Politechnika Warszawska Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych Instytut Systemów Elektronicznych DOROTA HERMAN. Nr indeksu:

Transkrypt

1 Politechnika Warszawska Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych Instytut Systemów Elektronicznych DOROTA HERMAN Nr indeksu: Praca Inżynierska BADANIA TERMICZNE I STARZENIOWE SIATEK BRAGGA WYKONANYCH NA PRZEWĘŻENIACH ŚWIATŁOWODOWYCH Praca wykonana pod kierunkiem dr. inż. Tomasza Osucha Warszawa, 2014

2 Badania termiczne i starzeniowe siatek Bragga na przewężeniach światłowodowych Celem niniejszej pracy było zbadanie stabilności w funkcji czasu parametrów siatek Bragga wykonanych na wodorowanych przewężeniach światłowodowych na podstawie obserwacji ich charakterystyk spektralnych, a w szczególności dyspersyjnych. W tym celu zestawiono i oprogramowano stanowisko do jednoczesnego pomiaru obu charakterystyk oraz dokonano jego walidacji, a następnie wykorzystano je do dokonania pomiarów siatek na przewężeniach (TFBG) podczas wygrzewania metodą izotermiczną. Zaprezentowano podstawy teoretyczne dotyczące struktur TFBG oraz badań starzeniowych, na podstawie których dokonano analizy otrzymanych wyników. Zastosowano również model przyspieszonego starzenia dla badanych siatek oraz przedstawiono wnioski z wykonanych eksperymentów. Należy podkreślić unikalność prezentowanych wyników. Jak dotąd nie przeprowadzono badań starzeniowych siatek na przewężeniach, ani obserwacji charakterystyk dyspersyjnych siatek podczas tego procesu. Thermal and aging tests of tapered fiber Bragg gratings The objective of this work was to examine thermal stability of tapered fiber Bragg gratings parameters written in hydrogen-loaded fiber based on observation their spectral as well as dispersion characteristics. For this purpose the system for simultaneous measurement of both characteristics was built, automatized as well as validated and then it was used for isothermal annealing of tapered fiber Bragg gratings (TFBGs). The theoretical basis of TFBGs and accelerated-aging tests for experimental results analysis, were presented. The model of accelerated-aging for measured gratings has been applied and conclusions have been drawn. It is worth to emphasize that presented results of aging tests of TFBGs as well as observations of their dispersive characteristics due to aging process are original and have not been yet published in scientific literature.

3 SPIS TREŚCI 1. WSTĘP ŚWIATŁOWODOWE SIATKI BRAGGA ZJAWISKO FOTOCZUŁOŚCI BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA SIATKI BRAGGA RODZAJE SIATEK BRAGGA METODY NANOSZENIA SIATEK BRAGGA Metoda interferometryczna Maska fazowa Metoda punkt po punkcie SIATKA BRAGGA NA PRZEWĘŻENIU ŚWIATŁOWODOWYM BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA PODSTAWOWE WŁASNOŚCI WYTWARZANIE SIATEK BRAGGA NA PRZEWĘŻENIACH ŚWIATŁOWODOWYCH Wytwarzanie przewężeń Nanoszenie siatek na przewężenia BADANIA STARZENIOWE SIATEK BRAGGA STARZENIE SIATEK MODELE STARZENIA BADANIA TERMICZNE I STARZENIOWE SIATEK BRAGGA NA PRZEWĘŻENIACH ŚWIATŁOWODOWYCH STANOWISKO POMIAROWE Opis stanowiska Oprogramowanie stanowiska Walidacja stanowiska BADANIA TERMICZNE SIATEK BRAGGA NA PRZEWĘŻENIACH ŚWIATŁOWODOWYCH Opis próbek oraz metodyka pomiarów Analiza wyników... 38

4 5.3 BADANIA STARZENIOWE SIATEK BRAGGA NA PRZEWĘŻENIACH ŚWIATŁOWODOWYCH PODSUMOWANIE PRACY LITERATURA A. DODATEK I B. DODATEK II

5 1. WSTĘP W ostatnich latach obserwujemy niezwykle gwałtowny rozwój telekomunikacji. Szacuje się, że w 2015 roku w sieci Internet zostanie przesłanych zettabajt (10 21 bajta) danych [1], a biorąc pod uwagę transmisję danych w sieciach lokalnych liczba ta będzie wielokrotnie większa. Takie ilości danych i konieczność zapewnienia coraz to większych prędkości oraz jakości ich przesyłania stawia ogromne wymagania wobec technologii. Przełomowym momentem w rozwoju technik przesyłania danych było opracowanie w latach 60-tych XX wieku włókna szklanego do transmisji sygnału optycznego, dzięki czemu dzisiaj posiadamy łącza zapewniającego nieosiągalne dotąd przepustowości oraz wyjątkowo niskie straty transmisyjne. Był to początek niezwykle prężnie rozwijającej się telekomunikacji światłowodowej. Światłowody znalazły również szereg zastosowań w innych dziedzinach przede wszystkim w systemach czujnikowych [2,3] oraz w technice laserowej [4]. W 1989 r. opracowano technikę nanoszenia na rdzeń światłowodu siatek Bragga (FBG ang. fiber Bragg gratings). Od tego momentu struktury te zyskały ogromną popularność zarówno w telekomunikacji jak i w tematyce czujników ze względu na swoje szczególne właściwości zdolność do odbijania fal o określonej długości oraz wysoką czułość temperaturową i naprężeniową. W wyniku przeprowadzonej w ciągu ostatnich 20 lat ogromnej ilości badań w tym obszarze opracowano wiele ciekawych rodzajów siatek (min. siatki jednorodne, chirped, skośne, apodyzowane, długookresowe) znajdując dla nich szereg różnorodnych zastosowań (np. filtry, multipleksery/demultipleksery w systemach WDM (ang. wave division multiplexing), kompensatory dyspersji, czujniki temperatury, czujniki naprężenia). Jednym z interesujących typów siatek są siatki Bragga naniesione na przewężenie światłowodowe strukturę szeroko stosowaną w technice światłowodowej, np. w konstrukcji sprzęgaczy. Szczególną cechą siatek Bragga na przewężeniach (TFBG ang. tapered fiber Bragg grating) jest ich relatywnie szeroki zakres spektralny oraz liniowa charakterystyka dyspersyjna. Struktury TFBG znajdują zastosowanie nie tylko jako kompensatory dyspersji (ze względu na liniową charakterystykę opóźnienia grupowego) ale również w bardziej wyszukanych realizacjach jak np. czujniki naprężeń niezależne od temperatury [5], czujniki poziomu cieczy [6], pomiaru współczynnika załamania [7] i inne [8]. W niniejszej pracy przeprowadzono badania termiczne i starzeniowe siatek TFBG. Głównym celem było zaobserwowanie charakteru zmian parametrów spektralnych i dyspersyjnych w funkcji temperatury i czasu. Znajomość zachowania się struktur w podwyższonej temperaturze oraz stabilności ich parametrów w funkcji czasu jest niezwykle 5

6 istotna dla zapewnienia poprawnej pracy elementu przez cały okres jego użytkowania. W systemach telekomunikacyjnych WDM wymaga się zgodności elementów z zadanymi parametrami podczas pracy przez okres około 25 lat w zakresie temperatur od -40 do 80 C. Badania siatek TFBG są aktualnym tematem prowadzonych prac badawczych w Zespole Światłowodowych Czujników i Systemów Pomiarowych Instytutu Systemów Elektronicznych. Chociaż badania starzeniowe prowadzone są od początku historii siatek, przedstawione w pracy wyniki są unikatowe. Dotychczas nie prowadzono takich eksperymentów na siatkach na przewężeniach światłowodowych, ani nie dokonano nigdy wcześniej obserwacji charakterystyk dyspersyjnych siatek w procesie wygrzewania. Ze względu na ciekawe właściwości struktury TFBG (liniową charakterystykę dyspersyjną oraz unikalną zależność naprężeniową) mogą znaleźć zastosowanie m.in. jako kompensatory dyspersji, czy czujniki naprężenia/temperatury. Od takich elementów wymagana jest niezawodna praca przez okres wielu lat, dlatego niezwykle istotne jest poznanie zmienności ich parametrów w czasie. Praca została podzielona na dwie części: wstęp teoretyczny wprowadzający do zagadnienia (rozdziały 2-4) oraz część dotyczącą praktycznej realizacji tematu (rozdziały 5-7). W rozdziale 2 przybliżona została tematyka klasycznych jednorodnych siatek Bragga. Rozdział 3 przedstawia pokrótce teorię siatek TFBG. W rozdziale 4 przedstawione zostały dotychczasowe osiągnięcia w dziedzinie badań starzeniowych oraz zaprezentowano znane z literatury modele starzenia. Rozdział 5 poświęcony jest części eksperymentalnej i zawiera kolejno prezentację wykonanego stanowiska pomiarowego, następnie wyniki badań termicznych siatek, a na końcu wynik przeprowadzonego modelowania starzenia TFBG. Wnioski oraz podsumowanie pracy zawarto w rozdziale 6. W dodatku na końcu pracy załączono artykuł D. Herman, T. Osuch, T. Kossek, Validation of the automated system for simultaneous spectral transmission/reflection and dispersion characteristics measurement of fiber Bragg gratings and optical fibers, Proc. SPIE Vol. 8903, Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry and High-Energy Physics Experiments 2013, 89030S, dotyczący zrealizowanego na potrzeby pracy systemu pomiarowego oraz poster pt. Accelerated-aging tests of fiber Bragg gratings written in hydrogen loaded tapered optical fibers, w którym przedstawiono wyniki przeprowadzonych badań termicznych i starzeniowych, zaprezentowany na konferencji 15th Conference on Optical Fibers and Their Applications w Białymstoku Lipowym Moście w 2014 r. 6

7 2. ŚWIATŁOWODOWE SIATKI BRAGGA Po raz pierwszy struktura nazywana siatką Bragga zapisana została przez zespół K. Hill a w roku 1978 podczas badań z użyciem światłowodu domieszkowanego germanem oraz promieniowania lasera argonowego z zakresu widzialnego [9]. Zauważono, że światło wprowadzone do włókna z czasem ulega coraz większemu wstecznemu odbiciu. Był to efekt okresowych zmian współczynnika załamania rdzenia światłowodu powstałych w miejscu maksimów fali stojącej wytworzonej poprzez nałożenie się fali propagującej wzdłuż światłowodu oraz odbitej wstecznie od jego końca (tzw. proces samoistnego zapisu wewnętrznego). Odkryto tym samym zjawisko tzw. fotoczułości. Przełomowym momentem w prowadzonych od 1978 r. intensywnych badaniach nad fotoczułością i powstałymi w jej wyniku strukturami było opracowanie w 1989 r. przez G. Meltza i in. metody zewnętrznego naświetlania włókna wzorem świetlnym utworzonym w wyniku interferencji dwóch wiązek promieniowania o długości 244 nm [10]. Metoda ta stosowana do dziś pod nazwą metody interferometrycznej pozwoliła na swobodne kształtowanie okresu nanoszonej struktury, dzięki czemu możliwe stało się nanoszenie siatek odbijających fale o długościach fali z zakresu obejmującego wszystkie trzy okna telekomunikacyjne (a zatem co najmniej nm). Od tamtej chwili siatki Bragga ze względu na swoje wyjątkowe właściwości cieszą się ogromnym i wciąż rosnącym zainteresowaniem ze strony zarówno branży telekomunikacyjnej (zapewniając niemal 100% odbicie idealne do zastosowań we wszelkiego rodzaju filtrach, multiplekserach, etc.) jak i czujnikowej (ze względu na wysoką czułość temperaturową i naprężeniową). Zaproponowano prostą i zapewniającą wysoką powtarzalność metodę nanoszenia siatek za pomocą tzw. maski fazowej [11], opracowano szereg nowych rodzajów siatek o rozmaitym rozkładzie i profilach zmian współczynnika załamania. Potencjał siatek Bragga daje więc ogromne możliwości ich wykorzystania w wielu dziedzinach techniki. 2.1 ZJAWISKO FOTOCZUŁOŚCI Mając na uwadze rozpatrywanie starzenia siatek Bragga, będące tematem tej pracy, warto przedstawić podstawy zjawiska odpowiadającego za zmiany współczynnika załamania powstające przy naświetlaniu niektórych typów włókien światłowodowych. Za przyczynę zjawiska fotoczułości uważa się występujące w materiale fotoczułego światłowodu defekty strukturalne powstające w procesie wytwarzania preformy światłowodowej. Idealna struktura SiO 2 składa się z czworościennych układów zbudowanych z atomów Si połączonych ze sobą poprzez atomy tlenu (tzw. mostki tlenowe). W zdefektowanym materiale powstają jednak także inne wiązania (tzw. wrong bondings), np. połączenie Si-Si bez mostka tlenowego, Si-Ge czy cząstki GeO x (x = 1 do 4) obecne w światłowodach domieszkowanych germanem. Są one 7

8 odpowiedzialne za absorbcję w zakresie UV (maksimum absorpcyjne dla 244 nm). W wyniku oświetlenia światłem z zakresu tego promieniowania dochodzi do zerwania zdefektowanych wiązań, co prowadzi do zmiany struktury powodującej lokalną zmianę współczynnika załamania rdzenia. Aby zwiększyć wartość zmian współczynnika załamania można wydłużyć czas naświetlania siatki. Jednak metoda ta jest ograniczona nasycaniem się siatki (grating saturation), kiedy to kontynuacja naświetlania nie powoduje dalszych zmian współczynnika załamania. Stosuje się też silniejsze domieszkowanie germanem, co prowadzi do większej liczby zdefektowanych wiązań odpowiedzialnych za występowanie fotoczułości. Metoda ta wymaga współdomieszkowania borem, aby utrzymać odpowiednią różnicę współczynników załamania rdzenia i płaszcza światłowodu. Najpowszechniej stosowaną metodą zwiększenia fotoczułości pozwalającą na uzyskanie dużych zmian współczynnika załamania podczas naświetlania jest tzw. wodorowanie. Proces ten polega na utrzymywaniu włókna przez odpowiedni czas (zazwyczaj około tygodnia) w podwyższonym ciśnieniu w atmosferze wodoru. Taki zabieg pozwala na zwiększenie fotoczułości światłowodów o standardowej zawartości germanu. 2.2 BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA SIATKI BRAGGA Siatką Bragga nazywa się okresową zmianę współczynnika załamania rdzenia światłowodu. Najprostszym przykładem takiej struktury jest jednorodna siatka Bragga (ang. uniform fiber Bragg grating) o stałym okresie. Zmiany współczynnika załamania w rdzeniu światłowodu wpływają na warunki propagującego w nim modu. Napotykając na każdą kolejną zmianę współczynnika załamania fala świetlna ulega częściowemu odbiciu. Dla pewnej długości fali, spełniającej tzw. warunek Bragga następuje konstruktywna interferencja fal odbitych od kolejnych periodów, dzięki czemu obserwuje się silne odbicie danej długości fali od struktury siatki. Długość fali braggowskiej bezpośrednio zależy od efektywnego współczynnika załamania rdzenia światłowodu (n eff ) oraz okresu siatki (Λ) i opisana jest wzorem: λ B = 2n ef f Λ, (1) Fale o długościach niespełniających warunku Bragga propagują przez siatkę niemal bezstratnie (straty są rzędu 0,1 db), nie reagując z jej strukturą. Jednorodna siatka Bragga naniesiona na włókno jednomodowe jest więc przykładem filtru pasmowo zaporowego w dziedzinie optycznej, z tą tylko różnicą, że w przeciwieństwie do klasycznych filtrów fala rezonansowa nie jest tłumiona, a zostaje odbita w kierunku przeciwnym do propagacji sygnału. Poziom odbicia zależy między innymi od długości siatki. Nieskończenie długa siatka odbija całą moc fali spełniającej warunek Bragga, jednak nawet dla niewielkich zmian współczynnika załamania (rzędu 10-4 ) można zapewnić niemal 100% odbicie przy siatce 8

9 o długości kilku mm. Rys. 2.1 przedstawia schemat oraz zasadę działania jednorodnej siatki Bragga, przy czym nie jest on w skali liczba okresów w stosunku do długość siatki jest wielokrotnie większa (długość okresu dla siatki odbijającej fale z zakresu najczęściej stosowanego trzeciego okna transmisyjnego (ok nm) wynosi około 0,5 µm). Rys.2.1. Schemat oraz ilustracja zasady działania jednorodnej siatki Bragga. Wraz ze wzrostem amplitudy zmian współczynnika załamania następuje wzrost reflektancji oraz poszerzenie pasma siatki mierzonego zazwyczaj w połowie wysokości widma (FWHM Full Width at Half Maximum). Wielkość amplitudy zmian współczynnika załamania możemy zwiększyć m.in. poprzez wydłużenie czasu naświetlania, bądź zwiększenie fotoczułości włókna. Omawiając podstawowe parametry siatek Bragga należy wspomnieć również o ich zależności od temperatury i naprężenia. Obydwa parametry wpływające na okres Λ oraz efektywny współczynnik załamania n eff a zatem na długość fali odbitej od siatki, zależą od temperatury ( T) jak i naprężenia ( l) zgodnie ze wzorem [12]: λ 2 Λ 2 Λ (2) Pierwszy człon równania (2) określa wpływ przyłożonej do siatki siły rozciągającej na jej parametry. W wyniku naprężenia zmienia się zarówno okres siatki jak i efektywny współczynnik załamania (zmiana n eff następuje w wyniku tzw. efektu elastooptycznego). Drugi człon natomiast przedstawia wpływ temperatury na strukturę siatki, która również odpowiada za zmianę zarówno okresu siatki jak i efektywnego współczynnika załamania 9

10 rdzenia światłowodu. Czułość temperaturowa siatki 1550 nm, wykonanej na standardowym światłowodzie telekomunikacyjnym wynosi około 13,7 pm/ C [12]. Z przedstawionych powyżej zależności widać, że jakakolwiek zmiana długości fali Bragga wywołana działaniem czynników zewnętrznych na siatkę wynika zarówno z zależności termicznej jak i naprężeniowej. Oznacza to, że nie można określić jednoznacznie wartości wpływu tylko jednego z tych czynników na zmianę parametrów siatki. Nie da się więc wykorzystując pojedynczą jednorodną siatkę Bragga wykonać czujnika pozwalającego zmierzyć zmianę temperatury (naprężenia) przy jednoczesnej zmianie naprężenia (temperatury). Jest to jednak możliwe z wykorzystaniem innych typów siatek, np. siatki wykonanej na przewężeniu światłowodowym. 2.3 RODZAJE SIATEK BRAGGA W efekcie szeroko rozpowszechnionych badań nad siatkami Bragga opracowano wiele interesujących modyfikacji klasycznej jednorodnej struktury braggowskiej. Podziału siatek Bragga można dokonać ze względu na różne ich cechy. Najbardziej intuicyjnym wydaje się być podział ze względu na kształt rozkładu zmian współczynnika załamania rdzenia światłowodu. Na podstawie tego kryterium możemy wyróżnić m.in.: -Jednorodne siatki Bragga (opisane dokładniej w podrozdziale 2.2) Charakteryzują się stałym okresem zmian współczynnika załamania (rys. 2.2) o prążkach prostopadłych do osi światłowodu. Siatki jednorodne posiadają wąski zakres spektralny (w przypadku siatek nienasyconych (patrz rozdz. 2.1)) odwrotnie proporcjonalny do ich długości oraz charakterystyczne listki boczne będące skutkiem wielokrotnych odbić od przeciwnych końców siatki (można je zminimalizować poprzez zastosowanie apodyzacji [12]). Jest to najprostszy rodzaj siatki Bragga. Rys. 2.2 Ilustracja rozkładu zmian współczynnika załamania siatki jednorodnej oraz jej przykładowe widmo [13]. - Zmiennookresowe siatki Bragga (ang. CFBG chirped fiber Bragg grating) Jest to struktura o zmiennym wzdłuż osi światłowodu okresie, przez co w różnych fragmentach siatki odbijają się fale o różnych długościach. Efektem takiego rozkładu zmian współczynnika załamania jest relatywnie szeroki zakres spektralny odbijanego 10

11 promieniowania. Szczególną cechą CFBG jest liniowa charakterystyka dyspersyjna. Rys. 2.3 przedstawia schemat siatki oraz zasadę jej działania. Siatki tego typu są stosowane jako kompensatory dyspersji chromatycznej, ponieważ każda z fal spełniających warunek Bragga ulega odbiciu w innym miejscu siatki, przez co pokonuje różną drogę ulegając innemu opóźnieniu. Rys. 2.3 Schemat oraz zasada działania siatki o zmiennym okresie [12]. - Siatki Bragga z przesunięciem fazy (ang. phase shifted fiber Bragg gratings) Struktura siatki z przesunięciem fazy powstaje w wyniku rozsunięcia dwóch siatek jednorodnych względem siebie o równowartość połowy okresu (πfbg). Efektem jest otrzymanie siatki o widmie przedstawionym na rys. 2.4 posiadającym charakterystyczne maksimum transmisji w środku zakresu spektralnego. Rys. 2.4 Ilustracja oraz przykładowe widmo siatki z przesunięciem fazy [13]. - Skośne siatki Bragga (ang. tilted fiber Bragg gratings) Rozkład zmian współczynnika załamania siatki skośnej został przedstawiony na rys Propagująca się fala padając na obszar zmiany współczynnika załamania rdzenia o takim kształcie odbijana zostaje po kątem θ i skierowana w stronę płaszcza, przez co znaczna część mocy przekazywana jest do modów płaszczowych. Dochodzi do sprzężenia nie tylko modów rdzeniowych propagujących w przeciwnych kierunkach (wzdłuż siatki oraz odbitych wstecznie taki typ sprzężenia jest charakterystyczny dla jednorodnej FBG) ale również do sprzężenia modów rdzeniowych z modami płaszczowymi, co prowadzi do powstania wielu pików rezonansowych w widmie transmisyjnym siatki. Rys. 2.5 przedstawia przykładowe 11

12 widmo transmisyjne siatki takiego typu, na którym widać efekt sprzęgania modów płaszczowych w postaci serii rezonansów po stronie fal krótszych, pojedynczy pik wynikający ze sprzężenia modów rdzeniowych propagujących w przeciwnych kierunkach oraz silny pik rezonansowy (po lewej stronie rezonansu braggowskiego) dla tzw. modu ghost, pojawiający się przy małych kątach nachylenia θ dla modów płaszczowych niskich rzędów. W zastosowaniach siatek skośnych korzysta się z zależności rozkładu rezonansów modów płaszczowych od wielu czynników zewnętrznych, których zmiana nie ma wpływu na rezonans modów rdzeniowych, przez co nie mogłaby zostać wykryta przy użyciu siatki standardowej. Rys. 2.5 Ilustracja oraz przykładowe widmo transmisyjne siatki z przesunięciem fazy [13]. - Siatki długookresowe (ang. long period gratings) Siatki długookresowe, to siatki o rozkładzie zmian współczynnika załamania prostopadłym do osi włókna, ale o okresach znacznie większych niż w standardowych siatkach Bragga (> 100 µm). Z taką budową siatki związane są zupełnie inne warunki propagacji światła niż w pozostałych strukturach. W siatce długookresowej następuje sprzężenie modu podstawowego z propagującymi w tym samym kierunku modami płaszczowymi. Na widmie transmisyjnym obserwuje się kolejne piki rezonansowe odpowiadające sprzężeniom modu rdzeniowego z kolejnymi modami płaszczowymi (rys. 2.6). Charakterystyka spektralna takiej siatki jest bardzo wrażliwa na zmianę parametrów otoczenia (np. współczynnik załamania) i z tego powodu wykorzystuje się ją szczególnie chętnie w aplikacjach czujnikowych. Rys. 2.6 Ilustracja oraz przykładowe widmo transmisyjne siatki długookresowej [14]. 12

13 Omówione pokrótce przykłady siatek to siatki wykonywane na standardowym włóknie światłowodowym. Niniejsza praca dyplomowa dotyczy innego rodzaju siatek siatek wykonywanych na włóknie przewężanym. Mimo, iż nanoszony na przewężenie wzór ma stały okres, siatki te mają pewne szczególne właściwości. Ich cechą charakterystyczną jest zmiana efektywnego współczynnika załamania rdzenia wzdłuż przewężenia. Ten rodzaj siatek będzie dokładniej omawiany w rozdziale METODY NANOSZENIA SIATEK BRAGGA Metoda interferometryczna Metoda ta, jak już wspomniano we wstępie do tego rozdziału, została opracowana w 1989 r. i była pierwszym sposobem zapisu siatki poprzez naświetlanie zewnętrznej strony włókna. Stosowana wcześniej metoda zapisu wewnętrznego ściśle uzależniała okres otrzymywanych struktur od długości fali promieniowania użytego do zapisu, przez co nie było możliwości swobodnego i kontrolowalnego doboru długości fali rezonansowej siatki. Problem ten został wyeliminowany w metodzie interferometrycznej nanoszenia siatek. Jej schemat został przedstawiony na rys Rys Schemat metody interferometrycznej nanoszenia siatek Bragga [15]. Promieniowanie laserowe o określonej długości fali rozdzielane jest przez płytkę światłodzielącą na dwie spójne wiązki. Tworzą one na powierzchni fotoczułego włókna obraz interferencyjny, w wyniku którego powstaje struktura FBG. Metoda ta pozwala na regulację okresu siatki niezależnie od długości fali promieniowania poprzez zmianę kąta padania interferujących wiązek. Zależność okresu od kąta θ określona jest wzorem: λ B = n eff λ uv / n uv sin(θ/2), (3) gdzie λ B to długość fali Bragga, n eff efektywny współczynnik załamania rdzenia, λ uv długość fali lasera, n uv współczynnik załamania światłowodu w UV, a θ to kąt pomiędzy 13

14 interferującymi na włóknie wiązkami. Metoda interferometryczna wymaga wysokiej koherencji lasera, aby powstał wzór interferencyjny. Ponadto układ jest wrażliwy na jakiekolwiek zaburzenia interferujących wiązek. Aby otrzymać dowolną długość fali Bragga elementy opto-mechaniczne układu muszą być niezmiernie precyzyjne i zapewniać dużą powtarzalność ustawienia Maska fazowa Jedną z najbardziej efektywnych technik nanoszenia siatek jest metoda maski fazowej (ang. phase mask method). Polega ona na oświetleniu maski fazowej struktury dyfrakcyjnej utworzonej ze szkła kwarcowego monochromatyczną wiązką z zakresu UV (rys. 2.8). Ugięte na masce wiązki rzędów ±1 tworzą tuż za nią interferencyjny wzór. Parametry maski fazowej są tak dobierane, aby minimalizować moc 0 rzędu ugięcia wiązki, a maksymalizować wiązki rzędu ±1 (każda z nich zawiera ponad 1/3 mocy całej mocy). Okres powstałej tą metodą siatki jest dwukrotnie mniejszy od periodu maski fazowej: Λ = Λ pm / 2 (4) gdzie Λ okres powstałej siatki, Λ pm period maski fazowej. Siatki można wykonywać również poprzez skanowanie maski fazowej, co pozwala na wytwarzanie siatek o długościach większych niż rozmiar wzoru interferencyjnego. Układ do takiego nanoszenia wyposażony musi być dodatkowo w mechanizm przesuwu wiązki UV względem maski fazowej. Rys. 2.8 Metoda nanoszenia siatek Bragga za pomocą maski fazowej [16]. Prezentowany sposób naświetlania zapewnia bardzo wysoką powtarzalność parametrów wytworzonych struktur, a przy tym jest jedną z najprostszych metod zapisu siatek. Ze względu na umieszczenie światłowodu bezpośrednio za maską fazową zminimalizowany jest problem wrażliwości mechanicznej układu. Wadą tej metody jest fakt, że daną maską fazową możemy wykonywać siatki o jednym konkretnym okresie. Aby uzyskać siatkę dla innej długości fali Bragga należy użyć innej maski fazowej. Dobór odpowiedniej maski 14

15 pozwala uzyskać siatki o różnym profilu zmian współczynnika załamania (np. o zmiennym okresie), a zmieniając jej położenie względem osi światłowodu możemy uzyskać np. siatki skośne Metoda punkt po punkcie Metoda ta zgodnie z nazwą polega na naświetlaniu światłowodu punkt po punkcie ogniskując wiązkę promieniowania w kolejnych punktach na powierzchni włókna (rys. 2.9). Rys. 2.9 Ilustracja metody nanoszenia siatek punkt po punkcie [17]. Metoda ta wykorzystywana jest głównie do nanoszenia siatek długookresowych (>100 µm), które nie wymagają tak wysokiej dokładności pozycjonowania jak siatki standardowe ale mimo to stanowisko do nanoszenia siatek punkt po punkcie wymaga dokładnego mechanizmu przesuwającego, pozycjonującego układ włókno - wiązka laserowa. 15

16 3. SIATKA BRAGGA NA PRZEWĘŻENIU ŚWIATŁOWODOWYM Jedną z technik powszechnie wykorzystywanych w technologii światłowodowej jest termiczne przewężanie włókien. Mechanizm ten pozwala na wykonywanie pojedynczych elementów biernych np. ekspanderów modu [18], czy bardziej złożonych struktur takich jak sprzęgacze optyczne [19]. W 1993 r. po raz pierwszy naniesiono na przewężony fragment światłowodu siatkę Bragga [20]. Od tego czasu siatki na przewężeniach światłowodowych (ang. tapered fiber Bragg gratings) cieszą się dużym zainteresowaniem i znajdują coraz to więcej zastosowań, szczególnie w dziedzinie czujników. Niniejsza praca poświęcona jest badaniom termicznym i starzeniowym takich struktur. W celu łatwiejszego zrozumienia i interpretacji wyników praktycznych konieczne jest przybliżenie podstawowych informacji na temat budowy, zasady działania, technologii wytwarzania i właściwości siatek TFBG, czemu poświęcony został ten rozdział. 3.1 BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA Badane w ramach tej pracy siatki TFBG zostały zapisane na przewężeniach termicznych (tj. przewężeniach powstałych w wyniku rozciągania rozgrzanego włókna). Idea działania struktur TFBG jest zbliżona do siatek o zmiennym okresie (CFBG) w obu przypadkach mamy do czynienia z pewnym zakresem spektralnym długości fal odbijanych od odpowiednich obszarów siatki. Różnica polega na tym, że w strukturach CFBG zakres długości fal rezonansowych wynika ze zmiany okresu siatki, podczas, gdy efektywny współczynnik załamania rdzenia jest stały w całej jej długości. W strukturach TFBG sytuacja jest odwrotna przy stałym okresie siatki przyczyną poszerzenia jej zakresu spektralnego jest zmieniający się wraz ze średnicą przewężenia efektywny współczynnik załamania rdzenia dla modu podstawowego (rys. 3.1). Korzyścią płynącą z tak unikalnej cechy siatek na przewężeniach jest inna niż dla tych o stałym efektywnym współczynniku załamania zależność ich parametrów od naprężenia, co sprawia, że nie tylko mogą stanowić alternatywę dla zastosowań z wykorzystaniem siatek CFBG, ale dają całkiem nowe możliwości rozwiązań szczególnie w zakresie pomiarów temperatury i naprężenia. 16

17 1.452 n eff n cladd 1.45 n core n eff Rys. 3.1 Zmiana efektywnego współczynnika załamania w funkcji średnicy rdzenia światłowodu przewężonego [21]. Zgodnie ze wzorem (1) zmiana efektywnego współczynnika załamania powoduje zmianę długości fali braggowskiej, której wartość w danym punkcie przewężenia w osi siatki (z) możemy zapisać w następujący sposób: d [m] x 10-6 λ B (z) = 2n ef f (z)λ, (4) Rys. 3.2 przedstawia sposób w jaki struktura siatki naniesiona jest na przewężenie oraz ilustruje zasadę jej działania. Efektywny współczynnik załamania maleje wraz ze zmniejszaniem się średnicy rdzenia, dlatego zgodnie z warunkiem (4) fale krótsze ulegną odbiciu w węższym miejscu przewężenia, natomiast fale dłuższe w szerszym. Rys.3.2 Schemat siatki Bragga na przewężeniu światłowodowym wykonanym metodą termiczną. Na rysunku λ1>λ PODSTAWOWE WŁASNOŚCI Jak napisano wcześniej, pod względem zasady działania siatki TFBG są podobne do klasycznych siatek z chirpem (CFBG). Z tego faktu wynikają pewne wspólne dla nich cechy charakterystyczne. Są to przede wszystkim relatywnie szeroki zakres spektralny oraz charakterystyka dyspersyjna. Zakres spektralny siatki TFBG wynika bezpośrednio z jej zasady działania, czyli z faktu odbijania fal o różnych długościach, zależnie od fragmentu 17

18 przewężenia. Przy stałym okresie o długości fali braggowskiej decyduje wartość efektywnego współczynnika załamania rdzenia dla modu podstawowego, który zależy od średnicy przewężenia. Zakres spektralny zależy więc od profilu przewężenia, długości stożka na jakim naniesiona jest siatka jak również od okresu (zgodnie ze wzorem (4)). Zgodnie ze wzorem (4) im większa różnica średnicy rdzenia na końcach siatki tym szerszy będzie zakres spektralny (dla siatki o takim samym okresie). Rys. 3.3 Kształt charakterystyki spektralnej odbiciowej TFBG dla różnych długości siatki: a) 1,7 mm b) 5 mm c) 8,3 mm d) 11,7 mm e) 15 mm f) 20 mm [22]. Siatki TFBG posiadają w przybliżeniu liniową charakterystykę dyspersyjną w swoim zakresie spektralnym, która wynika z naniesienia siatki na fragment przewężenia o jak najbliższej liniowej zmianie efektywnego współczynnika załamania rdzenia. Szerokości spektralne omawianych w tej pracy siatek (ok. 3 nm) pozwalają określić, że taki zakres na charakterystyce z rys. 3.1 to średnice przewężenia 4,5 9 µm (średnica rdzenia nieprzewężonego). Opóźnienie grupowe jest spowodowane różnicami w drodze propagacji dla różnych długości fali Bragga (im głębiej w strukturę siatki wnika fala o danej długości zanim ulegnie odbiciu tym większe jest jej opóźnienie). Ponieważ droga propagacji zależy od rozkładu zmian efektywnego współczynnika załamania rdzenia, którego charakter można uznać za liniowy, dlatego zmiany opóźnienia grupowego w funkcji długości fali również są liniowe. Na rys. 3.4 pokazano przykładową charakterystykę spektralną odbiciową siatki wykonanej na przewężeniu światłowodowym. Jej szerokość spektralna wynosi ok. 3 nm. Rys. 3.5 przedstawia wykres opóźnienia grupowego dla tej samej siatki. 18

19 Poziom mocy optycznej [dbm] Długość fali [nm] Rys.3.4 Widmo promieniowania odbitego od siatki TFBG. 80 Opóźnienie grupowe[ps] , , Długość fali [nm] Rys. 3.5 Charakterystyka opóźnienia grupowego siatki TFBG. Linią czerwoną zaznaczono zmierzoną charakterystykę, natomiast linią czarną jej liniową aproksymację. Szczególnie istotną właściwością siatek TFBG (odróżniającą je od CFBG) jest charakterystyczna zmiana kształtu ich widma pod wpływem naprężenia. Na skutek przyłożonej siły rozciągającej wzdłuż osi światłowodu następuje wydłużenie jego struktury. Zgodnie z prawem Hooke a wydłużenie fragmentu włókna ( L) jest proporcjonalne do działającej siły (F) oraz odwrotnie proporcjonalne do pola jego przekroju poprzecznego (S): L=K F L 0 /S, (5) gdzie K, to odwrotność modułu Young a dla szkła kwarcowego, a L 0 to długość nierozciągniętego odcinka światłowodu. Wynika stąd, że odcinki przewężenia o zróżnicowanej średnicy ulegną różnemu lokalnemu wydłużeniu (im większa średnica tym mniejsze wydłużenie). Skutkiem tego zjawiska jest przesunięcie charakterystyki spektralnej siatki na przewężeniu w stronę fal dłuższych, przy czym zmiany te będą znacznie większe od strony fal krótkich, ze względu na przedstawioną wyżej zależność. Rys. 3.6 obrazuje zmianę kształtu charakterystyki spektralnej odbiciowej TFBG wskutek naprężenia. 19

20 Rys. 3.6 Widmo promieniowania odbitego od siatki TFBG dla różnych naprężeń określonych jako zmiana długości siatki w wyniku naprężenia: L=0 (linia ciągła), L=0,06 mm (linia przerywana), L=0,14 mm (linia kropkowana)[22]. W wyniku bezpośredniej zależności charakterystyk spektralnej i dyspersyjnej, przebieg opóźnienia grupowego również ulega zmianie. Ponieważ charakterystyka spektralna ulega zawężeniu, tak więc przebieg opóźnienia zwiększy swoje nachylenie (ta sama zmiana opóźnienia na węższym zakresie długości fal). Siatki TFBG ze względu na opisaną zależność zmian charakterystyki spektralnej od naprężenia doskonale nadają się do wykorzystania przy pomiarze temperatury i naprężenia w warunkach jednoczesnej zmiany obu parametrów, albowiem w przeciwieństwie do standardowych siatek FBG zmiany wydłużenia w funkcji naprężenia są różne od tych wynikających z rozszerzalności termicznej materiału [5]. Jednym z ciekawych zastosowań wynikających z liniowej charakterystyki opóźnienia grupowego siatki TFBG może być (podobnie jak w przypadku CFBG) kompensacja dyspersji chromatycznej. W porównaniu do siatki CFBG siatka na przewężeniu charakteryzuje się zmiennością nachylenia charakterystyki opóźnienia grupowego pod wpływem naprężenia, co pozwala na stworzenie przestrajalnego kompensatora dyspersji chromatycznej. 20

21 3.3 WYTWARZANIE SIATEK BRAGGA NA PRZEWĘŻENIACH ŚWIATŁOWODOWYCH Wytwarzanie przewężeń Pierwszym krokiem do otrzymania struktury TFBG jest wytworzenie przewężenia w światłowodzie. Są one wykonywane jedną z dwóch metod: poprzez wytrawianie płaszcza światłowodu w roztworze kwasu fluorowodorowego HF (ang. etched tapers [23]) bądź poprzez rozciąganie rozgrzanego włókna (and. fused tapers [24]). Pierwszy sposób polega na zanurzeniu światłowodu w roztworze kwasu, a następnie jego powolnym wysuwaniu. Efektem tak przeprowadzonego procesu jest wytrawienie warstwy płaszcza (rys. 3.6). Rys. 3.6 Ilustracja przewężenia światłowodowego wykonanego metodą wytrawienia w kwasie HF Drugi sposób polega na podgrzewaniu włókna (np. przez laser CO 2 [25], bądź przez przesuwający się wzdłuż światłowodu palnik o precyzyjnie kontrolowanym składzie i przepływie gazów mieszanki propan-butan-tlen [26]) przy jednoczesnym jego rozciąganiu. Światłowód można rozciągać na dwa sposoby. Jednym z nich jest rozciąganie grawitacyjne światłowód w pozycji pionowej przymocowany zostaje jednym końcem do układu kolumny z palnikiem, a jego swobodnie zwisający drugi koniec zostaje obciążony niewielkim ciężarem (kilka g). Rozciąganie włókna następuje pod wpływem siły grawitacyjnej, a tempo procesu można regulować zmieniając obciążenie (nie wpływa to na zmianę profilu przewężenia). Drugim sposobem jest przymocowanie obu końców światłowodu do układu, w którym wiszący poziomo światłowód rozciągany jest za pomocą sterowanego silnika liniowego. W wyniku tego procesu zmienia się zarówno średnica płaszcza jak i średnica rdzenia rozciąganego światłowodu. Przewężenia mogą mieć różny profil zależny od parametrów procesu ich wykonywania [27]. Siatki badane na potrzeby tej pracy zostały wykonane na przewężeniach o profilu w przybliżeniu liniowym przedstawionym na rys

22 Rys. 3.7 Ilustracja przewężenia światłowodowego wykonanego metodą termiczną Nanoszenie siatek na przewężenia Siatki Bragga nanoszone są na stożek przewężenia światłowodu z wykorzystaniem tych samych metod, którymi naświetla się standardowe struktury na włóknach nieprzewężonych. A zatem są to techniki: interferencyjna oraz maski fazowej. Struktury TFBG opracowane na potrzeby tej pracy zostały wykonane drugą z wymienionych metod, wobec czego tylko ona zostanie precyzyjniej opisana. Jednym z głównych problemów technologicznych przy naświetlaniu siatek na przewężeniu jest konieczność precyzyjnego pozycjonowania wzoru interferencyjnego względem profilu przewężenia - siatkę naświetla się na jego części stożkowej. Każde przesunięcie wzoru świetlnego wzdłuż osi stożka bezpośrednio wpływa na zakres spektralny otrzymanej siatki, dlatego niezbędne są zarówno możliwość dokładnego zlokalizowania kształtu przewężenia, jak i umiejętność precyzyjnego przemieszczania światłowodu względem maski fazowej. Okazuje się również [26], że ze względu na niewielkie rozmiary poprzeczne przewężenia, jest ono bardzo podatne na wszelkie wygięcia bądź naprężenia, co stwarza dodatkowe wymagania względem właściwego ustawienia fragmentu stożka w układzie. 22

23 4. BADANIA STARZENIOWE SIATEK BRAGGA 4.1 STARZENIE SIATEK Siatkę Bragga w najprostszy sposób można opisać, jako periodyczną zmianę współczynnika załamania o okresie zapewniającym konstruktywną interferencję promieniowania odbitego od jej prążków o określonej długości fali. Okazuje się, że z upływem czasu indukowana amplituda zmian współczynnika powstała w wyniku naświetlenia fotoczułego włókna światłem UV maleje. Przyczyny tego zjawiska należy szukać w mechanizmie zapisu siatki. Ponieważ nie jest on do końca jasno określony, przedstawiane w literaturze wyjaśnienia zjawiska degradacji siatek mają charakter hipotez. Jak wspomniano w rozdziale 2.1 zjawisko fotoczułości związane jest z występującymi w materiale światłowodu defektami. Rys. 4.1 przedstawia typowe defekty, które według przypuszczeń są odpowiedzialne za absorbcję w zakresie UV. Czarne kropki oznaczają elektrony, o których mowa w dalszej części opisu mechanizmu starzenia. Rys Defekty występujące w materiale światłowodu odpowiedzialne za zjawisko fotoczułości [28]. Proces starzenia siatek objawia się spadkiem poziomu reflektancji, zawężeniem pasma oraz przesunięciem widma w stronę fal krótszych [29]. Spadek wartości współczynnika odbicia następuje w wyniku uwolnienia elektronów uwięzionych podczas naświetlania siatki w stanach pułapkowych o określonych energiach. Na rys. 4.1 zobrazowano to zjawisko. 23

24 Rys a) Ilustracja rozkładu energii stanów pułapkowych po naświetleniu siatki b) Ilustracja uwalniania elektronów po dostarczeniu energii E d [28]. W momencie naświetlenia fotoczułego włókna nośniki z pasma absorpcyjnego 5 ev (wartość odpowiadająca 244 nm) są wzbudzane do wyższych stanów energetycznych, a ich część zostaje uwięziona w stanach pułapkowych o różnych energiach (oś E na rys. 4.2.a). Kiedy do takiego materiału zostanie dostarczona energia E d (w omawianym w tym rozdziale przypadku energia w postaci ciepła) nośniki ze stanów pułapkowych o energiach mniejszych niż E d zostają uwolnione przechodząc do pasma przewodnictwa (rys. 4.2.b), co powoduje spadek wyindukowanej podczas naświetlania siatki lokalnej wartości współczynnika załamania. Nośniki ulegają również samoczynnemu uwalnianiu ze stanów pułapkowych, więc z czasem coraz większa ich liczba znajdzie się w paśmie przewodnictwa. Zależnie od modelu przyjmuje się różny typ rozkładu energii stanów pułapkowych. W wyniku zwiększania temperatury oraz/lub czasu, w którym w danej temperaturze przetrzymywane są siatki, uwalniane zostają nośniki z głębszych stanów energetycznych. Prowadzi to do zmniejszenia wytworzonych w trakcie naświetlania siatki zmian współczynnika załamania i tym samym do zmniejszenia poziomu reflektancji. Zaobserwowano, że zmiany te mają określony charakter. Po umieszczeniu siatki w podwyższonej temperaturze w początkowych chwilach następują szybkie zmiany widma, które po określonym czasie ulegają stabilizacji. Dotychczas przeprowadzono liczne badania dotyczące degradacji siatek różnych typów. Obserwowano, jak od parametrów siatek bądź sposobu ich nanoszenia zależy ich stabilność: Sposób nanoszenia siatki: Zbadano siatki naniesione laserem o pracy ciągłej oraz laserem impulsowym [29]. Zauważono, że sposób naświetlania siatki nie ma wpływu na jej stabilność, niezależnie od tego, czy włókno było poddane wodorowaniu (rys.4.3). 24

25 Rys Zmiany reflektancji w funkcji temperatury dla siatek naniesionych laserem o pracy ciągłej (pełne kropki i kwadraty) oraz o pracy impulsowej (puste kropki i kwadraty) [29]. Wodorowanie włókna: Zwiększanie fotoczułości włókna poprzez przetrzymywanie przez określony czas w atmosferze wodoru zmniejsza stabilność termiczną naniesionych na takie włókno siatek (rys. 4.4) [29]. Podejrzewa się, że siatki na włóknach wodorowanych posiadają szerszy rozkład energii stanów pułapkowych, stąd ich odmienna charakterystyka starzenia:: Rys Stabilność temperaturowa siatek na włóknach wodorowanych (linia ciągła) i fotoczułych domieszkowanych borem [29]. Wartość zmian współczynnika załamania [30]: Stabilność siatek wykonanych na włóknach wodorowanych jest zależna od wyindukowanej różnicy współczynnika załamania. Siatki słabe wykazują najniższą stabilność termiczną, natomiast siatki nasycone są najbardziej stabilne (rys. 4.5). Struktury wykonane na włóknach fotoczułych (dodatkowo domieszkowanych borem) nie wykazują zależności ich stabilności od wartości zmian współczynnika załamania (rys.4.6.) 25

26 Rys Stabilność temperaturowa dla siatek słabych (trójkąty), silnych (kwadraty) i nasyconych (kółka) wykonanych na włóknach wodorowanych [31]. Rys Stabilność temperaturowa dla siatek słabych (trójkąty), silnych (kwadraty) i nasyconych (kółka) wykonanych na włóknach standardowych borowo-germanowych [31]. W celu ustabilizowania parametrów siatki przeprowadza się proces tzw. przyspieszonego starzenia (ang. accelerated aging) polegający na wygrzaniu siatki przez określony czas, potrzebny do usunięcia najmniej stabilnych stanów energetycznych uwięzionych nośników. Im niższa temperatura tym degradacja siatki postępuje wolniej, dlatego proces celowego postarzania siatki w niskiej temperaturze zajmowałby sporo czasu. Wiadomo jednak, że można przyspieszyć proces postarzania poprzez zwiększenie temperatury wygrzewania [28]. W celu odpowiedniego doboru temperatury oraz czasu procesu opracowano modele starzenia. 26

27 4.2 MODELE STARZENIA W celu skutecznego przeprowadzenia procesu przyspieszonego starzenia oraz właściwego dobrania jego parametrów musiano opracować modele matematyczne obserwowanego eksperymentalnie zjawiska. Pierwsze modele starzenia siatek Bragga zostały przedstawione przez Erdogana i in. w [28]. Wyniki zostały opracowane na podstawie badań siatek o stałym okresie wykonanych laserem impulsowym przy pomocy metody interferometrycznej na włóknie germanowym domieszkowanym erbem. W zaprezentowanym modelu do określenia poziomu degradacji siatki korzysta się z tzw. stałej sprzężenia (ICC integrated coupling constant), której wartość jest proporcjonalna do zmiany współczynnika załamania wywołanej w trakcie naświetlania siatki niezależnie od rodzaju struktury: ICC = tanh -1 ( 1 ), (4) gdzie T min, to wartość transmisji dla długości fali Bragga w skali liniowej. Wartość ICC mierzy się w trakcie wygrzewania siatki metodą izotermiczną (ang. ITA isothermal annealing). Metoda izotermiczna polega na wygrzewaniu siatki w jednej ustalonej temperaturze. Czas potrzebny za zaobserwowanie momentu stabilizacji parametrów siatki podczas wygrzewania tą metodą zależy od temperatury ale zazwyczaj wymaga przynajmniej kilku dni. Otrzymane wartości ICC normalizuje się do wartości wyznaczonej w momencie umieszczenia siatki w ustalonej temperaturze otrzymując NICC (ang. normalized coupling constant). Charakter zmian NICC podczas wygrzewania został opisany funkcją czasu, tzw. power law: NICC =, (5) gdzie t, to czas po jakim wykonano pomiar, a t 1 = 1 w jednostkach, w których mierzono czas t, aby zapewnić bezwymiarowość parametru A oraz wykładnika α - parametrów starzenia zależnych odpowiednio wykładniczo i liniowo od temperatury. Znajomość zmienności parametrów A i α pozwala odczytać ich wartości dla zadanej temperatury, dzięki czemu możliwe jest wyliczenie czasu wymaganego do otrzymania pożądanej wartość NICC w danej temperaturze. Okazało się jednak, że model ten nie nadaje się do modelowania zmian wartości reflektancji w wyniku starzenia siatek wykonanych na włóknach wodorowanych [30]. Ze względu na silną zależność charakterystyki starzenia od rodzaju siatki (tj. rodzaju lasera użytego do zapisu siatki, poziomu reflektancji, rodzaju włókna na jaki została naniesiona, czy amplitudy zmian współczynnika załamania) opracowano również modyfikację modelu power law opartą na logarytmicznej podstawie czasu, tzw. log time 27

28 model [31], która dawała zadowalające wyniki przy badaniu siatek na włóknach wodorowanych. Jego opracowanie zostało przeprowadzone na podstawie wygrzewania siatek w czasie kilku tysięcy godzin. Uniwersalnym dla wszystkich typów siatek, niezależnie od rodzaju włókna wydaje się być przedstawiony również przez Erdogana i in. w [28] model z użyciem krzywej starzenia (ang. master aging curve). Jego idea opiera się na wyznaczeniu zależności NICC od parametru starzenia zwanego energią demarkacyjną, definiowanego jako: E d = ktln(v 0 t), (6) gdzie k to stała Boltzmanna, T temperatura wygrzewania, t czas, a v 0 jest stałą w wymiarze częstotliwości dobieraną tak, aby punkty pomiarowe otrzymane dla każdej z mierzonych temperatur leżały na jednej krzywej. Przykładowy przebieg krzywej starzenia przedstawia rys Podobnie jak w przypadku poprzednich modeli mając eksperymentalnie wyznaczoną wartość parametru v 0 można określić dowolny zestaw parametrów czas temperatura i odczytać wartość NICC. Na podstawie nachylenia krzywej starzenia można określić rozkład energii defektów odpowiedzialnych za zmianę współczynnika załamania. Rys Krzywa starzenia [31]. Krzywą starzenia można otrzymać również wygrzewając siatkę metodą ICA (ang. isochronal annealing). Polega ona na zmienianiu temperatury skokowo, tj. o ustaloną wartość co ustalony czas. W ten sposób można znacznie przyspieszyć czas procesu potrzebny do wyznaczenia krzywej starzenia otrzymując ten sam efekt [33]. 28

29 W dotychczas prowadzonych badaniach starzeniowych siatek Bragga skupiano się przede wszystkim na siatkach jednorodnych. Poza tym zbadano również siatki chirped [34, 35] ale jedynie pod kątem charakterystyk spektralnych. W Zakładzie Mikrosystemów i Systemów Pomiarowych ISE PW prowadzone są aktualnie badania nad siatkami TFBG. Jednym z zagadnień jest określenie stabilności siatek na przewężeniach, ze szczególnym uwzględnieniem wpływu procesu przyspieszonego starzenia na charakterystyki opóźnienia grupowego. 29

30 5. BADANIA TERMICZNE I STARZENIOWE SIATEK BRAGGA NA PRZEWĘŻENIACH ŚWIATŁOWODOWYCH 5.1 STANOWISKO POMIAROWE W celu realizacji zaplanowanych badań konieczne było opracowanie stanowiska pomiarowego, które umożliwiłoby jednoczesny pomiar charakterystyk spektralnych oraz dyspersyjnych badanych elementów [36]. Tego rodzaju specyfika pomiaru była niezbędna ponieważ w trakcie wygrzewania siatka ulega trwałej degradacji zmieniając swoje parametry. Wszystkie badania zostały przeprowadzone w laboratorium Instytutu Łączności - Państwowego Instytutu Badawczego w Warszawie Opis stanowiska Projektując stanowisko w pierwszej kolejności należało wybrać metodę pomiaru opóźnienia grupowego. Opracowano wiele metod, zazwyczaj pod kątem pomiarów dyspersji chromatycznej światłowodów. Najczęściej zalecaną metodą, uważaną za jedną z najdokładniejszych jest metoda przesunięcia fazowego (ang. Phase Shift Method). Jej idea opiera się na pomiarze różnicy faz (ϕ) pomiędzy zmodulowanym amplitudowo sygnałem z wąskopasmowego, przestrajalnego źródła optycznego przetransmitowanego przez badany element, a fazą elektrycznego sygnału modulującego. Pomiar powtarzany jest zgodnie z wybranym krokiem przestrajania lasera przez cały zakres spektralny w jakim opóźnienie grupowe ma zostać zmierzone. Na podstawie zmierzonych wartości różnicy faz (ϕ λ± λ/2 ) dla dwóch sąsiednich długości fali, zmiana opóźnienia grupowego jest obliczana zgodnie z poniższym wzorem [37]: τ λ = φ φ λ λ λ + 2 λ f m, (1) gdzie λ jest krokiem z jakim przestrajany jest laser w nm, a f m jest częstotliwością sygnału modulującego w Hz. Mnożnik został zastosowany, aby otrzymać wynik w pikosekundach (rząd wielkości typowy dla TFBG). Na rys. 5.1 przedstawiono schemat układu do pomiaru charakterystyk spektralnych odbiciowych z jednoczesnym pomiarem opóźnienia grupowego siatek Bragga. Rys. 5.2 przedstawia ten sam układ skonfigurowany do pomiaru w trybie transmisyjnym. 30

31 Rys Schemat układu do jednoczesnego pomiaru charakterystyk spektralnych odbiciowych i dyspersyjnych siatek Bragga z możliwością badań termicznych. Rys Schemat układu do pomiaru charakterystyk spektralnych transmisyjnych siatek Bragga umożliwiający w przypadku innych komponentów (np. światłowodów) również jednoczesny pomiar charakterystyk dyspersyjnych. Zapewnia możliwość badań termicznych. Źródłem modulowanego sygnału optycznego w zaprezentowanym układzie jest laser przestrajalny. Źródłem elektrycznego sygnału modulującego jest generator w. cz. o częstotliwości do 1,35 GHz. Sygnał elektryczny z generatora rozdzielany jest na sygnał doprowadzany do wejścia woltomierza wektorowego oraz drugi podawany na wejście modulatora M-Z. Następnie sygnału z lasera zmodulowany zgodnie z charakterystyką sygnału z generatora, wprowadzany jest bezpośrednio do elementu badanego (tryb transmisyjny), 31

32 bądź do elementu badanego poprzez cyrkulator (tryb odbiciowy). Sygnał optyczny z wyjścia elementu badanego (tryb transmisyjny), bądź wyjścia cyrkulatora (tryb odbiciowy) przekazywany jest do detektora optycznego, który dokonuje konwersji sygnału optycznego na sygnał elektryczny. W trakcie badań termicznych badana struktura jest umieszczana w piecu. Dodatkowo laser, generator, detektor oraz woltomierz wektorowy połączone są poprzez magistralę GPIB do komputera, na którym znajduje się oprogramowanie napisane specjalnie na potrzeby tej pracy w celu wygodnej obsługi każdego z urządzeń, automatyzacji procesu akwizycji danych pomiarowych i wyzwalania pomiaru w odpowiednich chwilach czasowych. Laser przestrajalny jest w zakresie nm z rozdzielczością 0,1 pm. Jego dokładność wynosi ±10 pm, a maksymalna moc wyjściowa to +4 dbm. Zakres spektralny detektora to nm, natomiast modulator pracuje poprawnie w zakresie drugiego i trzeciego okna telekomunikacyjnego do ok nm, powyżej którego obserwuje się już wysokie straty zmodulowanego sygnału (insertion loss). Wynika z tego, że zakres pomiarowy ograniczony jest z dołu przez zakres spektralny lasera (1495 nm) oraz z góry przez zakres poprawnej pracy modulatora (1600 nm). W trybie odbiciowym należy wziąć pod uwagę również ograniczenie cyrkulatora pasmem około 70 nm, gdzie centralną długością fali jest 1550 nm. Należy również mieć na uwadze, że straty wtrąceniowe elementów toru pomiarowego zależą od długości fali, przez co mimo możliwości ustalenia stałej wartości mocy na wyjściu lasera przy pomiarach w szerokich zakresach spektralnych należy dokonywać pomiaru odniesienia. Ponieważ badane na potrzeby tej pracy siatki są elementami o małej szerokości spektralnej (ok. 4 nm) z zakresu trzeciego okna telekomunikacyjnego, nie było w tym przypadku konieczności wykonywania takiego pomiaru. Otrzymanie metodą przesunięcia fazowego charakterystyki dyspersyjnej o wysokiej rozdzielczości wymaga dużej ilości pomiarów oraz wykonania na podstawie każdego z nich niezbędnych obliczeń, dlatego istnieje potrzeba automatyzacji całego procesu. W tym celu napisane zostało oprogramowanie do wygodnej obsługi stanowiska Oprogramowanie stanowiska Do stworzenia oprogramowania mającego na celu automatyzację pomiarów starzeniowych będących treścią tej pracy wybrano środowisko LabView ze względu na jego popularność oraz bardzo intuicyjną obsługę. Rys. 5.3 przedstawia główny panel programu. 32

33 Rys Panel główny programu do automatycznych pomiarów charakterystyk spektralnych i dyspersyjnych siatek Bragga. Panel programu składa się z dwóch oddzielnych części. Lewa strona pozwala na zmianę ustawień obsługiwanych urządzeń. Z poziomu programu steruje się generatorem w.cz. (Generator), gdzie możliwe jest ustawienie poziomu sygnału, częstotliwości oraz włączenie, bądź wyłączenie sygnału (ON/OFF). Wybór częstotliwości modulacji wpływa na zakres zmian fazy w pomiarze opóźnienia grupowego. W celu otrzymania możliwie dużej rozdzielczości pomiaru opóźnienia grupowego należy odpowiednio dobrać krok pomiarowy oraz częstotliwość modulacji [38]. Maksymalna wartość częstotliwości ograniczona jest z góry poprzez największy mierzalny zakres zmian fazy równy ± 180. W programie zaimplementowana została poprawka na przekroczenie zmian fazy o dodatkowe ± 180, dzięki czemu należy tak dobrać częstotliwość, żeby zmieścić się w zakresie zmian ± 360 w celu uniknięcia efektu tzw. aliasingu [38]. Pokrętło Avarage służy do ustawienia poziomu uśredniania pomiarów woltomierza wektorowego. Kolejne cyfry odpowiadają wykładnikowi liczby 10 określającej ilość pomiarów, na podstawie których wyznaczana jest wartość średnia. Kolejny segment (Spectral Range) służy do ustawiania zakresu i kroku długości fali pomiaru. Sekcja Optical Power odpowiada za ustawienie mocy wyjściowej lasera. Maksymalna wartość moc optyczna wynika z wybranego wcześniej zakresu zmian długości fali i zostaje tak dobrana, aby zapewnić stałą wartość mocy na wyjściu w całym zakresie pomiarowym. Możliwy jest też wybór maksymalnej możliwej mocy, jednakże w tym przypadku warunek stałej wartości poziomu mocy w zakresie pomiarowym nie jest zapewniony. Pole Element 33

34 Selection umożliwia wybór pomiędzy typem mierzonego elementu, ponieważ program może służyć także do obserwacji dyspersji chromatycznej światłowodów. Opcja Measurement schedule służy do ustalenia harmonogramu pomiarów, czyli chwil czasowych, w których mają być wyzwalane kolejne z nich. Automatyczne wyzwalanie pomiarów o zadanej godzinie jest niezwykle przydatną funkcjonalnością, szczególnie przy badaniach starzeniowych siatek Bragga metodą izotermiczną, kiedy konieczne jest przeprowadzanie regularnych pomiarów przez okres co najmniej kilku dni. Każdy pomiar zapisywany jest do pliku.txt wraz z datą i godziną, co ułatwia późniejszą analizę wyników. Prawa część panelu programu odpowiada za prezentację wyników. Możliwa jest jednoczesna obserwacja przebiegów opóźnienia grupowego, fazy, charakterystyki spektralnej, a w przypadku światłowodów również dyspersji chromatycznej Walidacja stanowiska W celu sprawdzenia poprawności działania zaprojektowanego stanowiska oraz oprogramowania dokonano porównania zmierzonych charakterystyk spektralnych odbiciowych wzorcowej siatki z chirpem (CFBG) zmierzonej w trybie odbiciowym (rys. 5.4) oraz dla porównania przy użyciu optycznego analizatora widma (OSA, ang. Optical spectrum analyzer) i szerokopasmowego źródła LED (ang. Light emitting diode dioda elektroluminescencyjna) (rys. 5.5). Pomiarów dokonano przy rozdzielczości analizatora widma ustawionej na 0,1 nm, równej wartości kroku pomiarowego zaprojektowanego stanowiska. Liczba próbek w mierzonym zakresie równym 20 nm wynosiła Porównując obie charakterystyki widać, że szerokość spektralna mierzonej siatki w obu przypadkach wynosi około 12 nm. Różnica poziomu mocy optycznej wynika z zastosowanego źródła światła w przypadku prezentowanego systemu był to laser o znacznie większej mocy wyjściowej niż źródło LED. Można zaobserwować, że odległość pomiędzy poziomem szumów a maksimum poziomu odbicia jest w obu przypadkach zbliżona. Charakterystyka otrzymana za pomocą analizatora widma wydaje się być gładsza w zakresie spektralnym siatki. Jest to efekt uśredniania wyniku pomiarowego wewnątrz zakresu odpowiadającego wybranej rozdzielczości pomiaru analizatora. Pomimo drobnych różnic, można stwierdzić, że wyniki pomiarów każdą z metod dają spójne wyniki, co potwierdza prawidłowe działanie zaprezentowanego układu pomiarowego. 34

35 Poziom mocy optycznej [dbm] Opóźnienie grupowe [ps] Długość fali[nm] Rys Charakterystyka spektralna odbiciowa i dyspersyjna wzorcowej siatki chirped zmierzona z wykorzystaniem prezentowanego w pracy układu. Rys Charakterystyka spektralna odbiciowa wzorcowej siatki chirped zmierzona optycznym analizatorem widma. Przeprowadzono również walidację systemu pod kątem poprawności pomiarów charakterystyk opóźnienia grupowego. W tym celu zmierzono w zakresie 1530 nm 1540 nm wzorcową siatkę chirped o znanych parametrach (n eff = 1,447, λ/l = 0,506 nm/mm, gdzie λ to szerokość pasma odbitego od siatki, a L to jej długość). Teoretyczne opóźnienie 35

36 grupowe zostało wyznaczone jako różnica czasów propagacji fal o długościach równych granicom mierzonego zakresu (tj nm oraz 1530 nm), zgodnie ze wzorem: τ(λ) = t 2 t 1 = 2 n eff (l 0 + L)/c n eff l 0 /c 0 = 2 n eff L/c 0 = 2 n eff λ/(c 0 CC), (2) gdzie c 0 to prędkość światła w próżni, a λ = λ 2 λ 1. Opóźnienie grupowe zmierzone za pomocą przedstawionego układu zostało wyznaczone z nachylenia liniowej aproksymacji zmierzonej charakterystyki. 250 Opóźnienie grupowe [ps] τ = 19,573x R² = 0,9956 zmierzona charakterystyka liniowa aproksymacja Długość fali[nm] Rys Charakterystyka opóźnienia grupowego wzorcowej siatki chirped zmierzona zaprojektowanym układem oraz jej liniowa aproksymacja. Wyniki przedstawiono w tab Różnica pomiędzy wartością zmierzoną a teoretyczną opóźnienia grupowego wynosi 3,15%. Tab. 5.1 Porównanie wartości opóźnienia grupowego wyznaczonego na podstawie teorii oraz zmierzonego doświadczalnie w prezentowanym układzie. Sposób wyznaczenia Opóźnienie grupowe [ps] Teoretyczny 193,07 Doświadczalny 199,34 Walidacja zaprojektowanego systemu wykazała, że układ działa poprawnie i może być z powodzeniem wykorzystany do pomiarów zarówno charakterystyk dyspersyjnych jak i spektralnych siatek Bragga. 5.2 BADANIA TERMICZNE SIATEK BRAGGA NA PRZEWĘŻENIACH ŚWIATŁOWODOWYCH Opis próbek oraz metodyka pomiarów W celu przeprowadzenia badań termicznych i starzeniowych użyto siatek na przewężeniach światłowodowych wykonanych w laboratorium światłowodowych siatek Bragga Zakładu Mikrosystemów i Systemów Pomiarowych ISE PW. Przewężenia wykonane zostały metodą 36

37 termiczną na standardowym jedomodowym włóknie telekomunikacyjnym domieszkowanym germanem. Następnie struktury w celu fotouczulenia włókna zostały umieszczone w atmosferze wodoru w temperaturze pokojowej pod ciśnieniem barów przez okres dwóch tygodni. Na tak przygotowany przewężony fragment światłowodu naniesione zostały siatki metodą maski fazowej z wykorzystaniem fali świetlnej z zakresu UV o długości 244 nm z lasera argonowego o pracy ciągłej i mocy 100 mw. Przeprowadzono badania dwóch serii siatek wykonanych w odstępie około roku od przeprowadzenia pomiarów, w którym to czasie przechowywane były w temperaturze pokojowej. Każda z siatek zmierzona została przy pomocy opisanego w poprzednim rozdziale stanowiska. Pierwszym pomiarem każdej ze struktur był pomiar charakterystyki spektralnej oraz dyspersyjnej zarówno w trybie transmisyjnym jak i odbiciowym w temperaturze 25 C. Następnie mierzona siatka umieszczana była wraz z czujnikiem temperatury w nagrzanym do ustalonej wartości piecu. Umieszczenie czujnika w bezpośrednim otoczeniu siatki miało na celu wyeliminowanie błędu określenia temperatury spowodowanego ewentualnym gradientem jej rozkładu w komorze pieca. Wygrzewanie przeprowadzone zostało metodą izotermiczną w trzech kolejnych temperaturach: 114 C, 200 C oraz 300 C (dla serii 1) oraz w 124 C, 200 C oraz 300 C (dla serii 2) ustalonych z dokładnością ± 6%. Wybór metody wygrzewania został dokonany ze względu na właściwość użytego pieca, wymagającego odpowiednio długiej stabilizacji temperatury. Dzięki automatyzacji pomiarów znacznie dłuższy czas przeprowadzania pomiarów wymagany przy zastosowaniu metody izotermicznej nie stanowił problemu. W ciągu 48 h wygrzewania w każdej z temperatur rejestrowane były jednocześnie charakterystyki spektralne odbiciowe oraz dyspersyjne badanych struktur w krótkich odcinkach czasu w początkowej fazie pomiarów, stopniowo zwiększając czas pomiędzy kolejnymi zapisami. Duża częstość pomiarów w początkowej fazie wygrzewania wynikała z faktu, iż w tym czasie charakterystyka spektralna siatki ulegała bardzo szybkim zmianom. W celu porównania charakterystyk przed oraz po wygrzaniu dokonano pomiarów zarówno w trybie transmisyjnym jak i odbiciowym każdej z siatek po schłodzeniu z powrotem do temperatury 25 C. Każda z siatek zmierzona została przy jednakowych ustawieniach systemu. Pomiary charakterystyk przed oraz po wygrzaniu wykonane zostały z krokiem 0,025 nm, natomiast charakterystyki w trakcie wygrzewania z krokiem 0,05 nm. Dobór kroku w trakcie wygrzewania podyktowany był koniecznością odpowiednio krótkiego czasu pomiaru, aby poprawnie zarejestrować szybko zmieniające się parametry mierzonej siatki, szczególnie w wysokich temperaturach. Czas pojedynczego pomiaru wynosił około 1 minuty. Częstotliwość generatora ustawiona została na wartość 800 MHz, na podstawie pomiarów 37

38 pierwszej zmierzonej siatki tak, aby obserwować przebieg opóźnienia grupowego bez przeskoków wynikających z opisanego w poprzednim rozdziale problemu związanego ze zmianą fazy o więcej niż 360. Warto również dodać, że cały proces pomiarowy przeprowadzony był w pomieszczeniu laboratoryjnym zapewniającym stabilne warunki klimatyczne: temperatura (23 ± 2 C) i wilgotności (45 ± 15%) Analiza wyników W tej części rozdziału dokonana została analiza otrzymanych podczas eksperymentu charakterystyk bazując na przedstawionych w części teoretycznej niniejszej pracy modelach starzenia oraz informacjach dotyczących zmian charakterystyk spektralnych dotychczas badanych typów siatek w procesie wygrzewania. Ponieważ podstawowe charakterystyki siatek na przewężeniach zostały przedstawione w poprzednich rozdziałach pokazane zostaną od razu wyniki pomiarów termicznych. Dotychczas przeprowadzono badania termiczne i starzeniowe siatek o stałym okresie wykonanych zarówno na włóknach fotoczułych o różnych typach domieszkowania [30] jak i wodorowanych [29, 31, 41, 39, 40] oraz nanoszonych różnymi metodami: laserem o pracy ciągłej, laserem o pracy impulsowej w zakresie UV [28, 29] oraz laserem femtosekundowym o długości fali 800 nm [41]. Badano również siatki z chirpem [35]. W tej pracy po raz pierwszy poddano badaniom starzeniowym siatki wykonane na wodorowanym przewężeniu światłowodowym.. W tym celu przeprowadzono ich wygrzewanie w kilku wybranych temperaturach obserwując ich charakterystyki spektralne. Ponadto zbadano wpływ procesu wygrzewania na ich charakterystyki dyspersyjne. Na rys. 5.7 przedstawiono przykładową charakterystykę spektralną odbiciową siatki poddanej wygrzewaniu w temperaturze 300 C zmierzoną w różnych momentach czasu po umieszczeniu siatki w piecu. Poziom reflektancji wyraźnie maleje w funkcji czasu. Obserwuje się również zawężenie zakresu spektralnego siatki i przesunięcie charakterystyki w stronę fal krótkich. 38

39 Poziom mocy optycznej [dbm] po 1 min po 1 h po 12 h Długość fali [nm] Rys Charakterystyki spektralne odbiciowe siatki po wybranym czasie wygrzewania w temperaturze 300 C. Zmiana długości fali charakterystycznego punktu (maksimum reflektancji) widma promieniowania odbitego od siatki w funkcji czasu wygrzewania dla trzech różnych temperatur przykładowego zestawu mierzonych elementów została przedstawiona na rys Wykres ten obrazuje pośrednio przesunięcie widma w kierunku fal krótszych w trakcie wygrzewania. Rys Charakterystyki zmian długości fali punktów odpowiadających maksimum reflektancji w widmach promieniowania odbitego od siatek w czasie wygrzewania dla trzech różnych temperatur. 39

40 Widać wyraźnie, że wartość przesunięcia jest ściśle zależna od temperatury i rośnie wraz z jej wartością. Istotną obserwacją jest szybkość zmian w pierwszych 12 godzinach wygrzewania, po której następuje stabilizacja długości fali. Czas, po którym można uznać, że długość fali wybranego punktu charakterystyki jest stała, wynosi dla badanych siatek około 24 godzin niezależnie od temperatury wygrzewania. W tab. 2 przedstawiono różnicę pomiędzy początkową, a ustabilizowaną w trakcie wygrzewania długością fali dla kolejnych temperatur procesu. Tab.2. Zmiana długości fali reprezentująca przesunięcie widma promieniowania odbitego w wyniku wygrzewania siatek w danej temperaturze przez 48 h T [ C] λ [nm] 0,12 0,4 0,45 W celu dokładnego określenia parametrów temperaturowych mierzonych siatek TFBG wyznaczono współczynnik temperaturowy dla obu serii siatek. Na wykresie z rys. 5.9 naniesione zostały punkty odpowiadające przesunięciu w osi długości fali ( λ ) wybranego punktu charakterystyki spektralnej dla danej zmiany temperatury ( T) oraz ich liniowe aproksymacje. Zmiana długości fali jest skutkiem efektu termo-optycznego oraz rozszerzalności termicznej szkła kwarcowego. 4 λ [nm] 3,5 3 2,5 2 1,5 Δλ= 0,011ΔT+ 0,2324 Δλ= 0,0117ΔT+ 0, , T [ C] Rys Zależność zmiany długości fali maksimum reflektancji w funkcji zmiany dla dwóch zestawów siatek (zestaw 1 kolor zielony, zestaw 2 kolor niebieski). Współczynnik temperaturowy określany jest jako nachylenie liniowej aproksymacji wyznaczonych eksperymentalnie punktów i wynosi około 11 pm/ C dla zestawu 1 oraz ok. 12 pm/ C dla zestawu 2. Jednym z efektów towarzyszących wygrzewaniu siatek jest histereza charakterystyki spektralnej [33]. Oznacza to, że po schłodzeniu wygrzanej siatki do temperatury pokojowej 40

41 obserwuje się trwałe przesunięcie charakterystyki spektralnej w stronę krótszych fal. Wykresy z rys a, 5.10.b oraz 5.10.c przedstawiają widma transmisyjne badanych siatek zarejestrowane w temperaturze pokojowej przed procesem wygrzewania wraz z odpowiadającymi im widmami zmierzonymi po całkowitym schłodzeniu siatki z powrotem do temperatury pokojowej. -14 Poziom mocy optycznej [dbm] przed wygrzaniem po wygrzaniu T = 124 C λ=0,125 nm Długość fali [nm] -11 Poziom mocy optycznej [dbm] przed wygrzaniem po wygrzaniu T = 200 C λ=0,275 nm Długość fali [nm] 41

42 -11 Poziom mocy optycznej [dbm] przed wygrzaniem po wygrzaniu T = 300 C λ=0,45 nm Długość fali [nm] Rys Widma transmisyjne zarejestrowane w temperaturze pokojowej przed oraz po procesie wygrzewania w kolejnych temperaturach: a) 124 C b) 200 C c) 300 C). Widoczne na charakterystykach trwałe przesunięcie w stronę fal krótkich zostało przedstawione w funkcji temperatury na rys jako punkty określające zmianę długości fali dla wartości temperatury wygrzewania. Zależność tych zmian ma charakter liniowy. Z nachylenia prostej aproksymującej wyznaczone zależności otrzymano wartość przesunięcia równą 1,8 pm/ C. Warto zaznaczyć, że dla temperatury 124 C oraz 300 C przesunięcie odpowiada całkowitej zmianie długości fali do momentu jej względnej stabilizacji zaprezentowanej na rys Oznacza to, że trwałe przesunięcie jest bezpośrednim następstwem zjawiska zaprezentowanego na rys Nieco większa zmiana dla 200 C może wynikać z niewłaściwego montażu siatki w komorze pieca, przez co powstało dodatkowe naprężenie w wysokiej temperaturze powodujące dodatkowe przesunięcie siatki na osi długości fali. Po wyjęciu i ostudzeniu siatki naprężenie zanikało. 0,5 0,4 λ [nm] 0,3 0,2 0,1 Δλ= 0,0018T-0, T [ C] Rys Zależność trwałej zmiany długości fali w wyniku wygrzewania 42

43 Jednym z głównych celów pracy było zbadanie charakterystyk dyspersyjnych w procesie wygrzewania siatek (koniecznym do przeprowadzania procesu przyspieszonego starzenia). Znajomość takiej zależności jest niezbędna dla każdego zastosowania siatek na przewężeniach, w którym korzysta się z właściwości ich parametrów dyspersyjnych, np. w kompensatorach dyspersji. Na rys i 5.13 przedstawiono charakterystyki opóźnienia grupowego oraz ich liniowe aproksymacje dla dwóch różnych temperatur procesu. Na każdym z wykresów zamieszczono po trzy przebiegi opóźnienia rejestrowane w trakcie wygrzewania. Opóźnienie grupowe[ps] po 1 min po 12 h po 36 h τ = 19,515λ τ = 19,819λ τ = 18,342λ T = 124 C ,3 1534,5 1534,7 1534,9 1535,1 1535,3 1535,5 Długość fali [nm] Rys Charakterystyka opóźnienia grupowego siatki podczas wygrzewania w temperaturze 124 C. 43

44 70 po 6 min τ= 38,077λ po 12 h τ= 36,685λ Opóźnienie grupowe [ps] po 36 h τ= 35,985λ T = 300 C ,2 1537,4 1537,6 1537, ,2 1538,4 1538,6 1538,8 Długość fali [nm] Rys Charakterystyka opóźnienia grupowego siatki podczas wygrzewania w temperaturze 300 C. Na podstawie zaprezentowanych charakterystyk można stwierdzić, że badane siatki nie przejawiają wyraźnego trendu zmian opóźnienia grupowego w funkcji czasu wygrzewania. Niewielka zmiana nachylenia nie przekraczająca 3 ps/nm jest wartością na granicy błędu pomiarowego oraz dokładności aproksymacji i nie może być rozpatrywana jako charakterystyczny dla badanego typu siatek trend spowodowany procesem wygrzewania. Dodatkowo dokonano porównania charakterystyk dyspersyjnych przed oraz po wygrzaniu. Rys oraz rys przedstawiają przykładowe zależności dla dwóch różnych temperatur, w których przeprowadzony był proces wygrzewania siatek TFBG. Nachylenie charakterystyki po procesie w 200 C wzrosło o ok. 5 ps/nm podczas gdy dla 124 C zmalało o ok. 4 ps/nm, czyli o wartości zbliżone do dokładności pomiary i aproksymacji wyników liniami prostymi.. Niewielkie rozbieżności mogą również wynikać z faktu przesunięcia się po wygrzaniu i ostudzeniu charakterystyk spektralnej i opóźnienia grupowego w stronę fal krótszych. 44

45 80 70 po wygrzaniu τ = 40,488λ Opóźnienie grupowe [ps] przed wygrzaniem τ= 35,631λ ,2 1533, ,4 1534,8 Rys Charakterystyka opóźnienia grupowego siatki przed oraz po procesie wygrzewania w temperaturze 200 C. 60 Długość fali [nm] T = 200 C 50 po wygrzaniu τ = 17,971λ Opóźnienie grupowe [ps] przed wygrzaniem τ= 21,561λ , , ,5 Długość fali [nm] T = 124 C Rys Charakterystyka opóźnienia grupowego siatki przed oraz po procesie wygrzewania w temperaturze 124 C. Przedstawione w tym rozdziale badania termiczne siatek Bragga na przewężeniach światłowodowych wykazały, że podlegają one takim samym zjawiskom jak siatki jednorodne badane w dotychczasowych opracowaniach naukowych w procesie wygrzewania obserwujemy zarówno spadek reflektancji, zwężenie zakresu spektralnego, przesunięcie widma w stronę fal krótkich jak i histerezę charakterystyki. Analizując charakterystyki transmisyjne przed oraz po wygrzaniu badanych siatek można dojść do wniosku, że obecność 45

46 przewężenia nie ma wpływu na zmianę kształtu charakterystyk w wyniku wygrzewania. Przypuszczenie wystąpienia takich zmian mogło być zasadne ze względu na zmianę średnicy rdzenia, a przez to min. mniejszą ilość defektów prowadzących do zmian współczynnika załamania. Przeprowadzone po raz pierwszy obserwacje charakterystyki dyspersyjnej pozwalają stwierdzić, że mimo wyraźnych zmian w charakterystykach spektralnych siatek TFBG zależności opóźnienia grupowego wynikają przede wszystkim z dokładności pomiaru i liniowej aproksymacji, a nie z wpływu parametrów procesu wygrzewania. 5.3 BADANIA STARZENIOWE SIATEK BRAGGA NA PRZEWĘŻENIACH ŚWIATŁOWODOWYCH W tym rozdziale dobrano odpowiedni model, który mógłby zostać użyty do opisu przyspieszonego starzenia siatek TFBG wykonanych na włóknach wodorowanych. Przyspieszone starzenie jest procesem zapewniającym stabilizację parametrów siatki Bragga poprzez usunięcie nośników uwięzionych w stanach pułapkowych o mało stabilnych poziomach energetycznych. W rozdziale 4 pracy zaprezentowano podstawy teoretyczne dotyczące starzenia, na których oparta została opisana w tym podrozdziale część badań oraz przedstawiono modele opracowane dla siatek jednorodnych, również tych wykonanych na włóknach wodorowanych. Główną trudnością jaka pojawia się przy analizie starzeniowej wybranych do badania siatek jest fakt, że od momentu ich zapisu do przeprowadzenia pomiarów upłynął rok, w ciągu którego były przechowywane w temperaturze 25 C, co należało wziąć pod uwagę przy analizie otrzymanych wyników. Na podstawie streszczonej w rozdziale 4 analizy literatury w zakresie badań starzeniowych wydaje się, że najodpowiedniejszym modelem, znajdującym zastosowanie niezależnie od rodzaju włókna, na jakie naniesiono siatkę jest model master aging curve, tj. krzywej starzenia i to on zostanie dokładniej przeanalizowany. Każdy z modeli opiera się na pomiarze maksimum poziomu reflektancji w funkcji czasu wygrzewania. Parametrem, który w najwygodniejszy sposób określa poziom degradacji siatki jest współczynnik sprzężenia (ICC), obliczany na podstawie wzoru (5). Jego wartość znormalizowana do wartości na początku wygrzewania (NICC) przedstawiona została na wykresie z rys w funkcji czasu wygrzewania. Linie ciągłe przedstawiają trend zmian w funkcji czasu wygrzewania. Widać, że charakter wpływu wygrzewania na spadek poziomu reflektancji jest podobny do przedstawionego w poprzednim rozdziale wpływu na zmianę długości fali. Największe zmiany obserwujemy w ciągu pierwszych dwunastu godzin wygrzewania. Po okresie doby możemy zaobserwować prawie ustabilizowany poziom spadku reflekancji siatki. Na podstawie przedstawionej na rys charakterystyki oraz rys. 5.8 można stwierdzić, że okres 24 godzin byłby dla badanego 46

47 zestawu siatek wystarczający, żeby uzyskać stabilne wartości zarówno poziomu reflektancji jak i długości fali. Rys NICC w funkcji czasu wygrzewania oraz trend zmian (linia ciągła). W celu dobrania odpowiednich dla danego typu siatek parametrów procesu przyspieszonego starzenia (czasu i temperatury) należy skorzystać z odpowiedniego modelu. Na podstawie analizy literatury przedstawionej w rozdziale 4 wybrano modelowanie z wykorzystaniem krzywej starzenia, ze względu na to, iż jest wykorzystywany do modelowania siatek wykonywanych na włóknach wodorowanych. Rys przedstawia krzywą starzenia otrzymaną poprzez takie dopasowanie zmiennej v 0 parametru E d = ktln(v 0 t), aby punkty pomiarowe otrzymane dla różnych temperatur umieszczone na wykresie NICC w funkcji E d leżały na jednej krzywej. 1,0 0,8 NICC T = 300 C 0,6 T = 200 C T = 114 C 0,4 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Ed [ev] Rys NICC w funkcji parametru starzenia energii demarkacyjnej. Linią czarną wykreślono krzywą starzenia. 47

48 Jej charakter jest zgodny z kształtem krzywych otrzymywanych w literaturze [28,39,40,41]. Jako próba porównania otrzymanych wyników do badań poprzedników wzięto pod uwagę maksimum rozkładu energii wyliczanego jako pochodna funkcji krzywej starzenia. Tab. 5.3 [34] przedstawia zebrane przez jednego z autorów wartości publikowanych w artykułach maksimów rozkładów energetycznych. Można z niej odczytać, że energie dla siatek na włóknach wodorowanych, o których wiadomo, że są mniej stabilne, są znacznie mniejsze niż dla siatek wykonanych na włóknach fotoczułych. Jest to zgodne z niskimi wartościami E d dla wyznaczonej powyżej krzywej, dla której maksimum nachylenia znajduje się w okolicach 0,75 ev. Otrzymany rozkład energii stanów pułapkowych dla badanych siatek przedstawiony został na rys Rozkład Ed (1/eV) 0,8 0,6 0,4 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 Ed [ev] Rys Rozkład energii stanów pułapkowych sla TFBG. W [35] podczas badania siatek z chirpem, czyli struktur pod względem charakterystyki spektralnej i odbiciowej podobnych do siatek TFBG stwierdzono, że siatki chirped są znacznie bardziej podatne na zmiany reflektancji w funkcji czasu, ze względu na krótszy fragment siatki odpowiadający za odbicie danej długości fali niż w siatkach jednorodnych. To samo zjawisko obecne jest w strukturach TFBG, w związku z czym mogło być dodatkową przyczyną niskiej stabilności badanych siatek. Tab. 5.3 Zestawienie wyników dotychczas przedstawionych w literaturze badań starzeniowych. 48

49 Obserwacje zachowania siatek dokonane przez innych autorów [29] wykazują, że zmiany w widmie siatki wynikające z procesu starzenia są widoczne także podczas przebywania siatek w temperaturze pokojowej, szczególnie w przypadku siatek wykonanych na włóknach wodorowanych (ze względu na ich niższą stabilność termiczną). Ze względu na przebywanie badanych siatek w takich warunkach przez stosunkowo długi czas, nastąpiła ich częściowa degradacja. Charakterystyki badanych na potrzeby tej pracy siatek nie były rejestrowane w okresie między naświetleniem, a rozpoczęciem badań starzeniowych, nie wiadomo zatem jaka część jej reflektancji uległa zanikowi. Oznacza to jednak tylko tyle, że wyznaczona na rys krzywa może być z powodzeniem użyta do modelowania starzenia siatek tego samego typu o takiej samej historii. W przypadku zmiany badanych siatek należy wykreślić właściwą dla nich krzywą. Wpływ historii starzenia w żadnym stopniu jednak nie rzutuje na wnioski wyciągnięte w poprzednim rozdziale dotyczące zmian charakterystyk dyspersyjnych w procesie wygrzewania. 49

50 6. PODSUMOWANIE PRACY Celem zaprezentowanej pracy dyplomowej było zbadanie stabilności parametrów siatek Bragga na przewężeniach światłowodowych wykonanych na włóknach wodorowanych, w szczególności ich charakterystyk dyspersyjnych w funkcji czasu i temperatury oraz dobranie właściwego modelu starzenia. Zaobserwowano w charakterystykach spektralnych typowe również dla badanych dotychczas siatek jednorodnych wykonanych na włóknach tego samego typu również poddanych wodorowaniu. Zauważono, że siatki mimo przebywania ponad rok w temperaturze pokojowej, co mogło by sugerować, że ich reflektancja i zakres spektralny ustabilizowały się, wykazały niską stabilność temperaturową, czego przyczyną mógł być zarówno proces wodorowania włókien jak i specyfika budowy i zasady działania siatki na przewężeniu, gdzie promieniowanie o określonej długości fali jest odbijane od krótkiego fragmentu struktury o niewielkim lokalnym współczynniku reflektancji. Podobną zależność zaobserwował Sugden podczas badań siatek CFBG [35]. Najistotniejszym efektem pracy jest stwierdzenie niezależności nachylenia charakterystyki dyspersyjnej struktur TFBG od temperatury i czasu wygrzewania. Wniosek ten może być wykorzystany przy projektowaniu siatek Bragga na przewężeniach światłowodowych do zastosowań w warunkach podwyższonej temperatury, jak również wszystkich wymagających wysokiej stabilności tego parametru w ciągu całego okresu użytkowania. Jedynym skutkiem wygrzewania siatek TFBG jest obserwowane w charakterystykach opóźnienia grupowego przesunięcie zakresu spektralnego odpowiadającego liniowej części charakterystyki, które wynika bezpośrednio z przesunięcia się widma odbiciowego w stronę fal krótszych w wyniku procesów starzeniowych. Warto zaznaczyć, że badania prowadzone w ramach niniejszej pracy stanowią część prac wykonanych w ramach grantu NCN 4707/B/T02/2011 pt. Światłowodowe siatki Bragga na przewężeniach zrealizowanego dzięki finansowemu wsparciu Narodowego Centrum Nauki. Dotychczas nie przeprowadzono żadnych badań dotyczących stabilności parametrów dyspersyjnych siatek TFBG, które wydają się być istotne z punktu widzenia aplikacji tego typu struktur. Ponadto stworzono stanowisko wraz z oprogramowaniem do jednoczesnego pomiaru charakterystyk spektralnych i dyspersyjnych siatek Bragga, które może być również wykorzystywane do pomiarów parametrów dyspersji chromatycznej światłowodów. W celu uzupełnienia zaprezentowanych badań należałoby dokonać pomiarów siatek tego samego typu od razu po naświetleniu i porównać z otrzymanymi w tej pracy wynikami. Zaprojektowane na potrzeby tej pracy stanowisko pomiarowe do jednoczesnego pomiaru charakterystyk spektralnych i dyspersyjnych siatek Bragga zostało zaprezentowane 50

51 na konferencji XXXII-th IEEE-SPIE Joint Symposium Wilga 2013 oraz opublikowane w artykule D. Herman, T. Osuch, T. Kossek, Validation of the automated system for simultaneous spectral transmission/reflection and dispersion characteristics measurement of fiber Bragg gratings and optical fibers, Proc. SPIE Vol. 8903, Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry and High-Energy Physics Experiments 2013, 89030S. Również wyniki badań termicznych i starzeniowych prezentowane były na konferencji 15th Conference on Optical Fibers and Their Applications w Białymstoku Lipowym Moście w 2014 r. podczas sesji plakatowej, a obecnie przygotowywany jest artykuł naukowy. 51

52 7. LITERATURA [1] CISCO Visual Networking Index: Forecast and Methodology, , (Maj 2013) [2] Z. Kaczmarek [Światłowodowe czujniki i przetworniki pomiarowe], PAK (2006), str [3] A. Kersey, M. A. Davis, H. J. Patrick, M. Leblanc, K. P. Koo, C. G. Askins, M. A. Putnam, E. J. Friebele Fiber grating sensors, J. Lightwave Technol. 15, (1997) [4] C. R. Giles Lightwave applications of fiber Bragg gratings, J. Lightwave Technol. 15, (1997) [5] O. Frazao, M. Melo, P.V.S. Marques, J. L. Santos Chirped Bragg grating fabricated in fused fibre taper for strain-temperature discrimination (2005) [6] X. W. Dong, W. Liu, R. Zhao Liquid-level sensor based on tapered chirped fiber grating, Science China Technological Sciences, Vol. 56, nr 2, str (2013) [7] N. J. Alberto, C. A. Marques, J.L. Pinto, R. N. Nogueira Simultaneous strain and refractive index sensor based on a TFBG, Proc. SPIE, Vol. 7653, str. 4 (2010) [8] M. A. Putnam, G. M. Williams, E. J. Friebele Fabrication of tapered, strain-gradient chirped fiber Bragg grating, Electron. Lett., Vol. 31, str (1995) [9] K. O. Hill, F. Fujii, D. C. Johnson, B. S. Kawasaki, Photosensitivity in optical fiber waveguides: Application to reflection filter fabrication, Appl. Phys. Lett., vol. 32, (1978) [10] G. Meltz, W. W. Morey, W. H. Glenn, Formation of Bragg gratings in optical fibers by transverse holographic method, Opt. Lett. 14 (15), 823 (1989) [11] K. O. Hill, F. Bilodeau, B. Malo, J. Albert, D. C. Johnson, Y. Hibino, M. Abe, M. Kawachi Application of phase masks to the photolithographic fabrication of Bragg gratings in conventional fiber/planar waveguides with enhanced photosensitivity, Proc. OFC 93, (1993) [12] A. Othonos, K. Kalli [Fiber Bragg gratings. Fundamentals and applications in telecommunications and sensing, Artech House Optoelectronics Library (1999) [13] Q. Zhang, F. Guo, T. Fink, M. Han Fabrication of phase-shifted fiber Bragg gratings for biosensing applications, University of Nebraska, poster [14] S. W. James, R. Tatam Optical fibre long-period gratings sensors: characteristics and application, Meas. Sci. Technol. 14, (2003) [15] Kashyap, R., [Fiber Bragg gratings], Academic Press Boston, (1999). 52

53 [16] K. Jędrzejewski Opracowanie technologii i konstrukcji oraz wykonanie światłowodowych siatek Bragga, sprawozdanie naukowe z projektu PBZ-MiN- 009/T11/2003 (2007) [17] S. J. Mihailov Fiber Bragg grating sensors for harsh environment, Sensors 12, (2012) [18] K. P. Jedrzejewski, F. Martinez, J. D. Minelly, C. D. Hussey, F. P. Payne Tapered-beam expander for single-mode optical-fibre gap devices Electron. Lett. 22, (1986) [19] B. S. Kawasaki, K. O. Hill, R. G. Lamont Biconical-taper single-mode fiber coupler, Opt. Lett 6, (1981) [20] K. C. Byron, K. Sugden, T. Bricheno, I. Bennion Fabrication of chirped Bragg gratings in photosensitive fibre, Electron. Lett. 29, (1993) [21] T. Osuch, K. Jędrzejewski, L. Lewandowski, W. Jasiewicz Shaping the spectral charakteristics of fiber Bragg gratings written in optical fiber taper using phase mask method, Phot. Lett. of Poland 4, (2012) [22] J. Mora, J. Villatoro, A. Diez, J. L. Cruz, M. V. Andres Tunable chirp in Bragg gratings written in tapered core fibers, Opt. Commun. 210, (2002) [23] Y. Huang, X. Wang, R. Bao Etching method of the fabrication optical tapered fiber and its formula, Applied Mechanics and Materials 145, (2012) [24] T. Birks, Y. W. Li The shape of fiber tapers. J. Lightwave Technol., vol. 10, no. 4, (1992) [25] C. E. Chryssou Theoretical analysis of tapering fused silica optical fibers using a carbon dioxide laser, Opt. Eng. 38(10), (1999) [26] T. Tenderenda, praca dyplomowa magisterska, Siatki Bragga na przewężeniach światłowodowych jako czujniki naprężeń i temperatury, Wydział EiTI PW(2008) [27] M. Fokine Photosensitivity, chemical composition gratings and optical fiber based components, doctoral thesis, Royal Institute of Technology Stockholm (2002) [28] T. Erdogan, V. Mizrahi, P. J. Lemaire, D. Monroe Decay of ultraviolet-induced fiber Bragg gratings, J. Appl. Phys. 76, (1994) [29] H. Patrick, S. L. Gilbert, A. Lidgard, M. D. Gallagher Annealing of Bragg gratings in hydrogen-loaded optical fiber, J. Appl. Phys. 78, 2940 (1995) [30] R. Baker, H. N. Rourke, V. Baker, D. Goodchild Thermal decay of Fiber Bragg Gratings written in Boron and Germanium cooped silica fiber, J. Lightwave Technol. 15, (1997) [31] R. J. Egan, H. G. Inglis, P. Hill, A. Krug, F. Oullette Effects of hydrogen loading and grating strength on thermal stability of fiber Bragg gratings (1996) 53

54 [32] S. Kannan, J. Guo, P. J. Lemaire Thermal stability analysis of UV-induced fiber Bragg gratings, J. Lightwave Technol. 15, (1997) [33] D. Razafimahatratra, P. Niay, M. Douay, B. Poumellec, I. Riant, Dominique Comparision of isochronal and isothermal decays of Bragg gratings written through continuous wave exposure of an unloaded germanosilicate fiber, Appl. Opt. 39 (12), (2000) [34] N. K. Viswanathan, D. LaBrake Accelerated-aging studies of chirped Bragg gratings written in deuterium-loaded germane-silicate fibers, J. Lightwave Technol. 22, (2004) [35] K. Sugden, L. Zhang, J. A. R. Williams, R. W. Fallon, L. A. Everall, K. E. Chisholm, I. Bennion Fabrication and characterization of bandpass filters based on concatenated chirped fiber gratings, J. Lightwave Technol. 15, (1997) [36] D.Herman, T. Osuch, T. Kossek Validation of the automated system for simultaneous spectral transmission/reflection and dispersion characteristics measurement of fiber Bragg gratings and optical fibers, Proc. SPIE Vol (2013) [37] Hui, R., O Sullivan, M., [Fiber optic measurement techniques], Academic Press, (2009) [38] P. Hernday Measuring the group delay characteristics of narrow-band devices by the phase shift method, An Applications Engineering White Paper, Agilent Technologies, Inc. (2002). [39] I. Riant, B. Poumellec Thermal decay of gratings written in hydrogen-loaded germanosilicate fibres, Electron Lett. 34, (1998) [40] G. Violakis, H. G. Limberger, V. M. Mashinsky, E. M. Dianov Fabrication and thermal decay of fiber Bragg gratings in pristine and H2-loaded Bi-Al codoped optical fibers, Opt. Express 19, B350-B356 (2011) [41] S. Kannan, P. J. Lemaire Thermal reliability of Bragg gratings written in hydrogensensitized fibers, OFC 96, (1996) 54

55 A. DODATEK I 55

56 B. DODATEK II 56

57 57

58 58

59 59

60 60