Centralna Izba Pomiarów Telekomunikacyjnych (P-12) Badania światłowodowych siatek Bragga nanoszonych metodą skanowania maski fazowej

Centralna Izba Pomiarów Telekomunikacyjnych (P-12) Badania światłowodowych siatek Bragga nanoszonych metodą skanowania maski fazowej Praca nr 12300065, 14300035, 09300065 Warszawa, grudzień 2005

Badania światłowodowych siatek Bragga nanoszonych metodą skanowania maski fazowej. Praca nr 12300065, 14300035, 09300065 Słowa kluczowe: światłowodowa siatka Bragga, wodorowanie, własności termiczne. Kierownik pracy: mgr inż. Tomasz Osuch Wykonawcy pracy: mgr inż. Tomasz Osuch, dr inż. Tomasz Kossek, mgr inż. Krzysztof Borzycki, inż. Andrzej Zawiślański, technik Bożenna Jastrzębska Kierownik Zakładu: inż. Anna Warzec Copyright by Instytut Łączności, Warszawa 2005

Spis treści 1. Wstęp... 4 2. Światłowodowa siatka Bragga... 5 2.1. Budowa i zasada działania światłowodowej siatki Bragga... 5 2.2. Odbicie w jednorodnych siatkach Bragga... 6 2.3. Zastosowania... 7 3. Wykonywanie światłowodowych siatek Bragga... 9 3.1. Wodorowanie... 9 3.2. Metoda maski fazowej... 9 4. Eksperymenty... 11 4.1. Wytwarzanie siatek Bragga... 11 4.1.1. Wodorowanie światłowodów... 11 4.1.2. Nanoszenie światłowodowych siatek Bragga... 11 4.2. Wyznaczanie zależności parametrów siatek Bragga w funkcji czasu wodorowania i czasu naświetlania... 12 4.3. Wyznaczenie współczynnika termicznego zmian długości fali Bragga w funkcji temperatury... 14 4.4. Przyspieszone testy starzeniowe... 15 5. Wyniki eksperymentów... 16 5.1. Badanie parametrów światłowodowych siatek Bragga w funkcji parametrów technologicznych... 16 5.1.1. Wyznaczenie zależności parametrów siatek Bragga w funkcji czasu naświetlania... 16 5.1.2. Wyznaczenie zależności parametrów siatek Bragga w funkcji czasu wodorowania... 18 5.2. Zależności termiczne siatek Bragga... 19 5.3. Testy starzeniowe... 20 6. Zastosowanie siatki Bragga jako wzorca długości fali... 21 6.1. Siatka Bragga jako wzorzec długości fali... 21 6.2. Siatka Bragga z szeregiem pików jako wzorzec różnicy długości fali... 22 Bibliografia... 24 3

1. Wstęp Niniejsza praca powstała we współpracy z Zakładem Miernictwa i Optoelektroniki Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej. Jej celem było, wspólne z zespołem dr inż. Lecha Lewandowskiego i dr inż. Kazimierza Jędrzejewskiego z Politechniki Warszawskiej, przeprowadzenie badań i pomiarów w Instytucie Łączności, prowadzących do poznania właściwości światłowodowych siatek Bragga nanoszonych metodą skanowania maski fazowej. W szczególności chodzi o poznanie zależności podstawowych parametrów od czynników zewnętrznych, co pozwoli na optymalizację procesu technologicznego i zaoferowanie ich w przyszłości odbiorcom zewnętrznym. Dodatkowo wykonano badania starzeniowe mające na celu określenie obserwację zmian parametrów siatek poddanych procesowi przyspieszonego starzenia. Ponadto przeprowadzono również analizę zastosowania siatki Bragga jako wzorca długości fali oraz wzorca różnicy długości fali w procesie wzorcowania analizatorów widma promieniowania optycznego. 4

2. Światłowodowa siatka Bragga 2.1. Budowa i zasada działania światłowodowej siatki Bragga Światłowodowa siatka Bragga to periodyczna zmiana współczynnika załamania w rdzeniu jednomodowego włókna optycznego (rysunek 1). Światło prowadzone w rdzeniu włókna ulega odbiciom na kolejnych prążkach siatki. Jeśli nie jest spełniony warunek Bragga, fale pochodzące od kolejnych odbić nie są ze sobą w fazie, co w efekcie powoduje, iż się znoszą. Dla przykładu 1 mm siatka przy długości fali 1500 nm z dużym współczynnikiem modulacji Δn = 10-3 będzie odbijała 0,05% światła będącego poza rezonansem. Gdy warunek Bragga jest spełniony, światło odbite od każdego prążka siatki będzie konstruktywnie dodawać się w fazie, dając w ten sposób wsteczny pik reflektancji ze środkową długością fali zdefiniowaną przez parametry siatki. λ λ B k f k i λ - λ B Rys. 1. Ilustracja jednorodnej siatki Bragga ze stałym okresem i współczynnikiem modulacji. Przedstawione są również wektory fali wprowadzanej do światłowodu, odbitej oraz wektor siatki [1]. W przypadku jednorodnej siatki Bragga suma wektora falowego fali propagowanej k i i wektora falowego siatki K równa jest wektorowi falowemu promieniowania odbitego k f. Można to wyrazić następującym wzorem k i + K = k f (1) gdzie wektor falowy siatki, K, ma kierunek prostopadły do prążków siatki i wartość 2π/Λ (Λ jest okresem siatki zaznaczonym na rysunku 1). Wektor falowy promieniowania odbitego k f jest równy co do wartości wektorowi falowemu fali propagowanej k i, lecz posiada przeciwny kierunek. Stąd wzór (1) przyjmuje postać: 2πn eff 2π 2 = λb Λ (2) co można uprościć do warunku Bragga pierwszego rzędu 5

λ 2n Λ (3) B = eff gdzie długość fali Bragga, λ B, jest środkową długością fali światła wejściowego, które będzie odbite wstecznie od światłowodowej siatki Bragga, a n eff jest efektywnym współczynnikiem załamania rdzenia światłowodu dla środkowej długości fali [2]. 2.2. Odbicie w jednorodnych siatkach Bragga Rozpatrzmy jednorodne siatki Bragga o średnim współczynniku załamania n 0 uformowane wewnątrz rdzenia. Profil współczynnika załamania może być wyrażony jako: 2πz n( z) = n0 + Δncos (4) Λ gdzie Δn jest amplitudą wytworzonych zmian współczynnika załamania (zwykle od 10-5 do 10-3 ), a z odległością na osi wzdłużnej światłowodu. Dzięki zastosowaniu teorii modów sprzężonych, która opisuje właściwości odbiciowe siatek Bragga, współczynnik odbicia siatki o stałych amplitudzie i okresie modulacji wyrażony może być przez następującą zależność: 2 2 sinh ( sl) 2 ( sl) + s cosh ( sl) Ω ( l, λ ) = (5) 2 2 Δk sinh R 2 w której R(l,λ) jest współczynnikiem odbicia wyrażonym w funkcji długości siatki l i długości fali λ, Ω jest współczynnikiem sprzężenia, Δk = k - π/λ jest wektorem przestrojenia, k = 2πn 0 /λ jest stałą propagacji, a s = Ω 2 - k 2. Współczynnik sprzężenia Ω, dla sinusoidalnych zmian współczynnika załamania wzdłuż osi włókna można obliczyć z zależności: πδn Ω = M p (6) λ w której M p jest częścią mocy modu zawartą w rdzeniu. Na podstawie jednorodności siatki w rdzeniu, M p można określić jako 1-V 2, gdzie V jest częstotliwością znormalizowaną daną wzorem 2π 2 2 V = r n (7) λ 0 n c przy czym r jest promieniem rdzenia, natomiast n 0 i n c współczynnikami załamania rdzenia i płaszcza. Dla długości fali Bragga nie ma przestrojenia, więc Δk=0; w związku z czym, wyrażenie na współczynnik odbicia przyjmuje postać: R(l,λ)=tanh 2 (Ω l) (8) Współczynnik odbicia rośnie wraz ze wzrostem modulacji współczynnika załamania oraz długością siatki. Obliczone widmo odbicia w funkcji długości fali przedstawione jest na rysunku 2. Obserwowane wstęgi boczne powstają w wyniku wielokrotnych odbić z przeciwnych stron obszaru siatki. Sinusoidalny kształt widma powstaje na skutek matematycznych właściwości transformaty Fouriera sygnału harmonicznego o skończonym czasie trwania transformatą częstotliwościową odpowiedzi odbiciowej nieskończenie 6

długiej siatki byłaby delta. Ogólne wyrażenie na szerokość pasma FWHM 1 siatki przyjmuje postać: 2 2 Δn 1 Δλ = λ B s + 2 (9) n0 N w której N jest ilością prążków siatki. Parametr s ~1 dla silnych siatek (ze współczynnikiem odbicia bliskim 100%) a dla siatek słabych ~0,5 [2]. 2.3. Zastosowania Rys. 2. Widmo reflektancji siatki Bragga w funkcji długości fali [1]. Z uwagi na dość unikalne właściwości filtrujące siatki Bragga i na fakt, iż są to elementy światłowodowe łatwe do sprzęgania z torami transmisyjnymi znalazły wiele zastosowań i stają się coraz bardziej powszechne w technice optofalowej. Same w sobie siatki Bragga stanowią wąskopasmowe filtry optyczne pasmowo-zaporowe, natomiast w konfiguracji ze sprzęgaczami optycznymi bądź cyrkulatorami stanowią filtry pasmowo-przepustowe stosowane między innymi w technice WDM (do multipleksacji i demultipleksacji w dziedzinie długości fali). Siatki chirped 2 w układzie z cyrkulatorem optycznym stosowane są w sieciach optycznych do kompensacji dyspersji chromatycznej. Siatki Bragga stosowane są również z powodzeniem w technice laserowej. Służą one zarówno jako zwierciadła w laserach światłowodowych jak i do stabilizacji długości fali laserów. Specjalny rodzaj siatek zwanych blazed 3 znalazł zastosowanie we wzmacniaczach światłowodowych EDFA do wygładzania charakterystyki wzmocnienia. 1 FWHM (ang. Full-Width Half-Maximum) jest szerokością piku w połowie jego wysokości (w skali liniowej). W przypadku siatek Bragga jest to szerokość spektralna siatki. 2 Siatka chirped to taka, która posiada zmienny period w funkcji swej długości. Istnieją dwa rodzaje siatek chirped: a) o ciągłej zmianie okresu oraz b) o skokowej zmianie okresu jest to w zasadzie kilka (kilkanaście) przylegających do siebie siatek o nieco innych okresach [1][2]. 3 Siatki blazed charakteryzują się tym, że ich prążki nie są prostopadłe do osi światłowodu, lecz nachylone do niej pod pewnym niedużym (kilka stopni) kątem [1][2]. 7

Z uwagi na czułość temperaturową i naprężeniową siatek Bragga (zmiana długości fali Bragga w funkcji temperatury i/lub przyłożonego naprężenia) są one również szeroko stosowane jako czujniki. 8

3.1. Wodorowanie 3. Wykonywanie światłowodowych siatek Bragga Lemaire i współpracownicy jako pierwsi zaproponowali prosty, lecz efektywny sposób uzyskiwania bardzo dużych światłoczułości światłowodów w zakresie UV przy użyciu obróbki w wodorze w niskiej temperaturze przed naświetlaniem UV. Włókna umieszczone są w wodorze w temperaturze 20-75 C pod ciśnieniem od ok. 20 atmosfer do ponad 750 atmosfer (przeważnie 150 atmosfer), co powoduje dyfuzję molekuł wodoru do rdzenia. W ponad 95% przypadków równowagę rozpuszczalności w rdzeniu uzyskuje się przy temperaturze pokojowej. Dzięki technice tej możliwe staje się uzyskanie zmian współczynnika załamania na poziomie 0,01. Jedną z zalet wodorowania jest możliwość nanoszenia siatek Bragga na dowolny światłowód germanowo-krzemionkowy, a nawet nie zawierający germanu. Co więcej, obszary nie poddane naświetlaniu uwalniają wodór, co powoduje, że nie ma on znaczącego wpływu na straty w żadnym z okien telekomunikacyjnych [2]. 3.2. Metoda maski fazowej Spośród technik wykonywania światłowodowych siatek w niniejszej pracy została opisana jedynie metoda maski fazowej, na której bazuje stanowisko zmontowane w Instytucie Systemów Elektronicznych Politechniki Warszawskiej. Opis innych metod wykonywania siatek Bragga znaleźć można między innymi w [1][2]. Jedną z najbardziej efektywnych metod wytwarzania siatek Bragga na fotoczułych włóknach światłowodowych jest technika maski fazowej. W metodzie użyty jest dyfrakcyjny element optyczny (maska fazowa ang. phase mask) w celu przestrzennej modulacji UV wiązki naświetlającej (rysunek 3(a)). Maska fazowa jest więc jedno-wymiarową siatką dyfrakcyjną o periodzie Λ pm, oraz wysokości stopnia dobranej tak, aby zminimalizować zerowy rząd dyfrakcji (typowo mniej niż 5%). W dodatku plus i minus pierwszy rząd dyfrakcji są maksymalizowane; każdy zawiera typowo więcej niż 35% transmitowanej mocy. W pobliżu maski fazowej, przez nachodzenie na siebie wiązek plus i minus pierwszego rzędu, wytworzony zostaje wzór interferencyjny. Period wzoru (Λ) jest połową okresu maski (Λ=Λ pm /2). Poprzez umieszczenie włókna w obszarze wzoru interferencyjnego następuje w rdzeniu modulacja współczynnika załamania fotoczułego włókna. Z uwagi na konieczność użycia tylko jednego elementu optycznego do wytworzenia przestrzennego wzoru interferencyjnego, metoda maski fazowej zapewnia dużą powtarzalność nanoszenia siatek. Z uwagi na bliskość umieszczenia światłowodu za maską fazową metoda ta jest również odporna na wibracje mechaniczne. 9

Rys. 3. (a) Schemat układu z maską fazową do wykonywania światłowodowych siatek Bragga; (b) charakterystyka reflektancji siatki wykonanej tą techniką [1]. 10

4. Eksperymenty 4.1. Wytwarzanie siatek Bragga 4.1.1. Wodorowanie światłowodów Wodorowanie światłowodów jest procesem polegającym na umieszczeniu włókien w atmosferze wodoru w temperaturze pokojowej pod ciśnieniem 115 bar i ma na celu zwiększenie ich fotoczułości. Powoduje to uczulenie światłowodu na działanie światła UV, przez co uzyskuje się zmiany współczynnika załamania pod wpływem promieniowania UV nawet rzędu 10-2. Schemat stanowiska do wodorowania światłowodów znajdujący się na Wydziale Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej przedstawiony jest na rysunku 4. Rys. 4. System do wodorowania światłowodów. 4.1.2. Nanoszenie światłowodowych siatek Bragga Siatki Bragga wykonane zostały w laboratorium światłowodowych siatek Bragga na Wydziale Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej we współpracy z dr inż. Kazimierzem Jędrzejewskim oraz dr inż. Lechem Lewandowskim. Wykonano siatki Bragga na czterech różnych typach światłowodów jednomodowych: A światłowód typu matched-cladding (o nie przesuniętej dyspersji) B SMF-28 (o nie przesuniętej dyspersji), C światłowód o przesuniętej dyspersji, D światłowód o przesuniętej i niezerowej dyspersji, typu W. Naniesione siatki umieszczono w trzech typach obudowy, a mianowicie: P1 obudowa aluminiowa, P2 rurka aluminiowa oraz P3 rurka ze stali nierdzewnej. Schemat stanowiska do wykonywania światłowodowych siatek Bragga metodą skanowania maski fazowej przedstawiony jest na rysunku 5. 11

PC Sterownik silnika krokowego Silnik krokowy Uchwyt na światłowód Laser argonowy z kryształem BBO Soczewka cylindryczna FBG Maska fazowa Stolik przesuwny Rys. 5. Schemat stanowiska do nanoszenia światłowodowych siatek Bragga metodą skanowania maski fazowej [3]. Światło ciągłe o długości fali 244 nm generowane przez laser pada na soczewkę cylindryczną, która powoduje przestrzenne formowanie wiązki tak, aby ją skupić w jednej płaszczyźnie na rdzeniu (odległość soczewki od światłowodu jest równa jej ogniskowej). Następnie wiązka ulega dyfrakcji na masce fazowej. Wiązki dyfrakcyjne ±1 rzędu tuż za maską fazową interferują ze sobą. Na umieszczonym światłowodzie powstaje siatka Bragga w postaci periodycznych zmian współczynnika pochodzących od maski fazowej. Omawiany układ pozwala na wykonywanie siatek ze skanowaniem maski fazowej. Możliwe jest to dzięki przesuwowi, na którym zamontowane są maska fazowa i uchwyty do światłowodu. W metodzie tej stolik z maską i światłowodem przesuwany jest względem wiązki, dając efekt skanowania. Pozwala to na wykonywanie siatek o różnej długości. Silnik krokowy sterowany jest komputerem, co pozwala również na zmianę opóźnienia pomiędzy kolejnymi krokami a zatem na wybór żądanego czasu naświetlania. 4.2. Wyznaczanie zależności parametrów siatek Bragga w funkcji czasu wodorowania i czasu naświetlania W celu oceny parametrów światłowodowych siatek Bragga w funkcji czasu wodorowania oraz czasu naświetlania zaprojektowane i wykonane zostało stanowisko do pomiarów spektralnych światłowodowych siatek Bragga (rysunek 6). 12

Laser przestrajalny Tłumik optyczny regulowany FBG Miernik długości fali Miernik mocy optycznej GPIB PC Rys. 6. Stanowisko pomiarowe do wyznaczania charakterystyk spektralnych światłowodowych siatek Bragga [4]. Urządzenia, wchodzące w skład stanowiska pomiarowego z rysunku 6, sterowane są poprzez szynę GPIB przy pomocy aplikacji pomiarowej napisanej w środowisku LabWindows/CVI. Możliwy jest pomiar charakterystyk spektralnych podzespołów elektronicznych w zakresie 1495 1640 nm. Poza zakresem spektralnym, parametrem definiowanym przez użytkownika jest rozdzielczość pomiaru. Dzięki zastosowaniu lasera przestrajalnego Agilent 81640B (w ramie 8164B) możliwe jest wyznaczenie charakterystyki spektralnej nawet z rozdzielczością 1 pm. Długość fali lasera kontrolowana jest wysokiej klasy miernikiem długości fali Burleigh WA-1650 pozwalającym osiągnąć dokładność pomiaru długości fali rzędu 0,2 ppm (tj. około 0,3 pm przy 1550 nm). Zastosowanie miernika mocy optycznej HP81532A z głowicą pomiarową HP81524A umożliwia pomiar poziomu mocy optycznej nawet rzędu -80dBm. Rysunek 7 przedstawia wygląd panelu programu do wyznaczania charakterystyk spektralnych siatek Bragga. Rys. 7. Panel programu sterującego układu pomiarowego do pomiarów spektralnych światłowodowych siatek Bragga. 13

B W celu wyznaczenia zależności parametrów siatek Bragga w funkcji parametrów procesu technologicznego badania podzielono da dwie części: a) wyznaczenie zależności parametrów siatek Bragga w funkcji czasu naświetlania przy stałym czasie wodorowania. Do badań użyto światłowodów typu matched-cladding (A) oraz SMF-28 (B). Wykonano dwie serie 20-mm siatek za pomocą lasera o mocy 100 mw z różnymi czasami naświetlania. Światłowody wcześniej poddano procesowi wodorowania przez okres 60 dni w temperaturze pokojowej pod ciśnieniem 115 barów b) wyznaczenie zależności parametrów siatek Bragga w funkcji czasu wodorowania przy stałym czasie naświetlania. Do badań użyto światłowodów o przesuniętej dyspersji (C) oraz o przesuniętej i niezerowej dyspersji (D) poddanych procesowi wodorowania (zastosowano różne czasy wodorowania) w temperaturze pokojowej i przy ciśnieniu 115 barów. Następnie na tych światłowodach wykonano 10-mm siatki stosując 15 minutową ekspozycję laserem UV o mocy 100 mw. W tym przypadku celowo zastosowano długi czas naświetlania w celu zaobserwowania efektów towarzyszących długiemu czasowi ekspozycji włókna. Następnie zmierzono charakterystyki spektralne powstałych siatek i wyznaczono ich parametry (długość fali Bragga, szerokość połówkową oraz reflektancję) w funkcji czasu wodorowania oraz czasu naświetlania. Zależności powyższe zilustrowano na wykresach (rozdziały 5.1.1 i 5.1.2). 4.3. Wyznaczenie współczynnika termicznego zmian długości fali Bragga w funkcji temperatury Pomiary mające na celu wyznaczenie współczynnika termicznego zmian długości fali Bragga w funkcji temperatury Δλ B /ΔT, polegają na wyznaczeniu długości fali Bragga na podstawie charakterystyki spektralnej siatki dla różnych temperatur. W tym celu zastosowano stanowisko pomiarowe z rysunku 8 umieszczając siatkę w komorze klimatycznej o regulowanej temperaturze i wilgotności. Jako że, zmiany długości fali Bragga w funkcji temperatury mają charakter liniowy, to współczynnik Δλ B /ΔT można wyznaczyć z charakterystyki λ B = f(t) jako zmiana długości fali Bragga siatki odpowiadająca zmianie temperatury o 1 o C. Wyznaczono współczynniki termiczne dla wszystkich czterech typów światłowodów. W tym celu dokonano pomiarów długości fali Bragga siatek dla temperatur 0, 22, 50 o C i korzystając z liniowej zależności λ B = f(t) wyznaczono współczynniki termiczne jako stosunek różnicy długości fali Bragga w temperaturach 0 i 50 o C przez różnicę tych temperatur. λ o λ o 50 C 0 C Δ λb / ΔT = (10) 50 Podczas pomiarów utrzymywana była stała wartość wilgotności równa 45%. Charakterystyki λ B = f(t) zobrazowano na wykresie (rozdział 5.2). 14

Komora klimatyczna Laser przestrajalny Tłumik optyczny regulowany FBG Miernik mocy optycznej Miernik długości fali GPIB PC Rys. 8. Stanowisko pomiarowe badań termicznych i starzeniowych siatek Bragga [4]. 4.4. Przyspieszone testy starzeniowe W celu określenia zachowania się siatki Bragga w czasie, poddaje się ją procesowi przyspieszonego starzenia w komorze klimatycznej w podwyższonej temperaturze. Do tego celu użyto systemu pomiarowego z rysunku 8. Siatki poddano wygrzewaniu w komorze klimatycznej w temperaturze 85 o C przez okres 22 dni mierząc kilkukrotnie w tym czasie ich charakterystyki spektralne (w celu wyznaczenia ich parametrów). Na podstawie niniejszych pomiarów wyznaczono charakterystykę znormalizowanej reflektancji R/Ro (gdzie Ro jest wartością reflektancji siatki zmierzoną przed testem starzeniowym, natomiast R jest wartością reflektancji zmierzoną po upływie czasu t od rozpoczęcia procesu przyspieszonego starzenia). Ponadto w tabeli (rozdział 5.3) dokonano porównania długości fali Bragga oraz szerokości połówkowej siatek przed i po okresie procesie wygrzewania. 15

5. Wyniki eksperymentów 5.1. Badanie parametrów światłowodowych siatek Bragga w funkcji parametrów technologicznych 5.1.1. Wyznaczenie zależności parametrów siatek Bragga w funkcji czasu naświetlania W wyniku pomiarów spektralnych charakterystyk siatek Bragga oraz wyznaczenia ich parametrów w funkcji czasu naświetlania sporządziliśmy charakterystyki pokazane na rysunkach 9, 10, i 11. 1535,7 1535,6 Długość fali Bragga [nm] 1535,5 1535,4 1535,3 1535,2 1535,1 100 150 200 250 300 350 400 Czas naświetlania [s] światłowód A światłowód B Rys. 9. Zależność długości fali Bragga od czasu naświetlania [4]. Z powyższego rysunku wynika, iż zgodnie z teorią długość fali Bragga wzrasta z czasem naświetlania [1][2]. Dzieje się tak, ponieważ ze wzrostem czasu naświetlania rośnie efektywny współczynnik załamania włókna n eff, który jest wprost proporcjonalny do długości fali Bragga zgodnie z zależnością (3). Mimo, iż siatki na obydwu światłowodach wykonane zostały przy użyciu tej samej maski fazowej, długości fali Bragga nieco się różnią uwagi na różne współczynniki załamania rdzenia światłowodów a także stopień nawodorowania zależny od rodzaju pokrycia oraz struktury szkła. 16

60 50 Reflektancja [db] 40 30 20 10 0 100 150 200 250 300 350 400 Czas naświetlania [s] światłowód A światłowód B Rys. 10. Zależność reflektancji od czasu naświetlania [4]. Z powyższego rysunku 10 wynika, że reflektancja siatek Bragga wzrasta z czasem naświetlania. W przypadku siatki na światłowodzie A w zakresie czasu naświetlania 100-350 s charakterystyka jest prawie liniowa, lecz dla dłuższych czasów naświetlania staje się ona podobna do charakterystyki siatki na światłowodzie B. Jeżeli czas naświetlania jest za długi pojawiają się dodatkowe efekty w postaci poszerzenia charakterystyki spektralnej oraz jej spłaszczenia w bliskim sąsiedztwie długości fali Bragga, a także brak dalszego wzrostu reflektancji (w przypadku siatek na obydwu rodzajach światłowodów patrz również [3]). 0,25 0,2 FWHM [nm] 0,15 0,1 0,05 0 100 150 200 250 300 350 400 Czas naświetlania [s] Rys. 11. Zależność FWHM od czasu naświetlania [4]. światłowód A światłowód B Jak widać na rysunku 11, kształt charakterystyk FWHM w funkcji czasu naświetlania jest podobny do wykresów z rysunku 10. Dla czasów naświetlania z zakresu 100 350 sekund jego wzrost powoduje poszerzenie charakterystyki spektralnej siatki. Zaobserwowano również, iż dla większych czasów naświetlania charakterystyka wokół długości fali Bragga staje się płaska, co uniemożliwia dokładne jej wyznaczenie. 17

5.1.2. Wyznaczenie zależności parametrów siatek Bragga w funkcji czasu wodorowania W wyniku pomiarów spektralnych charakterystyk siatek Bragga oraz wyznaczenia ich parametrów w funkcji czasu wodorowania sporządziliśmy charakterystyki pokazane na rysunkach 12, 13, i 14. 1536,8 1536,6 Długość fali Bragga [nm] 1536,4 1536,2 1536 1535,8 1535,6 1535,4 1535,2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Czas wodorowania [dni] światłowód C światłowód D Rys. 12. Zależność długości fali Bragga od czasu wodorowania [4]. 1 0,9 0,8 0,7 FWHM [nm] 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Czas wodorowania [dni] światłowód C światłowód D Rys. 13. Zależność FWHM od czasu wodorowania [4]. 18

70 60 Reflektancja [db] 50 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Czas wodorowania [dni] światłowód C światłowód D Rys. 14. Zależność reflektancji od czasu wodorowania [4]. Zgodnie z rysunkami 12, 13, i 14, zwiększenie czasu wodorowania powoduje przesunięcie długości fali Bragga w kierunku fal dłuższych, zwiększenie reflektancji oraz FWHM. Z uwagi na duży czas naświetlania dla siatek poddanych procesowi wodorowania większemu niż 4 dni obserwujemy, że jego zwiększanie nie powoduje wzrostu reflektancji a jedynie poszerzenie charakterystyki spektralnej (wzrost FWHM). Tak, więc w celu uzyskania siatek wąskich (małe FWHM) o dobrze określonej długości fali Bragga konieczne jest znanie czasu wodorowania i w zależności od niego należy dobrać czas naświetlania. 5.2. Zależności termiczne siatek Bragga Na rysunku 15 przedstawiono zależności długości fali Bragga w funkcji temperatury dla siatek na włóknach A, B i C. 1536,8 1536,6 Długość fali Bragga [nm] 1536,4 1536,2 1536 1535,8 1535,6 1535,4 1535,2 1535 1534,8 światłowód A światłowód B światłowód C 0 10 20 30 40 50 60 Temperatura [ o C] Rys.15. Liniowa zależność długości fali Bragga od temperatury [4]. Współczynnik temperaturowy wszystkich siatek posiada podobną wartość (z zakresu 10,5 11,5 pm/ o C). Badania temperaturowe siatek Bragga przed i po zapakowaniu pokazują, iż 19

zastosowane przez nas obudowy prawie nie zmieniają czułości temperaturowej siatki natomiast służy raczej do jej ochrony przed czynnikami zewnętrznymi (między innymi przed naprężeniami włókna). 5.3. Testy starzeniowe Na podstawie pomiarów dokonywanych podczas testu starzeniowego sporządzono charakterystykę znormalizowanej reflektancji w funkcji czasu wygrzewania (rysunek 16). Znormalizaowana reflektancja R/Ro [-] 1 0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 0 5 10 15 20 25 Czas wygrzewania [dni] światłowód A (siatka słaba) obudowa P1 światłowód A (siatka silna) obudowa P3 światłowód B (siatka silna) obudowa P2 światłowód B (siatka silna) obudowa P3 Rys. 16. Charakterystyka znormalizowanej reflektancji w funkcji czasu starzenia [4]. W wyniku procesu przyspieszonego starzenia zauważono, że ze wzrostem czasu wygrzewania zmniejsza się reflektancja siatek. Drastyczne zmiany uzyskuje się w pierwszych momentach wygrzewania, a następnie stają się one powolniejsze. W przypadku siatki słabej względne zmiany reflektancji są większe niż w przypadku siatek silnych, lecz również w tym przypadku siatka osiąga ustaloną wartość reflektancji po kilku dniach wygrzewania. Po wygrzewaniu zmierzono charakterystyki spektralne siatek oraz wyznaczono ich parametry porównując je z parametrami sprzed testów starzeniowych. Okazało się, iż oprócz zmniejszenia reflektancji z biegiem czasu, zmniejszyło się również FWHM oraz długość fali Bragga przesunęła się w kierunku fal krótszych. Porównanie parametrów siatek przed i po starzeniu przedstawia poniższa tablica 1. Tabl. 1. Zestawienie wartości parametrów siatek Bragga przed i po procesie przyspieszonego starzenia [4]. Przed / Po światłowód A światłowód A światłowód B światłowód B starzeniu obudowa P1 obudowa P3 obudowa P2 obudowa P3 Długość fali Przed 1535,192 1535,218 1535,656 1535,664 Bragga [nm] Po 1535,123 1535,172 1535,591 1535,606 FWHM [nm] Przed 0,074 0,125 0,141 0,178 Po 0,066 0,112 0,131 0,162 20

6. Zastosowanie siatki Bragga jako wzorca długości fali Jednym z punktów kalibracji analizatorów widma promieniowania optycznego jest wyznaczenie poprawki długości fali Δλ λ w stosunku do długości fali odniesienia λ REF zgodnie z równaniem Δλ λ = λ REF - λ OSA (11) gdzie λ OSA jest wartością zmierzoną wzorcowanym analizatorem widma [5]. Zaleca się również wyznaczenie poprawki różnicy długości fali Δλ Δλ Δλ Δλ = Δλ REF - Δλ OSA (12) gdzie Δλ REF jest wzorcową różnicą długości fali, a Δλ OSA jest zmierzoną analizatorem widma przy pomocy markerów różnicą długości fali. W celu zastosowania światłowodowej siatki Bragga jako wzorca długości fali ważne jest, aby: - opanować proces nanoszenia siatek Bragga, tak aby uzyskiwać siatki o dobrze określonej długości fali (zbyt długie naświetlanie powoduje spłaszczenie charakterystyki transmisyjnej w sąsiedztwie λ B ) - zminimalizować wpływ temperatury i naprężenia na parametry siatki - znać wartość współczynnika termicznego (współczynnika określającego zmiany długości fali Bragga w funkcji czasu naświetlania) - wziąć pod uwagę zmiany parametrów siatki Bragga w funkcji czasu 6.1. Siatka Bragga jako wzorzec długości fali W celu zastosowania światłowodowej siatki Bragga jako wzorca długości fali, należy brać pod uwagę zmiany długości fali w funkcji temperatury. Stabilność długości fali Bragga będzie zależała od zmian temperatury w laboratorium. W przypadku naszego laboratorium, gdzie temperatura wynosi 23±1 o C, długość fali Bragga może zmieniać się maksymalnie o około ±12 pm wokół λ B. W celu zminimalizowania niepewności długości fali siatki Bragga jako wzorca długości fali i przy założeniu, że znamy współczynnik temperaturowy siatki oraz temperaturę pracy można dokonać korekcji długości fali wzorca korzystając z zależności λ B = λ Bo + (T o T) Δλ B /ΔT (13) gdzie λ B długość fali Bragga wzorca długości fali w warunkach normalnej pracy w temperaturze T, λ Bo długość fali Bragga wzorca długości fali wyznaczona podczas jego kalibracji w temperaturze T o, Δλ B /ΔT współczynnik temperaturowy siatki Bragga jako wzorca długości fali. Z uwagi na zmianę parametrów siatki w funkcji czasu zaleca się od czasu do czasu kalibrowanie siatki Bragga (jako wzorca długości fali) z możliwie największą dokładnością pomiaru. 21

Po wykonaniu siatki Bragga, która ma służyć jako wzorzec długości fali zaleca się przeprowadzenie wygrzewania wstępnego siatki w celu ustabilizowania jej parametrów (patrz wykres z rysunku 16). 6.2. Siatka Bragga z szeregiem pików jako wzorzec różnicy długości fali Podczas badania zależności parametrów siatki w funkcji czasu wodorowania włókna o przesuniętej i niezerowej dyspersji okazało się, że dla długich czasów naświetlania (około 15 minut) od strony fal krótkich pojawia się dodatkowy pik oraz seria pików podobna do tych występujących w siatkach typu blazed [1][2]. Charakterystyka spektralna takiej siatki pokazana jest na rysunku 17. Na rysunku zaznaczony został również obszar siatki z serią pików, które mogą być wykorzystane do wzorcowania różnicy długości fali. 10 0-10 Transmisja [db] -20-30 -40-50 -60-70 1515 1520 1525 1530 1535 1540 Długość fali [nm] Rys. 17. Transmisyjna charakterystyka spektralna siatki Bragga z szeregiem pików od strony fal krótkich [4]. Wpływ zmian temperatury na serię pików jest podobny jak w przypadku siatek Bragga opisanych powyżej. Po dokonaniu szeregu pomiarów okazało się jednak, że, mimo iż przy zmianach temperatury charakterystyka spektralna przesuwa się, to odległości pomiędzy poszczególnymi pikami pozostają stałe bez względu na temperaturę. W przedziale temperatur 0...50 o C odległości pomiędzy kolejnymi pikami różnią się co najwyżej o 2 pm (bowiem jest to podwojona niepewność pomiaru długości fali, czyli niepewność pomiaru różnicy długości fali). Wykres ilustrujący zmierzone odległości między poszczególnymi pikami przedstawiony jest na rysunku 18. 22

Róźnica długości fali [nm] 1,05 1 0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 0 stopnia C 22 stopnie C 50stopni C 0,6 0,55 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Numer piku Rys. 18. Zmierzone wartości różnicy długości fali pomiędzy kolejnymi pikami w temperaturach 0, 22 i 50 O C. W przypadku siatki z serią pików w wyniku zastosowania procesu przyspieszonego starzenia zaobserwowano zmniejszenie reflektancji pików oraz zmniejszenie długości fali poszczególnych pików. Natomiast odległości pomiędzy poszczególnymi pikami zostają takie same (z dokładnością do niepewności pomiaru). Istnieje więc możliwość stosowania siatki Bragga z szeregiem pików jak wzorca do kalibracji różnicy długości fali w analizatorach widma promieniowania optycznego. Niepewność wzorcowania różnicowej długości fali zależy w zasadzie jedynie od dokładności pomiaru charakterystyki spektralnej wzorca oraz stałości temperatury podczas tych pomiarów. Stałość temperatury można uzyskać umieszczając siatkę w komorze klimatycznej, natomiast dużą dokładność wyznaczenia długości fali pików poprzez zastosowanie pomiaru z dużą rozdzielczością (w przypadku naszego laboratorium około 1 pm). Toteż zachowując stała temperaturę z dokładnością do ± 0,2 o C oraz dokonując pomiaru z rozdzielczością 1 pm można powiedzieć, że długości fali pików znane są z dokładnością do 3,5 pm. Czyli dokładność różnicy długości fali będzie wynosiła 2*3,5 pm= 7 pm. Ponieważ w procesie kalibracji analizatorów widma promieniowania optycznego pomiar różnicowej długości fali jest różnicą pomiarów długości fali dwoma markerami w tym samym czasie, jest więc niezależny od temperatury. Z uwagi na fakt, iż odległość pomiędzy odpowiednimi długościami fali pików jest niezależna od czasu to czynnik niepewności odpowiadający temu zjawisku jest równy zero. Po wykonaniu siatki, która ma służyć jako wzorzec różnicy długości fali zaleca się wykonanie wygrzewania wstępnego siatki w celu ustabilizowania jej parametrów (patrz wykres z rysunku 16). 23

Bibliografia [1] Kashyap R.: Fiber Bragg Gratings. Academic Press, 1999 [2] Othonos A., Kalli K., Fiber Bragg Gratings. Fundamentals and Applications in Telecommunications and Sensing, Artech House Optoelectronics Library, 1999 [3] Osuch T., Gąsior P., Lewandowski L.: System for modification of exposure time in fiber Bragg gratings fabrication with using scanning phase mask method, Proc. SPIE, 2005, Vol. 5775, pp. 222-226 [4] T.Osuch, T.Kossek, K. Jędrzejewski, L. Lewandowski: Thermal and aging tests of fiber Bragg gratings as wavelength standards, Proc. SPIE, 2005, Vol.5951, pp. 115-124 [5] IEC/PAS 62129 Ed 1.0: Calibration of optical spectrum analyzers. 2003 24