Politechnika Warszawska Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych Instytut Systemów Elektronicznych MARCIN BANASIAK.

Transkrypt

1 Politechnika Warszawska Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych Instytut Systemów Elektronicznych MARCIN BANASIAK Praca Inżynierska Realizacja stanowiska do nanoszenia światłowodowych siatek Bragga z przesunięciami fazowymi Praca wykonana pod kierunkiem: dr inż. Tomasza Osucha Warszawa, 2014

2 REALIZACJA STANOWISKA DO NANOSZENIA ŚWIATŁOWODOWYCH SIATEK BRAGGA Z PRZESUNIĘCIAMI FAZOWYMI W ramach niniejszej pracy inżynierskiej zostało zaprojektowane, zbudowane i zautomatyzowane stanowisko do nanoszenia światłowodowych siatek Bragga z przesunięciami fazowymi. Ponadto stosując opracowany układ, możliwe jest również naświetlanie siatek jednorodnych oraz superstrukturalnych. Opracowane stanowisko bazuje na metodzie skanowania maski fazowej. Modyfikacja względem podstawowej wersji tej metody polegała na wprowadzeniu możliwości przemieszczania maski fazowej umieszczonej na nanopozycjonerze względem włókna oraz kontroli blokowania wiązki podczas procesu skanowania za pomocą komputerowo sterowanej przesłony. Jako oprogramowanie sterujące stworzono wirtualne narzędzie w środowisku LabVIEW, umożliwiające przeprowadzenie procesu naświetlania struktur w dwóch trybach: automatycznym oraz manualnym. Dokonano weryfikacji poprawności działania układu i funkcjonalności oprogramowania, polegającej na naświetleniu kilku siatek przy pomocy obu trybów pracy programu oraz porównaniu otrzymanych charakterystyk spektralnych z teoretycznymi oraz danymi literaturowymi. Słowa kluczowe: światłowodowe siatki Bragga, przesunięcie fazowe, siatki superstrukturalne, LabView, nanoprzesunięcie REALIZATION OF SYSTEM FOR PHASE-SHIFTED FIBER BRAGG GRATINGS FABRICATION In this work the system for phase-shifted fiber Bragg gratings fabrication was designed and implemented. Furthermore, using the developed system, it is also possible to write uniform and superstructure gratings. The idea of the fabrication process is based on the phase mask technique. The modification of this method consists in moving the phase mask placed on the nanopositioner relative to the optical fiber and blocking the scanning beam during the scanning process using computer-controlled beam shutter. Control software was made in LabVIEW and it allows to fabricate gratings in two modes: automatic and manual. The system was verified by writing few Bragg structures in both program modes and comparing received gratings spectral characteristics with theoretical ones.

3 Keywords: fiber Bragg gratings, phase shift, superstructured gratings, LabView, nanopositioning

4 SPIS TREŚCI 1. Cel pracy Wstęp teoretyczny Światłowodowa siatka Bragga budowa, własności, zasada działania Siatka jednorodna Siatka z przesunięciem fazowym Siatka superstrukturalna Metody nanoszenia światłowodowych siatek Bragga Stanowisko do naświetlania światłowodowych siatek Bragga Projekt stanowiska do naświetlania światłowodowych siatek Bragga Opis elementów stanowiska do naświetlania światłowodowych siatek Bragga Oprogramowanie stanowiska do nanoszenia światłowodowych siatek Bragga Opis panelu głównego programu Configuration Adjustment Manual Mode Auto Mode Pozostałe elementy panelu Weryfikacja poprawności działania stanowiska Podsumowanie Bibliografia

5 1. Cel pracy Celem pracy było zrealizowanie stanowiska do nanoszenia światłowodowych siatek Bragga z przesunięciami fazowymi w oparciu o metodę skanowania maski fazowej. W szczególności praca polegała na zaprojektowaniu stanowiska, zestawieniu w laboratorium, oprogramowaniu oraz praktycznej weryfikacji. Projekt stanowiska obejmował uwzględnienie możliwości i ograniczeń użytego sprzętu opto-mechanicznego oraz opracowanie koncepcji automatyzacji stanowiska. Ponadto projekt stanowiska miał uwzględniać możliwość jego przyszłej modyfikacji w celu zwiększenia funkcjonalności. Podstawowym założeniem na etapie tworzenia oprogramowania było stworzenie programu pozwalającego na w pełni niezależne sterowanie wszystkimi oprogramowanymi urządzeniami oraz opracowanie trybu automatycznego do realizacji złożonych struktur braggowskich. Celem ostatniego etapu pracy była weryfikacja eksperymentalna stanowiska, poprzez naświetlenie siatek, pomiar oraz porównanie otrzymanych charakterystyk z teoretycznymi oraz z danymi literaturowymi. 4

6 2. Wstęp teoretyczny Pierwsza siatka Bragga została wykonana w roku 1978, przez Kennetha O. Hilla, który podczas badania właściwości nieliniowych światłowodu domieszkowanego germanem wykazał jego fotoczułość [1]. Eksperyment Hilla polegał na wprowadzeniu do włókna promieniowania laserowego, które po odbiciu od końca światłowodu utworzyło falę stojącą, co skutkowało powstaniem w rdzeniu okresowej zmiany współczynnika załamania. Struktura, którą później nazwano siatką Hilla, powstała na całej długości badanego włókna. Przełom miał miejsce w 1989 roku, kiedy Gerald Metz zaproponował skuteczniejszą metodę wytwarzania struktury, polegającą na bocznym naświetleniu światłowodu wzorem interferencyjnym [2]. W przeciwieństwie do siatki Hilla (której właściwości były ściśle związane z długością fali lasera 488nm), naniesiona w ten sposób siatka mogła odbijać fale z zakresu telekomunikacyjnego. Do tej pory metoda Metza, zwana dziś interferometryczną wraz z metodą maski fazowej są najczęściej stosowanymi sposobami do wytwarzania struktur braggowskich. Mimo, że od momentu opracowania powyższych metod nanoszenia siatek minęło już ponad dwadzieścia lat, struktury braggowskie są wciąż tematem aktualnych badań naukowych oraz nowych rozwiązań komercyjnych. Dzięki swoim właściwościom, niskim kosztom produkcji i dużej powtarzalności wytwarzania, siatka Bragga znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach techniki, między innymi w multipleksacji [3], jako czujnik wielkości fizycznych takich jak: temperatura [4], ciśnienie [5], naprężenie [6] oraz w filtracji optycznej [7]. 2.1 Światłowodowa siatka Bragga budowa, własności, zasada działania Światłowodowa siatka Bragga (ang. Fiber Bragg Grating FBG) jest to periodyczna zmiana współczynnika załamania wytworzona w rdzeniu włókna optycznego. Istnieje wiele modyfikacji podstawowej struktury, które można uzyskać poprzez zmianę sposobu jej naświetlania [8] oraz stosowanie różnych typów światłowodów. Na potrzeby niniejszej pracy szczegółowo opisane zostaną siatki: jednorodna, z przesunięciem fazowym i superstrukturalna. 5

7 2.1.1 Siatka jednorodna Zasadę działania światłowodowej siatki Bragga przedstawiono na przykładzie podstawowej struktury siatki jednorodnej (ang. uniform), której ilustrację zamieszczono na rysunku 2.1. Rys Ilustracja budowy i zasady działania jednorodnej siatki Bragga. W rdzeniu światłowodu propaguje się fala elektromagnetyczna z pewnego zakresu spektralnego. Jedynie fala o określonej długości spełniającej warunek Bragga (1) zostaje odbita. Jest to skutek odbić części promieniowania elektromagnetycznego od poszczególnych prążków siatki i konstruktywnego dodawania tego promieniowania. W rezultacie otrzymywane jest silne odbicie dla długości fali Bragga, a promieniowanie o pozostałych długościach fali propaguje się przez siatkę bez straty mocy. Warunek Bragga formułuje wzór: λ B = 2n eff Λ (1) gdzie: n eff efektywny współczynnik załamania rdzenia dla modu podstawowego, propagowanego we włóknie Λ okres siatki Bragga λ B długość fali promieniowania elektromagnetycznego odbijanego przez strukturę, zwana długością fali Bragga Poza długością fali Bragga, ważnym parametrem charakteryzującym jednorodne siatki Bragga jest ich szerokość spektralna FWHM (ang. Full-Width Half-Maximum), która może być opisana poniższą zależnością (2): λ = λ B s (2) 6

8 gdzie: N ilość prążków (okresów) siatki s = n = amplituda wyindukowanych zmian współczynnika załamania rdzenia n 0 średni współczynnik załamania rdzenia. Funkcja modulacji współczynnika załamania w przypadku jednorodnej siatki Bragga rdzenia może być określona wzorem (3): n(z) = n 0 + n cos ) (3) gdzie: z oznaczenie kierunku wzdłuż osi światłowodu Metodą wykorzystywaną do opisu propagacji fali elektromagnetycznej w ośrodku periodycznym jest teoria modów sprzężonych (ang. Coupled Mode Theory - CMT), opisująca między innymi odbiciowe właściwości struktur braggowskich [9]. Współczynnik odbicia siatki w oparciu o CMT przedstawiony jest w następujący sposób (4): R(l,λ) = (4) gdzie: R(l,λ) współczynnik odbicia siatki l długość siatki λ długość fali = współczynnik sprzężenia siatki s = λ stała propagacji - λ odstrojenie Dla długości fali Bragga λ B odstrojenie przyjmuje postać (5): = 0, zatem wzór na współczynnik odbicia 7

9 R(l,λ) = tanh 2 ( (5) Wartość współczynnika odbicia siatki rośnie wraz z długością siatki oraz ze wzrostem modulacji współczynnika załamania. Na rysunku 2.2. przedstawiono wynik symulacji jednorodnej siatki Bragga o następujących parametrach: L = 10mm (długość siatki), λ B = 1550nm, n eff = 1,447, Λ = 535,6nm, n = , V = 1 (widzialność prążków). Rys Obliczona charakterystyka odbiciowa jednorodnej siatki Bragga. Na charakterystyce widoczne jest wąskie pasmo odbiciowe o centralnej długości fali λ B = 1550nm, założonej w symulacji. Odczytana szerokość spektralna siatki FWHM wynosi 300pm. Zaobserwowane wstęgi boczne pojawiły się w wyniku wielokrotnych odbić na krańcach siatki. W celu ich zminimalizowania można zastosować apodyzację [10] Siatka z przesunięciem fazowym Siatka z przesunięciem fazowym (ang. Phase Shifted Fiber Bragg Grating - PS-FBG) jest modyfikacją podstawowej struktury FBG, którą można opisać jako dwie struktury jednorodne przesunięte względem siebie o wartość z 0. Ilustrację budowy PS-FBG przedstawia rysunek 2.3. Rys Ilustracja budowy siatki z przesunięciem fazowym. 8

10 Przesunięcie fazowe opisane jest wzorem (6): λ (6) Przesunięcie fazowe powoduje utworzenie wąskiego okna transmisji, którego położenie zależne jest od wartości przesunięcia fazowego i występuje w środku pasma odbiciowego gdy =. Struktura może posiadać wiele przesunięć fazowych, wtedy na charakterystyce pojawi się kilka okien transmisji. Na rysunku 2.4. pokazano wynik symulacji siatki PS-FBG o następujących parametrach: L = 10mm (długość siatki), λ B = 1550nm, n eff = 1,447, Λ = 535,6nm, n = , z 0 = 267,8nm, V = 1 (widzialność prążków), =. Rys Obliczona charakterystyka odbiciowa siatki Bragga z przesunięciem fazowym. Uzyskano idealnie symetryczną charakterystykę odbiciową z oknem transmisyjnym dla centralnej długości fali λ B = 1550nm, założonej w symulacji. Szerokość spektralna siatki wynosi 300pm, natomiast szerokość spektralna okna transmisyjnego jest równa 7,7pm Siatka superstrukturalna Kolejną modyfikacją podstawowej struktury braggowskiej jest siatka superstrukturalna (ang. Superstructed Fiber Bragg Grating - SFBG), którą można 9

11 opisać jako kilka segmentów FBGs wykonanych w odstępach. Ilustracja budowy SFBG została przestawiona na rysunku 2.5. Rys Ilustracja budowy siatki superstrukturalnej. Należy podkreślić, że odstęp między sekcjami FBG w superstrukturze jest znacznie większy niż w przypadku siatki z przesunięciem fazowym (odległości między kolejnymi siatkami jednorodnymi są tego samego rzędu, co długość samej FBG). Charakterystykę odbiciową takiej struktury przedstawiono na rysunku 2.6. Rys Charakterystyka odbiciowa superstrukturalnej siatki Bragga [11]. Na charakterystyce widoczne są wąskie pasma odbiciowe, które są rozmieszczone w równych odległościach. Wynika to z własności złożonego rezonatora Fabry-Perot, jaki tworzą siatki stanowiące superstrukturę [11-12]. 2.2 Metody nanoszenia światłowodowych siatek Bragga Podczas nanoszenia siatek Bragga I rodzaju [13] zwykle wykorzystywany jest efekt fotoczułości [14], który powoduje trwałe zmiany współczynnika załamania rdzenia pod wpływem oświetlania promieniowaniem UV o długości fali z zakresu nm. Mimo, że zjawisko fotoczułości znane jest od wielu już lat, do dziś nie ma 10

12 jednoznacznej teorii, poprzez jakie mechanizmy jest ono wywoływane. Jednak najbardziej prawdopodobną jego przyczyną jest występowanie centrów barwnych [15]. W celu zwiększenia fotoczułości przed naniesieniem siatki Bragga przeprowadza się wodorownie światłowodu. Podczas tego procesu włókno umieszczane jest w wodorze w temperaturze z przedziału C pod ciśnieniem z przedziału atmosfer. Powoduje to dyfuzję molekuł wodoru do rdzenia światłowodu, a co za tym idzie zwiększenie fotoczułości. Literatura podaje, że w przypadku wykorzystania lasera ekscymerowego, o dużej mocy impulsu, wodorowanie włókna nie jest konieczne [16]. Najbardziej popularnym sposobem na otrzymanie jednorodnej siatki Bragga jest naświetlanie włókna wiązką promieniowania UV o periodycznym rozkładzie natężenia jedną z poniższych technik: - metodą maski fazowej [17], - metodą interferometryczna [18]. Poniżej szczegółowo opisano metodę maski fazowej, gdyż niniejsza praca dotyczy modyfikacji tejże techniki. Metoda maski fazowej polega na bezpośrednim naświetleniu światłowodu przez dyfrakcyjny element optyczny. Po oświetleniu maski następuje interferencja wiązek dyfrakcyjnych ±1 rzędu i tuż za nią powstaje okresowy rozkład natężenia fali UV. Wysokość stopni fazowych maski jest dobrana tak, aby wiązka zerowego rzędu była zminimalizowana i transmitowana w niej moc nie przekraczała 5% mocy wiązki padającej na nią. Rysunek 2.7. przedstawia proces naświetlenia FBG metodą maski fazowej. Rys Ilustracja procesu naświetlenia FBG metodą maski fazowej. 11

13 Po umieszczeniu światłowodu w obszarze wzoru interferencyjnego, w objętości fotoczułego rdzenia powstają periodyczne zmiany współczynnika załamania. Okres siatki Bragga Λ wytworzonej metodą maski fazowej o okresie Λ PM można przedstawić zgodnie z poniższym wzorem (8): Λ= (8) Jedną za największych zalet metody maski fazowej jest duża powtarzalność parametrów naniesionych siatek, zapewniona dzięki ściśle zdeterminowanemu wzorowi interferencyjnemu wynikającemu jedynie z ustalonych i trwałych parametrów maski oraz wiązki UV. Metoda skanowania maski fazowej, której schemat przedstawiono na rysunku 2.7., jest podstawą zbudowanego w ramach pracy stanowiska. Modyfikacja klasycznej metody pozwala na dokładną kontrolę długości wykonywanej struktury. Generowane przez laser światło o długości fali λ=244nm pada na soczewkę cylindryczną. Skupiona wiązka UV ulega dyfrakcji na masce fazowej, a wiązki dyfrakcyjne interferują ze sobą tworząc okresową zmianę współczynnika załamania rdzenia światłowodu, umieszczonego tuż za maską. Skanowanie maski fazowej polega na przesuwaniu stolika z umieszonymi na niej maską fazową i zamocowanym na pozycjonerach światłowodem względem nieruchomej wiązki z lasera UV. Ograniczeniem długości naświetlanej struktury jest zatem długość maski fazowej. Rys Schemat stanowiska do naświetlania FBG z wykorzystaniem techniki skanowania maski fazowej. 12

14 3. Stanowisko do naświetlania światłowodowych siatek Bragga Realizacja stanowiska podzielona została na dwa etapy. Pierwszy z nich polegał na zaprojektowaniu całego układu z uwzględnieniem możliwości i ograniczeń dostępnego osprzętu opto-mechanicznego. W ramach tej części pracy określone zostały główne funkcjonalności stanowiska, tak aby możliwe było naświetlanie zarówno jednorodnych siatek Bragga jak również z przesunięciem fazowym oraz siatek superstrukturalnych. W ramach tej części pracy zestawiono zaprojektowane stanowisko na stole optycznym. Drugim etapem było napisanie oprogramowania sterującego - w środowisku LabVIEW, pozwalającego na automatyzację procesu naświetlania siatek Bragga. W poniższych rozdziałach zamieszczono szczegółowy opis kolejnych kroków realizacji stanowiska. 3.1 Projekt stanowiska do naświetlania światłowodowych siatek Bragga Podstawowym celem przy projektowaniu stanowiska do nanoszenia światłowodowych siatek Bragga było umożliwienie wykonywania na nim struktur jednorodnych oraz z przesunięciami fazowymi. Niemniej jednak istotnym założeniem było równoczesne zapewnienie uniwersalności układu, polegającej na możliwości nanoszenia siatek supersturkturalnych oraz łatwej modyfikacji stanowiska w kontekście rozszerzenia funkcjonalności w przyszłości. Stanowisko zrealizowano modyfikując koncepcję naświetlania FBG z wykorzystaniem techniki skanowania maski fazowej przedstawioną na rysunku 2.8. Opisany w poprzednim rozdziale układ wymagał uzupełnienia o nowe elementy, których funkcjonalność zapewni nanoszenie pożądanych struktur. W szczególności, w celu realizacji przesunięć fazowych niezbędne jest wprowadzenie przemieszczenia maski fazowej względem włókna podczas naświetlania, co zrealizowane zostało poprzez umieszczenie maski fazowej na nanopozycjonerze. Z kolei wykonywanie siatek superstrukturalnych wymagało kontrolowanego blokowania wiązki laserowej podczas skanowania (przesunięcia stolika liniowego). Do tego celu wykorzystano sterowaną elektronicznie przesłonę (ang. beam shutter). Schemat zaprojektowanego stanowiska został przedstawiony na rysunku

15 Rys Schemat zaprojektowanego stanowiska do naświetlania siatek Bragga. W celu umożliwienia wykonywania praktycznie dowolnie złożonych struktur wykorzystujących przesunięcia fazowe oraz kontrolowane blokowanie wiązki laserowej podczas naświetlania, założono, że każdą z realizowanych siatek można zapisać w postaci jednej (siatka jednorodna) bądź większej ilości sekcji (siatki PS-FBG oraz SFBG). Z kolei wykonanie każdej sekcji to odpowiednia sekwencja działań urządzeń: a) Zamknięcie/otwarcie przesłony b) Ruch przesuwu liniowego (skanowanie) c) Zamknięcie/otwarcie przesłony d) Ruch nanopozycjonera (względne przesunięcie maski fazowej względem włókna) Koncepcja sekwencji znacznie uprościła sposób implementacji i realizacji złożonych struktur przy użyciu stworzonego oprogramowania sterującego i została wykorzystana w trybie Auto Mode pracy programu (rozdział 3.4.2). Poniżej przedstawiono sposób reprezentacji struktur: jednorodnej, PS-FBG oraz SFBG w postaci sekcji, oraz odpowiadające sekwencje działań urządzeń stanowiska. Jednorodną siatkę Bragga w zasadzie opisuje jedna sekcja (Rys. 3.2.), której odpowiada jedna sekwencja działań urządzeń stanowiska (w nawiasach klamrowych znajduje się numer sekcji): 14

16 {1} otwarcie przesłony, ruch przesuwu liniowego, zamknięcie przesłony, przesunięcie nanopozycjonera o 0 nm (czyli brak przesunięcia) Rys Ilustracja opisu jednorodnej siatki Bragga za pomocą sekcji. Siatka z przesunięciem fazowym to w istocie dwie rozdzielone przestrzennie o wartość siatki jednorodne, a zatem proces jej realizacji można opisać w postaci dwóch sekwencji (Rys. 3.3.): {1} otwarcie przesłony, ruch przesuwu linowego, zamknięcie przesłony, przesunięcie nanopozycjonera o {2} otwarcie przesłony, ruch przesuwu liniowego, zamknięcie przesłony, przesunięcie nanopozycjonera o 0 nm (brak przesunięcia) Rys Ilustracja opisu siatki Bragga z pojedynczym przesunięciem fazowym za pomocą sekcji. Siatka superstrukturalna to w zasadzie kilka-kilkanaście siatek jednorodnych naniesionych jedna za drugą w odpowiednich odstępach. W przypadku SFBG składającej się z N siatek liczba sekcji potrzebna do zdefiniowania całej struktury wynosi zatem N+(N-1)=2N-1. Dla przypadku przedstawionego na rysunku 3.4. oznacza to konieczność zdefiniowania pięciu sekcji: {1} otwarcie przesłony, ruch przesuwu liniowego, zamknięcie przesłony, przesunięcie nanopozycjonera o 0 nm (brak przesunięcia) {2} zamknięcie przesłony, ruch przesuwu liniowego, zamknięcie przesłony, przesunięcie nanopozycjonera o 0 nm (brak przesunięcia) {3} otwarcie przesłony, ruch przesuwu liniowego, zamknięcie przesłony, przesunięcie nanopozycjonera o 0 nm (brak przesunięcia) 15

17 {4} zamknięcie przesłony, ruch przesuwu liniowego, zamknięcie przesłony, przesunięcie nanopozycjonera o 0 nm (brak przesunięcia) {5} otwarcie przesłony, ruch przesuwu liniowego, zamknięcie przesłony, przesunięcie nanopozycjonera o 0 nm (brak przesunięcia) Rys Ilustracja opisu siatki superstrukturalnej za pomocą sekcji. Warto zauważyć, że w przypadku siatki superstukturalnej w sekwencjach {2}, {4}, występuje zamknięcie przesłony w sytuacji, gdy jest już zamknięta. Fizycznie jest to realizowane w postaci utrzymania jej w stanie zamkniętym na czas skanowania. Ponadto, mimo że przesunięcie nanopozycjonera o 0 nm z fizycznego punktu widzenia nie ma sensu, (w rzeczywistości jest to po prostu pominięcie przesunięcia maski fazowej względem włókna), to z perspektywy implementacji i zapisu procesu naświetlania struktur według koncepcji sekwencji znacznie ułatwia realizację sposobu sterowania urządzeniami. 3.2 Opis elementów stanowiska do naświetlania światłowodowych siatek Bragga W zrealizowanym stanowisku kluczowe elementy odpowiedzialne za realizowanie wymaganych funkcjonalności: skanowania maski fazowej, przesunięć fazowych i sterowania blokowaniem laserowej wiązki skanującej to: przesuw liniowy, nanopozycjoner oraz przesłona, wraz ze sterownikami oraz komputer z zainstalowanym środowiskiem LabVIEW posiadający interfejsy USB i RS-232. Przesuw liniowy XMS160 firmy NewPort umożliwia modyfikację klasycznej metody maski fazowej, poprzez skanowanie maski wiązką lasera UV. Na przesuwie umieszczony jest nanopozycjoner z maską fazową oraz stoliki pozycjonujące włókno względem wiązki UV. Przesunięcie stolika względem nieruchomej wiązki lasera daje efekt skanowania. Ilustrację zastosowanego przesuwu liniowego przedstawiono na rysunku

18 Rys Ilustracja przesuwu liniowego XMS160. Pełną specyfikację urządzenia można znaleźć w [19], zaś najważniejsze jego parametry zostały przedstawione w Tabeli 1. PARAMETR WARTOŚĆ zakres ruchu (mm) 160 MIM (nm)* 10 dokładność przesunięcia (μm) ±0,75 powtarzalność jednokierunkowa (μm) 0,05 maksymalna prędkość ruchu (mm/s) 300 maksymalne obciążenie (kg) 10 Tabela 1. Najważniejsze parametry przesuwu liniowego XMS160. * MIM (ang. Minimal Incremental Motion) najmniejsza możliwa wartość przesunięcia Komunikacja pomiędzy przesuwem liniowym, a użytkownikiem odbywa się za pośrednictwem sterownika XPS-Q8 przy pomocy portu Ethernet. Kontroler przesuwu liniowego jest urządzeniem uniwersalnym, posiadającym wbudowany system operacyjny i umożliwiającym obsługę do ośmiu urządzeń jednocześnie w sposób manualny za pośrednictwem konsoli lub poprzez sterowanie z poziomu komputera PC. Producent umożliwia komunikację z kontrolerem przez witrynę sieci Web lub wykorzystanie bibliotek do wielu środowisk programistycznych (m.in. LabVIEW). Widok kontrolera przesuwu liniowego XPS-Q8 przedstawiono na rysunku

19 Rys Widok kontrolera przesuwu liniowego XPS-Q8. Nanopozycjoner NANO-OP30 firmy Mad City Labs jest w istocie precyzyjnym przesuwem liniowym o zakresie, dokładności i rozdzielczości ruchu rzędu nanometrów. W zaprojektowanym układzie nanopozycjoner służy do wykonywania struktur z przesunięciami fazowymi, ponieważ umieszczenie na nim maski fazowej pozwala na przesunięcie jej względem włókna na z nanometrową precyzją. Na rysunku 3.7. przedstawiono zdjęcie nanopozycjonera wykorzystanego w układzie. Rys Zdjęcie nanopozycjonera NANO-OP30. Niezwykle istotnym parametrem tego urządzenia jest jego rozdzielczość, ponieważ aby uzyskać PS-FBG należy przesunąć maskę fazową względem światłowodu o precyzyjną wartość równą ¼ jej okresu. Pełną specyfikację urządzenia formułuje [20]. W Tabeli 2 przedstawiono najważniejsze parametry zastosowanego nanopozycjonera. PARAMETR WARTOŚĆ zakres ruchu (μm) 30 ± 10% rozdzielczość (nm)* 0,46 maksymalne obciążenie (kg) 1 Tabela 2. Najważniejsze parametry NANO-OP30. * podczas wykonywania przesunięcia nanopozycjonera tak naprawdę zmieniana jest wartość napięcia w 16-bitowym przetworniku cyfrowo-analogowym; zakres ruchu urządzenia wynosi 30μm, a zatem najmniejsze przesunięcie, którego można dokonać teoretycznie wynosi 0,46nm. 18

20 Komunikacja między urządzeniem a użytkownikiem odbywa się za pośrednictwem sterownika Nano-Drive 1 podłączonego do komputera. Zdjęcie kontrolera Nano-Drive 1 przedstawiono na rysunku 3.8. Rys Zdjęcie kontrolera Nano-Drive 1 nanopozycjonera. Przesłona SH05 firmy Thorlabs jest urządzeniem mechanicznym, które zapewnia automatyczne blokowanie wiązki lasera UV. Funkcja tego elementu układu jest szczególnie ważna podczas wytwarzania siatki z przesunięciem fazowym, ponieważ przesunięcie maski fazowej względem włókna musi odbyć się bez naświetlania wiązką laserową. Innym zastosowaniem automatycznej przesłony jest z kolei zapewnienie ściśle określonych odległości pomiędzy kolejnymi segmentami siatki w strukturze superstrukturalnej, poprzez kontrolowane zamykanie i otwieranie przesłony podczas skanowania. Odpowiednie zaprogramowanie przesłony zapewnia precyzyjne zautomatyzowanie całości procesu. Ilustracja, wykorzystanej w układzie, przesłony została przedstawiona na rysunku 3.9. Rys Ilustracja przesłony SH05. Kompletną specyfikację przesłony można znaleźć w [21]. Tabela 3 przedstawia najważniejsze parametry urządzenia. 19

21 PARAMETR WARTOŚĆ średnica przesłony (mm) 12,7 czas otwarcia (ms) 3 czas zamknięcia (ms) 4 Tabela 3. Najważniejsze parametry SH05. Kontroler SC10 umożliwia sterowanie przesłoną na dwa sposoby: ręcznie, wykorzystując przyciski umieszczone na panelu płyty czołowej oraz automatycznie, z poziomu komputera przez port RS232. Widok kontrolera przesłony przedstawiony został na rysunku Rys Widok kontrolera przesłony SC10. Kolejnym urządzeniem niezbędnym do nanoszenia siatek Bragga, aczkolwiek nie wchodzącym w skład stanowiska opto-mechanicznego jest laser argonowy Coherent 90C FreD z podwajaniem częstotliwości o pracy ciągłej, który emituje promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali 244nm [22]. Zdjęcie lasera zostało przedstawione na rysunku Rys Zdjęcie lasera Coherent 90C FreD. 20

22 Pełną specyfikację lasera można znaleźć w [24]. Najważniejsze parametry lasera zostały przedstawione w Tabeli 4. PARAMETR WARTOŚĆ długość fali [nm] 244 maksymalna moc wyjściowa [W] 0,1 średnica wiązki [mm] 0,6-0,9 dywergencja wiązki [mrad] 0,5-0,85 Tabela 4. Najważniejsze parametry lasera Coherent 90C FreD. Poza wymienionymi powyżej urządzeniami, stanowisko składa się z drobnych elementów opto-mechanicznych i optycznych przedstawionych na rysunku 3.1. Rolą zwierciadeł dielektrycznych jest skierowanie wiązki laserowej we właściwym kierunku. Z kolei diafragma służy do uzyskania odpowiedniej szerokości wiązki lasera UV, a także odcięcia niepożądanych wstęg bocznych wiązki. Soczewka cylindryczna stosowana jest w celu skupienia wiązki UV na umieszczonym na stolikach pozycjonujących Y/Z włóknie. Na rysunku przedstawiono zdjęcie zrealizowanego stanowiska. Rys Zdjęcie zrealizowanego stanowiska do nanoszenia siatek Bragga. 21

23 3.3 Oprogramowanie stanowiska do nanoszenia światłowodowych siatek Bragga Jednym z zadań w trakcie realizacji niniejszej pracy było napisanie oprogramowania sterującego, pozwalającego na wykonywanie procesu naświetlania siatek Bragga. Realizacja tego etapu polegała na wybraniu środowiska programistycznego oraz napisaniu w nim programu spełniającego założenia projektowe. Program umożliwiający naświetlanie światłowodowych siatek Bragga został napisany w LabVIEW, środowisku stworzonym przez firmę National Instruments. W porównaniu do innych języków programowania, takich jak C, C++, w LabVIEW wykorzystywany jest język graficzny, a nie tekstowy kod źródłowy. Każda zmienna ma swoją graficzną reprezentację, a wykonywanie zadeklarowanych funkcji programu determinują połączenia między blokami i przepływ danych między nimi. W LabVIEW istnieje możliwość wykorzystania kodów napisanych w klasycznych językach programowania takich jak: C, C++, czy też kodu Matlab a. Środowisko LabVIEW jest odpowiednie do kontroli stanowiska do nanoszenia światłowodowych siatek Bragga, ponieważ zapewnia sprawną integrację sprzętu. Możliwe jest połączenie i zsynchronizowanie wielu urządzeń podłączonych do komputera za pomocą różnych interfejsów, m.in. GPIB, RS-232, USB i Ethernet, a sprzęt wykorzystany na stanowisku do nanoszenia FBG tego wymaga. Istotnym faktem jest również to, że urządzenia, z których zestawiono układ posiadają biblioteki do komunikacji ze sprzętem napisane w LabVIEW, co znacznie ułatwiło ich oprogramowanie. Koncepcja stanowiska zakładała możliwość wyboru między pracą zautomatyzowaną i obsługą każdego z urządzeń osobno, dlatego napisany program umożliwia pracę w dwóch trybach: manualnym i automatycznym. Naświetlanie siatek Bragga w trybie Manual polega na niezależnym sterowaniu oprogramowanymi urządzeniami i wykonywaniu wszystkich operacji w odpowiednim porządku. Po włączeniu program czeka na reakcję użytkownika, który decyduje o kolejności realizowanych czynności, a dzięki temu o rodzaju i parametrach siatki, jaką chce uzyskać. W celu nanoszenia złożonych struktur pomiędzy wykonywanymi działaniami możliwa jest zmiana ustawień oraz parametrów obsługiwanych urządzeń, 22

24 a proces naświetlania w każdej chwili może zostać przerwany. Po wykonaniu ostatniej czynności użytkownik może wyjść z programu lub przejść do pracy w trybie Auto. Pracując w trybie automatycznym użytkownik nie steruje każdym urządzeniem krok-po-kroku, tylko definiuje całą realizowaną strukturę za pomocą ustalenia parametrów naświetlania poszczególnych sekcji, którym odpowiadają konkretne sekwencje działań przesłony, przesuwu liniowego oraz nanopozycjonera. Koncepcja wykonywania struktur przy pomocy sekcji została dokładnie opisana w rozdziale 3.1. Po naświetleniu siatki użytkownik może kontynuować pracę w trybie Auto, przejść do trybu manualnego lub zakończyć pracę programu. 3.4 Opis panelu głównego programu Panel programu podzielony został na cztery podstawowe bloki: Configuration, Adjustment, Manual Mode, Auto Mode, w których zgrupowano elementy zgodnie z ich funkcjonalnością. Pozostałe elementy panelu mają charakter informacyjny, wyświetlają aktualną pozycję urządzenia i stan postępu procesu wykonywania siatki. Wygląd panelu programu przedstawia rysunek Rys Wygląd panelu programu Configuration Blok Configuration służy do definiowania ustawień stanowiska, w szczególności określa się w nim numer portu COM sterownika przesłony, maksymalną prędkość ruchu przesuwu liniowego (maksymalną prędkość skanowania), opóźnienie pracy nanopozycjonera oraz szerokość wiązki lasera i okres maski fazowej. Zdefiniowane parametry obowiązują w obu trybach programu: Auto oraz Manual. Widok bloku Configuration został przedstawiony na rysunku

25 Rys Widok bloku Configuration. Fragment bloku Configuration nazwany Absolute beam UV position (mm) służy do określania bezwzględnego położenia stolika (a w zasadzie wiązki UV) w punktach charakterystycznych maski fazowej. Punkty L i R określają krańce maski fazowej, a odległość między nimi stanowi maksymalną możliwą długość naświetlanej struktury. Punkty 0 i 1 są pomocne podczas adjustacji włókna względem wiązki lasera UV, a położenie każdego z nich znajduje się tuż za krańcem obszaru roboczego maski fazowej. Rozmieszczenie punktów obrazuje rysunek Rys Ilustracja punktów charakterystycznych 0, 1, L, R pomocnych w procesie adjustacji włókna i nanoszenia światłowodowych siatek Bragga. Po włączeniu programu, w bloku Configuration wczytywane zostają ostatnio używane ustawienia stanowiska, które były wykorzystywane podczas poprzedniej pracy VI. Każdy element może być modyfikowany przez użytkownika podczas pracy programu. 24

26 Opis elementów bloku Configuration: przesłony; lista wyboru portu COM, do którego podłączony jest sterownik okno, które określa opóźnienie, z jakim nanopozycjoner będzie wykonywał każdą operację przesunięcia i odczytu pozycji; kontrolka, która określa szerokość wiązki lasera; parametr szczególnie istotny przy nanoszeniu siatek superstrukturalnych; jeżeli wiązka lasera będzie szersza od długości sekcji z FBG, to naświetlona sekcja będzie dłuższa o wartość Beamwidth; natomiast podczas wykonywania sekcji z zamkniętą przesłoną długość sekcji będzie krótsza o wartość Beamwitdh; kontrolka, w którą należy wpisać okres maski fazowej, niezbędny do określenia przesunięcia fazowego przy naświetlaniu siatek PS-FBG; okienko, w którym należy zdefiniować maksymalną prędkość przesuwu liniowego, wykorzystywaną w bloku Adjustment i UV beam positioning; wartość ta nie może przekraczać 300m/s; kontrolki, które ustalają wartości bezwzględne położenie przesuwu liniowego w charakterystycznych punktach przedstawionych na rysunku 3.15.; przyciski Save Positon zapisują aktualne położenie przesuwu jako wartość wybranego punktu; do pliku; - przycisk służący do zapisu wszystkich parametrów okna Configuration 25

27 - przycisk, który służy do wczytywania z pliku parametrów konfiguracyjnych stanowiska; Istnieje możliwość zapisania wartości wszystkich parametrów Configuration do pliku tekstowego (.txt) lub arkusza kalkulacyjnego (.xls) oraz wczytania, wcześniej zapisanych danych. Ze wszystkich widocznych w sekcji Configuration elementów pobierane są wartości i wpisywane do jednowymiarowej tablicy. Następnie dane w tej postaci zostają wyeksportowane do pliku tekstowego lub arkusza kalkulacyjnego. Odczyt jest realizowany za pomocą funkcji Read From Speadsheet File, której działanie jest odwrotne funkcji zapisu. Pobrana z pliku tablica, zostaje przekonwertowana na klaster, z którego rozdzielane są wszystkie zapisane wartości, a następnie wpisywane są one w odpowiednie elementy bloku Configuration. Fragmenty kodu programu służące do zapisu i odczytu pliku z parametrami stanowiska z bloku Configuration zostały przedstawione na rysunkach 3.16A i 3.16B. Rys. 3.16A Wykorzystanie funkcji Write to Speadsheet File do zapisu parametrów Configuration. 26

28 Rys. 3.16B Wykorzystanie funkcji Read from Speadsheet File do odczytu parametrów Configuration Adjustment Blok Adjustment jest wykorzystywany na etapie adiustacji włókna względem maski fazowej przed rozpoczęciem procesu naświetlania siatki. Wciśnięcie znajdujących się w bloku przycisków powoduje zmianę położenia stolika tak, że wiązka UV pada na punkty 0, 1, L, R. Każde przesunięcie odbywa się z prędkością określoną w oknie Maximum scanning velocity (mm/s). Widok bloku Adjustment został przedstawiony na rysunku Rys Widok bloku Adjustment. Używając bloku Adjustment można skorzystać z opcji Auto Shutter (opisanej poniżej w rozdziale ), która zapewnia automatyczne zamknięcie przesłony podczas ruchu stolika. Opis elementów bloku Adjustment: przesunięcia stolika do wybranej pozycji; przyciski powodujące rozpoczęcie 27

29 bezwzględnego 0mm); przycisk rozpoczynający kalibrację stolika (ruch do położenia przyciski odpowiedzialne za przesunięcie stolika do położeń krańcowych (położenia bezwzględne: -80mm oraz +80mm); Manual Mode Tryb manualny umożliwia niezależne obsługiwanie wszystkich oprogramowanych urządzeń. Odpowiadający mu blok Manual Mode podzielony został na 3 obszary odpowiadające sterowaniu: przesłoną (Beam Shutter), nanopozycjonerem (Nanopositioning) oraz przesuwem liniowym (UV beam positioning). Widok bloku programu do pracy w trybie manualnym został przedstawiony na rysunku Rys Widok bloku Manual Mode. Obszar Beam Shutter umożliwia użytkownikowi otwarcie/zamknięcie przesłony oraz włączenie opcji Auto Shutter powodującej automatyczne zamknięcie przesłony na czas ruchu przesuwu liniowego lub nanopozycjonera. Widok obszaru Beam Shutter został przedstawiony na rysunku

30 Rys Widok obszaru Beam Shutter w bloku Manual Mode. Opis elementów obszaru Beam Shutter: przycisk do otwierania/zamykania przesłony; na przycisku wyświetla się możliwa do wykonania operacja ( Open lub Close ); kontrolka informująca, w jakim stanie znajduje się przesłona; zaświecona oznacza przesłonę otwartą, zgaszona sygnalizuje jej zamknięcie; przycisk odpowiedzialny za włączenie automatycznego zamykania/otwierania przesłony podczas ruchów stolika oraz nanopozycjonera; Działanie Auto Shutter zostanie opisane na przykładzie użycia tej funkcji przy naświetlaniu siatki PS-FBG, ponieważ kluczowe jest, aby przesłona była zamknięta na czas przesunięcia maski fazowej względem włókna. Przed wykonaniem przesunięcia fazowego program sprawdza stan przesłony i jeżeli to konieczne, zamyka ją. Następuje ruch nanopozycjonera, a po jego zakończeniu przesłona otwiera się. W przypadku przesuwu liniowego funkcja Auto Shutter działa podobnie, z tą różnicą, że po wykonaniu ruchu stolika, przesłona nie otwiera się, aby wiązka laserowa nie naświetlała światłowodu. Zatem sekwencja wygląda następująco: zamknięcie przesłony, przesunięcie stolika. Obszar Nanopositioning w bloku Manual Mode umożliwia zmianę położenia nanopozycjonera, a zatem umieszczonej na nim maski fazowej względem włókna. Ponadto wyświetlane są informacje o bezwzględnym położeniu nanopozycjonera oraz przesunięciu względnym (wartość wykonanego przesunięcia odczytana na podstawie danych z nanopozycjonera pracującego w układzie z zamkniętą pętlą). Widok tego obszaru został przedstawiony na rysunku

31 Rys Widok obszaru Nanopositioning w bloku Manual Mode. Komunikacja z nanopozycjonerem odbywa się przy pomocy funkcji Call Library Function Node i wykorzystuje gotowe biblioteki dostarczone przez producenta urządzenia. Fragment kodu programu odpowiadający za ruch nanopozycjonera został przedstawiony na rysunku Rys Fragment kodu programu odpowiadający za wykonanie przesunięcia Opis elementów obszaru Nanopositioning: nanopozycjonera. w okienku tym definiowana jest wartość przesunięcia nanopozycjonera; ruch zostaje wykonany po wybraniu przycisku określającego jego kierunek; przyciski, których wciśnięcie powoduje rozpoczęcie ruchu nanopozycjonera o zadaną w Phase shift (nm) wartość w wybranym kierunku; 30

32 okno wyświetlające wartość o jaką przesunął się nanopozycjoner, jako różnicę położenia bezwzględnego przed i po wykonaniu przemieszczenia; przyciski powodujące rozpoczęcie przesunięcia napozozycjonera do krańcowych wartości położenia bezwzględnego (0;30 m); położenia nanopozycjonera; wskaźnik wyświetlający bezwzględne Obszar UV beam positioning w bloku Manual Mode odpowiada za sterowanie przesuwem liniowym, umożliwia określenie wartości przesunięcia oraz czasu trwania jego ruchu, a zatem istnieje możliwość definiowania prędkości skanowania maski fazowej wiązką UV. Widok obszaru UV beam positioning został przedstawiony na rysunku Rys Widok obszaru UV beam positioning w bloku Manual Mode. Fragment kodu programu odpowiadający za przesunięcie stolika został przedstawiony na rysunku

33 Rys Fragment kodu programu odpowiadający za przesunięcie stolika. Opis elementów bloku UV beam positioning: okno, w którym użytkownik definiuje wartość przesunięcia stolika (długość obszaru skanowania maski fazowej wiązką UV), które zostanie wykonane po wybraniu przycisku określającego jego kierunek; distance (mm) w wybranym kierunku; przyciski rozpoczynające ruch stolika o wartość Scanning okienko do określania czasu skanowania maski fazowej wiązką UV na długości definiowanej w oknie Scanning distance (mm); przycisk do ustawiania ruchu stolika z maksymalną prędkością Maximum scanning velocity (mm/s), zdefiniowaną w bloku Configuration; okno wyświetlające wartość prędkości przesunięcia stolika (prędkości skanowania maski fazowej wiązką UV); gdy wyżej opisany przycisk Maximum scanning velocity (mm/s) jest aktywny wyświetlana jest wartość pobrana 32

34 z Configuration; jeżeli przycisk jest nieaktywny wyświetlana prędkość jest wyznaczana na podstawie zależności ; służy do natychmiastowego zatrzymania ruchu przesuwu liniowego; Auto Mode Tryb automatyczny umożliwia zrealizowanie procesu naświetlania siatki Bragga w oparciu o zdefiniowane w rozdziale 3.1. sekcje. Określenie parametrów sekcji polega na uzupełnieniu klastrów (wierszy tabeli) znajdujących się w obszarze Grating Structure, gdzie jeden wiersz odpowiada jednej sekcji. Widok bloku Auto Mode został przedstawiony na rysunku Rys Widok bloku Auto Mode. Po zdefiniowaniu struktury poprzez uzupełnienie tabeli Grating structure możliwy jest zapis jej parametrów do pliku. Zapisywana jest tablica złożona ze wszystkich aktywnych klastrów oraz ukrytych parametrów dotyczących stolika, które są stałe dla każdej sekcji i określają czas w jakim urządzenie rozpocznie ruch oraz jego przyspieszenie. Widok przykładowego pliku z zapisanymi danymi został przedstawiony na rysunku

35 Rys Wygląd przykładowego pliku z zapisanymi danymi z tabeli Opis elementów bloku Auto Mode: Grating structure. jeżeli przycisk ten jest aktywny, proces naświetlania rozpocznie się w zdefiniowanym w Configuration punkcie L; jest to jednoznaczne z wykorzystywaniem maski fazowej o stałym okresie; okienko jest widoczne tylko, gdy wyżej opisany przycisk Start=L jest nieaktywny; wykorzystywane przy naświetlaniu przez maskę fazową ze zmiennym okresem, aby ustawić punkt startowy skanowania na początku jej okresu; przycisk rozpoczynający procedurę naświetlania; sekcję i definiujący jej parametry: - klaster (wiersz) reprezentujący jedną Section lenght (mm) określa wartość przesunięcia stolika w sekcji Exposure Time (s) definiuje czas naświetlania sekcji Shutter position określa stan przesłony podczas skanowania sekcji; jeżeli przycisk jest aktywny to przesłona zostanie otwarta przed przesunięciem stolika oraz zamknięta po jego zakończeniu; jeżeli jest nieaktywny przesłona pozostanie zamknięta przez cały czas procesu wykonywania danej sekcji. 34

36 Phase shift (nm) określa wartość przesunięcia fazowego w sekcji (wartość przesunięcia maski fazowej względem włókna realizowanej poprzez ruch nanopozycjonera); okno wyświetlające długość całkowitej naświetlanej struktury jako suma długości poszczególnych sekcji Section lenght (mm); element panelu z informacją o całkowitym czasie naświetlania struktury, definiowanym jako suma czasów nanoszenia poszczególnych sekcji Exposure time (s); okno, które wyświetla numer aktualnie wykonywanej sekcji struktury; okno, które przedstawia liczbę sekcji realizowanej struktury; przycisk umożliwiający zapis parametrów struktury do pliku; przycisk służący do wczytania parametrów struktury z pliku; Pozostałe elementy panelu Jak wspomniano na wstępie niniejszego rozdziału istnieją również na panelu programu elementy o charakterze informacyjnym, na które składają się: kontrolka informująca, czy trwa proces naświetlania struktury; naświetlania struktury; wskaźnik postępu procesu 35

37 bezwzględne w jakim znajduje się przesuw liniowy; wskaźnik wyświetlający położenie blok funkcjonalny, który przedstawia położenie położenie wiązki UV względem punktów L i R, zdefiniowanych w bloku Configuration. Jeżeli wiązka znajduje się poza obszarem roboczym maski fazowej (L;R), to informują o tym odpowiednia kontrolki, umieszczone na krańcach wskaźnika Relative position (mm); - przycisk służący do zakończenia pracy programu; 36

38 4. Weryfikacja poprawności działania stanowiska W celu zweryfikowania poprawności działania stanowiska naniesiono kilka siatek oraz zestawiono ich charakterystyki odbiciowe z przedstawionymi w rozdziale 2. Dokonano również sprawdzenia funkcjonalności programu, ponieważ przy naświetlaniu struktur wykorzystano oba tryby jego pracy. Wszystkie siatki zostały zapisane na światłowodach typu SMF28 domieszkowanych germanem, których efektywny współczynnik załamania n eff wynosił około 1,447. Zastosowana maska fazowa miała okres Λ PM = 1061nm, a moc wyjściowa lasera wynosiła 100mW. Zestawienie naświetlonych struktur zostało przedstawione w Tabeli 5. NUMER SIATKI RODZAJ SIATKI WYKORZYSTANY TRYB PROGRAMU 1 Jednorodna Manual 2 Z przesunięciem Manual fazowym 3 Z przesunięciem Manual fazowym 4 Z przesunięciem Auto fazowym 5 Superstrukturalna Auto Tabela 5. Zestawienie struktur naświetlonych wykonanych w celu weryfikacji działania stanowiska. Charakterystyki odbiciowe siatek Bragga zmierzono w układzie z szerokopasmowym źródłem światła i analizatorem widma (z wykorzystaniem jego najwyższej możliwej rozdzielczości równej 20pm), a następnie przeliczono je na skalę liniową oraz znormalizowano. Charakterystyki dla siatek 1-4 posiadają 4000 punktów pomiarowych, a dla siatki punktów pomiarowych. Pierwszą naświetloną strukturą była siatka jednorodna, której parametry zostały przedstawione w Tabeli 6. 37

39 PARAMETR WARTOŚĆ długość struktury [mm] 20 czas naświetlania [s] 200 Tabela 6. Parametry siatki 1. Charakterystyka odbiciowa struktury została zamieszczona na rysunku 4.1. Rys Znormalizowana charakterystyka odbiciowa siatki 1. Porównując otrzymaną charakterystykę odbiciową siatki 1 (Rys.4.1) z charakterystyką teoretyczną przedstawioną na rysunku 2.2. można dostrzec korelację kształtu. Różnice w szerokości spektralnej FWHM są spowodowane różnicą długości obu struktur. Zmierzona wartość λ B = 1535,7nm odpowiada warunkowi Bragga (1) dla wykorzystanej maski fazowej. Kolejną naświetloną strukturą była siatka z przesunięciem fazowym. Jej parametry zostały przedstawione w Tabeli 7. PARAMETR WARTOŚĆ długość struktury [mm] 20 ilość sekcji 2 długość sekcji [mm] 10 przesunięcie fazowe między sekcjami [nm]

40 całkowity czas naświetlania struktury [s] 400 Tabela 7. Parametry siatki 2. Charakterystyka odbiciowa struktury została zamieszczona na rysunku 4.2. Rys Znormalizowana charakterystyka odbiciowa siatki 2. Na znormalizowanej charakterystyce odbiciowej siatki 2 (Rys. 4.2) można dostrzec okno transmisji typowe dla siatki z przesunięciem fazowym, jednak nie jest ono tak głębokie, jak na charakterystyce siatki teoretycznej (Rys. 2.4.). W celu wykonania siatki z przesunięciem fazowym równym wartość przesunięcia maski fazowej względem włókna została obliczona jako Λ 265nm. Jednakże podczas wykonywania przesunięcia maski fazowej, szerokość wiązki lasera spowodowała lokalny wzrost efektywnego współczynnika załamania i zgodnie ze wzorem (6) wartość przesunięcia fazowego zmieniła się (była nieco większa od oczekiwanej), co jest widoczne na charakterystyce. Trzecią naniesioną strukturą była również siatka z przesunięciem fazowym. Modyfikacja względem poprzedniej polegała na zmniejszeniu długości struktury oraz zmniejszeniu wartości przesunięcia nanopozycjonera. Parametry siatki 3 zostały przedstawione w Tabeli 8. PARAMETR WARTOŚĆ długość struktury [mm] 10 39

41 ilość sekcji 2 długość sekcji [mm] 5 przesunięcie fazowe między sekcjami [nm] 250 całkowity czas naświetlania struktury [s] 400 Tabela 8. Parametry siatki 3. Charakterystyka odbiciowa struktury została zamieszczona na rysunku 4.3. Rys Znormalizowana charakterystyka odbiciowa siatki 3. Na charakterystyce z rysunku 4.3. można zaobserwować przesunięcie fazowe dokładnie w środku zakresu odbiciowego siatki, a zatem w tym przypadku udało się otrzymać siatkę z przesunięciem fazowym równym. Widoczne jest również, że szerokość spektralna FWHM siatki 3 jest większa niż w przypadku siatki 2, co jest spowodowane mniejszą długością struktury. Czwartą naświetloną strukturą była siatka z przesunięciem fazowym o parametrach identycznych z siatką 3, wykonana w trybie Auto. Parametry siatki 4 przedstawione zostały w Tabeli 9. PARAMETR WARTOŚĆ długość struktury [mm] 10 ilość sekcji 2 długość sekcji [mm] 5 przesunięcie fazowe między sekcjami [nm]

42 całkowity czas naświetlania struktury [s] 400 Tabela 9. Parametry naświetlonej siatki 4. Charakterystyka odbiciowa struktury została zamieszczona na rysunku 4.4. Rys Znormalizowana charakterystyka odbiciowa siatki 4. Kształt charakterystyki siatki z przesunięciem fazowym, wykonanej w trybie Auto (Rys. 4.4) jest podobny do tej z trybu Manual (Rys. 4.3). Podobnie, jak w przypadku siatki 3, szerokość spektralna FWHM siatki 4 jest większa niż siatki 2, co jest spowodowane krótszą długością struktury. Zaobserwowane przesunięcie na osi długości fali jest spowodowane tym, że światłowód, na który naniesiono siatkę 3 był użyty bezpośrednio po procesie wodorowania, przez co charakteryzował się większą fotoczułością, a zatem przy tych samych parametrach naświetlania uzyskano większy wzrost współczynnika załamania wyidukowanego przez UV, a tym samym większy efektywny współczynnik załamania światłowodu na którym jest siatka. Ze wzoru (1) wynika, że długość fali Bragga jest równa podwojonemu iloczynowi okresu siatki i efektywnego współczynnika załamania, dlatego charakterystyka odbiciowa siatki 3 przesunięta jest w kierunku fal dłuższych. Różnica w głębokości okna transmisyjnego siatki 3 i siatki 4 jest spowodowana rozdzielczością analizatora. Mimo dużej liczby punktów pomiarowych, odległych od siebie o 1pm, głębokość zmierzonego piku transmisyjnego jest mniejsza niż rzeczywista, ponieważ rozdzielczość analizatora widma (20pm) jest podobnego rzędu co szerokość okna transmisyjnego. 41

43 Piątą strukturą, która została naświetlona była siatka superstrukturalna wykonana w trybie Auto. Parametry siatki 5 zostały zestawione w Tabeli 10. PARAMETR WARTOŚĆ ilość sekcji z FBG 12 długość jednej sekcji z FBG [mm] 0,65* czas naświetlania jednej sekcji z FBG [s] 40 ilość sekcji bez FBG 11 długość jednej sekcji bez FBG [mm] 1,4** Tabela 10. Parametry siatki 5. * 0,65mm to suma szerokości wiązki laserowej (0,6mm) oraz wartości przesunięcia stolika (0,05mm) ** przesunięcia stolika wynosiło 2mm, jednak z powodu szerokości wiązki lasera (0,6mm) długość jednej sekcji bez FBG wynosi 1,4mm Charakterystyka odbiciowa siatki 5 została przedstawiona na rysunku 4.5. Rys Znormalizowana charakterystyka odbiciowa siatki 5. Na charakterystyce odbiciowej naświetlonej SFBG należy zwrócić uwagę na równą odległość między wąskimi maksimami reflektancji, zaobserwowaną również na charakterystyce eksperymentalnej z rysunku 2.6, charakterystyczną dla prawidłowo wykonanej siatki superstrukturalnej. Odległość między kolejnymi maksimami reflektancji można zapisać jako: 42

44 = (10) gdzie: P suma długości siatki FBG i odległości między siatkami. Korzystając ze wzoru (10) oraz parametrów siatki przedstawionych w Tabeli 10, wynika że teoretyczna odległość pomiędzy kolejnymi maksimami reflektancji wynosi: = Wartość zmierzona na charakterystyce to również 0,4nm zatem można stwierdzić, że siatka superstrukturalna naświetlona z wykorzystaniem stworzonego programu w trybie AUTO jest zgodna z założeniami teoretycznymi. To z kolei dowodzi poprawności działania zrealizowanego systemu.. Liczba prążków i odległość między nimi na charakterystykach siatek naświetlonej (Rys. 4.5.) oraz przedstawionej na rysunku 2.6. są inne, ze względu na różnice w budowie obu struktur, w szczególności ilość i długość sekcji z siatką oraz odległości między poszczególnymi siatkami. 43