi w środowiso zimnego powietrza, szybo stygnie. Strumień może przyjąć różne ształty, co zależy od ształtu początowego, temperatury procesu, szybości wyciągania i szybości stygnięcia. Istnieją dwa źródła niestabilności wyjściowego strumienia szła w powietrzu: stabilność temperatury procesu i ształt menisu wypływowego. Temperatura ma wpływ na lepość przepływającego szła zgodnie z esperymentalną zależnością (T)= oexp(c/t), gdzie o i C=const są wartościami charaterystycznymi dla indywidualnego szła. Wartości te są mierzalne przy pomocy wisozymetru. Dla szieł światłowodowych wielosładniowych wartość stałej C jest w zaresie C= [K -1 ]. Ponieważ promień światłowodu r f jest proporcjonalny do pierwiasta wadratowego natężenia przepływu szła przez dyszę tyglową, a przepływ jest odwrotnie proporcjonalny do lepości, więc można powiązać stabilność wymiaru światłowodu z flutuacjami lepości / oraz flutuacjami temperatury T/T. Załadając flutuacje wymiarowe r f/r f poniżej 1% otrzymuje się wartość flutuacji temperatury T rzędu pojedyńczych o K. Tai poziom stabilności termicznej w metodzie MMC jest standardowo utrzymywany przy pomocy przemysłowych zasilaczy stabilizowanych dla pieca. Równanie pędu dla ustalonego stanu strumienia, opisujące dynamię wypływu jest: d dz Q r d dz 4 dr 1 dz W ro d dz cos r r g r T cos (.57) gdzie: siła ciężości - r gdz, napięcie powierzchniowe - r, lepość szła -, siła oddziaływania między trumieniem a powietrzem -, Q - objętościowy wypływ szła, - ąt pomiędzy styczną do strumienia a osią z, - gęstość szła, g- przyspieszenie ziemsie. Równanie (.57) łącznie z równaniami przepływu opisują zachowanie strumienia szła. Zasadniczo dwa rodzaje włóien MMC można otrzymać w tracie procesu z separacją tyglową: światłowody z rdzeniami poza osią włóna o osiowej symetrii, światłowody z osiowym rdzeniem i pozaosiowymi rdzeniami i o osiowej symetrii. Te grupy można rozwinąć poprzez połączenie techni diafragmowania oraz izolacji tyglowej w czasie jednego procesu MMC. Światłowodami homordzeniowymi nazywamy włóna wielordzeniowe (np. po podwójnym rdzeniu eliptycznym) o jednaowych rdzeniach. Światłowody homo-rdzeniowe można wytwarzać metodą z separacją tyglową. Wewnętrzny tygiel jest wypełniony szłem płaszczowym. Jeśli wewnętrzny tygiel jest wypełniony szłem rdzeniowym to centralny rdzeń musi posiadać doładnie te same parametry ja rdzenie poza osiowe. Proces MMC z separacją tyglową pozwala na wytwarzanie (wewnątrz dwóch podstawowych grup) również włóien hetero-rdzeniowych. Włóno hetero-rdzeniowe posiada co najmniej dwa różne rdzenie (tutaj dwie elipsy) o różnych charaterystyach: optycznych, fizycznych, mechanicznych, termicznych, propagacyjnych i innych. Najprostsze lasy włóien heterordzeniowych są: światłowody wielordzeniowe o różnych średnicach rdzeni d r,id r,i+jświatłowody wielordzeniowe o różnych aperturach numerycznych NA r,ina r,i+j. Proces MMC daje w wyniu ształtowane włóno optyczne. W szczególności jednym z parametrów projetowych jest szczegółowa topologia refracyjna przeroju poprzecznego światłowodu. Parametry procesu technologicznego włóna optycznego ształtowanego są: temperatura wewnątrz pieca, ształty dysz tyglowych, loalizacja stosu tygli względem wylotu pieca (ońca strefy grzejnej), itd. Każda część strumienia ciełego szła formującego włóno optyczne jest przedmiotem dynamicznego oddziaływania następujących sił: lepości, napięcia powierzchniowego i grawitacji (zewnętrznej siły wyciągającej) a taże tarcia o powietrze. Dwie pierwsze z tych sił są funcjami temperatury oraz geometrii dysz tyglowych (bezwzględne i względne średnice, ształty, 135

136 Światłowody nieteleomuniacyjne obecność naroży, wąsich i szeroich części w aperturach dysz, itp.). Względne znaczenie czynnia grawitacyjnego (oraz przyłożonej zewnętrznej siły wyciągającej) zależy od wartości dwóch pierwszych sładniów. Rola czynnia grawitacyjnego wzrasta z maleniem lepości szła (wzrost temperatury oraz więsze średnice apertur dyszowych). W niższych temperaturach siły związane z lepością dominują nad znacznymi wartościami sił napięcia powierzchniowego. Włóno wyciągane w podobnych warunach powinno najlepiej obrazować (transformować) niecylindryczny ształt rdzenia. Przy założeniu, że ształt ten nie jest zbyt złożony, tzn. w szczególności nie posiada zbyt cienich miejsc i zbyt oddalonych fragmentów apertury. Zbyt duża lepość nie pozwala na jednorodny (z jednaową prędością) przepływ strumienia szła przez cały przerój poprzeczny apertury dyszy wylotowej. Przepływ będzie reduowany w pewnych obszarach apertury. Obrazowanie funcjonalne ształtu rdzenia (transformacja od ształtu dyszy do ostatecznego ształtu rdzenia w światłowodzie) będzie modyfiowane w zależności od względnych przepływów objętościowych w różnych częściach apertury wylotowej. W celu lepszego obrazowania rdzenia światłowodu proces MMC powinien być realizowany w wyższych temperaturach. Zmniejszona lepość pozwala na przepływ szła przez sompliowane ształty dyszy. Zbyt mała lepość nie pozwala na doładne odwzorowanie ształtu apertury rdzeniowej. W relatywnie wyższych temperaturach, lepość maleje znacznie przy prawie stałej wartości napięcia powierzchniowego. W rzeczywistości, gdy temperatura wzrasta o 100 o C, napięcie powierzchniowe zmniejsza się o o. 1,0 1,5%. Wzrastająca rola napięcia powierzchniowego odzwierciedla się w zaorąglaniu szczegółów ształtów apertury i wówczas ponownie obrazowanie rdzenia pogarsza się. Ta więc, obrazowanie rdzenia jest najlepsze dla pewnej temperatury optymalnej dla onretnego procesu a szczególnie zestawu szieł światłowodowych. Ilość parametrów wpływających na wielość tej temperatury jest znaczna: indywidualne charaterystyi wszystich szieł występujących w procesie, charaterystyi różnicowe, ształty apertur dyszowych, charaterystyi termiczne pieca, itp. Ja dotąd, najlepszą metodą doboru tej temperatury jest esperyment technologiczny. 136

137 Światłowody nieteleomuniacyjne Rys..4. 1) Przerój poprzeczny przez wielofuncyjny piec dla metody MMC wytwarzania światłowodów. Konstrucja pieca: 1- omora grzejna, - uład zasilania tygli, 3- podpora, 4- zewnętrzna obudowa stalowa o podwójnych ścianach i wewnętrznej izolacji ceramicznej, 5- ruchomy spód, tóry może być szybo usunięty i założony oraz umocowany łączami 6, 7- eran ceramiczny opierający się na podstawie pieca, 8- ruszt ceramiczny podpierający tygle, 9-dolny wlot chłodziwa, 10-omory chłodzące ścian pieca,11- wlot chłodziwa ścian, 1- uszczeli pierścieniowe, 13- wlot chłodziwa dla porywy górnej, 14 złącza eletryczne, 15 przejście dla termopar, 16 rura łącząca do systemu nadmuchu gazu i pompy próżniowej, 17-jednosta zasilania pieca i tygli, 7,19,0-erany alundowe do izolacji termicznej, 1- podpora ceramicznych rurowych eranów termicznych, - wewnętrzny dyfuzor termiczny, 3- spirala grzejna; ) Schemat bloowy metody MMC bezpośredniego wytwarzania światłowodów włónowych (0,05 0,15 mm) oraz preform światłowodowych (0, 3 mm). Preformy są następnie wyciągane do postaci światłowodu ształtowanego i i,j metodą pręt-rura. Parametry procesu: l d droga dyfuzji pomiędzy i oraz (i+1) dyszą, l n odległości międzydyszowe i oraz j, l h, l c droga ogrzewania i chłodzenia, T i temperatury strefowe, h i wysoość cieego szła w i-tym tyglu, i średnica i-tej dyszy. Jaość procesu odwzorowania ształtu rdzenia jest taże zależna od budowy spodniej części tygli. Stosowano trzy rodzaje tygli z czystego szła rzemionowego o spodach: płasim, sferycznym i parabolicznym. Spód paraboliczny był stosunowo znacznie nachylony. Esperymenty porównawcze wyonano dla taich samych warunów technologicznych tzn. taie same szła, temperatury, ształty apertur dyszowych, itp. Płasie dna tygli były najlepsze (w sensie jaości zobrazowania rdzenia) dla dolnej części dozwolonego zaresu temperatur procesu. Paraboliczne dna były najgorsze w tych warunach, a sferyczne pośrednie. Dla górnej części dozwolonego zaresu temperatur procesu, wpływ różnic pomiędzy ształtami den tygli na zobrazowanie rdzenia był nierozróżnialny. Jednaże dla górnej granicy tego przedziału zobrazowanie ształtu rdzenia ogólnie pogarszało się. Dla temperatur w pobliżu optimum zobrazowania, wpływ ształtu dna był bardzo interesujący. Procesy te są przedmiotem prac badawczych dla różnych zestawów szieł i geometrii dysz. Jaość obrazowania rdzenia o złożonym ształcie zależy do pewnego stopnia od ciśnienia szieł w tyglach przy dyszach wylotowych. Ciśnienie szła przy dyszy wynia z wysoości słupa cieczy. Początowo załadano, że duże wartości ciśnienia różnicowego pomiędzy szłami rdzenia i płaszcza w dyszach tyglowych powinien dać lepsze zobrazowanie rdzenia. Esperyment technologiczny dał wyni przeciwny dla szieł o podobnych charaterystyach lepościowych. Duża różnicowa wartość ciśnienia powoduje wzrost siły hydrostatycznej. Przepływ objętościowy szła rdzeniowego jest więszy, dla mniejszych lepości, proporcjonalnie we wszystich miejscach apertury dyszowej. Rezultatem tego procesu są regularne zmiany proporcji wymiarowych rdzeń płaszcz. Zmiana jest w sensie podobieństwa geometrycznego a nie obrazowania detali ształtów. Analiza sił w aperturze dyszowej pozwala stwierdzić, że ciśnienie hydrostatyczne rzeomo obniża wartość siły lepości, co dla stałej wartości napięcia powierzchniowego prowadzi do nieco słabszego odwzorowania ształtu rdzenia. Dla celów wytwarzania światłowodów ształtowanych MMC projetowane są modyfiowane zestawy stosów tygli, rusztowań i diafragm. Nietóre z pratycznie stosowanych rozwiązań przedstawiono na rys..3. Na rys przedstawiono schemat budowy stosu zintegrowanego (spawanego) dwu lub trzy-tyglowego. Stos posiada diafragmy między-tyglowe z aperturami ustalającymi ilość i ieruni przepływu szła w tym rytycznym obszarze tworzenia włóna. Jeśli tygle w stosie zintegrowanym wyposażone byłyby w dodatowe dysze to wpływ diafragm jest uwypulany lub minimalizowany, w zależności od długości dysz. Połączenie efetów technologicznych o przeciwnym wpływie ale niejednaowym efecie na tworzenie włóna pozwala na stworzenie dodatowych narzędzi budowy sompliowanej strutury światłowodu wielordzeniowego. Rys przedstawia modyfiowany stos tygli dla procesu separacji tyglowej wytwarzania światłowodu wielordzeniowego. 137

138 Światłowody nieteleomuniacyjne Rys..5. Seria fotografii z mirosopu eletronowego strutury miroporowatej topionego szła wsadowego w tyglach -rdzeniowym (górny) i płaszczowym (dolny). Wsad jednorotny prętowy. Szło SBS. Badano struturę mirosopową próbe szła w funcji czasu odgazowywania wsadu szła tyglowego T o (mierzony od osiągnięcia temperatury Tg); 1) T o=15 min. Powięszenie 1 cm = 10 m; ) T o=30 min. Powięszenie 1 cm = 10m; 3) T o= 45 min. Powięszenie 1 cm = m; 4) T o=90 minut. Powięszenie 1 cm =0, m. Zestaw technologiczny jest umieszczony w odrębnej hali, rys..7. częściowo izolowanej od zanieczyszczeń zewnętrznych. Wieża wyciągowa słada się z wysoiej jaości pieca sylitowego, uładów zasilania i automatyi, uładów pomiarowych (temperatura w różnych miejscach pieca), uładu nadmuchu argonu, uładów regulacji i stabilizacji temperatury, uładu wielorotnego powleania włóna warstwą zabezpieczającą oraz automatycznego urządzenia wyciągającego. Bęben wyciągający obracany jest bardzo precyzyjnie z regulowaną prędością. Bęben posiada taże precyzyjny napęd poprzeczny. Regulacja obrotów jest możliwa w zaresie 0 10 obrotów na seundę, przy średnicy bębna 63 cm. Daje to zares prędości wyciągania 0-0 m/s. Laserowy mierni średnicy włóna połączony jest uładem sprzężenia zwrotnego z uładem wyciągającym w celu stabilizacji parametrów włóna. Wielopuntowy pomiar temperatury pieca doonywany jest z doładnością znacznie lepszą niż 0,1 o C, przy typowych poziomach temperatury procesu w zaresie C dla szieł wielosładniowych. Moc pieca wynosi w zaresie 15 0 W. Komora pieca jest cylindryczna i posiada 350 mm średnicy. Spiralne elementy grzejne są umieszczone równolegle do osi wyciąganego włóna, dając odpowiednio jednorodny rozład temperatur. Pomiary temperatur wewnątrz pieca są wyonywane przy pomocy ilu termopar PtRh-Pt. Piec jest wyposażony w zamnięty uład obiegu argonu. Przepływ argonu woół włóna jest laminarny... Metoda mozaiowa Światłowody mozaiowe są wyonywane przez pocienianie preformy, tóra sładana jest w odpowiedni sposób z pojedyńczych pręciów szlanych [19,138,141,14,144,05,07,8]. Ogólną zasadę sładania preformy z mozaii prętów poazano na rys..6. Obszar oznaczony literą A stanowi rdzeń, natomiast obszar B jest płaszczem optycznym. Uzysanie orągłego światłowodu w czasie wyciągania jest możliwe jeśli siły napięcia powierzchniowego przewyższają siły lepościowego tarcia wewnętrznego. W czasie termicznego procesu pocieniania prefromy zaniają granice pomiędzy poszczególnymi pręciami sładowymi z tego samego materiału. Używane są pręty o wspólnym wymiarze bazowym lub jego wielorotności. Metoda mozaiowa, oprócz światłowodów o właściwościach analogicznych do lasycznych daje włóna: z ształtowanym rdzeniem, niejednorodnym płaszczem, wielordzeniowe, z materiałów szlanych podwyższających lub obniżających wrażliwości światłowodu, z wbudowanymi obszarami nie posiadającymi właściwości 138

139 Światłowody nieteleomuniacyjne prowadzenia fali optycznej, z wbudowanymi wewnątrz lub porywającymi elementami ze szła rozpuszczalnego przeznaczonego do wytrawienia na jednym z etapów procesu, itp. Rys..6. Zasady wytwarzania światłowodów metodą sładania mozaii i nietóre cechy charaterystyczne światłowodów mozaiowych; 1) Ogólne zasady sładania światłowodów mozaiowych i zares powstających strutur refracyjnych, geometrycznych, niejednorodnych naprężeniowych; ) Tworzenie spiralnego uładu refracyjnego w płaszczu światłowodu; 3) Pułapi refracyjne w niejednorodnym światłowodzie o profilu soowym; 4) Alternatywna metoda sładania światłowodu; 5) Schematyczna prezentacja ogólnego przebiegu procesu technologicznego dla światłowodów mozaiowych o najwięszym stopniu ompliacji geometrycznej i refracyjnej; Dla wyeliminowania sprzężenia pomiędzy rdzeniami w światłowodzie wielordzeniowym, stosuje się pomiędzy obszary rdzeniowe szło silnie absorbujące, typu EMA. Zastosowanie pojedyńczej bariery absorpcyjnej w światłowdzie wielordzeniowym o cylindrycznym rozładzie rdzeni wprowadza lewosrętność lub prawosrętność sprzężenia międzyrdzeniowego. Zastosowanie na płaszcz ilu szieł o zmiennych właściwościach optycznych lub termiczno mechanicznych pozwala na rozłożenie zmiennych naprężeń lub właściwości refracyjnych woół rdzenia, tworząc strutury anizotropowe, zależne od ąta azymuytalnego, nie możliwe do otrzymania innymi lasycznymi metodami wyciągania światłowodów. Stosując wybrane elementy sładanej mozaii ze szła rozpuszczalnego pozwala na efetywne otrzymywanie obszarów pustych wewnątrz strutury światłowodu. Stosując w czasie sładania preformy elementy mozaii czułe na szczególne oddziaływania fizyochemiczne można uczulać (lub znieczulać) światłowód na działanie tej wielości. Otrzymanie nietórych onstrucji preform światłowodowych wymaga zastosowania prasy izostatycznej. Nietóre światłowody, omówione w rozdziale 1 były wytwarzane metodą mozaiową lub hybrydową z etapem sładania centralnej części światłowodu metodą mozaiową. Przy omawianych światłowodach starano się wymienić sposób ich wytworzenia. Doładne omówienie metody 139

140 Światłowody nieteleomuniacyjne mozaiowej przeracza zares niniejszej pracy. Szeroi opis metody można znaleźć w pracach [19,138]..3. Metoda hybrydowa Proces wytwarzania jednomodowych światłowodów złożonych metodą hybrydową słada się z ilu etapów, co zaprezentowano w tabeli 7, dla przyładowego procesu czteroetapowego. Pręty wytworzone metodą MMC lub mozaiową, o gotowej struturze materiałowej, geometrycznej i refracyjnej, wewnętrznej rdzeniowej części światłowodu, są wprowadzane do ruri szlanej o dobranej średnicy otworu wewnętrznego do średnicy pręta i dobranej średnicy zewnętrznej, ta aby po przeciągnięciu otrzymać włóno o średnicy zewnętrznej 15μm (lub innej) a rdzeń jednomodowy, lub wielomodowy. Strutura światłowodu wytwarzanego metodą hybrydową może ulec dalszej ompliacje jeśli oprócz pręta rdzeniowego zastosowano inne pręty dodające nowe elementy struturalne. Metoda oreślana jest nazwą wielopręt-rura [13] Tabela 7. Główne etapy hybrydowego procesu technologicznego wytwarzania włónowych światłowodów ształtowanych. Podano wybrane międzyprocesowe i międzyoperacyjne dane technologiczne. Numer etapu Nazwa etapu Preforma MMC lub Pre-proces Kolaps uładu Światłowód mozaiowa pręt rura pręt rura Acja procesu Pręt MMC z Pręt MZD Kompozytowa Światłowód zaprojetowanym wprowadzony preforma jednomodowy profilem refracyjnym, do ruri światłowodowa Wytworzona próba światłowodu Poczwórny tygiel, włóno z rys Typ profilu refracyjnego Podwójne W, Rys i ,. szlanej, Przyładowe, przybliżone wymiary strutur podczas pośrednich etapów procesu: i, h, r i, [m], [mm], 150/00/50/300 [m] int= 0,5, ext=3,5, h=3 [mm] 0,3/3,1 [mm] r 1/r /r 3/r 4/r 5/r 6/ [m] 3/4/5/6/6,5 Pięciorotny tygiel, Włóno z rys Podwójny pierścień, Rys i rys /150/00/300/400 int= 0,5, ext=3,5, h=3 [mm] 0,4/3,1 1/3/4/6/8/6,5 Sześciorotny tygiel, Włóno dwupierścieniowe, Rys Złożony podwójny W z depresją osiową, Rys.1,3,4. i /165/00/5/60/75 int= 0,5, ext=3,5, h=3 [mm] 0,3/3,1 3/3,3/4/4,5/5,/5,5/6,5 Legenda: r i -promień poszczególnego regionu, h-grubość ściani rury szlanej, i średnica szczególnego rejonu, - zewnętrzna średnica światłowodu bez porycia, RIP-profil refracyjny, MMC modyfiowana metoda wielotyglowa, RiT-proces pręt-rura; 140

141 Światłowody nieteleomuniacyjne Rys..7. Fotografie urządzeń technologicznych, zasilania, stabilizacji i pomiarowych, wieży wyciągowej preform i światłowodów metody MMC oraz laboratorium metrologicznego w Oddziale Badawczo Producyjnyn ŚwiatłowodówHS Biaglass, wyorzystane do wytworzenia i pomiarów światłowodów prezentowanych w niniejszej pracy. 1) Ogólny wido stanowisa pieców, ) Spód pieca i elementy uładu porywania, 3) Elementy uładu porywania włóna, 4),6) Bęben wyciągowy ielementy uładu pomiarowego średnicy włóna, 5) Sterownii pieca, 7 14) Przyłady wyposażenia środowisowego laboratorium pomiarów światłowodów, profilomierze, refratometry, refeletometr, uchwyty, źródła. 141

142

143 Światłowody nieteleomuniacyjne Tabela 8. Dane dla ilu przyładowych procesów technologicznych wytwarzania preformy światłowodowej MMC i światłowodów hybrydowych MMC-pręt-rura Rodzaj Średnica Długość Prędość światłowodu, drogi wyciągania dyszy zgodnie z tabelą grzania v[m/s] 7 tygla L h [mm] Poczwórny tygiel, światłowód z rys , , , Pięciorotny tygiel, światłowód z rys , , Sześciorotny tygiel, światłowód z rys , , Kolejność esperymentu dla tego samego procesu technologicznego 1 3-experyment 3 -teoria experyment -teoria osiowego [mm] Stosune wymiarów średnic dyszy tyglowych 1: : 3 : 4 : 5: 6 Odległość między dyszami tyglowymi h 1, h 3, h 34, h 45, h 56 [mm] 5 5:6:7: , 1:3:4:5: :5:6:7:7: Wartość złożonych współczynniów dyfuzji K=D/a [m /s] Względna wysoość słupów ciełego szła H 1, H, H 3, H 4, H 5, H 6 (rozwiązanie stacjonarne lub nie) 0,5 10 doładnie quasiquasiquasiquasinie-, H 1 nisi, H 4 wysoi 0,5 10 Dołαdnie quasiquasiquasiquasinie-, utrzymywana wysoa wartość H 4 0,5 10 niestacjonarne, utrzymywana wysoa wartość H 5, quasistacjonarne; Liczba i loalizacja stref termicznych w piecu, masymalna różnica temperatur strefowych Dwie strefy termiczne, T max=40k, gorąca strefa zloalizowana na 4 tym tyglu Trzy strefy termiczne, T max=50k, środowa wąsa zimna strefa zloalizowana na 4 tym tyglu Cztery strefy termiczne, Najgorętsza strefa zloalizowana na tyglach gim 4 tym, najzimniejsza strefa na 5 tym tyglu Temperatury w strefach pieca T 1/T /T 3/T 4 [ o C] 950/ / / / / / /960/ /1090/ /1090/ /1050/ /1050/ /1000/ /1010/930/ /960/970/

144 Światłowody nieteleomuniacyjne Tabela 9. Podstawowe parametry szła warcowego i lasycznego światłowodu jednomodowego ze szła warcowego w porównaniu z parametrami światłowodowych szieł wielosładniowych, polimerów i światłowodów ształtowanych Oznaczenie, jednosta Szło warcowe, Światłowód teleomuniacyjny Wartość Szło wielosładniowe, Światłowód ształtowany Opis parametru n/t [ o C -1 ] 1,1* *10-4 PMMA Termiczna dyspersja współczynnia załamania, T=0150 o C /T [ps*m/ o C] 40 Termiczna dyspersja opóźnienia Minimum n g 1,4616 =1300nm n() =800, 900, 1300, 1550 nm T s 1730 (log=7,6) Punt mięnięcia, =10 7,6 dpa T a 1180 (log=13) Punt odprężania, =10 13 dpa T n 1075 (log=14,5) Punt zaniu naprężeń, =10 14,5 dpa [10-7 * K -1 ] 5, , typowo 80 Liniowy współczynni. rozszerzalności termicznej. [g/cm 3 ],0,14 Gęstość E [Gpa] 7, Moduł Younga de/dt [10-4 / o C] 6 Dyspersja termiczna modułu Younga G [Gpa] 30, Moduł sprężystości poprzecznej dg/dt [10-4 / o C] Dyspersja termiczna modułu sprężystości poprzecznej P lub 0,1-0, Współczynni (liczba) Poissona dp/dt [10-4 / o C] 6 Dyspersja termiczna liczby Poissona C R 0,7 0,81, Współczynni rozpraszania Rayleigha dla ultraczystego światłowodowego szła warcowego C R 0,7 0,9 R dla szieł słabo domieszowanych R=C/ 4 [db/m m 4 ] 1=0, m, =0,116414m, 3=9,896161m 0,10 0,15 db/m 0,51,5 Dla =1,5m, szła niedomieszowanego i szieł domieszowanych B1=0, , B=0,407946, B3=0, , Współczynnii Sellmeiera dla czystego szła warcowego [cm -1 ] 4 * Minimalna stała tłumienia dla szła warcowego dla =1,55m n n =,3*10 - m /V, Nieliniowy współczynni załamania n = 1,1*10-13 esu n = 3,* cm /W, G=AL [g] Waga 1 m światłowodu o =15m A=d [10-4 cm ] 1,3 Powierzchnia przeroju poprzecznego światłowodu o =15m, bez porycia i oszuli A r=a [m ] 1080 Powierzchnia rdzenia A eff [m ] Efetywna powierzchnia rdzenia w o [m] Promień modu =/E [%] =345N/mm 0,5 Odształcenie wzdłużne światłowodu w teście uodporniającym =50psi W [%] 8 Odształcenie wzdłużne światłowodu przy zerwaniu d/d=l/l [%] 0,1 Zmniejszenie średnicy światłowodu w teście uodporniającym d/d=l/l [%] 0,84 Zmniejszenie średnicy światłowodu w teście zrywającym F=A [N] 4,5 Siła naciągu światłowodu przy teście 144

145 Światłowody nieteleomuniacyjne uodporniającym F=A [N] 34 Siła naciągu światłowodu przy teście zrywającym L=LT, [cm], 1,1 100 Przyrost długości 1m światłowodu dla L=1m, T=0 o C T=0-o C, T=040 o C W [g/mm ] Wytrzymałość na zerwanie włóna S [GPa] 8,5 58 Umowna granica plastyczności H M [ o M] 7 4,56,5 Sala twardości Moosa 110 H K [ o K] Sala twardości Knoopa, diament [gm/mm ] o K=7000 N=V /, soowy N=V /4, grad. 500/50 Ilość modów w światłowodzie wielomodowym, =1m, NA=0,, =, a=50m, V=aNA=31,5 =VBL, =VH 10-3 * [rad/m/gauss] 1 15 V-stała Verdeta, sręcenie magnetyczne właściwe, -ąt rotacji pola E wsute odziaływania zewnętrznego pola H wzdłuż ois światłowodu, ()=Cdn/d 1Gauss,1m, C=ec /m; T [W/m o C] Przewodność cieplna, dla diamentu T=000 C w [J/gm/ o C] Ciepło właściwe, dla diamentu C w=50 V a [m/s] 6,0 5,56,5 Prędość fali austycznej p, 0,1 Współczynni elastooptyczny, woda 0,31, LiNbO 3 0,15; C [10-15 s g/m] 1 Współczynni austooptyczny, n=0,5n 3 p(i aust/v 3 a ) 1/, (n) =CI a, C=n 6 p /v 3 a, r ij [10-1 m/v] r 41=0,, r 63 Współczynni eletrooptyczny, K K() n E x(y) =n o(1-0,5n o r 63E z) Współczynni elerooptyczny Kerra, n E-nE=n=KE, Dyspersja współczynnia Kerra K()=(n e-n o)/ne względna różnica współczynniów załamania w polu jednorodnym K(T) T K, Dyspersja termiczna współczynnia Kerra Z f [] (n eff=1,46), Impedancja falowa światłowodu, Z f=10/n eff Dla ilustracji charateru metody hybrydowej i rodzaju wytwarzanych przy jej pomocy światłowodów podano ila przyładów danych technologicznych wytworzonych światłowodów o złożonej struturze materiałowej i refracyjnej. Profile refracyjne przyładowych światłowodów wytwarzanych metodą hybrydową były mierzone dla ażdego przyładowego esperymentu w tabeli 8 i zaprezentowane na rys , i 6. (linie przerywane). Profile refracyjne, dla nietórych zestawów parametrów technologicznych, są zbliżone do teoretycznych, a dla nietórych stosunowo odległe. Występują taże znaczne różnice pomiędzy rzywymi. Obliczenia teoretyczne przeprowadzono dla esperymentów technologicznych z wyorzystaniem uładu wielorotnego tygla do wyciągania światłowodu jednomodowego. Rozwiązano równanie dyfuzji dla warunów brzegowych oreślonych w tabeli 8. Rezultaty poazuje rys i 6., linie ropowane. Rozbieżność pomiędzy rzywymi - oraz 3-3 poazują doładność teoretycznego przewidywania właściwości refracyjnych preformy światłowodu. Rozbieżność jest poniżej 1%. Profile mierzono metodą interfrerometryczną, przybliżeń strefowych. Uwzględniono refrację mierzącego promienia w olejnych warstwach preformy. Doładne pozycjonowanie linii interferencyjnej uzysiwano przy pomocy mirodensytometu sprzężonego z omputerem,.[66,111]. 145

146 Światłowody nieteleomuniacyjne 3. Wybrane pomiary i właściwości światłowodów nieteleomuniacyjnych W czasie procesu wyciągania włóna z tygli, preformy mozaiowej lub preformy hybrydowej mierzonych jest szereg grup parametrów technologicznych [17,18,0,1,8,9,30], ja: wielości związane z pracą pieca wielopuntowa stabilność temperatury, laminarność przepływu gazu izolującego, stabilność wymiarów włóna, szybość wyciągania, parametry związane ze sposobem porywania włóna oszulą, itp. Omówienie metod pomiaru wszystich parametrów technologicznych przeracza ramy tej pracy. Obo pomiarów technologicznych prowadzone są pomiary międzyoperacyjne pośrednich produtów technologii, preform i światłowodów, a następnie standaryzowane pomiary gotowego włóna optycznego. Używana jest standardowa optoeletoniczna i światłowodowa aparatura pomiarowa ja: refratometry, refletometry, polomierze, itp. W nietórych przypadach złożonych rodzajów światłowodów ształtowanych aparatura, a w szczególności metody sprzęgania i wyprowadzania mocy optycznej muszą być adaptowane do indywidualnego przypadu. W tabeli 1 przedstawiono doładności pomiarowe więszości mierzonych parametrów światłowodów. w niniejszej pracy. Dane zebrano na podstawie własnego dostępnego sprzętu laboratoryjnego, uzupełniając je zebranymi danymi dotyczącymi doładności pomiarowych światłowodów lasycznych i ształtowanych z iludziesięciu światłowodowych laboratoriów pomiarowych i metrologicznych organizacji normalizacyjnych [30 i literatura tam cytowana], [1.09,1.10, ,1.0]. Omówienie aspetów teoretycznych [1.0] i laboratoryjnych [1.16] zagadnienia doładności w pomiarach światłowodów, a w szczególności światłowodów ształtowanych przeracza znacznie ramy niniejszej pracy [30] Właściwości optyczne światłowodów nieteleomuniacyjnych Wśród właściwości optycznych światłowodów mierzone są: refracja, apertura numeryczna, pole blisie, pole daleie, odcięcie modowe, itp. Dane pomiarowe dotyczące wartości współczynnia załamania szieł czystych i domieszowanych są ważne dla procesu projetowania światłowodów lasycznych i ształtowanych. Współczynni załamania szieł w warunach technologicznych mierzony jest podstawowymi metodami refratometrycznymi. W światłowodzie wielomodowym projetowany jest optymalny profil gradientowy współczynnia załamania (rozład w przeroju poprzecznym). W światłowodzie jednomodowym projetowana jest, odpowiednia do zastosowań, długość fali odcięcia modowego. Dla taich i innych celów potrzebne są dane pomiarowe dotyczące wartości współczynnia załamania i jego zależności od długości fali (dyspersja), temperatury, ciśnienia (zjawiso foto-elastyczne), itp. Dyspersja współczynnia załamania opisana jest następującą zależnością Sellmeiera: n 1 UV 4 No fuve 4N o f IRe ai (3.1) m( ) M ( ) b UV IR gdzie m- jest masą atomu, N o liczba atomów na jednostę objętości, UV i IR są częstotliwościami pasm absorpcyjnych odpowiednio w ultrafiolecie i podczerwieni, f UV i f IR są stosuniem ilości atomów mających wład w procesy dyspersji w zaresach UV i IR. Dane pomiarowe są przybliżane trzyczynniowym równaniem Sellmeiera z doładnością więszą od 4,3*10-6. Do pomiarów współczynnia załamania stosowanych jest wiele metod ja np.: metoda minimum dewiacji, interferometria mirosopowa, rozład pola blisiego, pomiary apertury numerycznej. Metoda minimum dewiacji używa próbe szła objętościowego. Inne metody, tóre stosują światłowód lub preformę wyorzystują zjawiso fotoelastyczne ponieważ włóna i preformy mogą posiadać wysoi poziom naprężeń wewnętrznych. Parametry równania Sellmeiera oblicza się z wielu pomiarów puntowych dla różnych szieł i tabelaryzuje. Rys przedstawia rodzinę charaterysty dyspersji współczynnia załamania dla czystego szła warcowego ( ) i rozważanych tutaj szieł światłowodowych dla włoien optycznych ształtowanych. Różnica współczynniów załamania pomiędzy czystą rzemioną i szłem domieszowanym wzrasta liniowo z oncentracją domiesze. Na rys przedstawiono zmierzoną zmianę współczynnia załamania n dla ilu szieł IR i1 i 146

147 Światłowody nieteleomuniacyjne światłowodowych. Inne zmierzone charaterystyi dyspersji materiałowej są NA() rys , n g() rys Zmiana współczynnia załamania wzrasta dla rótszych fal co odpowiada przesunięciu rawędzi absorpcji ultrafioletowej w ierunu więszych długości fal w funcji poziomu domieszi, dla nietórych rodzajów szieł światłowodowych. Dyspersja materiałowa jest definiowana jao: M=(/c)(d n/d ) [ps*nm -1 *m -1 ], gdzie c prędość światła, n współczynni załamania, - długość fali. Dyspersja materiałowa może być oreślona orzystając z równania Sellmeiera i tabelaryzowanych współczynniów Sellmeiera. Dyspersja materiałowa dla szła warcowego wynosi 84 [ps/nm m] dla =0,85m i [ps/nm m] dla 1,6m. Osiąga wartość zerową dla =1,7m. Dla szieł wielosładniowych wszystie z tych wielości są nieco inne. Dla ilu światłowodów ształtowanych mierzono sumaryczną wartość dyspersji materiałowej i falowodowej w postaci dyspersji chromatycznej, rys.1..7., a taże wyniające z tej dyspersji pasmo transmisji światłowodu, rys , , 1,3, Na rys przedstawiono zależność długości fali zera dyspersji materiałowej wybranych światłowodowych szieł wielosładniowych od rodzaju szła. We wszystich rodzajach światłowodów: gradientowych, soowych, wielosoowych, jedno- i wielomodowych profil refracyjny podlega dyspersji w funcji długości fali. Wynia to z różnych charaterysty dyspersyjnych szła o różnym poziomie domieszowania. W granicznym przypadu różnie domieszowanych szieł możemy nawet zaobserwować zani właściwości propagacyjnych światłowodu, np. w funcji, rys , i temperatury, rys Dla wielomodowego światłowodu gradientowego profil typu zmienia wartość wyładnia w wyniu dyspersji odchodząc dla innej fali od rozwiązania optymalnego. Dla światłowodu jednomodowego zmienia się nieco ształt profilu wpływając na dyspersję, promień pola modowego, itp. Gdy w światłowodzie wielomodowym profil refracyjny jest podany zależnością: n n {1 ( r / a) } dla 0ra oraz n n ( 1 ) n dla arb. (3.) To optymalna wartość parametru op wynosi: 1 1 (4 y)(3 y) op y, gdzie y=-n 1d/N 1d, N 1=n 1-dn 1/d. (3.3) 5 y Rys przedstawia, zmierzoną i obliczoną, optymalną wartość wyładnia profilu typu dla światłowodów gradientowych o rdzeniu pierścieniowym, a rys o rdzeniu cylindrycznym. Dyspersję profilu refracyjnego, w celach technologicznych, mierzy się w znacznie szerszym zaresie widmowym niż to wynia z potrzeb apliacyjnych onretnego rozwiązania światłowodu. Dla światłowodu wielomodowego mierzy się profil refracyjny dla ilu stosunowo odległych długości fal. Światłowody jednomodowe są przeznaczone do pracy w oreślonym paśmie falowym i dla normalnych warunów pracy zjawiso dyspersji profilu refracyjnego jest drugorzędowe. Odgrywać może ono rolę w zaresie pracy nieliniowej. Mierzy się poprzez jego wpływ na dyspersję i promień pola modowego. Nietóre waruni pracy światłowodów i abli narzucają szeroie zmiany temperatur. W warunach technologicznych bada się zależność zmiany właściwości optycznych szieł oraz właściwości propagacyjnych światłowodów w funcji temperatury. Mierzy się np.: zmiany profilu refracyjnego, apertury numerycznej, średnicy pola modu, dyspersję w funcji temperatury. Ułady pomiarowe są analogiczne do stosowanych dla wymienionych parametrów ale pomiar odbywa się np. w omorze limatycznej. Na rys przedstawiono zależność od temperatury współczynniów załamania dla wybranych grup wielosładniowych szieł światłowodowych. W wyniu pomiarów szła w lasycznym refratometrze tabelaryzuje się współczynnii równania Sellmeiera dla różnych temperatur. Z danych pomiarowych można obliczyć stałą zmian termicznych współczynnia załamania. Wartość n/t dla czystego szła warcowego, dla długości fali =1,3m wynosi: n/t = 1.1 * 10-5 / o C w zaresie o C, n/t = 1.3 * 10-5 w zaresie o C. Temperaturowa zależność dyspersji współczynnia załamania posiada wpływ na dyspersję całowitą światłowodu. Czas opóźnienia impulsu w światłowodzie o długości l, w funcji temperatury można przedstawić jao różniczę zupełną: /T = (nl/t + ln/t)/c. Współczynni rozszerzalności termicznej l/t materiału światłowodu jest mniejszy od 1 * 10-6, więc w tym przypadu pierwszy człon równania 147

148 Światłowody nieteleomuniacyjne może być pominięty. Termiczna zmiana dyspersji materiałowej /T wynosi o. 40ps * m/ o C w światłowodzie o rdzeniu ze szła warcowego domieszowanego 15mol% GeO i płaszczu z czystego szła warcowego. Dla światłowodów ształtowanych, ze szieł o dużej wartości współczynnia rozszerzalności liniowej α, czynni l/t jest nie do pominięcia. Profil refracyjny i masymalna wartość różnicy współczynniów załamania n w światłowodach są mierzone wieloma metodami, np. metodą pola blisiego załamanego - tóra jest używana rutynowo, osiową mirosopię interferencyjną (nazywaną miro-interferometrią poprzeczną) a taże miro-interferometrię podłużną, rys oraz , , , oraz , , , 1.3., Dla poprzecznej metody pomiaru przygotowywany jest cieni poprzecznie wycięty plastere włóna o obu powierzchniach doładnie równoległych i o jaości optycznej. Mierzona jest różnica długości dróg optycznych w obszarze rdzeniowym plastera np. za pomocą interferencyjnego wzoru prążowego, rys.1..4., , , Stąd biorą się wymagania na dopuszczalną grubość plastera aby otrzymać czytelny obraz odształcenia prążów. Zaletą metody jest prostota pomiaru polegającego na translacji współczynnia załamania na wymiar geometryczny. Wady to trudności w wyonaniu próbi do pomiaru oraz stosunowo niewiela rozdzielczość przestrzenna. Miro-interferometria poprzeczna polega na umieszczenia odcina światłowodu w odpowiednim środowisu immersyjnym, np. dopasowanym do płaszcza lub innej wewnętrznej strutury refracyjnej światłowodu i oświetleniu interferencyjnym polem prążowym. Przesunięcie prążów, w odpowiednim systemie analizy obrazu prążowego jest przeliczane na profil refracyjny. W metodach miro-interferometrycznych istotne jest posiadanie absolutnych wzorców współczynniów załamania. Wzorce taie są dostarczane albo poprzez środowiso immersyjne albo np. przez wzorcowy, najlepiej wielowarstwowy światłowód o wielo-soowym profilu refracyjnym i doładnie znanych współczynniach poszczególnych warstw. Tai światłowód odniesienia można upić w nietórych fotonicznych laboratoriach metrologicznych. Profile refracyjne preform światłowodowych i światłowodów prezentowanych w niniejszej pracy (wielomodowych i jednomodowych) mierzono głównie metodą poprzecznej interferencji prążowej (stąd na wyresach nie ma puntów pomiarowych). Profile refracyjne łączono z parametrami procesu technologicznego, wyciągając wniosi co do jaości technologii. Rozład pola blisiego jest definiowany jao funcjonalna zależność gęstości mocy optycznej w przeroju poprzecznym płasiego zaończenia światłowodu. W światłowodzie wielomodowym wsute zjawisa mieszania modów i występowania stacjonarnego rozładu pola, rozład pola blisiego jest równoważny profilowi refracyjnemu. Pomiar profilu refracyjnego doonywany jest w uładzie ze źródłem światła białego, wypełniana jest cała apertura numeryczna światłowodu w rótim odcinu aby pobudzić wszystie mody. Mody płaszczowe muszą być usunięte za pomocą filtra modowego. Błędy pomiarowe związane są w tej metodzie z obecnością nisostratnych modów upływowych w rótim odcinu światłowodu i trudnością z ich odseparowaniem od modów prowadzonych najwyższego rzędu. Wolne zaończenie światłowodu o jaości optycznej, w metodzie pola blisiego transmitowanego, jest obserwowane pod mirosopem. Mierzona jest funcja natężenia oświetlenia I(r) w przeroju poprzecznym światłowodu, najczęściej w postaci znormalizowanej do natężenia masymalnego I n(r). Do pomiaru pola blisiego stosowany jest onfoalny system pomiarowy. Zaletą metody sanowania rozładu blisiego pola natężenia światłowodu jest, że wyni pomiaru nie wymaga obróbi sygnałowej czy przeształceń matematycznych. Jeśli rozład natężenia w polu aperturowym E(r) otrzymano w wyniu pomiaru to zarówno średnicę pola modowego ja i powierzchnię efetywną otrzymuje się bezpośrednio z zależności całowych. Podstawową trudnością pomiaru pola blisiego są jego niewielie rozmiary typowo 5 10 m średnicy. W onsewencji zastosowany uład optyczny musi powięszyć to pole blisie, ta aby mogło być sanowane radialnie przy pomocy detetora z aperturą otworową lub detetora z wejściem światłowodowym. Zastosowany uład optyczny nie może wprowadzać znieształceń pola. Uład optyczny powinien w szczególności mieć dużą aperturę numeryczną aby nie pomijać żadnych sładowych ątowych pola promieniowania. To staje się istotnym problemem technicznym specjalnie dla światłowodów o bardzo małych rdzeniach, ponieważ pole podlega dywergencji znacznie szybciej na zewnątrz włóna. Zaletą pomiaru rozładu natężenia pola blisiego I(r) w światłowodzie jednomodowym jest to, że wyni nie wymaga żadnych przeształceń w celu otrzymania bezpośrednio wartości średnicy pola modu w o czy powierzchni efetywnej A eff. Sanowanie pola blisiego światłowodu jest pratycznie przeprowadzane przez przesuwanie testowanego światłowodu przy pomocy stolia napędzanego 148

149 Światłowody nieteleomuniacyjne silniiem roowym, oraz mierzenie metodą interferometryczną pozycji światłowodu. Zaletą taiej technii, nad systemem z poruszanym fotodetetorem, jest że nie trzeba oreślać powięszenia optycznego uładu obrazowania. Początowe pozycjonowanie włóna optycznego odbywa się z zastosowaniem systemu onfoalnego. Dzielni wiązi, znajdujący się za obietywem obserwującym powierzchnię światłowodu, tworzy dwie identyczne drogi optyczne. Fotodetetor z aperturą otworową (lub wejściem światłowodowym jest w identycznej odległości ja płaszczyzna wejściowa onfoalnego światłowodu jednomodowego od ognis doładnie jednaowych obietywów znajdujących się za lustrem światłodzielącym. Badany światłowód może być pozycjonowany precyzyjnie w puncie ognisowym obietywu poprzez przełączenie źródła laserowego w celu pobudzenie światłowodu onfoalnego. Poprzez pomiar i masymalizację mocy optycznej pobudzającej światłowód pomiarowy w przeciwnym ierunu, włóno to może być optymalnie pozycjonowane. Przy pomocy pomiaru rozładu pola blisiego można oreślić profil refracyjny światłowodu n(r) oraz wymiary geometryczne ja średnicę rdzenia d r, oncentryczność rdzenia, eliptyczność rdzenia e r, inne znieształcenia geometryczne rdzenia i całego włóna, średnicę płaszcza d p, eliptyczność włóna e f, itp. Parametry te definiuje się następująco i zgodnie z danymi pomiarowymi przedstawionymi schematycznie na rys:3.1. d r =(d r max+d r min)/, d p =(d p max+d p min)/, e r =[(d r max-d r min)/d r o]100%, e f =[(d f max-d f min)/d p o]100%, =(x/d r )100%. Rozrzut statystyczny wymiarów geometrycznych światłowodu oreśla się przy pomocy metody pomiaru pierścieni tolerancji wymiarów rdzenia i płaszcza. Dualną metodą pomiaru profilu refracyjnego przy pomocy pola blisiego prowadzonego jest metoda pola blisiego załamanego. W odróżnieniu od poprzedniej pomiarowi podlega całe pole nie aceptowane przez światłowód w czasie jego pobudzania. Metoda ta wolna jest od znieształceń wprowadzanych przez mody upływowe niso-stratne. Jeśli doładnie znany jest współczynni załamania tórejś z warstw światłowodu np. płaszcz zewnętrzny, gdyż w wielu rozwiązaniach jest on wyonywany z doładnie znanego szła niedomieszowanego lub z ultra-czystej, niedomieszowanej rzemioni, to metoda blisiego pola załamanego pozwala na oreślenie bezwzględnej wartości profilu refracyjnego światłowodu z bardzo dużą doładnością. W tracie pomiaru supiona plama światła laserowego sanuje powierzchnię wejściową zaończenia światłowodu umieszczonego w środowisu immersyjnym. W pewnych warunach zmiany natężenia pola refracyjnego przechodzącego przez bloującą aperturę są liniowo związane ze współczynniiem załamania. Koniec badanego rótiego odcina światłowodu zamocowany jest w precyzyjnym stoliu x-y-z. Długość odcina światłowodu wynosi 1 m przy pomiarze profilu oraz ila cm przy pomiarze parametrów geometrycznych. Do obserwacji używany jest np. mirosop Biolar PZO. Promieniowanie żarówi halogenowej dużej mocy pada na płaszczyznę wejściową światłowodu. Płaszczyzna wejściowa posiada jaość optyczną poprzez doonanie odpowiedniego przełomu. Przy pomiarze profilu refracyjnego promieniowanie z żarówi jest supiane na powierzchni czołowej światłowodu przy pomocy obietywu amerowego o dużej aperturze numerycznej NA obj=0,35. Podczas pomiaru wymiarów światłowodu używany jest dolny oświetlacz mirosopu. Górny oświetlacz mirosopu jest stosowany w celu poprawienia widzialności płaszcza przy pomiarach geometrii włóna optycznego. Obraz powięszony przez obietyw mirosopowy (x40/0,66 NA lub x100/0,87 NA) oraz oular (x1,5) pada na przetworni obrazu CCD w amerze TV. Obraz obserwowany jest na monitorze. Sygnał wizyjny zespolony jest przetwarzany przez artę przetwornia wewnątrz PC. Stanowiso sterowane jest graficznym interfejsem użytownia o szeroich możliwościach zarządzania pracą systemu, awizycji danych, obróbi informacji obrazowej. Szczegółowy opis procedury pomiarowej znajduje się w [30]. Na przyład do analizy profilu refracyjnego służy opcja pozwalająca wyświetlić funcje jasności dla zadanych linii przeroju światłowodu w sali rzeczywistej. Istnieje możliwość przetwarzania tych funcji. Przyjmując różne położenia przerojów, oreślane są parametry technologicznego obniżenia refracyjnego na osi światłowodu. Uzysane profile można poddać analizie funcjonalnej. W przypadu pomiaru parametrów geometrycznych oreślane jest położenie środa rdzenia, parametry płaszcza i porycia, stopień eliptyczności. Profil otrzymywany jest ze związu pomiędzy rozładem pola blisiego E(r) i profilem refracyjnym n(r) w postaci lasycznego salarnego równania falowego: d E/dr +de/rdr+[ n (r)- ]E(r)=0. Krzywą pomiarową wygładza się i aprosymuje metodą średniowadratową do postaci samej funcji Gaussa bądź iloczynu funcji Gaussa i wielomianu z 149

150 Światłowody nieteleomuniacyjne wyrazami nieparzystymi. W światłowodzie jednomodowym do pomiarów należy pobudzić wyłącznie mod podstawowy. Jao źródło stosuje się laser półprzewodniowy o długości fali nieco więszej od warunu odcięcia dla modu drugiego rzędu badanego światłowodu. Przyładowe wynii pomiarów pola blisiego światłowodów ształtowanych przedstawiono na rys.1.., a obliczeń na rys Rozład pola daleiego światłowodu jest definiowany jao funcja przestrzenna I f() mocy optycznej promieniowanej z włóna względem ąta mierzonego od jego osi. Różnica w systemie pomiarowym pola blisiego polega na opuszczeniu mirosopu obserwującego zaończenie światłowodu. Tutaj cała moc promieniowana jest obserwowana na odległym eranie a mierzona przez ruchomy detetor na obrotowym ątomierzu lub odpowiednich rozmiarów liniję (matrycę) detetorów dostatecznie odległych od zaończenia włóna. Pratyczna realizacja metody pomiarowej polega na pobudzeniu rótiego odcina światłowodu pomiarowego diodą laserową i zastosowaniu jao odbiornia drugiego odcina światłowodu sprzężonego z fotodiodą i obracanego po łuu centrowanym na wyjściowym zaończeniu testowanego światłowodu w odległości o. 1 cm od niego. Typowy wyni pomiaru rozładu pola daleiego światłowodu posiada ształt w przybliżeniu rzywej Gaussa. Z tej rzywej można oreślić np. aperturę numeryczną światłowodu, wielomodowego poprzez doładny pomiar masymalnej wartości ąta max., rys Apertura wynosi NA=sin max. Ponieważ natężenie światła dla masymalnego ąta jest bardzo małe, więc pomiar wartości ąta jest utrudniony. Stosowane przybliżone oreślenie wartości ąta bazują np. na przybliżeniu ostatniego fragmentu rzywej styczną do przecięcia z odciętą. Inne przybliżenia przyjmują położenie poziomu 10% mocy jao wartość ąta aperturowego. Przyładowe wynii pomiarów pola daleiego światłowodów ształtowanych przedstawiono na rys , , Gdy promieniowanie prowadzone w światłowodzie jednomodowym opuszcza jego oniec wychodzi w powietrze. Średnica rdzenia wynosi typowo 5-10m i jest porównywalna z długością fali światła 0,6 1,6m. W tych warunach fala ulega dyfracji i podlega ewolucji od tzw. pola blisiego do daleiego. Pole blisie przyjmujemy jao obszar wewnątrz odległości w /, gdzie w jest promieniem pola modowego, od zaończenia światłowodu a pole daleie jao obszar znacznie odleglejszy od tej granicy. Amplituda promieniowania pola daleiego jest związana z polem blisim poprzez całę dyfracyjną: ) 0 ( R, p) ( ) exp( ir E ( r) J ( rp) rdr, (3.4) a o ir gdzie E a(r) amplituda pola blisiego, =/, J o(rp) funcja Bessela zerowego rzędu. Koordynaty R i są współrzędnymi biegunowymi opisującymi punt obserwacji. Rozłady pól daleiego i blisiego są niezależne od współrzędnej ątowej w światłowodzie sferycznie symetrycznym. Czynni sośności O()=cos jest często przyjmowany jao równy jedności, ponieważ ąty obserwacji dla lasycznych światłowodów jednomodowych są niewielie. Jednaże, dla światłowodów o małych rdzeniach, taich ja włóien z przesuniętą dyspersją, czy światłowodów ształtowanych, pole daleie może rozciągać się dla więszych ątów. Obserwowana amplituda pola daleiego jest częścią rzeczywistą rozładu pola, więc równanie na ( R, p) przybiera postać: ) 0 F( p) ( E ( r) J ( rp) rdr O( ) HT ( E ( r)), (3.5) a o a gdzie HT(E a(r)) jest transformatą Hanela rozładu pola blisiego. Odwrotna transformata Hanela jest: E( r) [ 0 F( p) ] Jo( rp) dp HT O( ) 1 F( p) [ ] O( ) (3.6) Pole blisie w pratyce obliczane jest jao odwrotna transformacja Hanela zmierzonego rozładu natężenia pola daleiego. Poprzez dwa powyższe równania można związać ze sobą rozłady pól 150

151 Światłowody nieteleomuniacyjne daleiego i blisiego. Pole blisie nie jest doładnie jednoznaczne z polem modowym ponieważ dotyczy ono wolnej przestrzeni poza włónem a nie wewnątrz włóna optycznego. Stosując alternatywną technię zmiennej apertury w polu daleim nie doonuje się ciągłego pomiaru rozładu natężenia ale mierzona jest całowita moc przechodząca przez zestaw ołowych apertur. Apertury są centrowane na oś światłowodu i jednocześnie oś symetrii rozładu pola daleiego. Gdy zostanie oreślona funcja mocy aperturowych dla wielu apertur, względny rozład mocy pola daleiego jest obliczany z jej gradientu. Bezpośrednia metoda sanowania pola daleiego mierzy ątowy rozład natężenia pola daleiego ze światłowodu jednomodowego, co otrzymujemy w postaci funcji F(p). Technia sanowania pola daleiego ze zmienną aperturą taże mierzy moc w polu daleim, ale zamiast doonywać ciągłego pomiaru rozładu natężenia, mierzona jest całowita moc przechodząca przez ciąg apertur ołowych o zmiennych wymiarach. Załada się, że pole daleie i całe włóno są cylindrycznie symetryczne. Apertury są centrowane na oś symetrii włóna optycznego i jednocześnie jest to oś symetrii obrotowej rozładu pola daleiego. Dla orągłej apertury o promieniu r zloalizowanej w odległości D od zaończenia optycznego światłowodu pół-ąt aperturowy stoża z wierzchołiem na zaończeniu światłowodu wynosi: apertury = arctan(a/d). Moc optyczna przechodząca przez aperturę z zarzywionego frontu falowego centrowanego na zaończenie światłowodu jest: v P( v) F ( p) pdp (3.7) 0 gdzie: v= sin ( apertury). Ponieważ p = sin(), można powyższe równanie przepisać w formie: aperturowy aperturowy P aperturowy ) F ( )sin cosd F 0 0 ( ( )sin( ) d. (3.8) Równania powyższe stanowią podstawę standaryzowanych metod pomiarowych średnicy pola modu i średnicy efetywnej światłowodu. Gdy aperturowa funcja mocy zostanie oreślona dla szeregu apertur, względny rozład mocy w polu daleim może być obliczony z wartości swojego gradientu. Analiza danych jest prowadzona w analogiczny sposób ja dla bezpośredniej metody pola daleiego, tzn. transformacja do pola blisiego i obliczanie średnicy pola modu lub średnicy efetywnej z rozładu pola. Rozład pola daleiego jest obliczany z następujących zależności: F ( p) dp( p) / pdp lub F ( ) dp( )/sin( ) d (3.9) w zależności czy funcja mocy aperturowej pochodzi z pierwszej czy drugiej części dysutowanego równania. Apertury o różnych średnicach są zazwyczaj zamocowane na obrotowej przesłonie, więc mogą być stosunowo łatwo zmieniane i moc przechodząca mierzona przez wszystie po olei. Jao źródło stosuje się np. lampę halogenową filtrowaną przy pomocy monochromatora o szeroości spetralnej 10 nm. Niepewność oreślenia długości fali jest rzędu nm. Stosowanych jest np apertur dających w przybliżeniu zares zmiany wartości apertur sin aperturowy= 0,005 0,5. Rozład mocy optycznej w przeroju poprzecznym światłowodu jednomodowego, w funcji długości fali lub częstotliwości znormalizowanej V=aNA/, jest jedną z jego najważniejszych charaterysty niezbędną dla oceny warunów pobudzania włóna, propagacji a szczególnie strat zgięciowych, miro-zgięciowych i złączowych a taże długości fali odcięcia i dyspersji falowodowej. Rozład mocy oreśla w pełni jedynie ujęcie funcyjne, gdzie pomiar doonywany jest metodą sanowania pola daleiego. Dla uproszczenia definiuje się średnicę lub promień w o pola modowego jao 1/e masymalnej wartości amplitudy pola na osi włóna. Definicji lepiej oddających rzeczywistą wagę średnicy pola modu jest w literaturze wiele np. tzw. II definicja Petermana będąca ważoną średnią ątowego rozładu natężenia pola E modu podstawowego: 151

152 Światłowody nieteleomuniacyjne 1 / w o [ Erdr / ( E') rdr] (3.10) Funcja w o=w o() wzrasta ze wzrostem. Stosune promienia modu do promienia rdzenia w o/a można przedstawić jao funcję V. W tym zaresie przyjmuje się szereg przybliżeń inżyniersich pozwalających szybo ocenić ten parametr dla różnych światłowodów. Na przyład, załadając profil refracyjny soowy i wartość 1,6<V<,6 (lub 1,<<1,8m), obowiązuje proste przybliżenie w o,6a/v. Podobne przybliżenia oblicza się dla innych typowych profili refracyjnych światłowodów jednomodowych. Istnieje wiele różnych metod pomiaru promienia pola modu. Metoda rozsunięcia poprzecznego stosowana jest w warunach laboratoryjnych, rys.1... Zestaw pomiarowy jest identyczny ja do pomiaru charaterystyi spetralnej tłumienia optycznego. Mierzony jest róti odcine światłowodu np. m propagujący mod podstawowy z usuniętymi modami płaszczowymi. W połowie długości światłowód jest przełamywany. Przełamane powierzchnie powinny mieć jaość optyczną. Oba ońce umieszczane są w miro-pozycjonometrze. Separacja wzdłużna ońców powinna być ja najmniejsza, mniejsza niż średnica rdzenia. Mierzona jest transmisja światła w funcji rozsunięcia poprzecznego rdzeni. Spade mocy do wartości 1/e daje wartość r=w o. Pomiar funcji w o() pozwala na oreślenie w alternatywny sposób wartości c=ana/v c, gdzie V c=,405 dla światłowodu soowego, oraz V c=3,4 dla światłowodu parabolicznego. Krzywa w o() wyazuje spade o dużym nachyleniu w miejscu odcięcia c modu LP 11. Gdy dwa jednomodowe światłowody są połączone na sty, mod podstawowy światłowodu źródłowego pobudza mod podstawowy, stratne mody płaszczowe i mody radiacyjne w światłowodzie odbiorczym. Wielość mocy z modu nadawczego transferowana do poszczególnych modów jest zdeterminowana przez całę porycia dwóch modowych pól eletrycznych. W metodzie przesunięcia poprzecznego analizuje się transfer mocy optycznej z modu źródłowego do identycznego modu odbiorczego identycznego światłowodu o równolegle przesuniętych osiach długich. Moc sprzężona jest wadratem całi porycia pól. Cała porycia jest wyrażona jao [1.16]: C( u) E( r ) E( r u ) d r, (3.11) S gdzie u= u jest separacją osi włóien. Całowanie obejmuje cały obszar S przeroju połączenia światłowodów. Cała porycia może być wyrażona jao onwolucja we współrzędnych biegunowych: ' ( u) E( r) E( r ) rdrd [ E( r)* E( r)] r a 0 0 C (3.1) gdzie: r = u + r rucos(), r = r, r = r, oraz * reprezentuje dwu wymiarową onwolucję. Transformacja Hanela onwolucji daje rozład natężenia pola daleiego włóna: H{C(u)} = H{E(r) * E(r)} = F (p), (3.13) Gdzie F (p) jest daleim rozładem mocy światłowodu. Poprzez ostatnie równanie zmierzona funcja transferu mocy dla rozstrajanego poprzecznie sprzężenia C (u) może być związana z polem blisim modu podstawowego poprzez rozład pola daleiego. Rozład pola blisiego może być wyorzystany do doładnego obliczenia średnicy modu oraz powierzchni efetywnej. Próba światłowodu posiada doładnie przygotowane powierzchnie optyczne. Jaość powierzchni powinna być sprawdzona interferometrycznie w celu wyeliminowania sośności przełomu. Sośność nie powinna być więsza niż 0,5 o w stosunu do osi światłowodu. Próbi światłowodów są umocowywane np. mocowaniami próżniowymi naprzeciwo siebie na stoliu x-y-z. Sygnał deteowany jest masymalizowany. Powierzchnie czołowe są masymalnie zbliżane do siebie jedna bez dotyu. Poprzeczne rozstrojenie złącza jest uzysiwane przy pomocy atuatorów piezoeletrycznych, połączonych z umocowaniem światłowodów. Pozycja włóna sanującego jest monitorowana interferometrycznie. Przesuw jest 15

153 Światłowody nieteleomuniacyjne automatyczny poprzez zastosowanie wzmacniacza fazoczułego do napędu elementów piezoeletrycznych, odczytu sygnału z interferometru i detecji mocy przechodzącej. Zestaw piezo posiada drogę przesuwu rzędu ilunastu m, więc onieczne jest wyonanie co najmniej dwóch sanów aby uzysać całowitą rzywą transmisji mocy. Pomiarów tłumienia spetralnego światłowodów ształtowanych doonywano w lasycznym uładzie odcięcia lub wtrącenia, taże metodą refletometryczną. Przyładowe wynii przedstawiono na rys , , 1.8., 1.14., Właściwości geometryczne i mechaniczne światłowód nieteleomuniacyjnych Poprzez waruni technologiczne, szybość wyciągania, temperaturę, wymiary dyszy, można ustalać wymiar zewnętrzny światłowodu, rys wymiary geometryczne światłowodu są mierzone w czasie producji przy pomocy laserowego średnicomierza umieszczonego na wieży wyciągowej. Potem mogą być mierzone np. metodą pola blisiego. Standardową metodą pomiaru jest zastosowanie mirosopowego systemu video, z amerą CCD o dużej rozdzielczości współpracującego z omputerowym systemem awizycji i obróbi obrazów. W systemie można porównywać obraz mierzony z wzorcowym, wyodrębniać charaterystyczne szczegóły np. rawędzie itp. Doładności uzysiwane w taich systemach pomiarowych są bardzo duże. Zasadnicze dwie przyczyny powodują niestabilność wymiarów wyciąganego włóna szlanego. Jedną jest flutuacja rótoterminowa spowodowana flutuacjami temperatury pieca. Drugą jest flutuacja długoterminowa spowodowana zmianami średnicy zewnętrznej preformy. Flutuacje rótoterminowe posiadają charaterystyczny ores poniżej 1m mogą być reduowane do wartości poniżej 0,5m poprzez zmniejszenie flutuacji temperatury poniżej 0, o C. Reducja flutuacji temperatury jest związana z wieloma czynniami ja np. laminarnością przepływu gazu przez piec. Charaterystyczny ores flutuacji długoterminowych wynosi powyżej 1m. Flutuacje długoterminowe są reduowane poprzez pomiar bieżącej średnicy preformy (wcześniejsze stworzenie profilu wymiarowego preformy, lub zastosowanie preformy szlifowanej) i wyorzystanie sprzężenia zwrotnego do sterowania szybości podawania preformy do pieca. Na rys przedstawiono wynii pomiarów laserowym średnicomierzem dla procesów wyciągania włóna ze stabilizowaniem i bez stabilizowania wymiarów. W przypadu metody wielotyglowej i pręt-rura bardzo istotnym zagadnieniem jest uzysanie długoterminowej stabilności wymiarów zewnętrznych wyciąganych światłowodów ształtowanych. Wyciągany światłowód ształtowany może mieć w różny sposób znieształconą postać zewnętrzną i struturę wewnętrzną. W ogólnym przypadu taą sytuację przedstawiono na rys Z puntu widzenia jaości otrymywanego włóna światłowodowego istotna jest stabilność wymiarów zewnętrznych światłowodu o ształcie cylindrycznym oraz stopień idealności odwzorowania cylindrycznego lub ształtowanego (np. eliptycznego) rdzenia. Wzdłuż, nawet poprawnie wyonanego światłowodu, można znaleźć słabsze punty pod względem mechanicznym. Wynia to z amorficznej strutury szła spowodowanej niejednorodnością loalną gęstości materiału czy zaburzeniem powierzchni. Tego typu zaburzenia mogą być opisane w sposób statystyczny, więc wytrzymałość światłowodu można przewidzieć jedynie do pewnego poziomu prawdopodobieństwa. Wytrzymałość danego odcina włóna zależy od najsłabszego puntu wzdłuż jego długości. W tórym istnieje miro-szczelina. Ponieważ miro-szczelina może propagować, zgodnie z prawem Hooa =E i teorią Griffitha =E/a, (3.14) gdzie =l/l-wydłużenie względne, - naprężenie światłowodu, E moduł Younga, - energia powierzchniowa, a wymiar miro-szczeliny to wytrzymałość światłowodu jest ogólnie procesem niestacjonarnym. Stała wiązania w czystym szle rzemionowym wynosi o,16nm, więc graniczna wytrzymałość światłowodu jest 18Gpa. W pratyce, obecnie dla najlepszych włóien otrzymuje się 6GPa, co odpowiada miro-szczelinie o wymiarze nieco poniżej 1nm [1]. W pratyce wytrzymałość na zerwanie zależy od jaości powierzchni szła światłowodu. Załada się, że szczeliny, zgodnie z lasycznym opisem Griffitha są wąsimi pęnięciami, na ogół, powierzchniowymi, o małym promieni 153

154 Światłowody nieteleomuniacyjne rzywizny na ońcach, gdzie ulega oncentracji naprężenie zewnętrzne wywierane na włóno optyczne, poprzez efet dżwigni. W pewnych warunach (obecność naprężenia progowego i wody) szczeliny podlegają propagacji. Jeśli szczeliny są małe, można zastosować teorię elastyczności, i naprężenie zrywające w miejscu szczeliny jest opisane przez to samo równanie Griffitha, jaie podano dla masymalnej wytrzymałości, gdzie a oznacza długość szczeliny. W celu otrzymania tego równania, załada się,.że szczeliny są małe, proste o przeroju eliptycznym. Naprężenie S jest zastosowane prostopadle do szczeliny, wzdłuż osi włóna. Naprężenie na szczycie szczeliny w ierunu zastosowanego naprężenia zewnętrznego S. jest =S(1+a/w), gdzie a-długość szczeliny, w- połowa szeroości szczeliny. Promień rzywizny na zaończeniu szczeliny jest r=w /a, a>>w, a więc =S(a/r) 1/ =( E / a ) 1/. Załada się, że r, tóra jest porównywalna z wymiarami atomowymi, nie zależy od a, i że naprężenie zrywające S f jest odwrotnie proporcjonalne do pierwiasta wadratowego z a. 154

155 Światłowody nieteleomuniacyjne Rys ),) Technologiczna regulacja średnicy światłowodu MMC; 3),4),5),6) Mierzone flutuacje wymiarów zewnętrznych wyciąganego włóna światłowodowego bez stabilizacji oraz ze stabilizacją; 7),8) Charaterystyi statystyczne rozrzutu wymiarów świałowodów ształtowanych wyciąganych metodą MMC dla rzywych 3. i 4; 9 11) Standaryzacja wymiarów i znieształceń wyciąganych światłowodów, Światłowód może posiadać zewnętrzny ształt elipsoidalny i rdzeń w taiej elipsoidzie może być statystycznie położoną (w pewnych granicach geometrycznych) elipsoidą.; 1 17) Zmierzone flutuacje wymiarów wyciąganych światłowodów MMC, ja na rys i 4. przedstawione we współrzędnych biegunowych dla różnych sali i początu uładu Tabela 10. Standardy wymiarowe światłowodów jednomodowych Parametr Wartość nominalna [m] standaryzowany Światłowód Światłowód do materiałów Światłowód IR teleomuniacyjny ształtowany ompozytowych Średnica pola modu w o dla 1300nm Tolerancja w o [%] Średnica płaszcza D 15 50, 60, 80, 100, 15, 60, 80, 6,5, 65, 500, 750, 1000, 150, 8,5, , 1500, Tolerancja D Średnica porycia Ciąg standardowych Bra standardów, 65, 85, 100, 100, zewnętrznego wartości 50, 500, 1000 najczęściej adaptowane od lasycznych światłowodów wielomodowych, 15, 150, Średnica pola modu dla 1550nm Tabela 11. Standardy wymiarowe światłowodów wielomodowych Parametr standaryzowany Wartość nominalna [m] Światłowód Grubordzeniow transmisyjny y Średnica rdzenia D r 50, taże 6,5 100, 150, 00, 50, 300, Tolerancja D r 3 Tolerancja <3 cylindryczności płaszcza Średnica płaszcza D p 15 00, 50, 300, 400, 500, 700, Do transmisj i mocy do wiąze do obrazowodów Do czujniów 00 33, 35 13, 15,

156 Światłowody nieteleomuniacyjne Tolerancja D p Tolerancja cylindryczności płaszcza Dopuszczalna tolerancja nieosiowości rdzenia w płaszczu Średnica porycia zewnętrznego 3 <,5 <3 50, 500, Dla wysoiej jaości światłowodów ze szła wysoorzemionowego słabo domieszowanego z wytrzymałością rzędu 5 GPa, jest rzędu a=nm. Dla szieł wielosładniowych, stosowanych na światłwodowy ształtowane, o średniej wartości masymalnej wytrzymałości mechanicznej na zrywanie rzędu = GPa, szczelina inicjalizująca posiada wymiar rs=zędu a=10nm. Najwięsze szczeliny posiadają wymiary rzędu a=3nm, w najlepszych światłowodach ze szieł wielosładniowych, o wytrzymałości na zrywanie rzędu =3,5 GPa. Dane ewiwalentne dla analogicznych światłowodów wysoorzemionowych są rzędu a=4,5nm. Ta zależność doświadczalna, dla poszczególnych światłowodów, może być zapisana w następującej postaci =ca - 1/, gdzie c=const. Załóżmy, że stała c zależy głównie od modułu Younga, ponieważ energie powierzchniowe różnią się jedynie nieznacznie pomiędzy światłowodami wysoiej jaości, przygotowanymi podobnymi metodami. Te wartości, oreśone pomiarowo i obliczeniowo, są c=7-7,4 dla światłowodów wysoorzemionowych, c=6,-7 dla SLS, SBS i leich szieł wielosładniowych, c=5,7-6 dla światłowodów ze szieł o najniższych wartościach modułu Younga E, (E=45-50GPa); c=7,6-8,5 dla światłowodów ze szieł o bardzo dużych wartościach modułu Younga (E=80-100GPa). Przyładowymi szłami o dużej wartości modułu Younga i odpowiednimi na światłowody ształtowane są leie i ciężie barowe rony, na przyład BK, BaCK. Przyładowe szła o małych wartościach modułu Younga E i odpowiednie na światłowody ształtowane są bardzo leie rony fluorowe, o gęstości właściwej poniżej =,3*10 3 g/m 3, na przyład FLK. Więszość szieł flint, odpowiednich na światłowody, posiada średnie wartości modułułu Younga [Schott,NSG,JZO]. Zależność wytrzymałości światłowodu w funcji wielości szczeliny inicjalizującej zotała obliczona dla ilu rodzin, stosowanych w niniejszej pracy, szieł światłowodowych, i przedstawiona na rys.3.. Dla stałej wartości wytrzymałości światłowodu ształtowanego, rozrzut wielości szczelin odpowiedzialnych za inicjalizację jego zerwania, dla ilu różnych rodzin światłowodów o tej samej onstrucji, wynosi połowę deady. Na przyład, światłowody o wytrzymałości =3GPa są zrywane z powodu istnienia szczelin od a=3,nm do a=8nm, lub o stosunu wymiarów,5. W rzeczywistości, wytrzymałość światłowodu zależy nie tylo od materiału, ale w istotny sposób, taże od jaości powierzchni, co jest reprezentowane w równaniu Griffitha przez energię powierzchniową. Zostało to poazane przez dwie dodatowo obliczone charaterystyi na rys.3.., gdzie założono energię pwoierzchniową =4[N/m]. Do opisu prawdopodobieństwa F zerwania (zniszczenia) włóna optycznego o długości L, przy naprężeniu w czasie t stosowany jest rozład prawdopodobieństwa Weibulla: F (l,, t)=1-exp {(l/l o)(/ o) a (t/t o) b }, (3.16) gdzie a, b są stałymi rozładu, l o, o, t o są stałymi testowymi lub nominalnymi, wszystie oreślane esperymentalnie. Dla l = l o, = o, t= t o, f (l o, o, t o)=1-1/e=0,63 co stanowi nominalną wartość rozładu Typowe wartości dla stałych rozładu, w światłowodzie wysoo-rzemionowym wynoszą: [1] a=31 oraz b=0,0,05, dla l o=0m, o=gpa, t o=1s. Rozład Weibulla jest zazwyczaj poazywany w postaci stacjonarnej, tzn. dla t= t o. jest wyreślane w sali logarytmicznej a prawdopodobieństwo albo w liniowej albo logarytmicznej [%] lub log{ln[1/(1-f(l, ))]}, również w sali ln{ln[1/(1-f)]}. Nachylenie linii prostej, przeciągniętej przez punty pomiarowe, daje stałą rozładu a. Wyres w podwójnie logarytmicznej sali zmienia się w zaresie od 7 do + (z zerem 156

157 Światłowody nieteleomuniacyjne dla nominalnej wartości rozładu), dla zmian od 0,1 do 100 na sali aumulowanego prawdopodobieństwa, wyrażonej w [%]. Wytrzymałość mechaniczna włóna szlanego zmienia się statystycznie wzdłuż jego długości z powodu przypadowej natury głęboości defetu szczelinowego oraz rozładu przestrzennego. Pomiary wytrzymałości włóna na zrywanie są sompliowane przez tą przypadowość. Wymagana jest odpowiednia ilość, zazwyczaj nadmiarowa, danych, w celu umożliwienia oceny statystycznej na odpowiednim poziomie pewności. Również w celu umożliwienia oceny wytrzymałości długiego włóna na podstawie pomiaru próbe wzorcowych o ograniczonej długości. Pomiar powinien objąć statystyi wszelich możliwych rodzajów defetów włóna, nawet dużych a rzado występujących. Tylo w taim wypadu estrapolacja z jednej długości wzorcowej na inną może być doonana ze znaną doładnością. Doładniejsze przybliżenie danych jest możliwe jeśli znana jest doładnie natura rzadich i znacznych defetów. Ponieważ jest to pomiar niszczący istotne jest zastosowanie urządzeń i procedur pomiarowych nie powodujących nadmiernego marnotrawstwa włóna optycznego. Nadmiarowe dane otrzymane z pomiarów są reduowane w tai sposób aby nie znieształcać statystyi szczelin. Stosuje się zasadniczo trzy standaryzowane technii pomiarowe wytrzymałości światłowodu: dynamiczny test zmęczeniowy, statyczny test zmęczeniowy oraz test uodporniający. Zmęczenie jest degradacją wytrzymałości spowodowaną przez, induowaną naprężeniem, orozję. Specyfiacja wytrzymałości światłowodu obejmuje rozład statystyczny wytrzymałości na zrywanie (z taimi parametrami ja szeroość, wartość średnia, wartości estremalne), czas do zerwania w funcji poziomu naprężenia, minimalny oczeiwany czas życia pod nominalnym naprężeniem pracy. Taie specyfiacje otrzymuje się z danych pomiarowych i zastosowania rozładu Weibulla. Minimalny czas życia jest specyfiowany dla szczegółowo opisanych warunów pracy ja: temperatura, wilgotność, ph, itp. Dynamiczny test zmęczeniowy jest używany w celu szacunu minimalnego czasu życia włóna pracującego pod stałym nominalnym obciążeniem. Test wyonywany jest w, adaptowanej do właściwości włóien optycznych, rozciągarce - zrywarce przy stałej prędości wzrostu obciążenia. Maszyna posiada dwa uchwyty, jeden nieruchomy ze wsaźniiem naciągu, drugi ruchomy napędzany silniiem o zmiennej prędości ruchu posuwistego. Cała strutura jest umieszczona na stabilnej szynie. Prędość obciążenia wpływa na przeciętną wytrzymałość i rozład wytrzymałości w rzeczywistym włónie co jest spowodowane efetami zmęczeniowymi. Stosuje się prędość obciążenia w granicach od 0,1MPa/s do 0,1GPa/s. Maszyna naciąga włóno ze stałą prędością wzrostu naprężenia aż do momentu zerwania. Wartość obciążenia zrywającego podlega awizycji, ja również średnica zerwanej ońcówi włóna. Włóna najwyższej jaości posiadają bardzo wąsi rozład charaterystyi Weibulla. Odpowiedzialne za zerwanie szczeliny są podobne do siebie i posiadają wąsi rozład statystyczny wymiarów. Statyczny test zmęczeniowy stosowany jest na przypadowych próbach włóna światłowodowego w celu pomiaru aspetu czasowego rozładu Weibulla. Mierzony jest czas do zerwania włóna pod stałym naprężeniem. Zależność czasowa wytrzymałości światłowodu jest badana w tracie producji światłowodu i abli optycznych w celu gwarancji odpowiednich standardów wytrzymałościowych produtu. Badania wyazały, że włóno ulega zmęczeniu pod stałym obciążeniem, mniejszym niż 50MPa, z powodu wzrostu szczelin podrytycznych. Pomiar ten poazuje pośrednio szybość wzrostu szczeliny we włónie jao funcję zastosowanej siły rozciągającej i jest miarą masymalnego czasu życia światłowodu w onretnych warunach pracy pod względem naprężenia i wilgotności. Stosowane są dwie technii pomiaru: obciążenie osiowe, analogiczne do zmęczeniowego testu dynamicznego ale przy stałym obciążeniu (lub przy prędości zmiany obciążenia równej zero) oraz naprężenie zgięciowe. Metoda obciążenia osiowego stosuje oprócz lasycznej zrywari taże dwa bębny o dużej średnicy aby nie wprowadzać naprężenia zgięciowego. Metoda zgięciowa polega na nawinięciu włóna na precyzyjnym trzpieniu o alibrowanej średnicy bez wprowadzania rozciągającego naprężenia osiowego. Test uodporniający jest stosowany wobec całej długości gotowego do zastosowania włóna światłowodowego porytego płaszczem ochronnym dla onretnych warunów pracy. Włóno z wyciągari lub rozwijari przeciągane jest w trybie ciągłym przez obszar testowego naprężenia do niso-naprężeniowego odbiornia. Zazwyczaj w tym celu stosuje się system role oporowych wywierających naprężenie na pewien odcine włóna w zaresie 0, 1 GPa (najczęściej 0,35GPa) w 157

158 Światłowody nieteleomuniacyjne czasie przechodzenia włóna prze ten obszar. Test jest stosowany, ze statystycznego puntu widzenia, w celu zaończenia nieznanego rozładu szczelin podrytycznych ze strony artefatów o dużym rozmiarze. Jest również używany w celu sprawdzenia prawdziwości przewidywania wytrzymałości długich odcinów światłowodu na podstawie pomiaru wytrzymałości wielu odcinów rótich. Doładność taiego przewidywania jest znacznie więsza jeśli rozład wytrzymałości jest jednorodny oraz oreślono prawidłowo i doładnie parametry rozładu Weibulla. Minimalna gwarantowana wytrzymałość włóna, sprawdzona przez zastosowanie testu uodporniającego, dotyczy taże przewidywania czasu życia włóna. Wyższy poziom testu uodporniającego zapewnia minimalny czas życia uodpornionego światłowodu. Mimo iż czas życia wzrasta znacznie przez podniesienie poziomu testu uodporniającego, jednaże zwięszany jest poziom zerwań włóna. Poziom uodporniania włóna światłowodowego musi być wybrany na zasadzie ompromisu, zapewnienia gwarancji dostatecznego czasu życia przy aceptowalnym poziomie niszczenia światłowodu, czego onsewencją jest wzrost osztów producji. Reguła doświadczalna stosowana w taim przypadu mówi, że poziom testu uodporniającego powinien być trzy razy więszy od naprężenia nominalnego długoterminowej pracy światłowodu. Z pomiarami wytrzymałości mechanicznej pojedynczego światłowodu związane są pomiary odporności orozyjnej włóna na wilgoć, na środowisa chemiczne (głównie waśne i zasadowe), odporność na wilgoć bezpośredniego i pośredniego porycia włóna (przepuszczalność jao funcja czasu), na cyle i szoi termiczne, przypadowe udary mechaniczne. Wszystie te elementy wpływają bezpośrednio lub pośrednio na wytrzymałość mechaniczną (a przez to na czas życia) światłowodu. Rys.3.. 1) Obliczona wytrzymałość na zerwanie [GPa] światłowodów ze szieł wielosładniowych jao funcja długości szczeliny statystycznej Griffitha =( E / a ) 1/. Dane dla światłowodów wysoorzemionowych podane dla porównania i jao techniczny poziom odniesienia. Założono jednaowe energie powierzchniowe dla światłowodów =1,15[N/m]. Dla dwóch grup włóien optycznych (wysoorzemionowe słabo domieszowane i SLS) założono dodatowo energie atywacji =4[N/m]; ) Zmierzone względne szeroości rozładów Weibulla wytrzymałości na zerwanie, wysoiej jaości, światłowodów ze szieł wielosładniowych wytworzonych w HS Biaglass. Trzy niezależne serie pomiarowe. Zbiorcze zestawienie przedstawiono na rys

159 Światłowody nieteleomuniacyjne Rys.3.3. Zmierzone rozłady Weibulla wytrzymałości na zerwanie światłowodów ze szieł wielosładniowych SLS i SBS, 1) nieporytych i ) standardowo podwójnie porytych. Rys ) Zmierzone rozłady wytrzymałości fabrycznie porytych standardowych światłowodów teleomuniacyjnych SiO (Ge,P,F,B) czołowych producentów oraz ) podwójnie porytych światłowodów ształtowanych o średnicy 15m wyonanych w HS Biaglass ze szieł wielosładniowych - SBS, KBS, SLeS, SLeBaS, SW1/SW7, SW7/SW8, BaLF1/BaF8 F/S6, B/B4, B14/BK17, BLF1/BK7, F/S9, S7/S6, BLF/BK7, S1/S7.Pomiary wyonano na tym samym zestawie zrywari, w tych samych warunach. 159

160 Światłowody nieteleomuniacyjne Rys.3.5. Zmierzone rozłady wytrzymałaści 15m światłowodów ze szła SBS wytworzonych modyfiowaną metodą wielotyglową. 1) Zależność wytrzymałości od ształtu menisu wypływowego ze stosu tygli i warunów chłodzenia menisu wypływowego. ) Zależność wytrzymłości od stabilizacji wymiarów zewnętrznych. Światłowody podwójnie poryte laierem arylowym. Rys.3.6. Ja poprzednio. 1) Zależność wytrzymałości światłowodów od jaości tyglowego szła wsadowego lasa jednorodności, jednorodność współczynia załamania, lasa smugowa AA, I lasa inluzji i bąbli, lasa współczynnia absorpcji I. ) Zależność wytrzymałości światłowodów od homogenizacji i degazyfiacji szła wsadowego. Rys.3.7. Ja poprzednio. Zależność wytrzymałości światłowodu od jaości atmosfery w piecu sylitowym dla stosu tygli. 1) lasa zanieczyszczeń pyłowych atmosfery pieca, ) stopień wilgotności atmosfery pieca. 160

161 Światłowody nieteleomuniacyjne Rys.3.8. Ja poprzednio. Badania dyfuzji jonów hydroniowych OH - w szle i poryciu światłowodu. Zależność wytrzymałości 1) nieporytych i ) porytych światłowodów od wilgotności i oddziaływania z wodą. Nieporyte wilgotność względna F66-15%, F71-60%, F7-90%, F73 - zanurzone w wodzie 1h, F74 - zanurzone w gotującej wodzie 1h. Poryte F130, pojedyńczo poryte, tydzień w wodzie w temperaturze poojowej; F131, podwójnie poryte, tydzień w wodzie; F13, potrójnie poryte, tydzień w wodzie, F134, potrójnie poryte, tydzień cyli termicznych w powietrzu 0150 o C i tydzień w wodzie. Rys.3.9. Ja poprzednio. Badanie wpływu 1) jaości i grubości, oraz ) rodzaju pierwotnego porycia światłowodu na wytrzymałość włóna optycznego. F66 bez porycia, środowiso suche; F65 pojedyńcza warstwa laieru arylowego, szybie wyciąganie, F64 pojedyncza warstwa laieru arylowego, wolne wyciąganie; F63 podwójna warstwa laieru arylowego, F6 Uretal 450, laier poliimidowy EPI, F1 potrójne porycie wzorcowe, dysza ciśnieniowa do porycia pierwotnego. F11 - ; F1306F130 jednaowe porycia Urethal 450 z silionem na różne włóna ształtowane; F1301 silion polimeryzowany UV; F1300 laier eposydowy utwardzany termicznie; F11 Kynar, Hytrel. 161

162 Światłowody nieteleomuniacyjne Rys Ja poprzednio. Badanie wpływu różnicy w wartościach liniowego współczynnia rozszerzalności termicznej pomiędzy szłami rdzenia i płaszcza, dla dwóch przypadów technologicznych, na wytrzymałość światłowodu, 1) odległe wartości temperatur mięnięcia obu szieł T s>50 o C; ) blisie wartości temperatur mięnięcia obu szieł T s<5 o C; F1 0, odniesienie; =5, 0, 15, 10, 5, -5, -10, -15, -0, -5; F11 -, F1 -, F13 -, F14 -, F15 -, F16 -, F17 -, F18 -, F19 -, F110 - ; = 0, 15, ; F10 -, F11 -, F1 -, F13 -. Rys Zmierzone względne szeroości rozładów Weibulla wytrzymałości mechanicznej 15m światłowodów ze szieł wielosładniowych wytwarzanych modyfiowaną metodą wielotyglową, dla trzech niezależnych serii pomiarowych. Pod ażdą serią pomiarową umieszczono histogramy [1]. Zestawienie zbiorcze tych danych przedstawiono na rys

163 Światłowody nieteleomuniacyjne Rys.3.1. Zmierzony czas do zerwania i obliczone asymptoty 1) dwóch grup światłowodów wysoorzemionowych i ze szieł wielosładniowych F1 obciążanych w dwóch warunach środowisowych suchych i wilgotnych, ) ilu rodzajów światłowodów ształtowanych (pomiary własne). Rys Przewidywalny czas życia światłowodów lasycznych i ształtowanych w warunach nominalnych, na podstawie testu uodporniającego o zmiennym poziomie (pomiary własne). Rys.3.. przedstawia obliczone charaterystyi wytrzymałościowe Griffitha dla włóien światłowodowych lasycznych i ształtowanych. Rys.3.4. przedstawia bezpośrednie pomiarowe porównanie pomiędzy wytrzymałościami na zrywanie dobrej jaości światłowodów wysoorzemionowych wytworzonych metodą CVD oraz wysoiej jaości włóien optycznych ze szieł wielosładniowych wyonanych metodą MMC, badanych w niniejszej pracy. Pomiary wyonano na teym samym zestawie. Dane pomiarowe są następujące: długość mierzonych próbe światłowodu 0,5m, liczba mierzonych próbe w serii 50, średnica zewnętrzna światłowodu 15μm, włóna CVD poryte przez producentów, włóna CVD moduł Younga 7,5GPA, moduł na ścinanie 30GPa, materiał światłowodu SiO(B,Ge,F,P), współczynni Poissona 0,1. wydłużenie przy zerwaniu 4%, zmiana średnicy przy zerwaniu 0,85%, energia powierzchniowa =1,164N/m. Światłowody ształtowane posiadały typowo wymiary 15/6,5μm i, w więszości przypadów, gradientowy profil refracyjny. Rys.3.3., przedstawiają wynii własnych iluletnich pomiarów zależności jaości włóien MMC od różnych szczegółowych parametrów procesu technologicznego. Doładna analiza tych wyniów znajduje się w [1], i przeracza ramy tej pracy. Nietóre szczegóły podano w podpisach pod rysunami. Dla ultranisostratnych materiałów wyjściowych zastosowanych do producji włóna optycznego, wytrzymałość światłowodu na zrywanie jest jednoparametrową, najprostszą miarą jego jaości. Jeśli proces technologiczny wprowadza dodatowe straty przyrostowe 163

164 Światłowody nieteleomuniacyjne (np. poprzez wilgoć, zapylenie, niejednorodność rozładu temperatury w atmosferze pieca) ponad własności materiału, to odbija się to natychmiast na wytrzymałości włóna. Przedstawionych danych na rys , dotyczących metody MMC i jej porównania z metodą CVD, nie można znaleźć w otwartej literaturze, gdyż ujawniałyby zbyt wiele własnościowych (ang.proprietary) szczegółów producentów światłowodów ształtowanych [ ] Właściwości wrażliwościowe Pomiary wrażliwościowe światłowodów taie ja termiczne, chemiczne, mechaniczne, a taże odporności światłowodów, abli światłowodowych (taże elementów optoeletronicznych współpracujących ze światłowdem wółónowym) na podwyższony poziom promieniowania jonizującego są badaniem specjalistycznym nie wymaganym przy wielu zastosowaniach standardowych. Jednaże duzi producenci, tórych włóna i able są stosowane w bardzo szeroich warunach apliacyjnych nie mogą sobie pozwolić na nieznajomość zachowania elementów systemu w trudnych warunach środowisowych obejmujących obciążenia mechaniczne (np. wibracja, pola austyczne infradźwięowe i ultradźwięowe), chemiczne, termiczne i radiacyjne. Promieniowanie jonizujące powoduje wzrost tłumienia światłowodu, poprzez inducję powstawania centrów barwnych w szle woół domiesze i zmianę wysycenia wiązań tlenowych. Nietóre z tych efetów, w zależności od poziomu narażenia, posiadają charater odwracalny. Stopień odwracalności jest, między innymi, proporcjonalny do średniego poziomu mocy optycznej transmitowanej światłowodem, wsute występowania zjawisa foto-odbarwiania. Pomiary odporności radiacyjnej, w uładzie podstawowym, wyonuje się przy pomocy lasycznego systemu spetrofotometrycznego. Odporność oreśla się przy pomocy dopuszczalnych przyrostowych strat radiacyjnych. Poziomy przyrostowe strat radiacyjnych, dla różnych las światłowodów, oreślone są w normach międzynarodowych [1.09]. Promieniowanie jonizujące, w więszych dawach, powoduje przyspieszone starzenie światłowodu np. poprzez loalną dewitryfiację, a więc obniżenie właściwości mechanicznych [35,40,68,73,184,191,19,193,58,7]. Autor, z zespołem, prowadził iluletnie badania nad wrażlliwoiścią radiacyjną światłowodów teleomuniacyjnych i ształtowanych [33]. Reacja transmisyjnego systemu światłowodowego na promieniowanie jonizujące zależy od rodzaju promieniowania, całowitej dawi, mocy dawi, czasu obserwacji po napromieniowaniu, temperatury otoczenia, długości fali optycznej pracy systemu, rodzaju włóna optycznego rodzajów domiesze i technologii producji, średniej gęstości mocy optycznej propagowanej w światłowodzie, rodzaju fotodetetora objętości obszaru atywnego optycznie, onstrucji fotodiody, rodzaju źródła optycznego dopuszczalnej gęstości prądu pracy, sposobu zabezpieczenia systemu przed promieniowaniem [33]. Stosowanie światłowodów w środowisach radiacyjnych jest ograniczone dwoma czynniami. Po pierwsze, więszość istniejących abli światłowodowych posiada stosunowo wysoie straty induowane promieniowaniem jonizującym. Ale waruni pracy, gdzie napotyane są duże moce dawi są bardzo rzadie. Po drugie, wysoi poziom napromieniowania impulsowego powoduje generację w materiale światłowodu zjawisa luminescencji. Światło, tórego źródłem jest efet radioluminescencji, jest prowadzone światłowodem do detetora powodując błędy w systemie odbioru i obróbi informacji cyfrowej. Dla systemu światłowodowego (teleomuniacyjnego lub telemetyrcznego z czujniami światłowodowymi) przeznaczonego do pracy w środowisu o podwyższonym poziomie promieniowania jonizującego podstawowym parametrem jest czas życia T ż. Ze strony technologicznej, czas życia systemu zależy od własności zastosowanego abla optycznego i sposobu jego zabezpieczenia przed promieniowaniem jonizującym. Ze strony onstrucyjnej T ż zależy od marginesu wzmocnienia systemu, a więc ilości wzmacniaów, całowitej długości toru, rozgałęzień, ilościc czujniów, oraz od całowitej długości włóna i abla podlegającego napromieniowywaniu, rodzaju pracy, dopuszczalnych strat wtrącenia, wymaganej jaości transmisji mierzonej w BER i SNR, możliwości foto-wybielania w systemie poprzez wewnętrzną transmisję dużej mocy optycznej. Ze strony warunów pracy T ż zależy od miejsca napromieniowania systemu, całowitej dawi, mocy dawi, temperatury pracy, dopuszczalnego czasu relasacji. Badania radiacyjne światłowodów posiadają inne uzasadnienie dla różnych grup światłowodów. Celem pomiarów spetralnych charaterysty wrażliwości radiacyjnej dla światłowodów transmisyjnych jest oreślenie ich czułości radiacyjnej wyrażonej w [db/m rad], dla różnych dawe 164

165 Światłowody nieteleomuniacyjne promieniowania. Celem badawczym było poszuiwanie zależności pomiędzy jaością światłowodu i jego parametrami technologicznymi a charaterystyami radiacyjnymi i termicznymi. Istnieje ścisły związe pomiędzy charaterystyami radiacyjnymi i termicznymi oraz mechanicznymi światłowodów teleomuniacyjnych oraz bezpośredni związe wymienionych parametrów z jaością światłowodu [33]. Tłumienie napromieniowywanych światłowodów mierzono metodą porównawczą, tóra jest analogiczna do metody odcięcia ońca światłowodu. Jao źródło światła stosowano interferometr VSU-P. Wprowadzane do włóna optycznego światło było modulowane z częstotliwością 660 Hz dla zastosowania detecji fazoczułej z nanowoltomierzem homodynowym. Światłowody umieszczano w ognisu soczewi na wyjściu spetrofotometru, jeden nad drugim, co odpowiada ształtowi szczeliny. Umożliwia to jednaowe wprowadzenie światła równocześnie do obu światłowodów badanego i odniesienia. Jao detetory stosowano fotodiody germanowe umożliwiające pomiar tłumienia spetralnego w zaresie 0,6 1,6 m. Wynii rejestrowano w systemie omputerowym awizycji danych. Do pomiarów wyorzystano odcini światłowodu ustalonej długości, zależnej od dawi całowitej (duże dawi - mniejsza długość mierzonej próbi). Odniesienie stosowano tej samej długości. Próbi napromieniowywano ze źródła Co 60 oraz impulsowego liniowego aceleratora eletronowego. Pomiary prowadzono w rótich (godziny i dni po napromieniowaniu) i długich (tygodnie i miesiące) horyzontach czasowych. Stymulowano relasację światłowodów poprzez ich wygrzewanie oraz transmisję dużych mocy optycznych. Mierzono standardowy teleomuniacyjny wielomodowy światłowód gradientowy ze szła wysoorzemionowego domieszowanego GeO a taże światłowody ształtowane o różnej onstrucji wewnętrznej, ze szieł wielosładniowych [7]. Rysuni przedstawiają wynii pomiarów przyrostu tłumienia spetralnego dla światłowodów napromieniowanych ze źródła promieniowania gamma dawą odpowiednio 0,54 i 1,08 Megarada mocą dawi 0,54 Mrad/h. W obu przypadach można zauważyć podobny przebieg zmian tłumienia. Z upływem czasu tłumienie systematycznie maleje, początowo szybciej, potem nieco wolniej, aż do nasycenia procesu w danej temperaturze. Jest to spowodowane wewnętrznymi procesami relasacyjnymi w szle światłowodu. Nie widać już pratycznie różnicy w tłumieniu spetralnym światłowodów badanych w 44 i 63 dni po napromieniowaniu. Wygrzewanie ponownie obniża tłumienie spetralne w wyniu termicznego uatywnienia procesów relasacji. Wprowadzane radiacyjnie tłumienie jest najmniejsze w przedziale długości fal = 0,9 1,1 m. W miarę wzrostu i malenia długości fali tłumienie wzrasta. Dla światłowodów napromieniowanych więszą dawą mierzono transmisję rótiego odcina przy pomocy lasera He-Ne i detetora rzemowego o więszej czułości dla tego zaresu długości fal. Wynii pomiarów świadczą o częściowej odwracalności wpływu promieniowania jonizującego. Rys przedstawia różnicę w tłumieniu dla światłowodów tuż po napromieniowaniu (rzywe 1 i ) oraz po wygrzaniu przez 1 godzin w temperaturze 160 o C (rzywe 3 i 4). Mimo wygrzewania w tej temperaturze, w dalszym ciągu można odróżnić włóno optyczne silniej i słabiej napromieniowane. Dla uwypulenia wpływu napromieniowania, na rys i przedstawiono przebieg tłumienia w funcji długości fali dla analogicznego światłowodu nie napromieniowanego, zmierzonego w tych samych warunach. Rys przedstawia przebieg tłumienia dla włóien optycznych napromieniowanych w liniowym aceleratorze eletronowym (eletrony o energii 13 MeV). Ogólny charater zmian w charaterystyach światłowodów jest podobny do poprzednich. Próba silniej napromieniowana (rzywa 3) tłumi światło bardziej niż próba mniej napromieniowana (rzywa 1). Wygrzewanie (rzywa ) zmniejsza wpływ napromieniowania. Znaczny wzrost tłumienia występuje dla mniejszych wartości długości fali. 165

166 Światłowody nieteleomuniacyjne Rys Zmierzone odpowiedzi światłowodów ształtowanych z różnych rodzajów szieł na promieniowanie jonizujące. Pomiary własne we współpracy z IBJ [33,7]. Porównanie danych ze standardowym jednomodowym światłowodem teleomuniacyjnym. 1) Standardowy, wielomodowy, gradientowy, światłowód teleomuniacyjny ze szła warcowego domieszowanego GeO producji UMCS. Napromieniowany ze źródła Co 60 dawą 0,54 Mrad, mocą dawi 0,54 Mrad/h. Długość próbi światłowodu L=5m; Krzywa 1 - Pomiar po 4h od napromieniowania; Krzywa - po 0h ; Krzywa 3 - po 1000h (44 dni); Krzywa 4 - po 63 dniach, wygrzewany przez 1h w T=160 o C; Krzywa 5 - charaterystya spetralna strat analogicznej próbi nie napromieniowanej o długości 500 m; T o temperatura relasacji włóna, T o - temperatura włóna w omorze napromieniowań; t=1h; ) Standardowy, wielomodowy, gradientowy, światłowód teleomuniacyjny ze szła warcowego domieszowanego GeO. Napromieniowany ze źródła Co 60 dawą 1,08 Mrad, mocą dawi 0,54 Mrad/h. Długość próbi światłowodu L=5m; Krzywa 1 - Pomiar po 4h od napromieniowania; Krzywa - po 63 dniach; Krzywa 3 - po 64 dniach, wygrzewany przez 1h w T=160 o C; Krzywa 4 - Charaterystya spetralna strat analogicznej próbi nie napromieniowanej o długości 500 m; 3) Standardowy, wielomodowy, gradientowy, światłowód teleomuniacyjny ze szła warcowego domieszowanego GeO. Napromieniowany ze źródła Co 60 mocą dawi 0,54 Mrad/h. Długość próbi światłowodu L=5m; Krzywa 1 - Pomiar po 4h od napromieniowania, dawa 1,08Mrad; Krzywa - Pomiar po 0h, dawa 0,54Mrad; Krzywa 3 - Dawa 0,54Mrad, pomiar po 64 dniach relasacji w T=0 o C i wygrzewany przez 1h w T=160 o C; Krzywa 4 - Dawa 1,08Mrad, pomiar po 64 dniach oraz wygrzewaniu w 166

167 Światłowody nieteleomuniacyjne temperaturze 160 o C przez 1h; 4) Standardowy, wielomodowy, gradientowy, światłowód teleomuniacyjny ze szła warcowego domieszowanego GeO. Długość próbi światłowodu L=5m. Napromieniowany z aceleratora liniowego strumieniem eletronów w sposób impulsowy. Czas pomiaru w dwa miesiące po napromieniowaniu. Światłowód przechowywany w standardowych warunach. Dawi odpowiednio: Krzywa 1-5 rad; Krzywa rad; Krzywa rad, wygrzewany prze 1h w T=160 o C; 5) Radiacyjne charaterystyi relasacyjne i termiczne dla standardowego, wielomodowego, gradientowego, światłowodu teleomuniacyjnego ze szła warcowego domieszowanego GeO. Długość próbi pomiarowej L=5 m; Krzywe 1 i 1 - próba napromieniowana dawą 0,54 Mrad, =1,1m; Krzywe i - próba napromieniowana dawą 1,08 Mrad, = 1,0m; Dla rzywych 1 oraz oś t mierzy czas po napromieniowaniu; Dla rzywych 1 oraz oś t mierzy czas wygrzewania w T=160 o C; 6) Radiacyjne charaterystyi tłumienia dla standardowego, wielomodowego, gradientowego, światłowodu teleomuniacyjnego ze szła warcowego domieszowanego GeO. producji UMCS. Dane: długość próbi światłowodu L=5 m. długość fali pomiarowej =1m, t czas pomiaru po napromieniowaniu, standardowe waruni relasacji. Pozostałe dane ja na rys i 3.14.; Krzywe 1,,3, odpowiednio czas t=1h, 4h, 10 3 h; 7) Porównanie strat spetralnych induowanych promieniowaniem w światłowodach ze szieł wielosładniowych; Czas pomiaru 1h po napromienieniu; Dawa radów; Źródło,5Ci Co 60 ; Zachowanie światłowodów w przybliżeniu liniowe w tym zaresie dawe; Światłowody wielomodowe soowe lub gradientowe; 8) Ja na rys , dla światłowodów ze szieł SLS i SLS domieszowanych różnymi poziomami Ce (0,3 %); 9),10) Ja na rys , dla światłowodów z różnych materiałów; 9) Krzywa 1 SiO :B O 3; Krzywa SiO :GeO ; Krzywe 3 7 SiO :F; 10) Krzywe 1 3 Szło SLS(Ce); Krzywe 4 6 Szło Suprasil, światłowód bezpłaszczowy; 11) 16) Charaterystyi relasacyjne światłowodów po napromieniowaniu; Napromienienie impulsowe eletronowe, 0,5 MeV; 11) Światłowody ze szła ołowiowego o wysoim współczynniu załαmania SleS; Pomiar dla ilu długości fali; 1) Światłowody SiO (Ge); Pomiar dla rzywych 1 8 w zaresie 0,8 1,5μm; 13) Światłowody SiO (B); Krzywe 1 8 pomiar w zaresie spetralnym 0,8 1,5μm; 14),15),16) Straty transmisyjne mierzone dla =0,8 1, rzywe 1 4; po napromienieniu impulsowym eletronowym 0,5MeV dla światłowdów ze szła ołowiowego, tytanowego, światłowodów plastyowych z rdzeniem PMMA (=0,5 0,8μm), oraz światłowodów teleomuniacyjnych. Badania radiacyjne światłowodów pozwalają na jaościową ocenę włóien optycznych. Pozwalają na częściowe rozdzielenie różnych źródeł strat w światłowodzie nieidealnym. Radiacyjnym parametrem jaościowym światłowodu może być jego czułość znormalizowana wyrażona w [db/rad m] lub czułość przyrostowa. Tabela 1. Tabelaryczne ujęcie obecnie otrzymywanych doładności pomiarowych podstawowych parametrów światłowodowych w laboratoriach badawczych i omercyjnych rodzaj światłowodu zares pomiaru Niepewność Metoda pomiarowa Światłowód długość fali [nm], Parametr czas [fs, ps], n Dyspersja Jednomodowy % Technia przesunięcia m fazy Długość fali jednomodowy ,1nm Ja dla dyspersji zerowej dyspersji Nachylenie chi jednomodowy % Ja dla dyspersji w zerze dyspersji Dyspersja wielomodowy Ona transmisyjne (7+0,5ps/nm m) Czas przelotu impulsu 850nm oraz 1300nm Modowa Jednomodowy, typu 5fs 10ps Doładność % Matryca Jonesa dyspersja HB MDP>300 fs dla polaryzacyjna włóna HB Średnica pola modowego Jednomodowy, 10m, 1150nm, 1310nm, 0,06mm Sanowanie pola daleiego 1- cm od włóna 167

168 Światłowody nieteleomuniacyjne Apertura numeryczna Wielomodowy 50/15m, 6,5/15m Tłumienie Jednomodowy nm co 5nm 850nm Kila %, wartość zależy od przyjętej definicji: asymptota, 10% mocy, 0,03 db do 0dB masymalnego tłumienia odcina Sanowanie pola odległego, wypełnienie całej apertury wejściowej Odcięcia ońca Tłumienie Wielomodowy nm 0,06 db Odcięcia ońca Jednorodność Jednomodowy 4 0,006dB/m tłumienia 13 m Długość odcięcia Profil refracyjny Średnica płaszcza Nieołowość płaszcza fali Przeciętna średnica pierwotnego porycia Nieołowość porycia pierwotnego Naprężenia wewnętrzne, profil naprężeń Analiza spetrosopow a, sład chemiczny Długość fali Jednomodowy, ila metrów Kabel światłowodowy Jednomodowy wielomodowy, i nm 5nm, dla spadu mocy do poziomu 10% nm 10nm n = od +0,0 do 0,01 Od 0,00015 do 0,00005 w zależności od wartości n Wymiar 15m, n względem 1,5% lub 0,0001, minimalna długość SiO od 0,01 do wartość więsza z m =0,03 dwóch powyższych Wszystie rodzaje Najczęściej standardowe wymiary Wszystie rodzaje, 0,05% stopień eliptyczności Polarymetryczna Refletometria optyczna w dziedzinie czasu Pojedyncza światłowodowa średnicy 6cm, pętla o Osiowa mirosopia interferencyjna i porównanie z wielowarstwowym światłowodem odniesienia Blisie pole załamane 0,1m Mirosop video z amerą CCD o dużej rozdzielczości Mirosop wideo, Kalibrowanie wymiarów Wszystie rodzaje, 0,5m Mirosopia z systemem omputerowym Szczególnie able płasie taśmowe, długość próbi m, Naprężenia technologiczne, naprężenia induowane Wszystie rodzaje światłowodów Źródła światłowodowe Profil naprężeń osiowo symetryczny, profile trójwymiarowe Profile jonów domiesze, profile zanieczyszczeń, naprężenia wewnętrzne, odporność radiacyjna Efetywna środowa długość fali źródła, spetralna szeroość połówowa 0,5m System video mirosopowy 10% Mirosopia poprzeczna i pomiary opóźnienia 0,3nm rozdzielczość, 0,0 nm doładność 0,05nm Spetrosopia Ramanowsa, spetrosopia fluorescencyjna 168

169 Światłowody nieteleomuniacyjne Moc optyczna Źródła dla technii Kalibracja 0,004dB światłowodowej mierniów mocy OTDR Wszystie rodzaje Kalibracja mierniów 0,01dB/dB, 0,003dB/m Kalibrowany światłowód OTDR Poziom jednomodowy Kalibrowany rozproszenia światłowód z wstecznego artefatami Droga optyczna jednomodowy L o>1m części na 10 4 Kalibrowana pętla światłowodowa Grupowy współczynni załamania jednomodowy 0,001 Kalibrowany światłowód Nieliniowy współczynni załamania Jednomodowy, dla fali w oolicy 1550nm 5% 169

170 Światłowody nieteleomuniacyjne 4. Wybrane przyłady zastosowań światłowodów nieteleomuniacyjnych Zastosowania światłowodów, a w szczególności ształtowanych, można podzielić na ila podstawowych ategorii, transmisyjne, z zachowaniem pewnych cech fali i sygnału (np. stanu polaryzacji fali nośnej, rodzaju modu), funcjonalne z zadanym przetwarzaniem sygnału podczas transmisji, oraz czujniowe z przetwarzaniem wielości zadanej na wielość związaną z transmitowaną w światłowodzie falą. Światłowodowe elementy funcjonalne to między innymi: sprzęgacze, filtry, izolatory, cyrulatory, wzmacniacze, generatory, polaryzatory. Czujnii światłowodowe to między innymi: intereferometry, żyrosopy, hydrofony, acelerometry, do pomiaru taich wielości ja przesunięcie, temperatura, ciśnienie, przepływ, poziom, obrót, wielości magnetyczne i eletryczne, wielości chemiczne, oraz wielości rożłożone. Systematycznie rozszerzające się, od o. 30 lat, pola zastosowań, spowodowane bardzo wysoim poziomem finansowania badań w nietórych rajach nad optoeletronią, zaczynają powoli dawać możliwość budowy systemów fotonicznych o funcjonalności sygnałowej analogicznej do lasycznej, czy mirofalowej, radiotechnii, taże w ich rozwinięciu cyfrowym, ze zwieloorotnioną np. sturotnie optyczną falą nośną i częstotliwościami użytecznymi na poziomie THz. Poniżej wybrano ila charaterystycznych przyładów zastosowań światłowodów ształtowanych, bazujące między innymi na własnych doświadaczeniach autora oraz we współpracy z iloma zespołami wyorzystującymi prezentowane w tej pracy światłowody ształtowane do swoich badań apliacyjnych. Prace badawczoapliacyjne są obecnie ta szeroie, że ich przegląd, obejmujący główne ieruni, wymagałby odwołania się do iluset pozycji podstawowej literatury. W niniejszej pracy z tego zrezygnowano. Włóna optyczne o rdzeniach eliptycznych są najczęściej stosowane do światłowodowych czujniów interferometrycznych. Podstawowym wymaganiem w taich zastosowaniach jest utrzymywanie stanu polaryzacji poprzez rozseparowanie stałych propagacji dwóch modów podstawowych. Separacja polega na zapobieganiu mieszania modów podstawowych o polaryzacjach ortogonalnych, a więc wbudowanie w światłowód ja najwięszej dwójłomności. Taie mieszanie może występować jedynie dla odpowiednio dużych częstotliwości przestrzennych zaburzenia światłowodu (np. silne wygięcie o małym promieniu). Dwójłomność w światłowodzie eliptycznym wzrasta liniowo ze stopniem eliptyczności rdzenia i z wadratem różnicy współczynniów załamania rdzeń płaszcz. Mody upływowe w taim światłowodzie powinny być szybo tłumione, aby nie prowadzić do zjawis interferencji wewnętrznej, co jest realizowane przez wprowadzenie bezpośredniego płaszcza (bufora optycznego) o silnym obniżeniu refracyjnym (pomiędzy rdzeń a właściwy płaszcz onstrucyjny światłowodu). Światłowód eliptyczny powinien być odporny na straty zgięciowe. Wśród techni apliacyjnych światłowodów ształtowanych, w tym eliptycznych i silnie dwójłomnych, szczególną przyszłość wydają się mieć metody rozwijane na potrzeby ta zwanych inteligentnych materiałów ompozytowych i światłowodowych sieci czujniowych. Wiadomo obecnie, że stosowany w tych metodach światłowód jednomodowy powinien mieć ja najmniejszą średnicę zewnętrzną. W chwili obecnej poniżej 80m a w przyszłości o standardzie wymiarowym poniżej 60m (przewiduje się np. 35μm), przy drodze transmisji obecnie rzędu sete m a w przyszłości wielu ilometrów. Docelowo, włóno optyczne powinno mieć średnicę włóna wzmacniającego laminat, co w obecnej chwili jest nierealizowalne. W światłowodach tych podstawowe mierzone charaterystyi to refletometria polaryzacyjna oraz opóźnienie grupowe i dyspersja. Pomiary te odczytują stan rozłożonego czujnia światłowodowego, pełniącego również rolę linii transmisyjnej oraz umożliwiają ompensację niepożądanych wpływów metrologicznych. Przyład taiego jednoczesnego pomiaru ilu parametrów może dotyczyć zmian termicznych i naprężeniowych. System pomiarowy pracuje bez przerwy monitorując stan światłowodu lub siati światłowodów wewnątrz laminatu, lejonej nośnej onstrucji drewnianej, dużej masy betonu, betonowego elementu sprężonego, podładu olejowego, szyny olejowej, itp. Przewiduje się, ze światłowody wielordzeniowe mogą wprowadzić, w przyszłości, do systemu fotonicznego ila nowych możliwości transmisji i przetwarzania sygnału optycznego. Te możliwości wyniają z właściwości modowych światłowodów wielordzeniowych. Najważniejszymi trzema z nich wydają się być: interferancja fali pomiędzy rdzeniami, multiplesowanie sygnału pomiędzy rdzeniami oraz transmisja wieloanałowa. Te cechy można wyorzystać do zasadniczo różnych celów. Wieloanałowość światłowodu wielordzeniowego, przy odpowiedniej separacji rdzeni, może być potencjalnie wyorzystana do zwięszenia parametru BER anału cyfrowego, stabilizacji teransmisji 170

171 Światłowody nieteleomuniacyjne lub zwięszenia niezawodności. Zjawiso interferencji międzyrdzeniowej daje potencjalną możliwość realizacji wewnętrznego interferometu jednoświatłowodowego. Dwa lub więcej rdzeni w światłowodzie wielordzeniowym, o rdzeniach sprzężonych na pewnej długości, pracują jednocześnie jao anały sygnałowe i odniesienia. Interferencja wewnętrzna jest związana z naturalnymi właściwościami jednomodowego światłowodu wielordzeniowego o odpowiedniej struturze geometrycznej i refracyjnej. Więsza liczba rdzeni niż dwa, w zależności od ich wzajemnego sprzężenia, może być potencjalnie wyorzystana do budowy uładów interferometrycznych o bardziej złożonej struturze, np. poczwórnej a taże np. detecji wadraturowej, lub do zwięszenia parametrów systemowych ja SNR, zmniejszenia BER. Uład pozwala potencjalnie na: podwojenie anału odniesienia, wprowadzenie odrębnych anałów potwierdzenia dla obu ierunów transmisji, wprowadzenie ompensacji stałego opóźnienia w transmisji sygnału, wprowadzenie stałej różnicy w drodze optycznej pomiędzy anałami, realizację linii opóźniającej, o roowo zmiennym opóźnieniu, na jednym odcinu światłowodu, i wiele innych. Porównanie jednowłónowego interferometru wielordzeniowego z lasycznym rozwiązaniem dwuwłónowego interferometru światłowodowego, np. w uładzie MZ, poazuje wiele zasadniczych różnic pomiędzy nimi. W nietórych zastosowaniach te różnice mogą być orzystne, w innych dyswalifiujące. Interferometr z pojedyńczymi światłowodami posiada odrębne przestrzennie anały w obu ramionach, onfigurowane zgodnie z potrzebą zastosowania. Gałąź odniesienia może być niezależnie strojona. Czułość i seletywność interferometru jednowłónowego, wielordzeniowego jest ustalana technologicznie poprzez dobór separacji rdzeni, apertur numerycznych indywidualnych rdzeni, średnic rdzeni, profili refracyjnych indywidualnych rdzeni, absolutnych wartości refracji w indywidualnych rdzeniach i płaszczu oraz w rytycznych obszarach sprzężenia optycznego pomiędzy przyległymi rdzeniami. Zmiana bezwzględnej czułości w lasycznym interferometrze światłowodowym wymaga zmiany długości drogi optycznej w gałęzi pomiarowej. Efetywna zmiana czułości interferometru jednowłónowego wymaga zmiany rodzaju światłowodu na inny o różnych parametrach technologicznych. Interferometr jednowłónowy ze światłowodem wielordzeniowym posiada, zgodnie z naszym doświadczeniem, nieco mniejszą czułość i wrażliwości środowisowe w porównaniu z analogicznym światłowodowym interferometrem lasycznym. Można realizować interferometr dwugałęziowy zbudowany ze światłowodów wielordzeniowych, co całowicie zmienia sytuację, wprowadzając zupełnie nowe możliwości onfiguracji sygnałowej. Gałąź odniesienia i sygnałowa posiadają możliwość niezależnej, lub zależnej, transmisji sygnału w obu ierunach. 171

172 Światłowody nieteleomuniacyjne 17

173 Światłowody nieteleomuniacyjne Rys.4.1. Wybrane przyłady zastosowań światłowodów ształtowanych obejmujące przyładowe onfiguracje elementów funcjonalnych, czujniów, podzespołów, oraz onfiguracje uładów z urządzeniami światłowodowymi; 1), ) Światłowód o rdzeniu eliptycznym i ształcie zewnętrznym D jest podatny na naładanie strutur funcjonalnych na powierzchni płasiej; 1) Nałożone eletrody metalowe w celu budowy polaryzatora lub modulatora; ) Nałożona siata dyfracyjna Bragga w celu budowy np. filtru, polaryzatora lub zwierciadła braggowsiego; 3) Regulowany sprzęgacz światłowodowy, przy pomocy zewnętrznego oddziaływania eletrycznego lub mechanicznego w obszarze sprzężenia; Tzw. czujni natężeniowy 173

174 Światłowody nieteleomuniacyjne mirozgięciowy z ciemnym polem; 4) Światłowód nawinięty na pręt lub rurę materiału ferromagnetycznego lub magnetostrycyjnego do onstrucji czujnia pola magnetycznego; 5) Światłowód przylejony do płyti ze szła metalicznego do budowy czujniów; 6) Schematyczna budowa zaończenia światłowodowego czujnia, tzw. zewnętrznego do pomiaru ażdej wielości, tóra zmienia dwójłomność optyczną ryształu; Folia polaryzacyjna działa jao polaryzator i jednocześnie analizator; O czujniu wewnętrznym mówilibyśmy, gdy modulacji, przez wielość zewnętrzną, podlegałby parametr światłowodu (tutaj dwójłomność) a nie elementu zewnętrznego ; 7) Budowa tzw. mirozgięciowego imadła do onstrucji rodziny czujniów światłowodowych wielości mechanicznych; 8) Rodzina charaterysty światłowodowych czujniów odbiciowych (rys i ) dla różnego rodzaju światłowodów przedstawionych na rys.4.1..; 9) Jedna z oncepcji budowy czujnia dwustanowego o charaterze bezpiecznia; Zaznaczony fragment światłowodu ulega zniszczeniu po przeroczeniu progowej wartości wielości lub pola mierzonego; 10) Przyładowe rozwiązanie onstrucyjne uładu sprzężenia objętościowej fali austycznej do światłowodu typu D z zastosowaniem przetwornia piezoeletrycznego; Może być wyorzystane do budowy szeregu elementów funcjonalnych np. jao mieszacz modów, sprzęgacz, czujni ciśnienia; 11),1),14) Schematyczne obrazy pola zaniającego w światłowodzie wygiętym i podczas onwersji modów w światłowodzie dwumodowym oraz w sprzęgaczu pryzmatycznym np. pomiędzy światłowodem włónowym i planarnym; Pole zaniające wychodzące poza obszar rdzenia i włóna jest podstawą onstrucji rodziny czujniów z polem zaniającym, szczególnie do wielości chemicznych; 13) Fotografia obszaru przejściowego światłowodowego jednomodowego sprzęgacza eliptycznego; 15) Wygięcie światłowodu o stałym promienu rzywizny; Podstawa do onstrucji rodziny czujniów wielomodowych i jednomodowych, np. refratometrów; 16),3) Wąsa szczelina, prostopadła do osi światłowodu lub sośna (w uładach dużej mocy optycznej) pomiędzy dwoma zaończeniami światłowodów nadawczego i odbiorczego stanowi opodstawę do onstrucji rodziny czujniów światłowodowych amplitudowych i fazowych; 16) Rdzenie w szczelinie poryte siatą absorpcyjną i ułąd jest czuły na przesunięcie poprzeczne światłowodów; 3) Powietrzna lub cieczowa szczelina sośna zapobiegająca odbicu mocy optycznej wstecz do nadajnia; 17) Ogólna zasada onstrucji szczelinowego czujnia światłowodowego zewnętrznego, np. ez elementem dwójłomnym umieszczonym w szczelinie; Wymagane wówczas zastosowanie uładu polaryzator analizator w szczelinie; 18),19) Zastosowanie w szczelinie pomiędzy światłowodami dysu obrotowego z odem amplitudowym, fazowym, polaryzatorem; 0),4) Ogólna zasada działania światłowodowego czujnia odbiciowego, gdzie do zwierciadła sygnał optyczny jest doprowadzany jednym lub dwoma anałami światłowodowymi; 0) Rozwiązanie bez soczewi; 4) Rozwiązanie z obietywem zwięszające odległość pomiędzy zanończeniem światłowodu i obserwowanym obietem; 1) Zastosowanie pola magnetycznego wzdłuż światłowodu o rdzeniu cylindrycznym (stałego) i eliptycznym (periodycznego, o oresie równym długości drogi dudnienia modów podstawowych HE 11 do budowy czujniów polowych; ) Rodzaje zaończeń światłowodów do czujniów odbiciowych; 5) Światłowodowy czujni fluorescencyjny zbudowany z włóna fluoryzującego; 6) Schematyczne przedstawienie wpływu zewnętrznych pól eletrycznych, mechanicznych i magnetycznych na światłowód uczulony technologicznie na te wielości; 7) Schematyczne przedstawienie zasady działania światłowodowego termometru mirozgięciowego; Światłowód wygina się w linię spiralną wewnątrz specjalnego rodzaju obudowy ablowej mięo-twardej; 8) Zasada działania czujnia światłowodowego z dużą szczeliną; W obszar czułości wprowadzany jest mierzony proces; 9) Przyład rozwiązania onstrucyjnego światłowodowego czujnia zewnętrznego z ryształem atywnym; 30) Spetralny uład dwufalowy detecji sygnału np. z czujnia z rys ; 31) Przyład onstrucji światłowodowego zewnętrznego czujnia fluorescencyjnego, z fosforem jao substancą atywną; 3) Światłowód spiralnie nawinięty np. na pręt dylatacyjny odczytuje, przy pomocy uładu refletometrycznego, stan pręta w sposób rozłożony; 33) Światłowód wygięty wielopuntowo odczytuje wielość mierzoną w wielu puntach wzdłuż drogi optycznej; 34) Oresowe eranowanie magnetyczne światłowodu w czujniu pola magnetycznego; Oresowa rotacja Faradaya w światłowodzie jao czujni prądu oraz izolator optyczny; 35) Zastosowanie uładu interferoemtru Fabry Perota do budowy uładu światłowodowego czujnia polowego lub urządzenia funcjonalnego; 36) Schemat budowy światłowodu z poryciem metalowym lub ze szła metalicznego do budowy czujniów i elementów funcjonalnych; 37) Światłowodowy interferometr Macha - Zehndera; 38) Światłowodowy interferometr Michelsona; 39) Schematyczna onfiguracja światłowodowego interferometru Sagnaca; 40) Typowy uład światłowodowego czujnia mirozgięciowego z białym polem; 41) Uład pomiarowy interferometrycznego czujnia światłowodowego lub elementu funcjonalnego z detecją heterodynową; 4); Interferometr światłowodowy Macha Zehndera z zastosowaniem detecji z homodynową pętlą fazową; 43) Uład laboratoryjny do badania właściwości sygnałowych światłowodowego zestawu mirozgięciowego; 44) Przełączanie z zastosowaniem optycznego efetu Kerra w dwumodowym światłowodzie eliptycznym; 45) Światłowodowy czujni napięcia na dwumodowym światłowodzie eliptycznym; 46) Uład światłowodowego czujnia temperatury z promieniowaniem ciała czarnego; 47) Schemat światłowodowego czujnia ciśnienia pracującego na granicy całowitego wewnętrznego odbicia; 48) Światłowodowy mirozgięciowy czujni ciśnienia; 49) Ogólny schemat bloowy zestawu laboratoryjnego światłowodowego elementu, czujnia, amplitudowego; 50) ; 51) Konfiguracja światłowodowego interferometru Macha Zehndera 174

175 Światłowody nieteleomuniacyjne do pomiaru ciśnienia; 5) Schemat bloowy światłowodowego czujnia ciśnienia z zastosowaniem interferoemtru Fabry Perpta; 53) Uład sprzężenia powierzchniowej fali austycznej ze światłowodem D; Potencjalna możliwość multiplesowania sygnału pomiędzy rdzeniami jednomodowego światłowodu wielordzeniowego jest związana z wymuszeniem silnego sprzężenia rdzeni na pewnej długości taiego światłowodu o rdzeniach naturalnie, słabo lub, nie sprzężonych. Wymuszenie sprzężenia może mieć charater wewnętrzny lub zewnętrzny względem światłowodu, atywny, pasywny lub neutralny. Ta wewnętrzna cecha światłowodu wielordzeniowego może potencjalnie stanowić podstawę onstrucji szeregu elementów funcjonalnych, ja: 1) Kanały transmisyjne z multiplesowaniem z podziałem rdzeniowym, tóry to system można byłoby nazwać CDM (ang. core division multiplexing), przez analogię do WDM, TDM, FDM, itp.; Taie elementy transmisyjne mogą potencjalnie stać się podzespołami fotonicznych matryc przełączających; ) Funcjonalne elementy fotoniczne ja sprzęgacze, lucze fotoniczne, izolatory optyczne, filtry, elementy nieodwracalne, itp.; 3) Światłowodowe czujnii wielordzeniowe, tóre mogą wyorzystywać taie zjawisa ja CDM, transmisję wieloanałową i interferencję wewnętrzną do detecji i onwersji zadanych wielości. W szczególności, przełączanie sygnału i multiplesowanie (bierne lub atywne), taże poza włónem w obszarze płaszczyzny wyjściowej, może potencjalnie być wyorzystane do onstrucji sztucznej sóry zawierającej rozłożone czujnii zbliżenia, dotyu i siły uchwytu. Przełączanie sygnału pomiędzy rdzeniami może zachoidzić w światłowodzie wielordzeniowym w dysretnych puntach ja i w sposób rozłożony, prowadząc do detecji wielości rozłożonych, np. przy pomocy odczytu refletometrycznego. Trzecia cecha światłowodu wielordzeniowego, możliwość transmisji wieloanałowej, jest podstawą do wprowadzenia ontrolowanej redundacji do systemu bazującego na światłowodzie wielordzeniowym. Redundancję można potencjalnie wyorzystać do: 1) Stabilizacji i linearyzacji nadajniów i odbiorniów fotonicznych; Sygnał jest wysyłany wstecz proporcjonalnie do poziomu mocy w odbiorniu, co jest wyorzystywane do regulacji nadajnia; Ta metoda służy zamianie redundancji na jaość systemu: minimalizacja zużycia energii, optymalizacja SNR, poprawa niezawodności systemu, poprawa jaości sygnału w odbiorniu; ) Tworzenia sieciowych elementów (rezonatorów) pętlowych z falą bieżącą, np. do obsługi całowicie fotonicznego węzła sieci światłowodowej, w postaci transmisyjnej chwilowej pamięci pętlowej, wieloanałowej detecji z opóźnieniem, itp; 3) Realizacji anałów transmisyjnych z przepływem wieloparametrowym dla celów ryptografii; z odowaniem wielopoziomowym, badanie nowych metod modulacji i odowania sygnału optycznego; 4) Realizacja magistrali i węzłów sieci całowicie optycznej, przezroczystej; Światłowody wielordzeniowe mogą być potencjalnie zastosowane jao linie transmisyjne i elementy funcjonalne. Potencjalne możliwości w przetwarzaniu sygnału w światłowodzie wielordzeniowym mają taże podstawę w różnicowych charaterystyach międzyrdzeniowowych. Charaterystyi różnicowe mają charater intencjonalny, wbudowany (w światłowodzie heterordzeniowym) bądź residualny (w światłowodzie homordzeniowym). Charaterystyi różnicowe biorą się z dużej ilości parametrów światłowodu wielordzeniowego: indywidualne profile refracyjne, właściwości materiałów rdzeni, geometria, sprzężenie międzyrdzeniowe i z otoczeniem zewnętrznym w przypadu blisiego położenia rdzeni do brzegu światłowodu, obecność stratnych pułape refracyjnych w światłowodzie, różne wartości odcięcia modowego w rdzeniach. Modelowanie charaterysty różnicowych pozwala potencjalnie na realizację całego szeregu metod przetwarzania sygnału wewnątrz światłowodu, ja: onwersja modowa, seletywne tłumienie i wzmacnianie, sprzęganie, filtrowanie, działania arytmetyczne i logiczne. Przyładowo testowane były taie elementy ja: filtry zgięciowe o różnych wrażliwościach dla indywidualnych rdzeni, sprzęgacze, elementy zbieżne, onwertery modów, tłumii seletywne. W światłowodzie o różnicowym tłumieniu międzyrdzeniowym sygnał podlegający tłumieniu jest przełączany do rdzenia stratnego i po osiągnięciu wymaganego poziomu mocy jest przełączany do rdzenia nisostratnego. Jeśli jeden z rdzeni jest atywny, analogicznie można zrealizować seletywne wzmocnienie sygnału z wybranego rdzenia biernego. Ułady onwersji modowej, odowanie sygnału, zmiana zegara, przegrupowanie odu, separacja wybranej sewencji impulsów, całowicie fotoniczne multiplesowanie i demultiplesowanie mogą potencjalnie wyorzystywać światłowody wielordzeniowe z wyorzystaniem wewnętrznych lub induowanych zewnętrznie, wymienionych powyżej, właściwości tych światłowodów. Pratyczne wyorzystanie tych możliwości, w systemie fotonicznym, zależy od dalszego finansowania badań nad taimi 175

176 Światłowody nieteleomuniacyjne światłowodami przez czołowe ośrodi technologiczne fotonii światłowodowej. Ja dotąd, publiowane prace o charaterze apliacyjnym nad tymi światłowodami mają charater marginalny w stosunu do innych rozwiązań dla wymienionych elementów funcjonalnych. Na rys.4.1. przedstawiono iladziesiąt wybranych zastosowań światłowodów ształtowanych. Wybrano przyłady onstrucji elementów funcjonalnych, czujniów i podzespołów stosowanych do budowy więszych systemów fotonicznych. Przedstawiono schematy bloowe ilu taich systemów. Przedmiotem niniejszej pracy, według zamierzeń autora, zdecydowanie nie jest przegląd zastosowań światłowodów ształtowanych. Tematowi temu można byłoby poświęcić co najmniej odrębną pracę o podobnej objętości do niniejszego tomu. Króti rozdział poświęcony zastosowaniom załączono w celu zarysowania technicznego tła prac podstawowych i rozwojowych prowadzonych, w laboratoriach światowych a taże przez autora, nad światłowodami ształtowanymi. Więszość z tych zastosowań nie przeroczyła jeszcze zaawansowanego poziomu laboratoryjnego, choć nietóre rodziny zastosowań są już obecnie rozwinięte do poziomu wysoce zaawansowanych urządzeń wojsowych. Wśród tych ostatnich, gdzie połączona jest technia transmisyjna z wieloma elementami ze światłowodów ształtowanych można wymienić żyrosopię i hydrofonię światłowodową [110]. W nietórych zastosowaniach, żyrosopy światłowodowe, ze światłowodami jednopolaryzacyjnymi, wyeliminowały rozwiązania lasyczne. Dno morsie woół wybrzeży USA jest wytapetowane setami tysięcy ilometrów światłowodów uczulonych na oddziaływanie fal austycznych i pracujących jao macierzowe hydrofony zdolne do precyzyjnej loalizacji źródeł dźwięu. Prace autora w zaresie apliacji światłowodów ształtowanych, miały raczej charater sprawdzenia właściwości wytworzonych, i charateryzowanych teoretycznie i pomiarowo, włóien optycznych w szczególnych uładach laboratoryjnych, analogicznych do nietórych warunów potencjalnego zastosowania, w przyszłości. Dotyczyło to np. budowy taich elementów i urządzeń ja: modelu dozymetru światłowodowego ze światłowodów uczulonych lub znieczulonych na promieniowanie jonizujące [46,55,59,98,185,188,19,195], światłowodowego sewencera impulsów ze światłowodem lasycznym i wielordzeniowym [95,115,1], rodziny czujniów światłowodowych [18,15] ze światłowodów szlano-ceramicznych [149], laboratoryjnych zestawów czujniów światłowodowych temperatury [47,164], jonów metali alalicznych, wapnia, ph [53,136,150, ,169,173,14 15,40], wielości mechanicznych, austycznych i drgań [30,39], [17,0,5,3,10], sprzęgaczy światłowodowych z włóien ształtowanych [36,88,103,117,119], ształtowanych sprzęgaczy światłowodowych z elementami atywnymi [85,89], loalny system transmisyjny i telemetryczny dla eletrowni [4,100,101,11,114,10,17], światłowodowe i optoeletroniczne wyposażenie mechanizmu chwytu robota [97,99,106,107,116,15,131,135,34], model magistrali szeroopasmowej ze światłowodem lasycznym i wielordzeniowym [109,11,140,194,03], model sondy światłowodowej do zastosowań oulistycznych [113,180 18,,7], obrazowodów światłowodowych [19,134], mozaiowe matryce światłowodowych soczewe GRIN [14,144]. W ilu przypadach były to jedna urządzenia wdrożone i pracujące w warunach przemysłowych ja: światłowodowy system przeciwpożarowy [51], światłowodowy system telemetryczny z czujniami światłowodowymi dla ochrony środowisa i nadzoru nietórych systemów municypalnych (wodociągów i analizacji) [163,165,166,168], [ ], [16,19], [41 48,50], model systemu omuniacyjnego i telemetrycznego dla statu [16], internetowa stacja meteorologiczna z transmisją światłowodową i czujniami fotonicznymi [167]. 176

177 Światłowody nieteleomuniacyjne 5. Zaończenie Na dzisiejszym etapie rozwoju optoeletronii, technię światłowodową można podzielić na optoteleomuniację [1.3,1.4], w ramach tórej prowadzone są prace podstawowe i rozwojowe nad nowymi generacjami ultranisostratnych i sompensowanych dyspersyjnie światłowodów teleomuniacyjnych a taże optymalizacją obecnie stosowanych światłowodów systemowych [1.09,1.11], oraz technię światłowodów nieteleomuniacyjnych [1.05,1.07,1.17,1.19,1.1,1.5]. Światłowody nieteleomuniacyjne [36], nazywane tutaj ształtowanymi, ze względu na bardziej złożoną technologię ich wytwarzania niż lasycznych włóien optycznych CVD, są badane również w ierunu ich potencjalnych zastosowań w teleomuniacji, jao elementów funcjonalnych [1.11] o niewielich długościach w porównaniu z optycznym torem teletransmisyjnym, ale taże w fotonicznych systemach przetwarzania informacji hybrydowych uładach optoeletronii zintegrowanej [1.36] i czujniach światłowodowych [1.1]. Światłowody ształtowane wytwarzane są również metodą modyfiowaną CVD [1.17], tóra w porównaniu z lasyczną metodą CVD musi zawierać ila dodatowych etapów procesu technologicznego, np. niesymetryczne trawienie gazowe lub szlifowanie preformy, ze względu na onieczność wbudowania w struturę wewnętrzną światłowodu dodatowych właściwości geometrycznych, refracyjnych, mechaniczno-termicznych i innych. Metoda CVD, taże jej modyfiacje hybrydowe z etapem pręt-rura, jest wyorzystywana do wytwarzania światłowodów teleomuniacyjnych i ształtowanych w ośrodu lubelsim na UMCS [.07]. Badane w niniejszej pracy światłowody wytwarzano modyfiowaną metodą wielotyglową MMC [44,1.03], mozaiową [19,05], pręt rura i metodami złożonymi z poprzednich [14]. W ilu przypadach, np. dla światłowodów typu HB, możliwe było bezpośrednie porównanie właściwości analogicznych światłowodów ształtowanych wytworzonych obydwiema onurencyjnymi grupami metod CVD i MMC. Taie porównanie między technologiami prezentowane jest w literaturze po raz pierwszy. Poniżej, jao podsumowanie niniejszej pracy, wybrano najważniejsze cechy charaterystyczne prezentowanych światłowodów nieteleomuniacyjnych. Podstawowym parametrem optycznym ażdego światłowodu jest, obo wielości liczbowej jaą jest apertura numeryczna, czy refracja różnicowa bezwzględna n lub względna, parametr funcyjny jaim jest profil refracyjny n(r), lub n(r,). Profil refracyjny decyduje o wszystich właściwościach sygnałowych, oraz znacznej części właściwości wrażliwościowych światłowodu. Podstawowym zagadnieniem technologicznym, tórego przyładowe rozwiązania poazano w tej pracy, jest umiejętność efetywnego tworzenia szczegółów ształtu funcji profilu refracyjnego w ja najszerszym zaresie [66,86,87,111,170,171]. W światłowodach ształtowanych można wyróżnić szereg las funcji profilu refracyjnego (nietóre są analogiczne do las dla światłowodów teleomuniacyjnych) ja: soowe i gradientowe, schodowe monotoniczne i niemonotoniczne w tym tzw. lasy W, pierścieniowe i wielopierścieniowe, izotropowe i anizotropowe, jednoargumentowe n(r) i dwuargumentowe n(r,) zależne od azymutu. Światłowody o odległych profilach refracyjnych różnią się wszystim: średnicą pola modowego a więc np. zdolnością sprzęgania czołami, wrażliwością na mirozgięcia, struturą modową, w tym odcięciem modowym i charaterem modu podstawowego. W ogólnym przypadu nie musi to być mod HE 11. Z potencjalnie bardzo szeroiej rodziny światłowodów ształtowanych o złożonej refracji wybrano do zaperezentowania w niniejszej pracy gradientowe włóna schodowe monotoniczne i mniemonotoniczne oraz włóna pierścieniowe. Porównanie charaterysty światłowodów lasycznych, rys.1.1 i 1.. oraz światłowodów złożonych refracyjnie, rys.1.3 oraz 1.4. poazuje przyład np. zaresu wprowadzanych zmian modowych. Wprowadzenie złożonego profilu w światłowodzie teleomuniacyjnym ma na celu głównie odpowiddnią optymalizację dyspersji (spłaszczenie, przesunięcie, itp.) oraz znieczulenie światłowodu na mirozgięcia. W światłowodzie ształtowanym, oprócz analogicznych celów ma główne zadanie uształtowania pożądanej, z puntu widzenia apliacyjnego, strutury modowej, tzn taich związanych z tym parametrów ja: zależność średnicy pola modowego.od częstotliwości znormalizowanej, doładny dobór puntu odcięcia, ształtowanie charaterystyi pola daleiego, charaterystyi sprzężenia z innym włónem optycznym, itp. Jedną z fundamentalnych las światłowodów ształtowanych są włóna optyczne anizotropowe. Wśród tych włóien najszersze zainteresowanie, ze względu na możliwość wytworzenia i zastosowania, wzbudziły światłowody silnie dwójłomne o dwójłomności liniowej wprowadzanej do 177

178 Światłowody nieteleomuniacyjne wnętrza światłowodu poprzez płaszczyznowy rozład naprężeń [5.05]. Światłowody te, do zastosowań teleomuniacyjnych, telemetrycznych i czujniowych, jao utrzymujące stan polaryzacji lub jednopolaryzacyjne tory transmisyjne i polaryzujące elementy funcjonalne, są wytwarzane głównie modyfiowaną metodą CVD [5.08]. W niniejszej pracy poazano, wytworzone we własnym zaresie, światłowody dwójłomne MMC o zmierzonych parametrach (dwójłomność znormalizowana B 5*10-4 i wrażliwość dwójłomności na oddziaływania zewnętrzne np. termiczne i mechaniczne db/dt 7[rad/m/ o C], db/d 100[rad/mm]) porównywalnych do światłowodów CVD, rys Zasadniczą różnicą pomiędzy obiema grupami światłowodów jest cena, znacznie niższa w przypadu włóien MMC. Inne problemy, nie wszystie zostały poruszone w pracy, to złożone zagadnienie łączenia (spawania) światłowodów ształtowanych ze szieł wielosładniowych ze światłowodami wysoorzemionowymi. W badawczych uładach laboratoryjnych lub apliacyjnych onieczne jest dobrej jaości połączenie optyczne pomiędzy światłowodwem transmisyjnym lub czujniowym a światłowodem utrzymującym stan polaryzacji. Najlepszy jest nisostratny spaw, ale ze względu na duże różnice właściwości termicznych las światłowodów CVD i MMC nie zawsze jest to możliwe. Ze światłowodów liniowo dwójłomnych można, poprzez permanentną dysryminację, wrażliwszego na działanie zewnętrzne polaryzantu, zbudować całowicie światłowodowy polaryzator [5.1]. W liniowo dwójłomnym światłowodzie MMC uzysano poziom dysryminacji polaryzacyjnej rzędu 60dB. Przy pomocy wbudowania w światłowód taich strutur ja rdzeń helialny [5.18] lub rotację rdzenia liniowego światłowodu dwójłomnego [5.30] wprowadzana jest dwójłomność ołowa i eliptyczna. Metodą pręt-rura, w uładzie nieosiowym, z zastosowaniem preformy MMC i mozaiowej wyciągano światłowody o spiralnym rdzeniu i sou linii śrubowej o. 1mm oraz promieniu spirali od iludziesięciu do iluset μm. Dla średnicy spirali o. 00μm uzysano znormalizowaną dwójłomność ołową rzędu B 10-3 i drogę dudnienia L B rzędu 1mm..Dla światłowodów pręt-rura z preformą MMC lub mozaiową uzysano długość drogi dudnienia L B 4mm. W analogicznym światłowodzie o polaryzacji liniowej droga dudnienia wynosiła o. 1,5mm. Wśród światłowodów o rdzeniach niecylindrycznych szczególne miejsce, ze względu na obecność naturalnej geometrycznej dwójłomności liniowej, zajmują jednomodowe światłowody eliptyczne [1.7], ewentualnie z dodatowo wbudowaną liniową dwójłomnością naprężeniową dodającą się do dwójłomności geometycznej [8.14]. Światłowody o rdzeniach eliptycznych (w srócie nazywane eliptycznymi) są dobrze poznane teoretycznie, ale istnieją znaczne trudności z ich stabilnym powtarzalnym wytwarzaniem, dla ustalonych parametrów elipsy, szczególnie metodą CVD. Tutaj poazano przyłady wytworzonych światłowodów eliptycznych wielomodowych i jednomodowych o różnych stopniach eliptyczności [5]. Zmierzono dwójłomność tych światłowodów i wrażliwości termiczną i naprężeniową dwójłomności. Porównano wynii z wartościami pomiarowymi dla światłowodów typu HB. Dwójłomność liniową naturalną uzysano na poziomie B Jedna dla szczególnych, estremalnych wartości parametrów rdzenia, (mała średnica) udało się podwyższyć tą wartość do poziomu B Inną możliwością podwyższenia dwójłomności w jednomodowym światłowodzie eliptycznym, tórą badano, jest zastosowanie heterogenicznego profilu refracyjnego, wprowadzającego zmienność stałej zaniu pola (argumentu funcji Bessela K(w)) w zależności od ierunu w rdzeniu. Granicznym przypadiem rdzenia eliptycznego jest rdzeń pasowy. Światłowody dziurawe dzielimy na ila podstawowych las: z marootworami [.01], z mirootworami [.1] i porowate. Światłowody z mirootworami dzielimy na strutury refracyjne periodyczne i nieperiodyczne oraz wyłącznie periodyczne - z fotoniczną przerwą zabronioną. Powstają nowe strutury światłowodowe z nanootworami [.13,.17,.19], gdzie przewiduje się umieszczenie znacznej części pola EM podstawowego modu prowadzonego w powietrzu. Dla światłowodu o powietrznym maro-anale D wypełnionym metalem [8.3] uzysano izolację polaryzacyjną w zaresie 30 70dB, w zależności od długości fali przy stratach wtrącenia rzędu pojedyńczych decybeli. Dla światłowodów jednomodowych z mirootworami uzysano pomiarową zmienność średnicy modu podstawowego w, niespotyanych dla innych rozwiązań światłowodów, granicach prawie trzech rzędów wielości. Światłowody nieliniowe, bazujące na lasycznych teleomuniacyjnych włónach optycznych były przedmiotem zainteresowania badawczego od początu rozwoju technii śiwiatłowodowej [ ]. Zainteresowanie wiązało się z iloma przyczynami: niespotyanie długą, dla optycznych rozwiązań objętościowych, drogą oddziaływania; stosunowo nisim poziomem mocy 178

179 Światłowody nieteleomuniacyjne progowej, taże w porównaniu z rozwiązaniami objętościowymi, możliwością wyorzystania zjawis nieliniowych w światłowdzie do budowy elementów funcjonalnych ja przesuwnii, dzielnii i mnożnii częstotliwości, wzmacniacze ramanowsie, elementy nieodwracalne, itp. Odmienna grupa przyczyn zainteresowania zjawisami nieliniowymi w światłowodach wiąże się z potencjalnym ich występowaniem, szczególnie SRB i SRR oraz mieszania czterofotonowego, w torach teleomuniacyjnych [4.04,4.10,4.13,4.17,4.9,4.3,4,34]. Zmiana materiału ze szła wysoorzemionowego na szło wielosładniowego i światłowodu na ształtowany może prowadzić, przy odpowiednich parametrach światłowodu, wysoiej aperturze numerycznej i niewieliej średnicy rdzenia (niewieliej średnicy modu podstawowego) od dalszego znacznego obniżenia poziomu zjawis nieliniowych w światłowodzie. Szczególne nadzieje związane są z odpowiednią onstrucją swiatłowodów dziurawych z mirootworami [.16]. Dla teoretycznych, optymalnych strutur dziurawych, dla zastosowań nieliniowych, obliczono, że poziom mocy progowej może zostać obniżony dziesięciorotnie, w porównaniu z lasycznym, przesuniętym dyspersyjnie, światłowodem teleomuniacyjnym o małym rdzeniu. Podstawowym mechanizmem rozwoju światłowodów atywnych, domieszowanych jonami ziem rzadich jest teleomunicja [3.15,3.19,3.31],. W tym zaresie prowadzone są obecnie prace nad budową wzmacniaczy dla pasma długofalowego L, obejmującego zares nm obecnie i prawdopodobnie do 160nm w przyszłości. Dla potencjalnych zastosowań poza teleomuniacją, np. telemetrycznych, czujniowych, badane są światłowody atywne z innych materiałów domieszowane ziemiami rzadimi ja polimery [11.10,], szła wielosładniowe, szła IR np. fluorowe cyronowe, lub przeciwnie bezcyronowe. Światłowody heteromateriałowe obejmują przyładowo następujące grupy włóien optycznych: z ciełym rdzeniem [7.05], z ciełorystalicznym rdzeniem lub płaszczem [7.14,7.4], ze szlanym rdzeniem i polimerowym płaszczem [7.04,7.10.a], porowate lub dziurawe impregnowane polimerem [11.19], z czystym rzemionowym płaszczem i wielosładniowym rdzeniem [1.07], z ceramicznym płaszczem [149]. Łączenie odmiennych, pod względem właściwości optycznych i innych fizyochemicznych, materiałów, w jednej struturze światłowodu włónowego prowadzi do dalszego rozszerzenia zaresu charaterysty sygnałowych i wrażliwościowych. W pracy przedstawiono wybrane dane nietórych z taich rodzajów światłowodów heteromateriałowych. Światłowody o zmienianym ształcie zewnętrznym np. przewężane [6.30,7.14,8.33] są w zasadzie równoważne światłowodom o odpowiednio zmiennej, wzdłuż długości włóna, aperturze i profilowi refracyjnemu. Typowe przewężenie światłowodowe działające jao sprzęgacz lub czujni z polem zaniającym, jest na pewnym odcinu światłowodem jednomodowym o zmiennej średnicy pola modu a następnie na pewnym odcinu światłowodem wielomodowym bezpłaszczowym. Włóna optyczne ze szieł wielosładniowych pozwalają na budowę, zarówno sprzęgaczy lasycznych 3dB dla wybranego pasma falowego ja i złożonych przewężeń heteroprofilowych o wysoce niesymetrycznych charaterystyach sprzężenia [83,88,199]. Przewężenia wyorzystywane są taże jao elementy sładowe do budowy bardziej złożonych podzespołów np. zawierających światłowodowe filtry Bragga. Podobnie ja w przypadu światłowodów atywnych, światłowody z siatą Bragga są przeznaczone głównie dla teleomuniacyjnych systemów DWDM [ ]. Główny nurt prac zaowocował w licznych rozwiązaniach światłowodowych siate dyfracyjnych dla zastosowań nieteleomuniacyjnych np. dla fotonicznych systemów czujniowych. Więszość siate wyonuje się na światłowodach CVD, ale ostatnio taże na światłowodach ze szieł IR i światłowodach polimerowych. Testowane są coraz liczniejsze rozwiązania urządzeń funcjonalnych poza teleomuniacją, gdzie siata światłowodowa pełni rolę seletywnego filtru, elementu rozpraszającego w ściśle oreślonym ierunu, ompensatora dyspersji, onwertera modowego, itp. Świałowody z siatami braggowsimi, obo światłowodów atywnych, stały się, od pewnego czasu, podstawowym anonem współczesnej technii światłowodowej. Wielomodowe, gradientowe światłowody plastyowe [ ], w sensie sygnałowym podobne do wielomodowych szlanych światłowdów wielomodowych, różnią się od nich elastycznością, sposobem łączenia i zestawiania loalnego uładu transmisyjnego. Te różnice są na tyle atracyjne, że prowadzone są cały czas od przeszło dwudziestu lat badania nad rozwojem tych światłowodów. Obecnie podstawowe problemy badawcze, w zaresie transmisji wielomodowej, związane są ze stabilizacją technologii otrzymywania założonego optymalnego gradientowego profilu 179

180 Światłowody nieteleomuniacyjne refracyjnego. W zaresie transmisji obrazu, podstawowe prace są prowadzone nad zwięszeniem ontrastu i rozdzielczości oraz obniżeniem ceny obrazowodów jednorazowego użytu do zastsowań technicznych, ale głównie medycznych. W pracy poazano fragment własnych prac porównawczych nad obrazowodami szlanymi i plastyowymi [19,134]. Światłowody uczulane lub znieczulane technologicznie [141,145,146] stanowią dużą grupę włóien optycznych projetowanych obecnie na ogół dla onretnego zastosowania. Na przyład, światłowody o płaszczu czułym na oddziaływanie pola eletrycznego projetowane są do budowy fotonicznych czujniów wielości eletrycznych. Można wyróżnić wśód tego typu światłowodów, według autora, następujące grupy: światłowody uczulane poprzez integrację z włónem szlanym wrażliwego porycia, uczulane poprzez dobór róznicowych charaterysty pomiędzy rdzeniem i płaszczem, dobór materiału światłowodu do zastosowania, oraz poprzez ingerencję technologiczną w wewnętrzną struturę włóna. Na rys przedstawiono przyłady wybranych, zmierzonych lub obliczonych, charaterysty uczulanych włóien optycznych wyonanych we własnym zaresie i będących reprezentantami nietórych z wymienionych wyżej grup. Podobnie ja eliptyczne, światłowody wielordzeniowe [8.0,8.03] są jednym z podstawowych rodzajów włóien ształtowanych, wymagających zastosowania stosunowo złożonej technologii, i obecnie zdecydowanie nie przeznaczonych do długodystansowej transmisji sygnału. W pewnych zastosowaniach transmisyjno czujniowych światłowody dwurdzeniowe, ze względu na oszty i trudności technologiczne, były nawet eliminowane przez światłowody dwumodowe [3.1,6.4,6.3,7.17, ,], tj. na ogół światłowody lasyczne pracujące w warunach dwumodowych (HE 11 i EH 01 lub LP 11 i. LP 01). Ze względu na opanowanie przez autora, z zespołem, technologii wytwarzania światłowodów wielordzeniowych, w wielu unialnych odmianach [10,105,17, ,49], oraz zaproponowania nowego podejścia do opisu nietórych rodzajów światłowodów wielordzeniowych [11,137,0], a taże opanowania technii laboratoryjnej operowania tymi światłowodami [90 9,96,17,49] i wytwarzania z nich elementów funcjonalnych [11,133,0,06], poświęcono im w niniejszej pracy sporo miejsca, mimo obecnie stosunowo ich wąsich zastosowań. W światłowodzie dwurdzeniowym, szczególnie bliźniaczordzeniowym, głównie dla sprzęgaczy, poazywano już poprzednio w literaturze transmisję modów podstawowych sprzężonych [90 9,5.,8.03,8.31,10.04,], natomiast laboratoryjna transmisja modów podstawowych sprzężonych i badanie szczegółów niesymetrii rozładu pola blisiego dla taich rodzajów transmisji, w światłowodach trójrdzeniowych i czterordzeniowych, było przez autora poazywane prawdopodobnie po raz pierwszy [137,17,0]. Światłowody złożone [48,13,138,139,39] poazano w niniejszej pracy o struturach wewnętrznych bardzo trudnych lub niemożliwych do otrzymania, np. technią MCVD. Wiele z otrzymanych strutur nie zostało precyzyjnie opisanych do tej pory ani teoretycznie ani laboratoryjnie. Jedna w literaturze dotyczącej światłowodów o bardzo złożonej struturze wewnętrznej, np. [11.19] można zaobserwować poszuiwanie strutur o onretnych, niemożliwych do otrzymania w rozwiązaniach lasycznych, charaterystyach sygnałowych i wrażliwościowych [1.1]. Celem niniejszej pracy, według zamierzenia autora, było przedstawienie syntetycznego, lecz ja najbardziej wyczerpującego, portretu szczególnej gałęzi technii światłowodowej, nazwanej tutaj technią światłowodów ształtowanych. Nazwę taą zaproponowano w odróżnieniu od dominującej teleomuniacji światłowodowej operującej wyłącznie bardzo ściśle ograniczonymi, normami międzynarodowymi, rodzajami światłowodów jednomodowych [1.09]. Prezentacji dziedziny technii światłowodów ształtowanych doonano poprzez opis ilunastu wybranych, najważniejszych, rodzajów nieteleomuniacyjnych włóien optycznych, łącznie z podstawowymi, charaterystycznymi dla rodzaju włóna, problemami technicznymi i badawczymi oraz rozwojowymi. Według rozeznania autora, taie ujęcie tematyczne pracy, gdzie poddano analizie i zestawiono wspólne cechy wielu rodzajów światłowodów ształtowanych obo siebie, łącznie z metodami wytwarzania i szczegółowymi danymi technologicznymi, teoretycznymi i sygnałowymi jest prezentowane w literaturze po raz pierwszy. W niniejszej pracy opubliowano, po raz pierwszy, wiele z wyniów badań prowadzonych przez autora nad światłowodami ształtowanymi, ze swoim zespołem badawczym, w ramach Programu Badawczego Politechnii Warszawsiej Inżynieria Fotoniczna, we współpracy z OBPŚ HS Biaglass. Według rozeznania autora, następujące dane, dotyczące światłowodów ształtowanych, nie 180

181 Światłowody nieteleomuniacyjne są dostępne w otwartej literaturze nauowej i technicznej i były prezentowane ostatnio w publiacjach autora lub są tutaj publiowane po raz pierwszy: 1) Wszechstronne badania jaości włóien optycznych ze szieł wielosładniowych (poprzez właściwości mechaniczne i wrażliwości radiacyjnej); ) Mozaiowa metoda wytwarzania światłowodów dziurawych z mirootworami o mechanizmach transmisji fotonicznej i refracyjnej i charateryzacja tych światłowodów, oraz laboratoryjne uzysanie w wytworzonych próbach taich światłowodów jednomodowych dużych wartości średnicy pola modowego, przeraczających 10 rotnie wartości dla światłowdów lasycznych; 3) Wytwarzanie i charateryzacja jednomodowych światłowodów wielordzeniowych, szczególnie czterordzeniowych i o więszej ilości sprzężonych rdzeni w uładzie matrycowym; 4) Zaproponowanie modelu i obliczenie własnego uładu modowego nietórych rodzajów światłowdów wielordzeniowych; 5) Opracowanie teoretyczne i esperymentalne metody dynamicznego zamrażania niecylindrycznego ształtu rdzenia w światłowodzie cylindrycznym wytwarzanym metodą MMC; 6) Opanowanie metody hybrydowej wytwarzania światłowodów o bardzo złożonej struturze wewnętrznej oraz opracowanie metod pomiarowych i charateryzacji taich światłowodów; 7) Opanowanie stabilnych metod wytwarzania standardowych las światłowdów ształtowanych ze szieł mięich, jao taniej alternatywy dla światłowodów wysoorzemionowych, taich ja: wysoo dwójłomnych światłowodów typu HB o dwójłomności znormalizowanej rzędu 10-3, nisostratnych światłowodów jednomodowych o rdzeniach eliptycznych, jednomodowych światłowodów bliźniaczordzeniowych o zmiennej separacji rdzeni; 8) Wytworzenie jednomodowych światłowodów o rdzeniach pasowych; 9) Opracowanie sutecznych metod zmiany charaterysty wrażliwościowych światłowodów na oddziaływania zewnętrzne poprzez wprowadzenie technologicznego uczulania i znieczulania optycznej strutury włónowej oraz porywanie włóna optycznego materiałami wrażliwymi - higrosopijnymi, magnetostrycyjnymi, rezystancyjnymi - eletrogrzejnymi, piezoeletrycznymi, itp. Kila z powyżej wymienionych własnych tematów badawczych, opracowanych w niniejszej pracy z onieczności srótowo i w szerszym aspecie przeglądowym, odpowiada merytorycznie, według autorsiego, wieloletniego rozeznania dziedziny technii światłowodowej, zaresom indywidualnych prac dotorsich Ze względu na ściśle ograniczony tematycznie i objętościowo charater niniejszej pracy (wybrano opisy teoretyczne, technologiczne i laboratoryjne podstawowych rodzajów światłowodów nieteleomuniacyjnych) pominięto w szczegółowym opisie lub całowicie, następującą tematyę, należącą według autora do technii światłowodów ształtowanych: np. ila rodzajów światłowodów ształtowanych ja 1) Światłowody ształtowane dla materiałów ompozytowych, tórych cechą charaterystyczną są znacznie mniejsze wymiary zewnętrzne włóna i w onsewencji mniejsza średnica pola modu podstawowego; ) Światłowody porowate, będące odrębną rodziną światłowodów dziurawych z mirootworami, 3) Obrazowody giętie, szczególnie w aspecie otrzymywania granicznych wartości rozdzielczości optycznej, ontrastu obrazu i giętości; 4) Światłowody do transmisji dużej mocy optycznej, rzędu sete watów CW, w zaresie od blisiego ultrafioletu do blisiej podczerwieni, 0,3 μm; 5) Światłowody rzemionowe z płaszczem polimerowym typu PCS; 6) Światłowody heteromateriałowe o płaszczu wysoorzemionowym i rdzeniu ze szła wielosładniowego, o właściwościach termiczno-mechanicznych odpowiadających światłowodom wysoorzemionowym o właściwościach sygnałowych światłowodu ształtowanego [1.07], 7) Wytwarzanie światłowodów ształtowanych metodą MCVD, 8) Światłowody atywne dla IR, a w szczególności rzemionowe domieszowane tulem, dla pasma μm. Pominięto taże np. doładniejsze omówienie specyfii pomiarowej i apliacyjnej światłowodów ształtowanych. Nietóre z rodzajów światłowodów ształtowanych opisanych w niniejszej pracy zostały wynalezione, a nietóre opisane, dopiero ostatnio, np. światłowody dziurawe z fotoniczną powietrzną mirosiecią refracyjną, światłowody porowate impregnowane, światłowody wielordzeniowe z matrycowym sprzężonym uładem rdzeni i obecnie jeszcze bardzo trudno mówić o rozbudowanej problematyce apliacyjnej dla tych włóien optycznych. Prowadzone są nad nimi raczej dalsze badania podstawowe i rozwojowe, między innymi przez autora niniejszej pracy. Prezentacja niniejszej pracy w proponowanej tutaj, głównie autorsiej postaci, opartej w zasadniczej mierze o, poazane na wyczerpującym światowym tle, własne badania autora, i związanych z nim zespołów nauowych, była możliwa, dzięi realizacji w ciągu wielu lat systematycznych badań cząstowych, o charaterze podstawowym i rozwojowym, w tej nowej dziedzinie optoeletronii światłowodowej. Nietóre z taich badań i działań nauowo-technicznych, 181

182 Światłowody nieteleomuniacyjne stojących za autorsimi wyniami prezentowanymi w tej pracy były: 1) Analiza dynamii wypływu ształtowanego wielowarstwowego strumienia szła dla bardzo małych wartości liczby Reynoldsa, tzw. przepływy pełzające; ) Budowa i oresowa modernizacja oraz modyfiacja podstawowego wyposażenia i pomocniczego sprzętu technologicznego służącego do wyciągania światłowodów, opatentowaną przez zespół autorów, modyfiowaną metodą wielotyglową; 3) Przygotowanie bazy technologicznej do wytwarzania światłowodów o ształtowanych rdzeniach a w szczególności jednomodowych światłowodów wielordzeniowych i o rdzeniach o regulowanym współczynniu eliptyczności; 4) Opanowanie powtarzalnej i stabilnej technii wyciągania światłowodów o zadanym stopniu złożoności rdzenia. Opanowanie technii pomiarowej podstawowych parametrów geometrycznych, mechaniczno-termicznych, fizyochemicznych, optycznych i transmisyjnych światłowodów ształtowanych; 5) Opracowanie mozaiowej wielorotnej metody sładania złożonej preformy światłowodowej, z zespołem w ITME, oraz wyorzystanie tej metody w połączeniu z metodą pręt rura, i metodą naładania warstw szła rozpuszczalnego do wytwarzania bardzo złożonych refracyjnnie i onstrucyjnie strutur włónistych, w tym jednomodowych światłowodów dziurawych o bardzo dużych średnicach pola modowego, a taże obrazowodów giętich o znacznym ontraście i rozdzielczości;..6) Przeazanie do badań próbe światłowodów ształtowanych, w tym światłowodów jednomodowych o eliptycznych i wielorotnych rdzeniach do ilunastu zainteresowanych laboratoriów badawczych fotonii w raju i zagranicą. Wynii zewnętrznych badań próbe światłowodów MMC i hybrydowych były dostępne autorowi, były porównywane z badaniami własnymi i zostały zamieszczone w niniejszej pracy; 7) Opracowanie art atalogowych światłowodów ształtowanych oraz atalogu dostępnych elementów światłowodowych do badań, i not apliacyjnych technii światłowodów ształtowanych OBPŚ HS Biaglass. Próbi więszości prezentowanych w niniejszej pracy światłowodów są dostępne do badań dla zainteresowanych laboratoriów fotonii światłowodowej. Praca posiada specjalne miejsce w ciągu rozwojowym rajowej bazy technologicznej światłowodów ształtowanych. Stanowi istotny fragment podsumowania dorobu rajowego środowisa technologicznego światłowodów ształtowanych związanego z taimi ośrodami ja: HS Biaglass, Politechnia Białostoca, ITME, UMCS, AGH i Politechnia Warszawsa na tle rozwoju dziedziny na świecie. Stanowi, unialną dla tego typu prac, otwartą ofertę dla zainteresowanych rajowych laboratoriów badawczych, udostępnienia prawie wszystich prezentowanych tutaj rodzajów światłowodów do własnych badań i apliacji. Nietóre z prezentowanych rozwiązań światłowodów ształtowanych nie są dostępne, w sposób otwarty, nigdzie poza naszym laboratorium. Praca stanowi rozprawę habilitacyjną autora złożoną na Wydziale Eletronii i Techni Informacyjnych Politechnii Warszawsiej. Zawiera ogólny przegląd dziedziny światłowodów ształtowanych, jednocześnie wyraźnie doumentując wład autora w rozwój tej gałęzi fotonii światłowodowej w sali rajowej i międzynarodowej, jao współorganizatora czołowego rajowego laboratorium badawczego i przemysłowego światłowodów ształtowanych i uczestnia wielu projetów badawczych, taże międzynarodowych, prowadzonych przez to laboratorium samodzielnie i we współpracy z uczelnianymi i innymi przemysłowymi ośrodami fotonii. Autorsi wład w rozwój dziedziny światłowodów ształtowanych Geneza pracy bierze się z zainteresowania autora biomedycznymi zastosowaniami światłowodów [14,180, 181,18,,7,3], gdzie z onieczności stosowano, w latach siedemdziesiątych i na początu osiemdziesiątych, światłowody nie specjalizowane. Potem budowano z nich czujnii i elementy funcjonalne [53,18]. W tracie tych prac analizowano jaie światłowody byłyby potrzebne do optymalnych rozwiązań sprzętowych [14,19,13,134,145,147] w biomedycynie i innych dziedzinach technii [61,100,16,09,34,63] a następnie podjęto wówczas, odważną w naszych warunach, próbę wyonania taich światłowodów [70]. Praca jest wyniiem ponad 0 letniego zaangażowania autora w badania nad światłowodami []. W dziedzinę tą autor został wprowadzony przez prof. Adama Smolińsiego w 1975 rou [1]. Pierwsze wynii własnych prac teoretycznych i esperymentalnych z tej dziedziny autor opubliował w 1979 rou, odąd rozpoczął współpracę z zespołami badawczymi technii światłowodowej na Politechnice Białostociej i Hucie Szła Białysto (obecnie Biaglass) [4,70] oraz w Instytucie Technologii 18

183 Światłowody nieteleomuniacyjne Materiałów Eletronicznych w Warszawie [8], a taże UMCS w Lublinie [3]. Od tego czasu powstało wiele opracowań badawczych dotyczących światłowodów teleomuniacyjnych i ształtowanych. Opubliowano je w postaci iluset artyułów na onferencjach [14-179](pominięto tematyę teleomuniacyjną), w czasopismach nauowych [180-1], rozdziałów w siążach [3,5,7], referatów zaproszonych [7,33,37,6,80,106,130,133,147,151,154] i w postaci wydań monograficznych [,4,8,30]. Opracowano taże, w redacji autora, ila wydań specjalnych międzynarodowych czasopism nauowych [1,13] i materiałów onferencyjnych [,5,6,7,8,9,11] na ten temat w raju i za granicą. Na polu międzynarodowym [48,5,55,77,78,91,9,98,99,103,105,109,113,117,14,16,19,13,140,141,145,151,15,158] autor był jednym z inicjatorów wyodrębnienia tej tematyi wewnątrz dziedziny fotonii światłowodowej, np. na forum SPIE, IEEE i EOS. Główne nurty tematyczne prac autora, związane z tematem niniejszej pracy były: zastosowania medyczne, przemysłowe i środowisowe światłowodów, czujnii światłowodowe ze światłowodów ształtowanych, technologia światłowodów ształtowanych oraz ostatnio światłowodowe systemy telemetryczne z czujniami fotonicznymi. W celu ułatwienia przeglądu bibliografii autorsiej doonano jej podziału w spisie na wymienione grupy tematyczne. Zgodnie z wiedzą autora, praca jest pierwszą rozprawą porywającą obszar badań światłowodów ształtowanych w ta szeroim zaresie. Części pracy technologiczna, projetowa i wytwarzanie bazują prawie całowicie na oryginalnych pracach autora. Część analityczna została bądź zaadaptowana z istniejących źródeł nauowych bądź metody analizy zostały przetworzone do specyficznych przypadów światłowodów przedtem nie analizowanych w dostępnej literaturze. Nietóre z nowych rozwiązań włóien optycznych i nowe właściwości światłowodów ształtowanych są poazywane w niniejszej pracy po raz pierwszy. Próbi wielu z opisanych tutaj włóien, wytworzone i charateryzowane przez autora we współpracy z laboratorium Biaglass Co. (ja np. wielordzeniowe, eliptyczne, niso-wymiarowe, o bardzo złożonym profilu refracyjnym, anizotropowe, itp.) są od dłuższego oresu czasu, taże obecnie, testowane w wielu fotonicznych laboratoriach badawczych w raju i zagranicą. Można znaleźć w literaturze liczne opracowania nauowe i techniczne bazujące na tych światłowodach. Część metrologiczna pracy związana jest z długoletnią współpracą pomiędzy technologicznym laboratorium przemysłowym i uczelnianymi laboratoriami fotonicznymi w raju tóra doprowadziła do powstania w Białymstou na terenie OBPŚ i Politechnii Białostociej Środowisowego Laboratorium Metrologicznego Technii Światłowodowej [17]. Laboratorium zgromadziło znaczną ilość unialnego sprzętu optoeletronicznego, dzięi uczestnictwu w ogólnorajowych i międzynarodowych (w ramach Unii Europejsiej) programach badawczych, technicznych i dydatycznych z zaresu fotonii. Dzięi dostępowi do specjalizowanego sprzętu możliwe było doonanie wielu unialnych pomiarów zamieszczonych w niniejszej pracy. Podstawowy pomiarowy zestaw laboratoryjny obejmuje: refletometry światłowodowe, spetrofotometry, interferometry światłowodowe, mirosopy specjalizowane, urządzenia do pomiaru atywnych elementów optoeletronicznych a taże podstawowych parametrów światłowodów. Specjalnością Środowisowego Fotonicznego Laboratorium Pomiarowego w Białymstou są badania światłowodów ształtowanych. Taie pomiary wymagają bardzo specjalistycznej adaptacji sprzętu pomiarowego do światłowodów niestandardowych pod względem wymiarowym i sygnałowym. Drugą wypracowaną specjalnością, taże nieczęsto spotyaną w laboratoriach metrologicznych fotonii, są omplesowe pomiary wiąze światłowodowych, prostych, złożonych, oświetleniowych, do transmisji dużych poziomów mocy optycznej oraz oherentnych do transmisji obrazów. Laboratorium mierzy taże właściwości sztywnych światłowodowych elementów spieanych. Laboratorium posiada interfejs internetowy z bazą danych pomiarowych światłowodów ształtowanych, dostępny pod adresem nms.ise.pw.edu.pl [30, 49,5]. Schemat i zares pracy Strutura pracy bazuje na następującym schemacie (podano numery rozdziałów odnoszące się do podanej tematyi): światłowody ształtowane (1) projetowanie i wytwarzanie (1,,3) analiza (1,,3) wspólne właściwości i pomiary (3) wybrane zastosowania (4). Pierwszy rozdział poświęcono opisowi bieżącej sytuacji w dziedzinie światłowodów ształtowanych. Służy on nie tylo jao prezentacja portretu dziedziny, poprzez prezentację i analizę głównych las światłowodów ształtowanych, i systematyczne oreślenie tła dla przedstawianych 183

184 Światłowody nieteleomuniacyjne tutaj własnych rezultatów badawczych ale jao syntetyczny wstęp dla osób w ogóle nie znających omawianej tematyi. Autorsie dane dotyczące nietórych rodzajów światłowodów są tutaj publiowane po raz pierwszy. Rozdział stanowi trzon technologiczny pracy. Opisuje podstawy teoretyczne wybranych metod wytwarzania światłowodów z mięich szieł wielosładniowych. Przedstawia fizyczne ograniczenia procesów wyciągania światłowodów. Charateryzuje różnice pomiędzy metodami wytwarzania. Opisuje nietóre pratyczne rozwiązania procedur technologicznych i realizowalność założeń teoretycznych. Rozdział 3 stanowi połączoną z rozdziałem 1 część analityczno-pomiarową pracy. W części analitycznej w rozdziale 1 przedstawiono róti portret teoretyczny i techniczny ażdego z badanych rodzajów światłowodów. W części pomiarowej światłowód jest tratowany jao produt oreślonej technologii i badane są jego wybrane wspólne charaterystyi oraz, w nietórych przypadach, porównywane z prezentacją analityczną. Rozdział 4 odwołuje się głównie do bibliografii autora (ze względu na ograniczoną objętość niniejszej rozprawy), gdzie opisano badawcze próby zastosowań światłowodów ształtowanych. Doonano srótowego przeglądu obecnych i perspetywicznych zastosowań światłowodów na podstawie ich przedstawionych charaterysty pracy. W podsumowaniu Rozdział 5, autorsie wynii badań nad światłowodami ształtowanymi są odnoszone do postępów całej dziedziny technii światłowodowej. Praca w całości dotyczy szeroiej, nowo-powstającej dziedziny światłowodów ształtowanych w związu z czym pominięto szereg zagadnień dotyczących ogólnych podstaw technii światłowodowej. Finansowanie prac badawczych nad światłowodami ształtowanymi Prezentowane w niniejszej siążce prace badawcze nad światłowodami ształtowanymi były finansowane w różnym oresie czasu z ilu źródeł: PR3, CPBR 8.5. Teleomuniacja, CPBR 8.1 Optoeletronia Materiały i Elementy Bazowe pod ierownictwem prof. B.Paszowsiego (w latach ), Kilu Grantów KBN, Prac Własnych Huty Szła Białysto-Biaglass oraz ITME- CEMAT, Własnych Programów Badawczych Politechnii Białostociej praz Programu Priorytetowego Prac Własnych Politechnii Warszawsiej Inżynieria Fotoniczna pod ierownictwem prof. W.Wolińsiego ( w latach ). Podzięowania Autor pragnie serdecznie podzięować wszystim tym osobom, tóre przyczyniły się do powstania tej pracy. Więszość prezentowanych w pracy badań technologicznych została zrealizowana na terenie Oddziału Badawczo- Producyjnego Światłowodów Huty Szła Biaglass [70,170,189,17,9] we współpracy z prof. Janem Doroszem. Profesorowi J.Doroszowi dzięuję za niezliczone dysusje nauowe od ponad dwudziestu lat i współautorstwo iludziesięciu podstawowych artyułów na temat światłowodów ształtowanych opubliowanych w literaturze międzynarodowej. Profesorowi B.Paszowsiemu dzięuję za szereg wspólnych inicjatyw nauowych na polu międzynarodowym. Profesorowi Wiesławowi Wolińsiemu dzięuję szczególnie serdecznie za poparcie w czasie realizacji tej pracy i stymulację żywych, środowisowych dysusji nauowych w czasie znaomitych, organizowanych z dużą lasą nauową, półrocznych odbiorów prac Programu PW Inżynieria Fotoniczna. Część prac technologicznych nad metodą mozaiową zostały wyonane przy współpracy zespołu technii światłowodowej na terenie ITME. W pracy orzystano taże z niepubliowanych materiałów dotyczących szieł światłowodowych wyonanych na zlecenie HS Biaglass przez AGH i Instytut Optyi Stosowanej. Nietórych danych wytworzonych światłowodów ształtowanych i szczegółów stosowanej technologii nie ujawniono ze względu na zastrzeżenia patentowe i przygotowywanie producji na terenie HS Biaglass. Nietóre z badanych w niniejszej pracy próbi światłowodów otrzymano w ramach współpracy międzynarodowej w programie UE Dydatya w Fotonice. Ryszard Romaniu ( rrom@ise.pw.edu.pl) 184

185 Światłowody nieteleomuniacyjne Non Telecom Optical Fibers Abstract. This report contains a comprehensive description of the basic and engineering, including some practical and application, aspects of tailored optical fibers (analysis, design, fabrication and measurements) such as signal transmission properties, optical signal transformation, fiber materials and fabrication processes, as well as real fiber characteristics and environmental sensitivities. Tailored optical fibers are defined here generally as the ones not designed directly for long-haul applications. Detailed data on the optical, thermal, chemical and mechanical properties of various fiber materials and optical filaments researched and measured by the author and his co-worers at Biaglass Co. are described. The fabrication processes of optical fibers are also described from the viewpoint of understanding what factors are important in the manufacture of special fibers. The modified multicrucible process (MMC), which has been co-developed by the author, is described in detail, as well as mosaic assembling technology, and hybrid ones leading to very complex filamentary optical guiding structures. Brief review of fundamental inds of studied tailored fibers, associated design problems and signal properties leads to a list of potential applications as photonic functional devices. Design algorithms to fulfill some of the application requirements and their theoretical bacground as well as hardware realization are described. The report contains also some practical information for tailored optical fibers users and photonic components, circuits and systems designers. The tailored optical fibers were suggested to be divided into the following sub-groups, while the classification rested on their internal geometrical structure and optical properties: classical isotropic resembling the solutions of fibers for telecommunication, multi-clad of complex refractive index profiles, nonaxial and noncylindrical mainly elliptical, anisotropic including birefringent, multicore mainly twincore, and complex - composite. The average parameters of the considered optical fibers manufactured by multicrucible and hybrid technologies are as follows: transparency 0,3-1,5m; spectral losses for white light dB/m; numerical aperture 0,1-0,8; external diameter m; core diameter 3-15m for singlemode and 0-6,5m for multimode, refractive depression cladding diameter 5-5m; dimensional proportions 15/6,5, 15/50, 15/(3-1), 55/50, 35/(30-33), 35/(3-5)m; ellipticity 1:(1,, 1,5,, 5); number of cores in multicore fibers -4; normalized birefringence B = ; dimensional stability better than 1% for L=1m; tensile strength better than 1GPa; guaranteed bending radius 1cm for 15m fibers and 1mm for 35m low-dimensional ones; fiber sample lengths 1, 3, 5, 10m; jacet double layered thermo-cured lacquer and thic external polymer. Several novel properties of tailored optical fibers were discovered and described in this wor for the first time. According to author s recognition the wor is the first one covering the subject of tailored optical fibers to such an extent. The technological, metrological, fabrication and design parts of this wor rests nearly solely on the original author s wor. The analysis part was either adapted from existing theoretical sources or rewored by author to the specific cases of fibres, which have never been analyzed before. Some of the novel fiber solutions are revealed in this wor for the first time ever. Samples of the tailored optical fibers manufactured and characterized by author in cooperation with Biaglass Co. (lie multi-core, elliptical core, low-dimensional, complex refractive, anisotropic, etc.) have been and still are being tested in numerable photonics research laboratories in this country and abroad. A lot of external publications can be found basing on these fibers. From the most general point of view the wor tries to answer the following questions: Will tailored optical fibers compete and outgrow the telecommunication oriented fibers in non-telecommunication applications? Are their nominal wor characteristics suitable for applications of these fibers in real life technical conditions, lie adverse industrial and natural environments. Streszczenie. Praca zawiera wybrane zagadnienia teoretyczne i stosowane: analizy, projetowania, technologii, metrologii i zastosowania światłowodów ształtowanych, dziedziny oreślanej od niedawna wspólną nazwą technii świałowodów ształtowanych. Za światłowody ształtowane przyjmuje się tutaj, na ogół złożone onstrucyjnie włóna optyczne stosowane do przetwarzania sygnału optycznego, a nie do transmisji sygnału na duże odległości. Rozważane są: właściwości transmisyjne, transformacja sygnału optycznego, charaterystyi rzeczywistych światłowodów, wrażliwość na oddziaływania zewnętrzne. Doonano przeglądu materiałów i technologii wytwarzania włóien optycznych ształtowanych, szczególnie odnosząc się do opracowanej przez autora, we współpracy z Hutą Szła Biaglass, modyfiowanej metody wielotyglowej, technologii sładania 185

186 Światłowody nieteleomuniacyjne mozaii oraz metod hybrydowych prowadzących do złożonych optycznych włónistych strutur falowodowych nie możliwych do wytworzenia adaptowaną metodą osadzania z fazy gazowej CVD. Procesy wytwarzania światłowodów rozważano pod ątem oreślenia czynniów pozwalających na optymalizację włóien optycznych do potencjalnych zastosowań. Przegląd podstawowych rodzajów światłowodów ształtowanych taich ja: o złożonych właściwościach refracyjnych, anizotropowych dwójłomnych, dziurawych marosopowo i mirosopowo, niecylindrycznych, wielordzeniowych, oraz związanych z nimi problemów projetowych i specyficznych właściwości sygnałowych prowadzi do listy potencjalnych zastosowań jao funcjonalnych elementów fotonicznych. Opisano nietóre algorytmy projetowania światłowodów, w aspecie teoretycznym i pratycznym, w celu otrzymania specyficznych charaterysty oreślonych wymaganiami apliacyjnymi. Praca zawiera również pratyczne informacje dla użytowniów światłowodów ształtowanych i projetantów elementów, podzespołów, uładów i systemów fotonicznych. 186

187 Światłowody nieteleomuniacyjne Oznaczenia, symbole, używane sróty i podstawowe zależności w technice światłowodowej - liniowy współczynni rozszerzalności termicznej [10-7 K -1 ]; - tłumienność światłowodu, α=10log(p wy/p we)=α jl [db]; - (taże g) esponent potęgowego profilu refracyjnego (profil refracyjny alfa, =1 profil trójątny, = profil paraboliczny, profil refracyjny soowy); - ąt padania promienia światła, o ąt padania połączony z ątem załamania prawem Snella sin o/sinβ o=v 1/v =n /n 1; p współczynni tłumienia polaryzacyjnego [db/m] β stała propagacji, β=/ g=f/v=/v, β=πn 1cosΘ/λ c ; β ąt załamania światła; β o ąt załamania światła dla ąta padania o; β n - (również b) znormalizowana stała propagacji, (1) β n=β/, () β n=[(βλ c/π)-n ]/(n 1-n ); - energia powierzchniowa [N/m]; - zespolona stała propagacji =+jβ, E x=ee -z e jt, =[j- ] 1/ ; - zespolona stała propagacji; - przyrost wartości następującej; - znormalizowany różnicowy parametr refracyjny światłowodu - =(n 1 -n )/n 1 =NA /n 1 (n 1- n )/n 1, typowa wartość dla gradientowego światłowodu wielomodowego =1%, typowa wartość dla lasycznego światłowodu jednomodowego =0,3%; - przyrost wielości następującej; - szeroość spetralna (np. źródła) w połowie wysoości (ang. fwhm); frms spetralna szeroość średnioowadratowa; n=n 1-n ; Δτ poszerzenie impulsu propagowanego w światłowodzie, Δτ=τ max-τ min; rms średniowadratowa wartość poszerzenia impulsu w światłowodzie; L przyrost długości światłowodu wsute oddziaływań termicznych lub mechanicznych, L=TL =(T=0 o C, =5, K -1, L=1m)=1,1cm, L=L/E=(=345N/mm, d o=15m, L=1m)=5m, L/L=0,5%, dla wytrzymałościowego testu uodporniającego światłowód; L=(=5,5GPa, L=1m)=80m, L/L=8% dla testu zrywającego światłowód; T zmiana temperatury; - przenialność dieletryczna - i=n i, - odształcenie wzdłużne, wydłużenie - =L/L=/E [%]; o=1/ [F/m] - przenialność eletryczna próżni; o wydłużenie nominalne światłowodu, np. podczas testu uodporniającego dla o=345n/mm 50Kpsi, o=0,5%; surczenie (termiczne) materiału; ζ parametr; - lepość szła =(T); - profil (mocy) modu, znormalizowany względem mocy całowitej lub mocy masymalnej rozład mocy modu w przeroju poprzecznym światłowodu =P n(r)=p max/p; - stopień ograniczenia mocy modu w rdzeniu, względna część mocy modu niesiona w rdzeniu, =P 1/(P 1+P ), dla obowiązuje ogólna zależność c /vv g=n 1 +n (1-); θ współrzędna ątowa, ąt względem osi światłowodu; - długość fali światła, c długość fali odcięcia, c=ana/v c, typowa wartość c dla światłowodu jednomodowego c=(a=10m, NA=0,11)=1476nm, c=(a=6m, NA=0,11)=886nm, c=(a=6m, NA=0,15)=108nm; o długość fali w próżni, długość fali zerowej dyspersji chromatycznej, i długość fali w ośrodu o współczynniu załamania n i, g własna modowa wartość długości fali; efetywna modowa długość fali; 187

188 Światłowody nieteleomuniacyjne m średnia długość fali źródła pobudzającego światłowód; Λ droga dudnienia modów; - przenialność magnetyczna, - liczba Poissona - =(d/d)/(l/l)=e/g-1, zmniejszenie średnicy światłowodu - d/d=l/l=(=0,1, L=1m, L=0,5%)=0,1% dla testu uodporniającego światłowód, d/d=1,7% dla testu zrywającego światłowód; o= [H/m] przenialność magnetyczna próżni, o o=c - ; - radialna liczba modowa (taże r, l) w oznaczeniu modów HE v (taże HE ml), liczba masimów pola wzdłuż promienia światłowodu; ν azymutalna liczba modowa (taże a, m), połowa masimów pola dla współrzędnej ątowej w rdzeniu światłowodu i najbliższym otoczeniu rdzenia; m - mirometr ξ parametr; - liczba pi; Π iloczyn; - gęstość materiału; - promień zgięcia światłowodu; - naprężenie wzdłużne światłowodu - =E (prawo Hooa); - ondutancja i=e; o - naprężenie wzdłużne nominalne związane z wydłużeniem o Σ suma; - opóźnienie grupowe impulsu w światłowodzie, g=[1m]n g/c; φ, - ąt fazowy, fali, sygnału; - ąt przesunięcia fazy fali w światłowodzie =βl=β nl/; Φ ąt fazowy; χ parametr; - częstotliwość ątowa (radialna), pulsacja, =f; - ąt, współrzędna ątowa, - ąt propagacji promienia w światłowodzie; max masymalny ąt aceptacji światła przez światłowód, ąt aperturowy, sin max=na, typowa wartość masymalnego ąta aceptacji dla lasycznych światłowodów teleomuniacyjnych wielomodowego gradientowego max=1 o, jednomodowego max=6 o ; -ąt sręcenia płaszczyzny polaryzacji fali w światłowodzie, np. rotacja Faradaya w światłowodzie =VBL, gdzie V-stała Verdeta, B-inducja magnetyczna; Ψ funcja falowa; Ω ąt bryłowy; a promień rdzenia światłowodu, a w ov/,6= V c cw o/,6 - przybliżenie dla jednomodowego światłowodu soowego, np. a=(w o=5m, c=155nm, V c=,405, 1=1300nm, =1550nm) 4,5m (dla 1) i 3,75m (dla ); a - więsza półoś elipsy rdzeniowej światłowodu; a stała rozładu Weibulla wytrzymałości mechanicznej włóna, F(L,,t)=1-exp[-(L/L o)(/ o) a (t/t o) b ]; a przesunięcie fali płasiej; A amplituda; A pole przeroju poprzecznego rdzenia A r lub światłowodu A w (taże A f), A f=(d=15m)=1, cm ; A r=(a=10m)=78,5m, A f=(a=5m) 0m światłowód wysooaperturowy; APD fotodioda lawinowa (ang. avalanche photodiode); ASE przestrajane szeroopasmowe źródło światła wyorzystujące wzmacniacz światłowodowy i pompę półprzewodniową, (ang. amplified spontaneous emission); b znormalizowana stała propagacji (taże β n, B); b mniejsza półoś elipsy rdzeniowej światłowodu; b stała rozładu Weibulla wytrzymałości mechanicznej włóna; b 1 iloczyn pasmo długość światłowodu; 188

189 Światłowody nieteleomuniacyjne B pasmo światłowodu; B znormalizowana stała propagacji; B dwójłomność znormalizowana, B= β x-β y /= n x-n y, B 1 pasmo światłowodu o długości L 1; B n - dwójłomność znormalizowana; BFT światłowód przewężony dwustożowy (ang. Biconical fused taper) i elementy funcjonalne wyorzystujące przewężenie światłowodowe; c (taże c o) prędość światła w próżni; c nieoncentryczność uładu rdzeń - płaszcz światłowodu; C stała, parametr; C R - współczynni rozpraszania Rayleigha, dla szła warcowego domieszowanego GeO : C R=0,51+0,76; CVD osadzanie z fazy gazowej (ang. chemical vapour deposition), odmiany: MCVD, PACVD, CW fala ciągła, urządzenie z falą ciągłą (ang. continuous wave); d średnica, średnica rdzenia, średnica światłowodu (taże D); d odległość międzyrdzeniowa w światłowodzie bliźniaczo-rdzeniowym lub dwurdzeniowym; d znormalizowana stała dyfuzji, d=dt/a Dl/Q r; d o średnica rdzenia światłowodu cylindrycznego; d f (taże D f) zewnętrzna średnica światłowodu; d ij odległość międzyrdzeniowa w światłowodzie wielordzeniowym; d min, d max, masymalne i minimalne wartości średnicy rdzenia światłowodu (odchyłi statystyczne dla jednej próbi); D średnica zewnętrzna światłowodu; D stała dyfuzji jonów modyfiatorów w czasie wyciągania światłowodu MMC; D o średnica płaszcza światłowodu cylindrycznego; D min, D max, nominalne odchyłi średnicy zewnętrznej światłowodu lub porycia zewnętrznego światłowodu; DBR rozłożone zwierciadło Bragga, urządzenie z DBR, np. DBRL, DBRF, (ang. distributed Bragg reflector); DC technologia podwójnego tygla (ang. double crucible); DEL dioda eletroluminescencyjna (taże LED, ang. light emitting diode); DL dioda laserowa, laser półprzewodniowy (taże LD, ang. laser diode); DMD różnicowe opóźnienie modów, metoda pomiarowa dyspersji światłowodu woelomodowego (ang. differential mode delay); DMD cyfrowo sterowana matryca mirozwierciadeł, rodzaj MOEMS, np. w rzutniach omputerowych ale taże w teleomuniacyjnych multipleserach demultipleserach, przełączniach torów światłowodowych, (ang. digital mirror device) ; DWDM gęsty system z podziałem długości fal (ang. dense WDM), długości fal oreślone przepisami międzynarodowymi ITU, tzw. siata ITU (ang. ITU grid), odstępy międzyanałowe są 00GHz, 100GHz, 50GHZ, 5GHz; e mimośród elipsy rdzeniowej światłowodu; e liczba Eulera e; E energia, pole eletryczne, E - notacja modów (taże TE), E - moduł Younga E=/; E niecentryczność płaszcza światłowodu; E g przerwa energetyczna materiału; E i moduł Younga materiału i-tego; EDFA światłowodowy wzmacniacz domieszowany erbem (ang. erbium doped fiber amplifier); EF rodzaj elementu funcjonalnego lub czujnia światłowodowego z polem zaniającym propagowanej fali oddziaływującym z otoczeniem zewnętrznym lub innym elementem funcjonalnym, (ang. evanescent field); EH (taże EH v) notacja modów hybrydowych (tzn. o polach E i H w ierunu propagacji) w światłowodzie, o więszym poprzecznym polu eletrycznym; EMA stratna izolacja optyczna w światłowodzie lub obrazowodzie (ang. extramural absorption); 189

190 Światłowody nieteleomuniacyjne ERF funcja odpowiedzi jednostowej obrazowodu światłowodowego, (ang. edge response function), rozład przestrzenny natężenia obrazu dla ostrza idealnego; Etalon element funcjonalny np. FBG lub FP wyonany bardzo doładnie i używany jao wzorzec, np. filtr wzorcowy, itp.; Even mod np. podstawowy, parzysty, regularny, szybi, np. HE e 11; EWS lub EWD elementy fotoniczne z polem zaniającym (ang. evanescent wave sensors, devices); f częstotliwość fali, f(=1m)=300thz; f m częstotliwość modulacji; F siła rozciągająca światłowód F=A [N]; F prawdopodobieństwo rozerwania światłowodu; F - funcja falowa; F p=f p(w) - zaniająca funcja falowa w płaszczu; F r=f r(u) periodyczna funcja falowa w rdzeniu; 1F - jednosta pojemności 1 farad; F max masymalna siła rozciągająca światłowód; FBG światłowodowa siata Bragga (ang. Fiber Bragg grating) i elementy funcjonalne wyorzystujące siatę; FD fotodioda, (taże PD); FP rezonator (interferometr) Fabry ego Perota, na ogół w rozwiązaniu objętościowym, ale taże cienowarstwowym lub światłowodowym; FWHM szeroość połówowa, impulsu, charaterystyi spetralnej, itp. (ang. full width at half maximum); g (taże ) esponent potęgowego profilu refracyjnego światłowodu; g 1(t), g (t) impulsy wejściowy i wyjściowy ze światłowodu jao funcje czasu; G moduł sprężystości postaciowej (poprzecznej, na ścinanie) G=E/(1+) G waga, G=AL.=(=,g/cm 3, d o=15m, A=1, cm, L=1m)=7g; GCG ogólny termin oznaczający światłowód ształtowany o struturze rdzeń-płaszcz : szło-szło (ang. glass clad glass) używany w onteście światłowodów porytych specjalnymi materiałami, polimerami, magnetostrycyjnymi, eletrooptycznymi, eletrorezystancyjnymi, termorezystancyjnymi, itp; GIPOF światłowód plastyowy o gradientowym profilu refracyjnym, taże SIPOF o profilu soowym (ang. gradient index, step index POF); GRIN światłowodowa soczewa gradientowa (ang. gradient index), taże GRINROD; h wysoość olumny ciełego szła, h (taże h p) współczynni przesłuchu polaryzacyjnego [db/m], związany ze współczynniiem p tłumienia polaryzacyjnego; H początowa wysoość olumny ciełego szła; H - pole magnetyczne; H - 1 henry, jednosta inducyjności eletrycznej; H - notacja modów, H(f m) funcja przejścia częstotliwości modulacyjnej; HF światłowód dziurawy (ang. holey fiber), H M twardość w dziesięciostopniowej sali Moosa, HE (taże HE v) notacja modów hybrydowych, HE 11 mod podstawowy światłowodu cylindrycznego, I N(r) rozład natężenia pola blisiego światłowodu w funcji promienia; I F() rozład natężenia pola daleiego światłowodu jao funcja ąta względem osi włóna optycznego; J m funcja Bessela (periodyczna) m-tego rzędu liczba falowa w próżni, (lub o)= / o, opisuje jednostową zmianę fazy fali optycznej; i liczba falowa w ośrodu o współczynniu załamania n i, i=/ i= on i, 1-liczba falowa w rdzeniu, -liczba falowa w płaszczu, - wetor falowy; K moduł ściśliwości K=-V/V=E/3(1-) 1Kpsi=6,8948N/mm ; 190

191 Światłowody nieteleomuniacyjne K K stała eletrooptyczna Kerra, K K=(n nzw-n zw)/ne, gdzie n-współczynni załamania bez pola, E- pole eletryczne w V/m; K m funcja Bessela (zaniająca) m-tego rzędu K P stała eletrooptyczna Pocelsa, K P=n/n 3 E l radialna liczba modowa (taże μ); l b (taże l B) droga dudnienia; L długość; L B droga dudnienia, L B=/B; L o - długość próbi światłowodu; L 1 długość światłowodu o paśmie B 1; L A - liczba Abbego L D droga deoherencji w śwoiatłowodzie L D=L S/(n eff-d(n eff)/d); L S droga oherencji źródła, L S= /; LCF światłowód ciełorystaliczny - rdzeń lub płaszcz (ang. liquid crystal fiber); LD laser półprzewodniowy (ang. laser diode); LED dioda eletroluminescencyjna (ang. light emitting diode); LP (taże LP v, lub LP ml) notacja modów światłowodowych liniowo spolaryzowanych (ang. Linearly Polarized); LP 01 mod podstawowy w notacji LP w światłowodzie cylindrycznym słabo propagującym n 0; LP 11 pierwszy mod wyższego rzędu w notacji LP sładający się z grupy modów HE 01, EH 01, HE 1; LPG rodzaj światłowodowych siate braggowsich o długim oresie refracyjnym rozpraszające falę wprzód w odróżnieniu od FBG rozpraszających falę wstecz, (ang. long period grating); LSF funcja rozszerzenia liniowego obrazowodu (ang. line spread function); m azymutalna liczba modowa (taże v); M() dyspersja chromatyczna, M()=M o+m w; M( m) dyspersja dla średniej długości fali źródła pobudzającego światłowód; M o dyspersja materiałowa, M o=(/c)(d n/d ); M o() dyspersja materiałowa dla długości fali, M o()=dn g/cd=dt g/ld [ps/nm m]; M w() (taże M 1) dyspersja falowodowa; M ( o) nachylenie funcji dyspersji dla fali o; MC wielotyglowa metoda wytwarzania światłowodów (ang. multicrucible); MCVD modyfiowany proces CVD wytwarzania światłowodów włónistych ze szła wysoorzemionowego; MMC modyfiowany proces wielotyglowy (ang. modified multicrucible); MEMS, tutaj MOEMS najczęściej matrycowe miroułady optoeletroniczne ruchome, np. zwierciadeł dla optyi adaptacyjnej, orecji obrazów, projetorów multimedialnych, taże inne elementy ruchome trawione seletywnie w rzemie, np. mirofalowe, ondensatory; MTF modulacyjna funcja przejścia dla obrazowodu światłowodowego (ang. modulation transfer function), transformata Fouriera funcji rozszerzenia liniowego obrazowodu LSF; M-Z interferometr Macha Zehndera, taże w wyonaniu światłowodowym; MZD proces wielotyglowo-strefowo-przesłonowy wytwarz(ang. multicrucible-zone-diaphragm) n - współczynni załamania (fazowy); n i współczynni załamania ośroda i, n i=( i) 1/, n 1-współczynni załamania rdzenia, typowa wartość dla lasycznego jednomodowego światłowodu teleomuniacyjnego n 1=1,46; n -współczynni załamania płaszcza, n(r) - profil refracyjny światłowodu, n (r)=n 1 [1-(r/a) ] dla r<a i n (r)=n =const dla r>a - profil refracyjny potęgowy, n g - grupowy współczynni załamania, n g=1/v gn=c/v g=n-dn/d; n nzw nadzwyczajna wartość współczynnia załamania w materiale dwójłomnym (taże n e), np. dla warcu n nzw=1,55; n x, n y efetywne modowe współczynnii załamania dla dwóch ortogonalnych stanów polaryzacji modu podstawowego; 191

192 Światłowody nieteleomuniacyjne n zw zwyczajna wartość współczynnia załamania w materiale dwójłomnym (taże n o), np. dla warcu n o=1,54; N liczba modów w światłowodzie, N V /(+) dla wielomodowego światłowodu o profilu refracyjnym, N V / dla światłowodu soowego, N V /4 dla światłowodu parabolicznego; N c współczynni szumów; NA apertura numeryczna światłowodu, NA=sin max=(n 1 -n ) 1/ =n 1() 1/, typowa apertura numeryczna lasycznego teleomuniacyjnego światłowodu jednomodowego NA=(n 1=1,46, =0,03%)=0,11, 6 o ; typowa wartość dla teleomuniacyjnego światłowodu gradientowego NA=n 1() 1/ ={n 1=1,46, =1%} 0,1, =1 o ; OADM rodzaj multiplesowania sygnału w światłowodzie w technice zwielorotnienia WDM/DWDM polegający na dodawaniu i odejmowaniu po drodze światłowodu dodatowych anałów (ang. optical add drop multiplexing) na ogół z wyorzystaniem technii FBG; Odd mod nieparzysty, osobliwy, wolny, np. HE o 11; OTDR refletometria optyczna w dziedzinie czasu (ang. optical time domain reflectometry), odmiany: POTDR polaryzacyjna, OFDR w dziedzinie częstotliwości, OCDR w dziedzinie oherencji; OVD zewnętrzne osadzanie z fazy gazowej (ang. outside vapour deposition); p ciśnienie; P() dyspersja profilu refracyjnego światłowodu; P moc optyczna; P(L) moc optyczna w światłowodzie o długości L; P(f m) moc optyczna jao funcja częstotliwości modulacji; P o (taże P we lub P 1) moc optyczna pobudzająca światłowód na wejściu; P wy (taże P ) moc optyczna na wyjściu światłowodu; Pa 1 Pasal, 1Pa=1N/m ; 1P 1 Puaz=1g/(cm s)=1dpa s, jednosta lepości; PCF światłowód z ryształu fotonicznego, materiału z fotoniczną przerwą zabronioną (ang. photonic crystal fiber); PCG światłowód z rdzeniem szlanym (w odróżnieniu od wysoorzemionowego) i płaszczem polimerowym; PCS światłowód warcowy (lub z inego szła) w płaszczu polimerowym (ang. polymer clad silica); PIN fotodioda ze złączem P-I-N; PD fotodioda (ang. photodiode); PDL straty polaryzacyjne, zależne od stanu polaryzacji fali, (ang. polarization dependent loss); PMD modowa dyspersja polaryzacyjna (ang. polarization mode dispersion), trzeci sładni polaryzacji w światłowodzie obo dyspersji materiałowej i falowodowej (chromatycznej), zależny od polaryzacji fali w światłowodzie jednomodowym, posiada sładnii podstawowego i wyższych rzędów; POF światłowód plastyowy (ang. plastic optical fiber); Proof (test) standaryzowany test uodporniający światłowodu na zerwanie, polegający na przewinięciu całej długości pod znamionowym naciągiem; PZT przetworni piezoeletryczny (ang. piezoelectric transducer), w technice światłowodowej używany do justacji światłowodów, ontroli naprężeń, itp.; r promień, współrzędna radialna; r co promień rdzenia światłowodu; r cl promień płaszcza światłowodu; r i promień i-tej warstwy preformy światłowodowej; r n promień apertury dyszy tyglowej; R promień wygięcia światłowodu; Re liczba Ryenoldsa, RF częstotliwość radiowa (ang. radio frequency); R R rozpraszanie Rayleigha w światłowodzie, R R=C R -4 [db/m], RiT proces pręt-rura (ang. Rod-in-Tube); S powierzchnia; 19

193 Światłowody nieteleomuniacyjne SFD stacjonarny rozład pola w światłowodzie wielomodowym (ang. stationary field distribution), warune niezbędny do prawidłowej transmisji i pomiarów światłowodu wielomodowego, SFD uzysuje się po silnym mieszaniu modów na początu światłowodu. Lub przez odpowiednie pobudzenie; SGOF rodzaj światłowodów wytwarzanych ze szieł mięich (ang. soft glass optical fibers); SLeS szło sodowo ołowiowe, przyjęta nomenlatura od głównych pierwiastów sładowych, (ang. soda-lead-silica), SMF światłowód jednomodowy (ang. single mode fiber), srót używany taże do oreślania norm i specyfiacji światłowodów jednomodowych; SNR współczynni szumów, (ang.signal to noise ratio); t czas; t g grupowy czas przejścia (opóźnienia), t g=l/v g=ln g/c; t o nominalny czas trwania testu (wytrzymałościowego światłowodu); T- czas trwania impulsu; T ores przebiegu periodycznego; T temperatura, T s - temperatura mięnięcia szła; T g - temperatura transformacji szła; TIR całowite wewnętrzne odbicie (ang.total internal reflection); mechanizm prowadzenia światła w światłowodzie; u argument funcji falowej periodycznej (rdzeniowej), u =a ( 1 -β ), np. J(u), cos(u), związany z częstotliwością znormalizowaną V =u +w ; v prędość fali (fazowa) v=f=/β, v 1 prędość płasiej fali optycznej w nieograniczonym ośrodu rdzenia światłowodu, v 1 = c/n 1 =(n 1=1,5)=00m/s=1m/5s=1m/5ns=1m/5fs; v av prędość średnia (ang. average velocity); v max prędość masymalna; v p - prędość fazowa, v p(lub v)=/β=c/n; v g - prędość grupowa, v g=/β=v-dv/d=v+βdv/dβ=v/[1-dv/vd], v g=c/n g, v gn prędość grupowa znormalizowana, v gn=v g/c V stała Verdeta (sręcenie magnetyczne właściwe) [rad/m Gauss], V=/BL=Cdn/d (wzór Becquerela), gdzie -ąt sręcenia płaszczyzny polaryzacji fali w światłowodzie, B inducja magnetyczna wzdłuż osi światłowodu, L-długość światłowodu, C=ec /m-stała; V częstotliwość znormalizowana, V =u +w, V=a( 1- ) 1/ =ana/=ana, V=a dla światłowodu o aperturze numerycznej równej 1; VAD osiowe osadzanie z fazy gazowej (ang. vapour axial deposition), V c częstotliwość znormalizowana odcięcia, V c=,405 dla lasycznego światłowodu cylindrycznego (pierwszy pierwiaste funcji Bessela pierwszego rzędu J(x); VCSEL laser półprzewodniowy z wnęą rezonansową prostopadłą do powierzchni materiału (ang. vertical cavity semiconductor laser); w argument funcji falowej zaniającej (płaszczowej), w =a (β - ), np. K(w), exp(-w), itp., jest stałą zaniu pola EM w płaszczu światłowodu, związany z częstotliwością znormalizowaną V =u +w ; w o promień (w o średnica) pola modowego, typowa wartość średnicy pola modowego lasycznego światłowodu teleomuniacyjnego w o=10m, w o,6a/v, w o(),6a/v c c przybliżenie dla jednomodowego światłowodu soowego dla 1,6<V<,6 (1150<<1875); W wytrzymałość na rozerwanie [GPa]; 1W wat, jednosta mocy; WDM system wieloanałowej transmisji światłowodowej z podziałem długości fal (ang. wavelength division multiplexing); x dewiacja od środa rdzenia światłowodu; z współrzędna długości w ierunu z; z o ustalony punt fali w ierunu z; Z w impedancja falowa [Ω], Z w=e x/h y=-j/=[j/(+j)] 1/, Z w= (/) 1/ dla =0; 193

194 Światłowody nieteleomuniacyjne Z wf=z wo/n impedancja falowa światłowodu; Z wo impedancja falowa próżni Z wo=10[ω]; ZBLAN halogenowe szło cyronowe na światłowody IR; taże nazwa światłowodów z tego szła, poszczególne litery są srótami od nazw pierwiastów wchodzących w sład szła; 194

195 Światłowody nieteleomuniacyjne Fotografia prawidłowego, wlęsłego menisu wypływowoego w czasie wyciągania światłowodu włónowego modyfiowaną metodą wielotyglową w OBPŚ HS Biaglass. Schematycznie przedstawiony, przyłαdowy zares charaterysty stabilności wymiarów wyciąganego włóna optycznego metodą MMC w zależności od wartości liczby Reynoldsa, lepości szła i ąta wypływu szła z zewnętrznej dyszy płaszczowej, dla stałej prędości wyciągania światłowodu vf=const i przy stabilizowanej temperaturze pieca, flutuacje temperatury T 0, o C. Linia przerywana poazuje charaterystyę w obszarze prawidłowego menisu przy stabilizacji wymiarów wyciąganego włóna. Pomiary własne. 195

196 Światłowody nieteleomuniacyjne Wynii pomiarów wytrzymałości na zrywanie wysoiej jaości światłowodów ształtowanych, o średnicy zewnętrznej 15μm, potrójnie porytych, wytworzonych z ultranisostratnych szieł SLS i SBS modyfiowaną metodą wielotyglową (MMC) w OBPŚ HS Biaglass. Rysune górny przedstawia statystyczny rozład Weibulla wytrzymałości włóien światłowodowych na zrywanie. Rysune dolny przedstawia zebrane dane trzech niezależnych serii pomiarowych statystycznego rozrzutu wytrzymałości (tzw. szeroość rozładu Weibulla) wielu set próbe światłowodów badanych w czasie długoterminowych iluletnich testów wytrzymałościowych i zmęczeniowych. Wytrzymałość na zrywanie tych światłowodów i szeroość rozładu Weibulla różnią się o. dwa razy od najlepszych danych dla próbe teleomuniacyjnych światłowodów wysoorzemionowych. Jest to jeden z najlepszych wyniów dostępnych w literaturze, świadczący o jaości modyfiowanej technologii wielotyglowej opanowanej na terenie laboratorium światłowodowego HS Biaglass. 196

197 Światłowody nieteleomuniacyjne Obliczone, znormalizowane stałe propagacji modów podstawowych SA światłowodu czterordzeniowego, o wadratowym uładzie jednaowych rdzeni, w funcji częstotliwości znormalizowanej (podstawowe charaterystyi dyspersyjne); βn=(β /o -5)(1-5); i (i=1,,3,4) refracja rdzeni; i (i=5) refracja płaszcza; waruni homordzeniowości - n1=n=n3=n4=nr=(1) 1/ >n5=np, a1=a=a3=a4=a; Dane światłowodu: średnica rdzenia a=,5μm, separacja międzyrdzeniowa d=0,5μm, NA=0,05 0, refracja rdzenia n1=nr=1,6, profil refracyjny soowy; Krzywa 1 cztery mody zdegenerowane w przypadu światłowodu idealnie izotropowego SA +x, SA -x, AS +y, AS -y ; Krzywa rodzina modów trzyindesowa np. SAA +x, ASA -y, itp.; Krzywa 3 rodzaje jednoindesowe: S x, S x*, S y, S y*, A x, A x*, A y, A y*, gdzie np. A * =A z odwróconą olejnością znaów + i -, tzn. zamiast jest ; Krzywa 4 rodzaje podstawowe SA y, SA y*, AS x, AS x* ; Krzywa 5 odniesienie dla rodzaju podstawowego HE11 dla cylindrycznego światłowodu jednordzeniowego o analogicznych parametrach; Krzywa AS +y odcięcie i rzywa dyspersji modu drugiego rzędu w światłowodzie czterordzeniowym; Interferencja między modami podstawowymi pozwala na transmisję z multiplesowaniem rdzeni. 197

198 Światłowody nieteleomuniacyjne Zmierzone, metodą mirointerferometryczną, profile refracyjne rodziny próbe wielomodowych światłowodów gradientowych z ultranisostratnego szła wielosładniowego SLS, wytworzonych modyfiowaną metodą wielotyglową w Oddziale Badawczo Producyjnym Światłowodów Huty Szła Biaglass we współpracy z Programem Priorytetowym Politechnii Warszawsiej Inżynieria Fotoniczna. 198

199 Światłowody nieteleomuniacyjne Jeden z dwóch fundamentalnych rodzajów światłowodów dziurawych: sieć otworów periodyczna, pojedynczy defet sieci refracyjnej, prowadzenie fali w masimum efetywnego współczynnia załamania, nie spełniony warune ryształu fotonicznego,1=15μm, 3=38m, a3=1,4m, C=0,15; Obliczone efetywne pole modu jao funcja długości fali dla światłowodów dziurawych o realizowalnych technologicznie, metodą MMC, estremalnych parametrach geometrycznych: dużych otworach małe wartości Aeff oraz o dużych separacjach duże wartości Aeff (obliczenia własne). Krzywe 1,,,3 odnoszą się do lewej sali rzędnych, rzywe 1a,a,3a odnoszą się do sali na prawej osi rzędnych. Charaterystya Aeff() przedstawia, niespotyane dla technii światłowodów lasycznych, możliwości ształtowania średnicy pola modu podstawowego. 199

200 Światłowody nieteleomuniacyjne Fotografie przerojów poprzecznych światłowodów jednomodowych o dużej dwójłomności. Włóna wyonane metodą MMC ze szieł wielosładniowych w HS Biaglass. Obliczone i zmierzone charaterystyi tych ształtowanych włóien optycznych są przedstawione w rozdziele pracy o światłowodach polaryzacyjnych anizotropowych. Średnica zewnętrzna =15μm, średnica rdzenia a=3μm, względna różnica współczynniów załamania 1%, odległość rdzenia od obszaru naprężeniowego-polaryzującego d=1μm, wymiar obszaru naprężeniowego d1xd=11x8μm, różnica współczynniów rozszerzalności liniowej 30%, znormalizowana dwójłomność B 5*10-4, straty spetralne <10dB/m dla =1,3μ 00

201 Światłowody nieteleomuniacyjne Fotografie przerojów poprzecznych światłowodów jednomodowych o eliptycznym rdzeniu i dwurdzeniowego. Włóna wyonane metodą MMC ze szieł wielosładniowych w HS Biaglass. Obliczone i zmierzone charaterystyi tych ształtowanych włóien optycznych są przedstawione w rozdziałach pracy o światłowodach eliptycznych i wielordzeniowych. Średnica zewnętrzna =15μm, wymiary rdzenia eliptycznego 4xμm, dwójłomność światłowodu eliptycznego B 10-4, średnica rdzenia w światłowodziew dwurdzeniowym a=3μm, względna różnica współczynniów załamania 0,5%, odległość wzajemna rdzeni d=3μm, profile refracyjne quasi-soowe, straty spetralne <10dB/m dla =1,3μm. 01

202 Światłowody nieteleomuniacyjne Tło oładi i spisu treści - profile refracyjne światłowodów ształtowanych obrazowane prążową metodą mirointerferometryczną; Preforma światłowodu o rdzeniu eliptycznym i obszarze eliptycznej, naprężającej depresji refracyjnej; Eliptyczny światłowód jednomodowy o profilu typu W (pomiary własne, światłowody HS Biaglass). 0