Politechnika Warszawska Instytut Systemów Elektronicznych Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych

Transkrypt

1 Politechnika Warszawska Instytut Systemów Elektronicznych Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych we współpracy z: Hutą Szkła Biaglass w Białymstoku i Politechniką Białostocką Sprawozdanie z realizacji pracy w ramach Programu Priorytetowego Badań Własnych PW Inżynieria Fotoniczna w okresie Temat pracy: Opracowanie modyfikacji technologii wielotyglowej wytwarzania światłowodów dwurdzeniowych dla czujników fotonicznych; (Modyfikacja wielotyglowej metody technologicznej oraz wytworzenie próbek światłowodów) Warszawa,

2 Zespół realizujący badania Kierownik tematu dr inż. Ryszard Romaniuk, Instytut Systemów Elektronicznych Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych P.W. tel , , , , fax , rrom@ipe.pw.edu.pl ftp:// ; Główni wykonawcy dr hab. inż. Jan Dorosz, Wydział Elektryczny Politechnika Białostocka, Huta Szkła "Biaglass", tel , fax , dorosz@we.pb.edu.pl mgr inż. Krzysztof Poźniak, Instytut Podstaw Elektroniki Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych P.W. tel , , pozniak@ipe.pw.edu.pl ftp:// mgr inż. Jerzy Mazerski, Oddział Badawczo - Produkcyjny Światłowodów Huta Szkła "Biaglass" ul. Świeża 8, Białystok tel , , mazerski@biaglass.bialystok.pl

3 Światłowód dwurdzeniowy, średnica włókna 45m, średnica rdzeni 14m, NA=0,25.

4 Raport techniczny Opracowanie modyfikacji technologii wielotyglowej wytwarzania światłowodów dwurdzeniowych dla czujników fotonicznych Etap realizowany w okresie Modyfikacja metody technologicznej DC/MC obejmująca: Teoretyczne opracowanie modelu tworzenia światłowodu dwurdzeniowego w metodzie MC Budowa modelu przepływu szkła w układzie podstawowym i modyfikowanym MC dla światłowodu dwurdzeniowego Projekt i konstrukcja układu stosu tygli dla światłowodu dwurdzeniowego Przygotowanie modyfikowanego procesu MC do wytwarzania światłowodów dwurdzeniowych Etap realizowany w okresie Badanie właściwości modyfikowanej metody metody wielotyglowej poprzez: Otrzymanie próbek światłowodów dwurdzeniowych Pokazanie możliwości technologicznego kształtowania parametrów wyciąganych światłowodów, Kształtowane parametry: dobór układów szkieł rdzeniowo płaszczowych, kształtowanie proporcji wymiarowych, modelowanie kształtu układu rdzeń płaszcz, kształtowanie apertury numerycznej, kształtowanie profilu refrakcyjnego, procesy dyfuzji jonów modyfikatorów, wybrane wrażliwości światłowodu dwurdzeniowego. 1. Wprowadzenie Na świecie światłowody kształtowane są przedmiotem intensywnych badawczych prac technologicznych i teoretycznych w kierunku zastosowań jako elementy sieci światłowodowych oraz jako czujniki. W kraju istnieje grupa prowadząca badania w tym kierunku niemalże od początku takich prac na świecie. Zespół ten ma spore osiągnięcia w zakresie prac technologicznych i wykorzystania światłowodów kształtowanych dla czujników. Zespół dysponuje dużym doświadczeniem w pracy badawczej nad światłowodami kształtowanymi. Posiada zaawansowaną bazę technologiczną i sprzętową stanowiącą podstawę wyjściową do dalszych badań technologicznych. Zespół posiada także doświadczenie w aplikacyjnych pracach badawczych nad elementami światłowodowymi. Proponowany program badawczy ma doprowadzić do modernizacji posiadanej bazy technologicznej i zwiększeniu możliwości badawczych zespołu. Światłowody kształtowane wytwarzane w Hucie Szkła Biaglass, przy współpracy badawczej innych ośrodków akademickich stanowią podstawę licznych prac badawczych o charakterze podstawowym i aplikacyjnym w wielu ośrodkach w kraju. Na tego typu światłowody czeka wiele ośrodków badawczych działających w zakresie optoelektroniki. Dzięki niniejszemu projektowi możliwe będzie rozszerzenie współpracy pomiędzy czołowym ośrodkiem technologicznym światłowodów kształtowanych ze szkieł miękkich (HSB i Politechnika Białostocka) a ośrodkiem na PW, gdzie istnieje kilka aktywnych grup badawczych stosujących w swoich pracach elementy światłowodowe. Będzie prowadzona modernizacja ciągu technologicznego metody MC (multi crucible) w celu umożliwienia wytwarzania nowych grup światłowodów kształtowanych, potrzebnych do badań nowych rodzajów czujników światłowodowych (np.

5 selektywnych czujników wielostożkowych) przez grupy aplikacyjne. W tym zakresie tematycznym kontynuowana jest jedna praca habilitacyjna i jedna praca doktorska. Powstanie kilka artykułów, także w źródłach zagranicznych. Nowe typy światłowodów kształtowanych staną się dostępne dla zespołów aplikacyjnych. Światłowody kształtowane ciągle budzą w światowej literaturze optoelektroniki światłowodowej duże zainteresowanie pod kątem zastosowań w układach i systemach teletransmisji i telemetrii optoelektronicznej. Każda ze znanych metod wytwarzania światłowodów posiada inne zalety i ograniczenia pod względem właściwości produktu końcowego, którym w naszym przypadku ma być światłowód specyficzny dla zastosowań np. dla celów czujnikowych lub do budowy elementów biernych i aktywnych sieci światłowodowych jak np. filtrów spektralnych, rozgałęziaczy, sprzęgaczy, tłumików regulowanych, izolatorów optycznych, cyrkulatorów optycznych, elementów izotropowych i anizotropowych, bilateralnych i unilateralnych optycznie. Na ogół, dla celu wytwarzania konkretnego elementu światłowodowego o specyficznych parametrach optycznych potrzebna jest istotna modyfikacja procesu technologicznego na wielu etapach wytwarzania projektowanego elementu. Pewne elementy procesu technologicznego pozostają niezmienione, podobnie jak to się dzieje np. przy wytwarzaniu laserów półprzewodnikowych, ale ostateczna struktura elementu, tworzona pod potencjalne zastosowanie lub w celach badawczych, zależy od subtelnych szczegółów zastosowanej technologii. Podstawowymi metodami wytwarzania światłowodów kształtowanych są: RIT (rod-in-tube), DC (double-crucible) oraz MC (multi crucible), MMC (modified multi-crucible), SOOT, SOL-GEL a także liczna grupa metod CVD (MCVD, OVD, VAD). Niektóre z tych metod są adaptacjami sposobów wytwarzania światłowodów telekomunikacyjnych, inne były stosowane na początku do wytwarzania światłowodów energetycznych lub matryc koherentnych. W przypadku zastosowań światłowodów na elementy funkcjonalne systemów optoelektronicznych konieczne są dalsze złożone modyfikacje procesu technologicznego. Włókna optyczne do takich zastosowań są na ogół światłowodami sygnałowymi (elementy sieci) a czasami i sygnałowymi i energetycznymi (niektóre rozwiązania czujników, gdzie wymagane jest pobudzenie optyczne lub dostarczenie mocy optycznej do ośrodka mierzonego). W światłowodowych elementach sieciowych optyczny sygnał transmitowany posiada charakter cyfrowy (transmisja przebiega w jednym paśmie optycznym nawet uwzględniając techniki WDM), podczas gdy w elementach czujnikowych oprócz sygnału energetycznego transmitowany może być sygnał cyfrowy i analogowy i to w kilku odległych od siebie optycznych pasmach spektralnych jednocześnie (np. w celach pomiarowych i odniesienia lub w przypadku złożenia kilku pomiarów jednocześnie w jednym elemencie). Takie złożone warunki sygnałowe pracy światłowodowego elementu czujnikowego wymagają aby proces technologiczny wytwarzania takiego światłowodu posiadał możliwość szerokiego kształtowania właściwości produktu wyjściowego. Z drugiej strony, wszelkie uniwersalne procesy technologiczne dają elementy o co najwyżej średnich parametrach. Z tego względu technologiczne prace badawcze nad światłowodowymi elementami czujnikowymi są kosztowne, gdyż wymagają od projektanta elementu złożonych i na ogół kosztownych modyfikacji samego procesu technologicznego a także bliskiego kontaktu z projektantem optoelektronicznego systemu pomiarowego. Te problemy, dla szerszych aplikacji, rozwiązane zostałyby, w przypadku masowej produkcji czujników światłowodowych i wprowadzeniu odpowiednich standardów technologicznych. W przypadkach badawczych jest to niemożliwe i prace takie pozostaną zawsze bardzo kosztowne. W niniejszym projekcie podjęto się opracowania programu modyfikacji metody MC w kierunku wytwarzania jednej z rodzin światłowodów czujnikowych o modelowanych właściwościach fizykochemicznych i propagacyjnych. Ogólny program takich badań może obejmować: - Modyfikację metody technologicznej DC/MC, - Teoretyczne opracowanie modelu tworzenia kształtu pojedynczego i wielokrotnego rdzenia w metodzie MC, - Budowa modelu przepływu szkła w układzie podstawowym i modyfikowanym MC,

6 - Badania właściwości modyfikowanej metody MC poprzez: - Dobór materiałów wyjściowych i ich modyfikacji, - Kształtowanie proporcji wymiarowych włókien, - Modelowanie kształtu układu rdzeń - płaszcz, - Kształtowanie profilu refrakcyjnego, - Kształtowanie wrażliwości na pola zewnętrzne, poprzez badania teoretyczne, materiałowe i strukturalne. W wyniku realizacji niniejszego projektu badawczego zostanie opracowana modyfikowana metoda technologiczna MC, która pozwoli na projektowanie właściwości sygnałowych światłowodów czujnikowych w szerszym niż dotychczas zakresie. We współpracy Huty Szkła Biaglass, Politechniki Białostockiej oraz Politechniki Warszawskiej zostanie zmodyfikowane środowiskowe laboratorium technologiczne światłowodów kształtowanych udostępniające na zamówienie światłowody kształtowane wielu ośrodkom badawczym w kraju oraz prowadzące badania podstawowe w zakresie tych światłowodów. W bieżącym etapie pracy przedmiotem badań był proces technologiczny wytwarzania światłowodów dwurdzeniowych. W kraju istnieje grupa badawcza prowadząca prace nad światłowodami kształtowanymi od wielu lat. Efektem tej pracy są liczne publikacje w liczących się w kraju i na świecie źródłach bibliograficznych. Praca tej grupy była finansowana w ciągu tego czasu zarówno przez KBN, przemysł. uczelnie, wojsko itp. Dołączenie tej tematyki do programu Inżynieria Fotniczna, w którym jest liczna grupa zespołów badawczych prowadzących prace nad czujnikami światłowodowymi doprowadzi do próby bezpośredniego zastosowania wyników prac technologicznych w badaniach czujnikowych. W zakresie tej tematyki kontynuowana jest jedna praca habilitacyjna oraz jedna praca doktorska. Powstanie kilka wartościowych publikacji w tym opublikowanych zagranicą. Opracowana zostanie modyfikacja kompozytowej technologii wytwarzania światłowodów kształtowanych. Technologia ta zapewni lepsze parametry użytkowe światłowodów do zastosowań czujnikowych. 2. Modelowanie procesu tworzenia światłowodu dwurdzeniowego w metodzie wielotyglowej (MC) Modyfikowana metoda wielotyglowa wytwarzania światłowodów (proces MMC) pozwala na kształtowanie charakterystyk propagacyjnych włókien optycznych ze szkieł miękkich. Zasadniczo trzy rodzaje włókien mogą być wytwarzane przy pomocy procesu MMC. Rozważmy tutaj takie rodzaje włókien, które jest trudno wytwarzać innymi metodami: Światłowody o bardzo złożonym profilu refrakcyjnym, Światłowody o większej ilości rdzeni jednomodowych i wielomodowych we wspólnym płaszczu, Światłowody wytworzone z niestandardowych szkieł, optymalizowane dla szczególnego zastosowania (czujniki i funkcjonalne elementy fotoniczne) Dwa koncentryczne tygle, każdy z dyszą wylotową, są skonfigurowane osiowo. Tygle są wypełnione odpowiednio wstępnie topionym szkłem rdzeniowym i płaszczowym. Alternatywną metodą jest wypełnienie tygli proszkiem szklanym i pozostawienie odpowiednio długiego czasu na degazyfikację układu. Stopione szkło wycieka z tygli poprzez dysze. Przepływ opisuje prawo Poisseuilla. Stosunek promieni rdzenia do płaszcza jest określony wyrażeniem: a / a Q / Q, gdzie Q Pr 4 / 8 l r p r p Q(r,p)-objętościowy przepływ szkieł rdzeniowego o płaszczowego, P-różnica ciśnienień w przekroju poprzecznym dyszy, η-lepkość, r, l-promień i długość dyszy. Metoda DC pozwala na wytwarzanie włókien gradientowych. Proces rozpoczyna się poprzez wybór odpowiedniej pary szkieł, tak aby umożliwić wzajemną dyfuzję jonów modyfikatorów. Najlepszą domieszką w rdzeniu jest taka, która zwiększa współczynnik załamania światła i

7 stosunkowo łatwo podlega dyfuzji. Proces dyfuzji występuje wyłącznie w ograniczonym obszarze, gdzie oba szkła są płynne. Jest to region pomiędzy dyszami tyglowymi. Układ opisuje równanie dyfuzji dla symetrii osiowej. Koncentracja jonu dyfundującego wynosi: N 0 0 / r a N exp Dtu / a J ur aj ur / du gdzie: - koncentracja początkowa, D-współczynnik dyfuzji, t- czas przejścia przez region dyszy, n, a-promień rdzenia, J- Funkcja Bessela. Znormalizowany współczynnik dyfuzji definiujemy jako d=dt/a 2. Wartość parametru d jest związana z objętościowym przepływem poprzez zależność d=dπl/. Takie uproszczenie zakłada, że profil refrakcyjny włókna DC jest dokładnie lub w dostatecznym przybliżeniu profilem typu α. N 0 Q r 2.1. Proces MMC z układem N tygli koaksjalnych Podstawowym założeniem wyjściowym dla układu N tygli i wynikającego włókna wielowarstwowego jest warunek stałych proporcji wymiarowych w czasie procesu. Stałe wymiary oznaczają, że poszukujemy rozwiązania stacjonarnego dla równania przepływu szkła. Przepływ cząstkowy wynika z geometrii poszczególnych dysz. Przepływ całkowity jest zdeterminowany przez dyszę zewnętrzną o największym wymiarze. Znane zależności dla procesu DC można uogólnić na układ stosu N tygli: 1 H n n1 m nk n1 1 H n m n k k n1 kn 1 n k n m, dla n=1,...m-2; H n n1 n k n kn k n1 H n1, dla n=m-1, gdzie: n=1 - rdzeń, n=2...m warstwy refrakcyjne włókna, wysokość płynnego szkła w n-tym tyglu H h t 0 n n k n 4 R g / 8A L, n n n n H n - początkowa ; Następująca nierówność musi być spełniona dla : m nk n km. Współczynniki są jednymi z najbardziej istotnych parametrów procesu technologicznego. Zależą one w istotnym stopniu od temperatury. Tak więc rozkład temperatury wzdłuż osi x oraz z pieca posiada zasadnicze znaczenie dla sprawności procesu. Stacjonarne rozwiązania dla najbardziej praktycznego zestawu trzech tygli są: k n H H r k n k r 2k p1 k p2 p2 H p2 2k k k k, r p2 p1 p2 k, k p1 k p2, p1 p2 p1 H p2 k p1 k p2 p1 k i R g / 8A L, 4 i gdzie: H wartości początkowe wysokości roztopionego szkła w tyglach, r-rdzeń, p1-pierwsza warstwa refrakcyjna, p2-druga warstwa, p3-trzecia warstwa. Rozwiązania stacjonarne dla często stosowanego w warunkach laboratoryjnych zestawu poczwórnego tygli są: H r p3 r i k r 3k p1 k p3 H p3 2k k k k 3 k k p1 p3 p2 i i p3 i r r p3,

8 H p1 p2 r k k p1 p2 2k p2 k p3 H p2 2k k p1 p3, H p3 p2 p2 H p3 p2 k p2 k p1 Powyższe zależności mogą być wykorzystane praktycznie w celu wytwarzania włókien MMC (także wielordzeniowych) o złożonej strukturze refrakcyjnej Proces MMC z N koaksjalnymi tyglami oraz diafragmowanymi dyszami W procesach DC oraz MMC można zastosować konstrukcję dzielącą strumień wypływającego szkła z tygli. Konstrukcja ta dotyczy dysz wypływowych oraz podpór pomiędzy tyglami w stosie. Podpory z otworami nazywamy diafragmami. Przez otwory płynne szkło łączy się ze szkłem w sąsiednich tyglach. Kształt otworów w diafragmach ich wielkość i usytuowanie względem dyszy decyduje o lokalnym kierunku i prędkości przepływu szkła formującego włókno optyczne. Lokalne, indywidualne strumienie szkła w układzie dysz diafragmowanych formują wewnętrzne elementy włókna. W przypadku takiej modyfikacji budowy stosu tygli, konieczne jest ponowne sformułowanie równań przepływu. Diafragmy w istotnym stopniu wpływają na warunki przepływu szkła pomiędzy tyglami w krytycznym dla tworzenia włókna obszarze międzydyszowym. Tu tworzone są subtelne struktury wewnętrzne włókna modyfikujące jego ostateczne właściwości falowodowe. Zaburzenie przepływu szkła wprowadzamy do równań w postaci funkcji zaburzenia. Ta funkcja jest dodatkowym mnożnikiem w powyższych równaniach i stanowi rodzaj transmitancji c dla strumienia szkła przez układ diafragmujący. Argumentami funkcji są F, x, S E, gdzie: i k p i i, (l, r, ) - lokalna lepkość szkła z i-tego tygla, x - rozkład temperatury wzdłuż drogi tworzenia i wyciągania włókna, c S i - funkcja kształtu i powierzchni apertury diafragmy pomiędzy tyglami i-tym i i+1- szym, E współczynnik modyfikacji dobierany eksperymentalnie. Funkcja. F p F p została zastosowana z powyższymi równaniami w celu obliczenia warunków stabilnego procesu wytwarzania włókna o wcześniej założonych złożonych proporcjach geometrycznych i właściwościach refrakcyjnych. W celu dalszego umożliwienia kształtowania charakterystyk włókna powyższa metoda została złożona z techniką separacji tygla wewnętrznego Proces MMC z separacją wewnętrznego tygla (separacja tyglowa) Istnieje szereg modyfikacji klasycznego procesu DC. Modyfikacje mają na celu otrzymanie włókien o projektowanych właściwościach propagacyjnych, wrażliwościowych, mechanicznych, geometrycznych, itp. Jedną z modyfikacji, dającą włókna wielordzeniowe, jest metoda gdzie dodatkowy tygiel (lub kilka tygli) zapewnia obecność separującej warstwy (separującego strumienia) (lub kilku warstw) szkła. Geometria stosu tygli tego rodzaju modyfikacji metody MMC została przedstawiona na rys. 1. Wewnętrzne tygle 1 oraz 2 są połączone stałym przejściem 4. Połączenie zapobiega sklejaniu strumieni szkła tworzących indywidualne rdzenie w czasie wyciągania włókna. Połączenie zapobiega również przed zmianą kształtu tworzonych rdzeni wskutek oddziaływania sąsiadujących strumieni szkła. W podstawowym rozwiązaniu układ zapobiega przed przyjęciem przez rdzeń osiowej pozycji we włóknie. Pośredni tygiel 2 posiada liczbę dysz odpowiadającą liczbie projektowanych rdzeni w światłowodzie. Tygle 1 oraz 3 mogą być załadowane tym samym rodzajem szkła lub różnymi szkłami. W drugim przypadku możliwa jest budowa włókna z rdzeniem centralnym o tej samej lub różnej wartości apertury numerycznej.

9 Równania przepływu szkła dla takiej modyfikacji geometrii tygli przyjmują następującą postać, dla pierwszego tygla: 4 Q r g / L h h, Układ równań dla pozostałych tygli jest: Q Q 2 1 A1 dh1 / dt R1, dh / dt k h h / 4 N r g / L h h, Q A dh dt N, dh / dt A k h h / R / 1,, Q A dh / dt A dh / dt A dh dt R, Q3 r3 gh3 3 / 8 3L / A 3k3h3 A1 dh1 / dt A2 dh2 / dt A3dh3 / dt. Współczynniki k są zdefiniowane jako: k1 r1 g1 / 8 1L1 A1, k2 Nr 2 g2 / 8 2L2 A2, k3 r3 g3 / 8 3L3 A3. Liniowy układ równań różniczkowych jest: dh / dt k h h, / 1 1 dh2 / dt k2 3h3 / 2 h2, 3 dt k1a1 h1 / A3 k2a2 / A3 h3k 1 3A1 / dh / A k. Rozwiązaniem jest prędkość wyciągania włókna o stacjonarnych proporcjach: 0 2 e xt 3 A3 k h /R. 3 3 Na włókna wielordzeniowe typu MMC rozważane są następujące szkła o wysokiej czystości: Glass type 10 7 / 0 K T 0 soft c n p F2 1, K7 1, BaLF5 1, SW1 1, SW7 1, SW8 1, BaLF1 1, BaLF2 1, SW4 1, BaF8 1, Podstawowe rodzaje włókien typu MMC możliwe do wytworzenia w procesie z separacją tygla Zasadniczo dwa rodzaje włókien MMC można otrzymać w trakcie procesu z separacją tyglową: Światłowody z rdzeniami poza osią włókna o osiowej symetrii, Światłowody z osiowym rdzeniem i pozaosiowymi rdzeniami i o osiowej symetrii. Te grupy można rozwinąć poprzez połączenie technik diafragmowania oraz izolacji tyglowej w czasie jednego procesu MMC Światłowody homo - rdzeniowe Światłowodami homo-rdzeniowymi nazywamy włókna wielordzeniowe o jednakowych rdzeniach. Światłowody homo-rdzeniowe można wytwarzać metodą z separacją tyglową.

10 Wewnętrzny tygiel jest wypełniony szkłem płaszczowym. Jeśli wewnętrzny tygiel jest wypełniony szkłem rdzeniowym to centralny rdzeń musi posiadać dokładnie te same paramety jak rdzenie poza osiowe Światłowody hetero - rdzeniowe Proces MMC z separacją tyglową pozwala na wytwarzanie (wewnątrz dwóch podstawowych grup) również włókien hetero-rdzeniowych. Włókno hetero-rdzeniowe posiada co najmniej dwa różne rdzenie o różnych charakterystykach: optycznych, fizycznych, mechanicznych, termicznych, propagacyjnych i innych. Najprostsze klasy włókien hetero-rdzeniowych są: Światłowody wielordzeniowe o różnych średnicach rdzeni d r d i r i j Światłowody wielordzeniowe o różnych aperturach numerycznych NAr NA i r i j 3. Projekt i konstrukcja stosu tygli Dla celów wytwarzania światłowodów wielordzeniowych MMC zaprojektowano i wykonano nowe, modyfikowane zestawy stosów tygli, rusztowań i diafragm. Niektóre z testowanych rozwiązań przedstawiono na rysunku 1. Na rys. 1a), b) oraz c) przedstawiono koncepcję budowy stosu zintegrowanego (spawanego) dwu lub trzy-tyglowego. Stos posiada diafragmy między-tyglowe z aperturami ustalającymi ilość i kierunki przepływu szkła w tym krytycznym obszarze tworzenia włókna. Jeśli tygle w stosie zintegrowanym wyposażone byłyby w dodatkowe dysze to wpływ diafragm jest uwypuklany lub minimalizowany, w zależności od długości dysz. Połączenie efektów technologicznych o przeciwnym wpływie ale niejednakowym efekcie na tworzenie włókna pozwala na stworzenie dodatkowych narzędzi budowy skomplikowanej struktury światłowodu wielordzeniowego. Rys. 1d.) przedstawia modyfikowany stos tygli dla procesu separacji tyglowej wytwarzania światłowodu wielordzeniowego.

11 Rys.3-1. Modyfikacje konstrukcji stosu tygli dla metody MMC. a), b) oraz c) Proces MMC z diafragmowaniem dysz tyglowych; 1-tygiel wewnętrzny, 2-tygiel zewnętrzny, 3-cylindryczna diafragma międzytyglowa o dwóch (lub więcej) aperturach 4; 5-wielokrotne dysze w tyglu rdzeniowym, 6-dysza tygla płaszczowego; d) Układ trzytyglowy (stos) do wytwarzania wielordzeniowych włókien MMC. Proces z wewnętrzną separacją tygla. 1- tygiel wewnętrzny do tworzenia rdzenia osiowego (zawiera szkło rdzeniowe) lub do separacji rdzeni poza-osiowych (zawiera szkło płaszczowe), 2- tygiel pośredni ze szkłem rdzeniowym, 3 tygiel zewnętrzny ze szkłem płaszczowym, dysza separująca, dysze dla dwóch rdzeni. Proces diafragmowania dysz może być ewentualnie połączony z procesem separacji tygla we wspólnym stosie o odpowiedniej konstrukcji. 4. Przygotowanie procesu wytwarzania światłowodów dwurdzeniowych Zestaw technologiczny jest umieszczony w odrębnej hali, częściowo izolowanej od zanieczyszczeń zewnętrznych. Wieża wyciągowa składa się z wysokiej jakości pieca sylitowego, układów zasilania i automatyki, układów pomiarowych (temperatura w różnych miejscach pieca), układu nadmuchu argonu, ukłądów regulacji i stabilizacji temperatury, układu wielokrotnego powlekania włókna warstwą zabezpieczającą oraz automatycznego urządzenia wyciągającego. Bęben wyciągający obracany jest bardzo precyzyjnie z regulowaną prędkością. Bęben posiada także precyzyjny napęd poprzeczny. Regulacja obrotów jest możliwa w zakresie 0 10 obrotów na sekundę, przy średnicy bębna 63 cm. Daje to zakres prędkości wyciągania 0-20 m/s. Laserowy miernik średnicy włókna połączony jest układem sprzężenia zwrotnego z układem wyciągającym w celu stabilizacji parametrów włókna. Wielopunktowy pomiar temperatury pieca dokonywany jest z

12 dokładnością znacznie lepszą niż 0,1 o C, przy typowych poziomach temperatury procesu w zakresie C dla szkieł wieloskładnikowych. Moc pieca wynosi w zakresie kw. Komora pieca jest cylindryczna i posiada 350 mm średnicy. Spiralne elementy grzejne są umieszczone równolegle do osi wyciąganego włókna, dając odpowiednio jednorodny rozkład temperatur. Pomiary temperatur wewnątrz pieca są wykonywane oprzy pomocy termopary PtRh-Pt. Piec jest wyposażony w zamknięty układ obiegu argonu. Przepływ argonu wokół włókna jest laminarny. Rys.4-1. Przekrój poprzeczny przez wielofunkcyjny piec dla metody MMC wytwarzania światłowodów. Konstrukcja pieca: 1- komora grzejna, 2- układ zasilania tygli, 3- podpora, 4- zewnętrzna obudowa stalowa o podwójnych ściankach i wewnętrznej izolacji ceramicznej, 5- ruchomy spód, który może być szybko usunięty i założony oraz umocowany łączami 6, 7- ekran ceramiczny opierający się na podstawie pieca, 8- ruszt ceramiczny podpierający tygle, 9-dolny wlot chłodziwa, 10-komory chłodzące ścian pieca,11- wlot chłodziwa ścian, 12- uszczelki pierścieniowe, 13- wlot chłodziwa dla pokrywy górnej, 14 złącza elektryczne, 15 przejście dla termopar, 16 rurka łącząca do systemu nadmuchu gazu i pompy próżniowej, 17-jednostka zasilania pieca i tygli, 7,19,20-ekrany alundowe do izolacji termicznej, 21- podpora ceramicznych rurowych ekranów termicznych, 22- wewnętrzny dyfuzor termiczny, 23- spirala grzejna.

13 5. Możliwości wytwarzania światłowodów dwurdzeniowych Podstawowe zakresy parametrów światłowodów dwurdzeniowych: Zakres przezroczystości: 0,35m 1,35m nominalnie; Współczynnik tłumienia: db/km; Apertura Numeryczna: 0,3 0,5 nominalnie; Średnica włókna: 50m nominalnie, dostępne w szeregu 35m, 45 m, 55m, 100m; Inne średnice włókna dostępne na żądanie; Średnica rdzenia: 5 25 m nominalnie; Separacja międzyrdzeniowa: 5m 25 m nominalnie; Stosunek wymiarów rdzeni dla światłowodu heterordzeniowego: 1:2, 1:3, nominalnie; Długość próbek włókna: 1m, 3m, 5m nominalnie, inne długości dostępne na żądanie; Pokrycie zewnętrzne włókna: lakier termoutwardzalny, polimer grubowarstwowy;

14 Fot. 5-1 Światłowód dwurdzeniowy o różnych rdzeniach (heterordzeniowy). Średnica zewnętrzna włókna 60m; Średnice rdzeni 7m oraz 3,5m; Separacja rdzeni ok. 1,5m; Apertura Numeryczna 0,3;

15 Fot. 5-2 Rodzina światłowodów typu Twin-core (bliźniaczo rdzeniowych). Dokładne dane tych światłowodów znajdują się w cytowanej bibliografii. Światłowody te zostały wykonane w ramach Programu Priorytetowego Prac Własnych Politechniki Warszawskiej Inżynieria Fotoniczna. Średnica włókna 60m, Średnica rdzeni 2,5m, Separacja międzyrdzeniowa ok. 1m; NA=0,3

16 Fot. 5-3 Światłowód bliźniaczo-rdzeniowy. Średnica włókna 60m; średnica rdzeni 2,5m, separacja międzyrdzeniowa 7,5m; NA=0,3;

17 Fot Przełączanie mocy optycznej w wielomodowym światłowodzie bliźniaczo-rdzeniowym. Analogicznie do technik TDM, FDM oraz WDM, ten proces można nazwać CDM core division multiplexing, Przełączenie mocy optycznej uzyskano stosując naprężenie poprzeczne na pewnej długości światłowodu.. Średnica włókna wynosi 45m, średnica rdzeni około 14m, NA=0,25. Proces CDM w światłowodzie wielordzeniowym budzi duże zainteresowanie badawcze poniważ pozwala potencjalnie na budowę jednowłóknowych, całkowicie optyczych przełączników i multiplekserów.

18 Rys. 5-1 Spektralne charakterystyki transmisji wyrażone w % mocy optycznej na wyjściu światłowodu dwurdzeniowego, dla różnych zestawów szkieł rdzeń płaszcz T(). Długość próbek światłowodu 10 m; [m];

19 1,608 1,598 p r o f i l e r e f r a k c y j n e 1,588 n ( r ) 1,578 1,568 1,558 1,548 1,538 1,528 1,518 r [ um ] x 0,

20 1,608 1,598 p r o f i l e r e f r a k c y j n e 1,588 n ( r ) 1,578 1,568 1,558 1,548 1,538 1,528 1,518 r [ um ] x 0,

21 1, ,5 9 8 p r o f i l e r e f r a k c y j n e 1,5 8 8 n ( r ) 1, , , , , ,5 2 8 r [ u m ] x 0, 5 1, Rys Zmierzone profile refrakcyjne indywidualnych rdzeni w próbce światłowodu dwurdzeniowego. Próbka nr sd profil gradientowy, próbka nr sd profil quasi skokowy, próbka nr a profil skokowy. Metoda pomiaru automatyczne przetwarzanie obrazu z mikroskopu interferencyjnego.

22 6. Sprzężenie między rdzeniami w światłowodzie dwurdzeniowym Rys.6-1. Układ rdzeni w światłowodzie dwurdzeniowym (dwa rdzenie dowolne) i bliźniaczordzeniowym (dwa rdzenie identyczne). Analizując sprzężenie międzyrdzeniowe wprowadza się standardowe wartości początkowe i zakłada pewne niezbędne uproszczenia. Przyjmujemy, że separacja międzyrdzeniowa jest porównywalna do promienia rdzenia, światłowód jest słabo propagujący, profil refrakcyjny jest skokowy, geometria rdzenia i włókna jest idealnie cylindryczna. Zakładamy, że jeden z rdzeni jest sprzężony ze źródłem mocy optycznej. W takim przypadku, mod podstawowy z rdzenia pobudzonego rozciąga się na obszar sąsiedniego rdzenia. Przepływ mocy optycznej pomiędzy rdzeniami, o periodycznym charakterze, jest rezultatem tego zjawiska rozciągania się profilu modu poza rdzeń. Współczynniki sprzężenia pomiędzy przyległymi rdzeniami wynoszą: gdzie C C ij C o A j n 2 j clad i core j k o o 4 onin, N= o V K1 W a ncore / U K W j o o, da, i j, i,j=1,2 A j - przekrój poprzeczny j-tego rdzenia. Przyjmując dalsze uproszczenia, które są oczywiste jak: pominięcie zjawiska samo sprzężenia, używając znanych rozwinięć funkcji K oraz substytutów dla całek funkcji Bessela, można otrzymać współczynniki sprzężenia w formie analitycznej. Dla światłowodu o M rdzeniach, równanie na współczynniki sprzężenia trzeba modyfikować uwzględniając sumę całek po wszystkich M-1 rdzeniach: C M ij C ij C M o core1 Ac ci, c j n 2 core clad i clad j da. Drugi składnik w tym równaniu jest sprzężeniem pomiędzy i-tym oraz j-tym rdzeniem poprzez serię rdzeni przyległych (sąsiadujących) pomiędzy nimi i zakładamy, że jest do pominięcia. Ta sytuacja występuje jedynie w przypadku, gdy sprzężenie pomiędzy nie-sąsiadującymi rdzeniami może być pominięte, lub gdy występuje w układzie rdzeni sąsiadujących sprzężenie dominujące. Gdy tego rodzaju założenia nie są spełnione w światłowodzie, współczynniki sprzężenia nie mogą być wyrażone w prostej postaci. Moc optyczna jest wówczas złożoną superpozycją mocy modów z różnych rdzeni. Zależności fazowe w sprzężeniu mocy optycznej nigdy nie osiągają wartości 0 1 w dowolnym światłowodzie wielordzeniowym, jak to ma miejsce w idealnym światłowodzie bliźniaczo-rdzeniowym. Analityczna forma współczynnika sprzężenia międzyrdzeniowego, w naszym uproszczonym przypadku jest:

23 gdzie ij C, ij C o jest algebraiczną zależnością pomiędzy funkcjami I, J oraz K o postaci: ij a jk K o ij o Wid / ai Wi / ai I1 Wia j / ai J o U j U j / a j Io Wia j / ai J U 1 j W J U 2 i o j W / a U / a 2 Zazwyczaj wprowadzanych jest do analizy kilka użytecznych wielkości falowych jak: Średni współczynnik sprzężenia: C= ; Kilka zależności na znormalizowaną stałą propagacji, s 1 2 / 2, 1 2, r 1 2 / 1, r AS /, V p / AS -prędkość fazowa; AS C 12 C 21 AS SA AS i 2 2 / N ko cclad / core clad ; Sprawność transferu mocy pomiędzy rdzeniami oraz moc znormalizowana: Kontrast międzyrdzeniowy: P c ij P te = 1 / 2C i 2 1/ 2 ; P P P P cos(2mz C ). i j / i j z mz b ij b AS jest określeniem indeksowym modów w światłowodzie dwu-rdzeniowym w aspekcie ich właściwości symetrii antysymetrii rozkładu pola modowego względem osi włókna optycznego. Różnicowa wartość stałych propagacji w światłowodzie bliźniaczo-rdzeniowym jest miarą jego dwójłomności. Droga dudnienia modowego jest definiowana jako prosta funkcja współczynnika te sprzężenia Zb P / 2C. Z ostatnich zależności można wnioskować, że wartości C oraz P te zachowują się jako dodatkowe stałe propagacji. Jest to zrozumiałe, ponieważ mody sprzężone mogą być traktowane jako nowe mody propagujące w światłowodzie o złożonej strukturze dwurdzeniowej a w tym wypadku o rdzeniu dwuczęściowym. Notacja modowa Symetryczny Antysymetryczny wynika w światłowodzie dwurdzeniowym właśnie z takiego założenia. j j. 7. Światłowody dwurdzeniowe jednomodowe x Mod podstawowy HE 11 ulegnie całkowitemu sprzężeniu z jednego rdzenia do drugiego, jeśli całkowite przesunięcie fazy spełnia następujący warunek 2m 1. Dla modów S.A. jest on równoważny następującej zależności: gdzie AS p modu jest: k o 1 1 [( V ) ( V ) ], 1 AS1 1 AA 1 p p ds V jest prędkością fazową danego modu S.A. Warunek całkowitego transferu energii 1/ 2 [ ) core 1 1 AS 1/ 2 1 AA1 1 1 N 1 1 N ] ds (2n 1. XX AS1 AA1 Dla niewielkich wartości Δ wyrażenie pod całką jest upraszczane do postaci. Załóżmy, że jeden z rdzeni jest pobudzany modem N N N x HE 11, co jest ekwiwalentne do pobudzania następującą sumą modów S.A. - AS1 AA1. Na wyjściu powinniśmy otrzymać ponownie mod ale z drugiego rdzenia, co odpowiada następującej kombinacji modów AS - AS1 AA1. x HE 11

24 Rozważmy obecnie jak wpływa materiał światłowodu na proces sprzęgania między rdzeniami. Gdy rdzenie w światłowodzie nie są identyczne i początkowo niezbyt silnie sprzężone, wówczas stałe propagacji modów podstawowych. Ogólnie, bezpośredni transfer mocy pomiędzy modami podstawowymi nie jest łatwy, jeśli mody nie są dokładnie dopasowane w fazie. Z punktu widzenia materiału z jakiego jest zrobiony światłowód dwurdzeniowy oraz jego dyspersji falowodowej istnieje taki punkt na charakterystyce dyspersyjnej, gdzie 0. Dzieje się to dla szczególnej długości fali. Rysunek 7-1 przedstawia x HE 11 w każdym rdzeniu są różne i wynoszą o disp 1 oraz obliczone krzywe dyspersyjne dla kilku rzeczywistych wyciągniętych próbek jednomodowego światłowodu dwurdzeniowego. 2 ( ) 2 Rys. 7-1.Obliczona dyspersja dwójłomności międzyrdzeniowej w światłowodzie dwurdzeniowym. disp Dwójłomność osiąga zero dla o. Ta długość fali jest funkcją geometrii dwurdzeniowego włókna optycznego i jego parametrów materiałowych. Dane światłowodu i rdzeni: 1- a=3μm, Δ=0,2%, rdzeń #2, a=9μm, Δ=0,15% ; 2 - a=3μm, Δ=0,3%, rdzeń #2, a=9μm, Δ=0,2% ; 3 - rdzeń #1, a=3μm, Δ=0,4%, rdzeń #2, a=9μm, Δ=0,2% ; 4 - rdzeń #1, a=3μm, Δ=0,4%, rdzeń #2, a=7,5μm, Δ=0,2% ; 5 - rdzeń #1, a=3μm, Δ=0,4%, rdzeń #2, a=6,5μm, Δ=0,2% ; d=10μm; Krzywe dyspersji dla różnych światłowodów przecinają się w kilku miejscach. Osiągają disp wartość zerową w różnych miejscach dla różnych długości fal. Wartość długości fali o dla włókna dwurdzeniowego wzrasta z malejącą różnicą wymiarów rdzeni oraz ze wzrastającą wysokością skokowego profilu refrakcyjnego. Współczynniki sprzężenia wzajemnego C 12 oraz C 21 nie są jednakowe w światłowodzie dwurdzeniowym. Sprzężenie może być silniejsze w jednym kierunku, czyli może być silnie niesymetryczne. Konsekwentnie, więcej mocy będzie propagować, średnio w jednym z rdzeni. Miarą symetrii sprzężenia, i sprawności transferu mocy optycznej (lub

25 odstrojenia od punktu disp o Wykresy wartości funkcji r P te ( ) 2. r ) jest względny współczynnik sprzężenia wzajemnego C ij Cij / C ji. C, odpowiadające krzywym z rys.7-1 przedstawiono na rys Rys.7-2. Obliczone charakterystyki dyspersji efektywności transferu mocy w światłowodzie dwurdzeniowym. Dane włókien takie same jak na poprzednim rysunku. Efektywność transferu mocy nie przekracza 60% w badanych przypadkach światłowodów dwurdzeniowych. Dla takiej geometrii włókien dwurdzeniowych nie jest możliwa większa efektywność transferu. Kilka przeciwstawnych procesów falowodowych wpływa na kształt krzywych disp efektywności sprzężenia. Współczynniki sprzężenia wzrastają z długością fali dla o. Dla większych wartości separacji między-rdzeniowej, sprzężenie ogólnie maleje i jest mniej czułe na różnice stałych propagacji w obu rdzeniach. Względny współczynnik sprzężenia wzajemnego r C C / C dla długości fali zależy wyłącznie od różnicy wysokości profilu refrakcyjnego ij ij ji disp o obu rdzeni. Optymalizacja sprzężenia mocy w światłowodzie dwurdzeniowym zawiera takie parametry jak: separacja rdzeni, wysokość bezwzględna (i ewentualnie różnicowa) profili refrakcyjnych, średnice rdzeni, różnice wymiarów rdzeni. Gdy wybrać długość światłowodu równą drodze dudnienia, wówczas mierzony sygnał wyjściowy jest proporcjonalny do kontrastu międzyrdzeniowego P 12. Dyspersja kontrastu między-rdzeniowego, dla badanych próbek włókna c dwurdzeniowego została przedstawiona na rys. 7-3.

26 Rys Obliczona dyspersja kontrastu międzyrdzeniowego w światłowodzie dwurdzeniowym. Dane światłowodu jak na rys Próbki światłowodu #4 (linia ciągła) oraz #5 (linia przerywana). Spektralne charakterystyki sprzężenia mogą być zawężone poprzez zwiększenie wartości parametru separacji międzyrdzeniowej. To powoduje jednak znaczne zwiększenie długości drogi dudnienia. Rysunek 7-4 prezentuje charakterystyki spektralne wyjściowej mocy optycznej z drugiego (większego) rdzenia światłowodu dwurdzeniowego, próbka # 4. Jest to typowa charakterystyka filtru pasmowo-przepustowego. Niektóre z tych cech światłowodu dwurdzeniowego mogą być potencjalnie wykorzystane w systemach WDM. Z b Rys.7-4. Spektralne charakterystyki mocy optycznej wyjściowej ze sprzężonego rdzenia światłowodu dwurdzeniowego, próbka # 4.

27 8. Wpływ parametrów szkła na właściwości transmisyjne światłowodu bliźniaczo-rdzeniowego Przedmiotem analizy jest tutaj zależność współczynnika sprzężenia fali pomiędzy rdzeniami w światłowodzie bliźniaczo-rdzeniowym od geometrycznych i optycznych (materiałowych i technologicznych) parametrów włókna. Tak więc interesuje nas projektowanie procesu wytwarzania światłowodu, tak aby wyjściowym produktem było włókno o pożądanych charakterystykach sprzężenia rdzeni. Dobór odpowiednich charakterystyk procesu technologicznego pozwala nam na produkcję światłowodów dwurdzeniowych o ściśle założonych wartościach współczynnika sprzężenia. Parametry podlegające zmianie przy wyborze i optymalizacji procesu technologicznego są: wybór zestawów szkieł, metoda modyfikacji procesu wielotyglowego (separacja tyglowa, diafragmowanie przestrzeni między-dyszowych, aperturowanie dysz), szczegóły konstrukcji indywidualnych tygli, temperatura i prędkość wyciągania. Obliczone charakterystyki modów podstawowych światłowodów dwurdzeniowych w notacji modowej AS przedstawiono na rys. 8-1.

28

29 Rys.8-1. Podstawowe modowe charakterystyki transmisyjne jednomodowego światłowodu bliźniaczordzeniowego. Wykres górny: Krzywe dyspersji β(v) dla modów SA1, AS1, HE11 oraz modów SS1, AA1, Δ=1,5%; Wykres środkowy: funkcja Δβ (V) dla różnych wartości parametru d/a; Wykres dolny: funkcja Δβ AS AS (Δ) dla V=1,3 (krzywa górna) and V=3,2 (krzywa dolna). Rysunek 6-1 przedstawia schematycznie światłowód dwurdzeniowy i bliźniaczo-rdzeniowy o profilach refrakcyjnych typu step-index (skokowych). W przypadku światłowodu bliźniaczordzeniowego mamy do czynienia z dwoma dokładnie jednakowymi rdzeniami. Rdzenie o promieniu a są usytuowane symetrycznie względem osi włókna optycznego. Odległość pomiędzy rdzeniami wynosi D, a pomiędzy osiam rdzeni d. Tak więc, osie rdzeni są odległe od osi włókna o a+d/2. Współczynniki załamania rdzenia i płaszcza wynoszą odpowiednio n r oraz n p. Zakłada się warunki słabej propagacji w analizowanym światłowodzie dwurdzeniowym. Podstawowe charakterystyki światłowodu bliźniaczo-rdzeniowego przedstawiono na rys Jeśli fala świetlna jest sprzężona wyłącznie do pojedynczego rdzenia, wówczas znormalizowana moc optyczna w drugim rdzeniu wynosi P( z) sin 2 ( Cz), gdzie C jest współczynnikiem wzajemnego sprzężenia rdzeni. W światłowodzie bliźniaczo-rdzeniowym oba

30 współczynniki sprzężenia wzajemnego rdzeni są sobie równe. Wspólczynnik sprzężenia w światłowodzie bliźniaczo-rdzeniowym wynosi: gdzie: U=ka( C / U Ko Wd / a 3 2 a V K W /2 n r / k ), W=ka / k n 1/ 2 p częstotliwość znormalizowana, n n 2n 1, lub droga dudnienia Z b / C - argumeny funkcji Bessela, V=ka r p / r, n r 2 - współczynnik profilu refrakcyjnego. Rozwiązano równanie własne dla różnych zestawów wartości parametrów technologicznych. Z tych rozwiązań przedstawiono poniżej dwa przykłady dla dwóch różnych zestawów A oraz B szkieł rdzeniowo płaszczowych. A - oraz n 1510; B - oraz n n r 1,516 p n r 1,522 W porównaniu ze światłowodem dwurdzeniowym, światłowód bliźniaczo-rdzeniowy spełnia następujące warunki modowe i sprzężenia rdzeniowego: oraz dla z=. Konsekwencją tych warunków jest, że moc optyczna może być transferowana z efektywnością 100% pomiędzy rdzeniami (w całkowicie idealnym włóknie optycznym). Efektywność sprzężenia nie jest dyspersyjna, jak we włóknie dwu-rdzeniowym. Wyłącznie współczynnik sprzężenia jest dyspersyjny we włóknie bliźniaczo-rdzeniowym. Jednakże, wszystkie niedoskonałości fizyczne włókna jak: odstępstwo od idealnej geometrii cylindrycznej, różnice w promieniach rdzeni i profilach refrakcyjnych, zjawiska temperaturowe (niesymetryczne osiowo), naprężenia, zakrzywienia, zjawiska nieliniowe, efekty wyższego rzędu, zmieniają sprzężenie, wartość drogi dudnienia oraz transfer mocy optycznej pomiędzy rdzeniami. p C 21 C / 2 Z b -

31 Rys.8-2. Zależność charakterystyk światłowodu bliźniaczo-rdzeniowego od materiału włókna. Wykresy przedstawiają drogę dudnienia jako funkcję współczynnika separacji międzyrdzeniowej Z b d dla kilku próbek światłowodów o różnych średnicach rdzenia i wykonanych z dwóch różnych zestawów szkieł rdzeniowo - płaszczowych; Wykres górny: A zestaw szkieł n r =1,516, n p =1,510; promienie rdzeni i długości fal: I - a=2,4μm, λ=0,85μm; II - a=2,4μm, λ=1,3μm; III - a=3,6μm, λ=0,85μm; IV - a=3,6μm, λ=1,3μm; Wykres dolny: B zestaw szkieł n r =1,522, n p =1,511; promienie rdzeni i długości fal: I - a=1,75μm, λ=0,85μm; II - a=1,75μm, λ=1,3μm; III - a=2,7μm, λ=0,85μm; IV - a=2,7μm, λ=1,3μm;

32 Rys Zależność charakterystyk światłowodu bliźniaczo-rdzeniowego wytworzonego metodą MMC od materiału włókna. Obliczona długość drogi dudnienia w funkcji długości fali Z b dla konkretnych wytworzonych próbek światłowodu bliźniaczo-rdzeniowego. Światłowody posiadały rdzenie o dwóch różnych wartościach promienia a=2,0m oraz a=2,4m i wykonano je z zestawu szkieł rdzeniowo płaszczowych A ; Wykres górny: a=2μm, I - d=5,5μm, II - d=11μm, III - d=16,5μm, IV - 22μm; Wykres dolny: a=2μm, I - d=6μm, II - d=10μm, III - d=15μm;

33

34 Rys Zależność charakterystyk światłowodu bliźniaczo-rdzeniowego wytworzonego modyfikowaną metodą wielotyglową (MMC) od materiału włókna. Długość drogi dudnienia w funkcji długości fali światła rozprzestrzeniającego się w światłowodzie. Światłowody posiadały dwie różne średnice rdzeni a=1,5m oraz a=1,75m. Światłowody wykonano z kilkoma różnymi wartościami parametru separacji międzyrdzeniowej z układu szkieł płaszczowo rdzeniowych B ; Wykres górny: a=1,75μm, I - d=4μm, II - d=10μm, III - d=15μm; Wykres dolny: a=1,5m, I d=6m, II d=10m, III d=15m; Dla tych szczególnych próbek jednomodowych światłowodów bliźniaczo-rdzeniowych, wykonanych z dwóch różnych zestawów szkieł rdzeniowo płaszczowych badano długość drogi dudnienia jak o funkcję długości fali i separacji międzyrdzeniowej d. Rysunek 8-2 przedstawia wartość długości drogi dudnienia jako funkcji parametru separacji między-rdzeniowej d. Funkcja jest liniowa dla wszystkich kombinacji argumentów λ oraz a. Parametry światłowodu zostały wybrane w ten sposób aby zapewnić warunki jego jednomodowości. Rysunki 8-3 oraz 8-4 prezentują długość drogi dudnienia jako funkcję długości fali. Porównanie krzywych na tych rysunkach pokazuje silną zależność drogi dudnienia od długości fali. Obliczone zależności posiadają poważne znaczenie praktyczne, ponieważ pozwalają na określenie warunków technologicznych wytwarzania światłowodów dwurdzeniowych i bliźniaczo-rdzeniowcyh o założonych wartościach współczynnika sprzężenia pomiędzy rdzeniami. Rysunek 8-5 pokazuje obliczoną wartość kontrastu między-rdzeniowego w światłowodzie bliźniaczo rdzeniowym, analogicznie do kontrastu między rdzeniowego w światłowodzie dwu rdzeniowym, co pokazano na rysunku 7-3. Tutaj jednak, transfer mocy nie jest dyspersyjny i zawsze wynosi 100%. Z b d Z b Z b c Rys Dyspersyjne charakterystyki kontrastu międzyrdzeniowego P 12 w dwóch wytworzonych próbkach światłowodu bliźniaczo rdzeniowego. Próbka #1 - rdzeń, a=3μm, Δ=0,4%, d= 3μm, V=2,2; Próbka #2 - rdzeń a=2μm, Δ=0,4%, d=4μm, V=1,5;

35 9. Specyfika pomiarów światłowodów wielordzeniowych Techniki pomiarowe światłowodów wielordzeniowych wymagają adaptacji metod sprzęgania mocy optycznej w celu umożliwienia pobudzania indywidualnych rdzeni oraz detekcji wyjściowej mocy optycznej z indywidualnych rdzeni, nawet położonych blisko siebie. Zastosowano metodę wykorzystującą specjalnie przygotowany światłowodowy wielowłóknowy sprzęgacz stożkowy. Jeśli rozkład rdzeni w światłowodzie wielordzeniowym jest regularny geometrycznie (np. liniowy o równych odstępach, trójkątny równoboczny, kwadratowy, heksagonalny, itp.), wówczas technologia wytworzenia wielowłóknowego sprzęgacza stożkowego ulega uproszczeniu. Sprzęgacz stożkowy jest wykonywany zazwyczaj z odpowiedniego układu włókien optycznych jednordzeniowych. Jego część końcowa jest delikatnie zgrzana, tak aby nie zniekształcić pojedynczych włókien. Odpowiedni stopień zbiegu kąta stożkowości otrzymuje się poprzez rozciągnięcie odpowiednio złożonego układu światłowodów. W ogólnym przypadku włokna wielordzeniowego proporcje wymiarowe rdzeń płaszcz są niestandardowe, co dodatkowo utrudnia sprzężenie. Inną metodą wykonania sprzęgacza jest wytworzenie w czasie tego samego procesu technologicznago produkcji światłowodu, znacznie grubszego włókna przy zminejszonej prędkości wyciągania. Tego rodzaju preforma jest następnie wyciągana w odrębnym etapie obróbki wysokotemperaturowej do postaci stożka. Układ rdzeni w takim stożku odpowiada dokładnie układowi rdzeni we włóknie mierzonym. Fot Fotografia światłowodowego stożkowego sprzęgacza wielo-włóknowego o zgrzanym końcu do sprzęgania ze światłowodem wielordzeniowym. Fotografia 9-1 stożkowego sprzęgacza wielowłóknowego jest przedstawiona powyżej. Stożek jest łamany na takiej długości dla której średnica przełomu lub rozstaw i wymiary rdzeni

36 odpowiadają wymiarom i topologii przekroju proprzecznego światłowodu sprzęganego. Detektor wyjściowej mocy optycznej ze światłowodu wielordzeniowego pracuje w typowym układzie z homodynowym kanałem odniesienia. Rysunek 9-1 przedstawia schemat blokowy komputerowego systemu pomiarowego adaptowanego dla światłowodów kształtowanych. System składa się z dwóch części: komputerowe środowisko zarządzania i programowania, fotoniczny system pomiarowy. Obie części są ze sobą ściśle zintegrowane. Rys Schemat blokowy komputerowego systemu pomiarowego i automatycznej anlizy światłowodów standardowych i kształtowanych. MOF-(multicore optical fiber)

37 Rys.9-3 Graficzny interfejs użytkownika (GUI) do sieciowego środowiska programistycznego ukierunkowanego na analizę światłowodów klasycznych i kształtowanych. Interfejs został zbudowany w systemie LabWindows i stosuje takie narzędzia jak MathCad, Statgraph i inne. Takie narzędzia są używane wewnątrz systemu analizy włókna. System jest dostępny w sieci Internet poprzez przeglądarkę. Jedną z najważniejszych części fotonicznego systemu pomiarowego, obok sprzęgacza stożkowego, jest prezyzyjny sprzęgacz typu rowek V (V-groove). Sprzęgacz jest niezbędny w celu połączenia mechanicznego wielowłóknowego lub wielordzeniowego stożka z analizowanym optycznym włóknem wielordzeniowym. Sprzęgacz V umożliwia nachylenie jednej z części sprzęganych włókna w celu dopasowania do stożka. Dwupłaszczyznowy wgląd w obszar sprzęgania jest możliwy poprzez system mikroskopowy. Podgląd umożliwia na bieżąco ocenę procesu sprzęgania.

38 Oprogramowanie systemu analizy światłowodów składa się z czterech warstw, co zostało zaprezentowane na rysunku. Kod programu zosytał napisany w LabWindows. Oprócz używania lokalnych, wbudowanych, narzędzi, inne popularne narzędzia analizy matematycznej są dostępne z wewnątrz systemu jak MathCad StatGraph itp. Warstwa prezentacyjna i biblioteczna jest osiągana poprzez przyjazny interfejs graficzny użytkownika. Interfejs posiada zestaw narzędzi komunikacyjnych i managerskich w celu udostępniania części systemu przez sieć WWW. Rysunek prezentuje wygląd panelu systemowego widoczny w przeglądarce. W podstawowej konfiguracji, panel składa się z trzech okien. Parametry tych okien są ustawiane przez uprawnionego użytkownika poprzez przeglądarkę. Lewe okno jest odpowiedzialne za komunikację i interakcję z fotonicznym systemem pomiarowym w warstwie sprzętowej. Okno środkowe jest wirtualną biblioteką narzędzi do obróbki sygnałów własnych i standaryzowanego dostępu do narzędzi zewnętrznych. Prawe okno jest biblioteką narzędzi prezentacyjnych. Przetworzone wyniki pomiarów i analiz są prezentowane w tym oknie na wiele różnych sposobów.

39 10. Uwagi końcowe i podsumowanie Światłowody kształtowane są rodzajem włókien optycznych o niestandardowych parametrach specjalnie zaprojektowanych dla określonego celu np. do budowy fotonicznych elementów funkcjonalnych, sprzęgaczy optycznych, czujników. Parametry takie można otrzymać we włóknie wykonywanym w czasie modyfikowanego procesu technologicznego. Podgrupą światłowodów kształtowanych są światłowody wielordzeniowe a wśród nich dwurdzeniowe. Światłowody dwurdzeniowe są wytwarzane w Oddziale Badawczo Produkcyjnym Światłowodów (OBPŚ) Huty Szkła Biaglass metodą trzy-tyglową z niskostratnych szkieł wieloskładnikowych. Układ tygli oraz inne szczegóły modyfikacji technologii są przedmiotem własnych patentów. Tygiel środkowy, separujący rdzenie, zawiera szkło płaszczowe. Dwa podstawowe rodzaje tych światłowodów to heterordzeniowe i homordzeniowe (Twin-core, bliźniaczo-rdzeniowe). Podstawowym parametrem światłowodów dwurdzeniowych z punktu widzenia ich właściwości sygnałowych jest względna separacja rdzeni. Światłowody dwurdzeniowe, o parametrach prezentowanych tutaj, zostały opracowane w ramach współpracy OBPŚ z Instytutem Systemów Elektronicznych oraz Programem Priorytetowym Politechniki Warszawskiej Inżynieria Fotoniczna. Podstawowe zakresy parametrów światłowodów dwurdzeniowych: Zakres przezroczystości: 0,35m 1,35m nominalnie; Współczynnik tłumienia: db/km; Apertura Numeryczna: 0,3 0,5 nominalnie; Średnica włókna: 50m nominalnie, dostępne w szeregu 35m, 45 m, 55m, 100m; Inne średnice włókna dostępne na żądanie; Średnica rdzenia: 5 25 m nominalnie; Separacja międzyrdzeniowa: 5m 25 m nominalnie; Stosunek wymiarów rdzeni dla światłowodu heterordzeniowego: 1:2, 1:3, nominalnie; Długość próbek włókna: 1m, 3m, 5m nominalnie, inne długości dostępne na żądanie; Pokrycie zewnętrzne włókna: lakier termoutwardzalny, polimer grubowarstwowy; W czasie realizacji niniejszej pracy dokonano modyfikacji fragmentów podstawowego wyposażenia i pomocniczego sprzętu technologicznego służącego do wyciągania światłowodów modyfikowaną metodą wielo-tyglową. Modyfikacja polegała na zastosowaniu opatentowanej metody separacji tyglowej. Celem modyfikacji było przygotowanie bazy technologicznej do wytwarzania światłowodów wielordzeniowych a w szczególności dwurdzeniowych, w tym bliźniaczo-rdzeniowych. W tym aspekcie, podstawowe cele realizacji niniejszego tematu były: Udoskonalenie technologii światłowodów kształtowanych dwurdzeniowych dla wytwarzania fotonicznych elementów funkcjonalnych [1], Udostępnienie opisanych w niniejszym raporcie możliwości technologicznych wytwarzania światłowodów dwurdzeniowych zainteresowanym laboratoriom fotonicznym w kraju [5]. Niniejszy raport techniczny nie zawiera dokładnego opisu wszystkich procedur technologicznych, pomiarowych, laboratoryjnych i pomocniczych stosowanych w trakcie realizacji niniejszej pracy. Część z tych procedur jest opatentowana przez autorów sprawozdania [6]. Część została opisana w publikacjach [2,3,4]. Część procedur nie została zakończona wraz z datą rozliczenia niniejszej pracy, jak badanie procesów dyfuzji jonów modyfikatorów w strukturach dwurdzeniowych, oraz badanie wrażliwości włókien dwurdzeniowych. Tematy te są tak obszerne merytorycznie, że np. z zakresu badania wrażliwości włókien dwurdzeniowych uruchomiono obecnie dwie prace magisterskie i pracę doktorską.