STUDIUM SENZORICKÝCH VLASTNOSTÍ KVAZI- JEDNOVIDOVÝCH OPTICKÝCH VLÁKEN

Transkript

1 VOLUME: 8 UMBER: 00 BŘEZE STUDIUM SEZORICKÝCH VLASTOSTÍ KVAZI- JEDOVIDOVÝCH OTICKÝCH VLÁKE etr KOUDELKA, Jan LÁTAL, etr ŠIŠKA, František HAÁČEK, Jan SKAA, Vladiír VAŠIEK Katedra telekounikační techniky, Fakulta elektrotechniky a inforatiky, VŠB-TU Ostrava, 7. Listopadu 5, 708 Ostrava-oruba, Česká republika petr.koudelka@vsb.cz, jan.latal@vsb.cz, petr.siska.fei@vsb.cz Abstrakt. Kvazi-jednovidová optická vlákna jsou optická vlákna s unikátníi vlastnosti, jejichž atypická profilová struktura uožňuje současné využití optického vlákna jako přenosového édia a současně jako senzoru založeného na přerozdělování optického výkonu ezi několik vidů. Ve spolupráci s ÚFE AVČR byl vyvinut speciální typ kvazi-jednovidového vlákna SG005, který je podroben experientálníu ověření jeho teoretických vlastností v optické laboratoři na Katedře telekounikační techniky VŠB-TU Ostrava. Článek je zaěřen na posouzení vlivu echanického napětí v podobě tahového zatížení vlákna na přerozdělení optického výkonu ezi jednotlivýi vidy. Klíčová slova Kvazi-jednovidová optická vlákna, Optifiber, echanické napětí, tahové zatížení, atypický profil vlákna, redistribuce výkonu.. Úvod Vláknově optických senzorů existuje v dnešní době obrovská škála. Jako kvazi-jednovidové optické vlákno je označováno takové vlákno, které pracuje za hranicí jednovidovosti, respektive podporuje šíření více vidů, typicky -6. říčinou je speciální atypický profil vlákna, který je výsledke výzkuu na Katedře telekounikací VŠB-TU Ostrava ve spolupráci s ÚFE AVČR. Kvazijednovidová vlákna lze využít jako přenosového édia pro optickou kounikaci a zároveň i jako optického senzoru. V toto případě se jedná o optovláknové senzory založené na přerozdělování optického výkonu ezi několika vidy. Myšlenkou při vývoji kvazijednovidových vláken bylo jejich použití v přístupových, pasivně optických sítích. Zde by tento nový typ optických vláken převzal funkci konvenčních jednovidových vláken jako přenosového édia a navíc by uožňovali poskytovateli přístupové sítě ít přehled o stavu z hlediska působení vnějších vlivů, jako je například teplota nebo echanické napětí. Tento článek je zaěřen na posouzení vlivu echanického napětí v podobě tahového zatížení vlákna na přerozdělení optického výkonu ezi jednotlivýi vidy a pro sestavení výsledného ateatického odelu [].. Kvazi-jednovidová optická vlákna Speciální atypický profil kvazi-jednovidových optických vláken byl v ráci výzkuu odelován poocí etody konečných diferencí (FDM). Výsledný tvar rovnice L vidů je ve tvaru []: f ( r) æ ( ) ç l f r + + k 0 e ( r) - b - f ( r) = 0, () r è r ø kde l je úhlové vlnové číslo, r je radiální souřadnice, k 0 je velikost vlnového vektoru ve vakuu, β je fázová konstanta a f je radiální funkce vycházející z rovnice (). rotože ve vrstvě s konstantní indexe lou neá vektorová rovnice vazební členy a ůže tak být použita lineární polarizace, elektrické složky pole jsou pak řešení skalární Helholtzovy rovnice: æ Ñe Ñ E + k 0e E + ÑçE = 0. () è e ø okud se použijí cylindrické souřadnice, řešení je nalezeno poocí separace proěnných, kde f je radiální funkce této separace: r, f, z = f r exp j lf - bz. () E x ( ) ( ) [ ( )] Výsledné vidy jsou nalezeny vyšetření hodnot β, 00 ADVACES I ELECTRICAL AD ELECTROIC EGIEERIG

2 VOLUME: 8 UMBER: 00 BŘEZE která ají konečná řešení. Jednou z ožností, jak zvýšit citlivost kvazi-jednovidových vláken v distribuovaných systéech, je zakřivení vlákna. Jeho teoretický popis vychází z řešení Maxwellových rovnic v zakřivených souřadnicích []. rofil kvazi-jednovidového optického vlákna byl na základě ateatických výpočtů navrhnut prograe Optifiber a následně vyroben ve spolupráci s AVČR. rofil vyrobeného kvazi-jednovidového optického vlákna je uveden na Obr.. Grafický výstup vypočítaného vidového pole ve vzdálenosti 0 pro vlnovou délku 850 n v prograu Optifiber je uveden na Obr.. Výše uvedené optické vlákno bylo navrhnuto tak, aby na vlnové délce 550 n uožňovalo datovou kounikaci a vlnová délka 850 n uožňovala využití pro senzorická ěření. Obr. : rofil kvazi-jednovidového optického vlákna SG005. rogra Optifiber je silný nástroje i pro řešení polí v optických vláknech, neboť v sobě kobinuje nuerické výpočetní zařízení pro určení vidů ve vláknech s výpočetníi odely pro grupové zpoždění, grupovou rychlost disperze, efektivní průěr vidového pole, ztráty, polarizační vidovou disperzi, efektivní nelinearity a další. Obr. : Optického vlákno SG005 (Optifiber) vypočítané vidové pole (vzdálenost 0 ) v upravené struktuře pro 850 n (etoda FDM).. Vláknově optické senzory založené na redistribuci výkonu V případě vláknových senzorů, jednovidové vlákno, které by bylo uvedeno do kvazi-jednovidového režiu a uožnilo by šíření více vidů, ztrácí uplatnění v interferoetrických a polarizačních senzorech. a druhou stranu však vlákno s oezený počte vidů uožní vyhodnocovat jené vlivy v optické vlákně, které vedou k vidové vazbě a diferenciálníu vidovéu útluu a lze ho vyhodnocovat na výstupu. Mio výše uvedené paraetry lze vyhodnocovat také zěny v energetické distribuci po průřezu vlákna. Jako vhodný nástroj pro etodu redistribuce výkonu se ukazuje být analýza vázaných výkonů. Tato analýza je vhodná v případě vícevidových vláken, protože uožňuje sledovat střední hodnoty výkonu všech vidů jako celku, na rozdíl od analýzy vázaných vidů, která řeší šíření jednotlivých vidů. Rovnice analýzy vázaných výkonů jsou soubore konečného počtu diferenciálních rovnic prvního řádu se syetrickýi konstantníi koeficienty. Mají důležité oezení, neboť platí pouze pro relativně slabé vazby. Rovnice pro vázané výkony pak v konečné podobě vypadají následovně []: d kde vazební koeficienty: å ( - ) = -a + h, () n n = n ( b - b ) h = Kˆ F, (5) n n kde pro vazební koeficienty dále z rovnic vyplývá, že jsou syetrické, n h n = h n. (6) Koeficient výkonových ztrát α μ představuje ztráty způsobené vyzařování a také tepelné ztráty. Jestliže předpokládáe, že v jisté bodě z je veškerý výkon nesen pouze vide μ, pak: d æ. (7) è ø = -ç a + åhn n = Ztrátový člen je rozšířen suou přes všechny vazební koeficienty, z čehož plyne, že vedený vid μ ztrácí výkon do všech dalších vedených vidů. Jestliže naopak předpokládáe, že v jisté bodě z vid μ nese nulový výkon, pak: d = å h n n =. (8) Kladná derivace dμ / zde říká, že vid μ získává výkon vazbou se všei dalšíi vidy. 00 ADVACES I ELECTRICAL AD ELECTROIC EGIEERIG

3 VOLUME: 8 UMBER: 00 BŘEZE. Skutečné vidové pole kvazijednovidového vlákna SG005 ro výpočet vidové struktury byly použity technologie TMM (etodě transferu atic) a FDM (etoda konečných diferencí) [5]. Aby bylo ožné srovnat teoretické, vypočítané vidové pole vlákna se skutečný vidový pole na konci vlákna, bylo nezbytné sestavit ěřící sestavu, která získání těchto obrazců uožní (viz Obr. ). Obr. : Blokové schéa sestavy složená pro ěření vidového pole na konci optického vlákna. Měřící sestava složená v laboratoři optických kounikačních technologií Katedry telekounikační techniky ěla následující prvky [7]. Regulátor laserové diody LCD 0C, teplotní regulátor TED 00C, které byly napojeny na vlastní teplotní regulátor TCLDM9. V toto regulátoru byla upevněna laserová dioda H85- FS o vlnové délce 850 n. Laserový paprsek byl následně poocí objektivu zaěřen na čelo vlákna, které se nacházelo v jeho ohniskové vzdálenosti. Vlákno SG005 použité při toto experientu ělo délku 0. Konec vlákna byl upevněn na stolici ikroskopu s 80ti násobný zvětšení a poocí onochroatické kaery Basler A6f, která dokáže zobrazit světlo o vlnové délce 850 n. řes rozhraní firewire byl obraz sejutý kaerou vyveden na onitor počítače. Výsledek srovnání naěřených a vypočítaných vidových struktur je uveden na 0br. a 5. Obr. 5: Srovnání vidových polí - etoda výpočtu TMM a experientálně naěřené hodnoty. Metoda TMM se i zde ukázala být přesnější vůči skutečně zěřený hodnotá. očet axi i ini lze považovat za shodný. Relativní polohy axi se liší do hodnoty 5 %, ini do 7,5 %. Relativní hodnoty intenzit polí se v hodnotách pro axia liší do % a v případě ini v rozezí 8 %. Z porovnání výsledků ěření vyplývá, že etoda TMM není vhodná pro výpočty struktur obsahujících rozhraní hluboko v plášti, neboť pak dochází k draatickéu nárůstu chyby nuerického řešení. Metoda FDM ukázala svoji slabinu naopak při výpočtech v ose struktury, kde se objevují axia v rozporu se skutečně zěřenýi hodnotai. Obě etody lze bez probléů využít při řešení klasických jednodušších struktur, pro řešení koplikovaných struktur je nezbytné provézt úplnou vektorovou analýzu pole vycházející přío ze základních Maxwellových rovnic. 5. Vliv echanického napětí v podobě tahu na optické vlákno SG005 ro posouzení vlivu echanického napětí v podobě tahové zátěže na kvazi-jednovidové optické vlákno SG005 bylo sestaveno v laboratoři optických kounikačních technologií Katedry telekounikační techniky speciální zapojení, které je v blokové podobě znázorněno na Obr. 6. oužité přístroje odpovídají přístrojů, které byly použité při ěření vidového pole (Obr. ). Obr. : Srovnání vidových polí - etoda výpočtu FDM a experientálně naěřené hodnoty. 00 ADVACES I ELECTRICAL AD ELECTROIC EGIEERIG

4 VOLUME: 8 UMBER: 00 BŘEZE Obr. 6: Blokové schéa zapojení pro posouzení vlivu tahového zatížení (echanické napětí) na vlákno SG005. rvní ěření bylo provedeno pro echanické napětí v podobě tahu při 0, tedy bez zatížení. ro další ěření s nastavení tahového zatížení byl použitý ikroposuv od společnosti Edund Optics (5 Travel Metric Long Travel Rack & inion Track) s přesností 0, a saotné tahové zatížení na vlákno bylo odečítáno na siloěru STO-50 (výrobce ATIS, s. r. o. Kroěříž) s přesností 0, ± 0,5 % z rozsahu. Tahové zatížení bylo v rozsahu od 0 do 8. Vybrané výsledky ěření (záznay z CCD kaery) pro vzájené porovnání vlivu jsou zobrazeny na Obr. 7. V toto případě se jedná o zátěže v úrovních 0,, 6 a 8. d = h + h + h + h d = h + h + h + h. (9) d = h + h + h + h d = h + h + h + h Když se pak výše uvedená soustava diferenciálních rovnic (9) aplikujee na optické vlákno se čtyři vidy, jak je naznačeno na Obr. 8, přechází tato soustava do tvaru:, (0) kde až odpovídá výkonů jednotlivých vidů na začátku vlákna, respektive až odpovídá výkonů jednotlivých vidů na konci vlákna. Tato soustava rovnic á šestnáct neznáých, které představují jednotlivé vazební koeficienty. Tyto koeficienty lze experientálně určit poocí selektivního buzení jednotlivých vidů, za podínky lineárního přenosového prostředí (poocí holografických řížek) [8]. Obr. 8: aznačení čtveřice výkonů na začátku a na konci kvazijednovidového optického vlákna SG005 při vlnové délce 850 n. 6. Závěr Obr. 7: Vybrané výsledky ěření (záznay z CCD kaery) dle tahové zátěže 0,, 6 a 8. Z naěřených výsledků dle Obr. 7. je patrné, že při zvyšující se tahové zátěží dochází k přerozdělení výkonů čtyř význaných vedených energetických vidů do jednoho doinantního vidu. ro tyto uvažované čtyři energetické vidy lze tuto probleatiku zapsat do čtyř diferenciálních rovnic, které platí za předpokladu, že prostředí je bezeztrátové a nedochází ke ztrátě energie jinak než pouze vazbou ezi vidy [5]: Základní yšlenkou tohoto experientálního ěření bylo ověření vlivu echanického napětí v podobě tahového zatížení kvazi-jednovidového vlákna SG005 na hodnoty výkonů čtyř význaných vedených energetických vidů. Z výsledků je patrné přerozdělení výkonů do jednoho doinantního vidu vlive zvětšující se zátěže. Tyto výsledky poslouží pro další ateatické vyhodnocení s využití teorie nelineární optiky. ro další vyhodnocení výsledků je nutné použití selektivního buzení jednotlivých vidů za použití holografických řížek. 00 ADVACES I ELECTRICAL AD ELECTROIC EGIEERIG

5 VOLUME: 8 UMBER: 00 BŘEZE oděkování Tento příspěvek vznikl za aktivní podpory Grantové agentury ČR GA 0/07/99 s názve Kvazijednovidová optická vlákna pro telekounikace a distribuované vláknové optické senzory a GA 0/09/0550, S/0085. oužitá literatura [] ŠIŠKA,. Studiu a odelování ódové vazby v optických vláknech v blízkosti noralizované frekvence. Ostrava, 009. Disertační práce. Vedoucí disertační práce prof. RDr. Vladiír Vašinek, CSc., VŠB-TU Ostrava. [] FLORJACZYK, M. K. Technical docuentation, OptiFiber Optical Fiber Design Software, Ottawa, Canada, 006. [] GLOGE, D. Weakly guiding fibers. Applied Optics. 0, 97, p Dostupné z WWW: < [] MARCUSE, D. Theory of Dielectric Optical Waveguides. nd. edition, Acadeic ress, Inc., 99, ISB [5] DODS, S. R. A. Fiber Vector Modesolver - Iproveents to the Efficient x Matrix Method. OSA Topical Meeting, In: Integrated hotonics Research and Applications, USA, 006. [6] SISKA,.; SKAA, J.; KASIK, I.; MATEJEC, V.; VASIEK, V. A new area of optical fiber sensors: ovel ultifunctional structures based on redistribution of optical power. Optical Microsystes 007, 0th Septeber rd October, 007, Capri, Italy, ISB [7] MARSALEK, L.; SISKA,.; VASIEK, V. Vizualizace ódových polí v blízkosti noralizované frekvence. In: Sborník VII. Seinář katedry telekounikační techniky...007, Ostrava, ISB [8] BOUCHAL, Z.; HADERKA, O.; ČELECHOVSKÝ, R. Selective excitation of vortex fibre odes using a spatial light odulator. ew J. hys. 7 5, 005, Dostupné z WWW: < O autorech etr KOUDELKA, narozen v roce 98 v rostějově. V roce 006 získal titul Bc. na VŠB-TU Ostrava, Fakultě elektroniky a inforatiky, Katedře Telekounikací. O dva roky později získal na totéž pracovišti titul Ing. v zaěření optoelektronika. V současné době v ráci doktorského studia se věnuje optický bezdrátový spojů a optovláknový distribuovaný systéů. Jan LÁTAL, narozen v roce 98 v rostějově. V roce 006 získal titul Bc. na VŠB-TU Ostrava, Fakultě elektroniky a inforatiky, Katedře Telekounikací. O dva roky později získal na totéž pracovišti titul Ing. v zaěření optoelektronika. V současné době v ráci doktorského studia se věnuje optický bezdrátový spojů a optovláknový distribuovaný systéů. etr ŠIŠKA, narozen v roce 979 v Kroěříži. V roce 005 získal titul Ing. na VŠB-TU Ostrava, Fakultě elektroniky a inforatiky, Katedře Telekounikací. O tři roky později získal na totéž pracovišti titul h.d. v zaěření telekounikační technika. V současné době je zaěstnán na výše uvedené katedře jako odborný asistent. áplní jeho vědecké činnosti jsou optické kounikace, vláknově optické senzory, optovláknové distribuované systéy. 00 ADVACES I ELECTRICAL AD ELECTROIC EGIEERIG 5