VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Brno, 2016 Štěpán Polreich

2 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION ÚSTAV TELEKOMUNIKACÍ DEPARTMENT OF TELECOMMUNICATIONS STRUKTURY V OPTICKÝCH VLÁKNECH STRUCTURES IN OPTICAL FIBER BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR Štěpán Polreich VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Ing. František Urban BRNO 2016

3 Bakalářská práce bakalářský studijní obor Teleinformatika Ústav telekomunikací Student: Štěpán Polreich ID: Ročník: 3 Akademický rok: 2015/16 NÁZEV TÉMATU: Struktury v optických vláknech POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ: Cílem bakalářské práce je seznámit se s problematikou optických vláken a s možnostmi vytváření funkčních optických struktur v optických vláknech. Porovnejte jednotlivé typy struktur z hlediska jejich využitelnosti v telekomunikacích a senzorice. Prostudujte a analyzujte možnosti výroby jednotlivých struktur. Dále popište a vyhodnoťte strukturu v optickém vláknu, která by byla vhodná pro senzoriku a realizovatelná například mikroobráběním femtosekundovým laserem. DOPORUČENÁ LITERATURA: [1] Fiber optic sensors: an introduction for engineers and scientists. 2nd ed. Editor Eric Udd, William B Spillman. Hoboken: Wiley, c2011, xiii, 498 s. ISBN [2] FILKA, Miloslav. Optoelektronika pro telekomunikace a informatiku. Vyd. 1. Brno: Miloslav Filka, 2009, 369 s. ISBN [3] BORN, Max a Emil WOLF. Principles of optics: electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light. 7th exp. ed. Cambridge: Cambridge University Press, 1999, xxxiii, 952 s. ISBN Termín zadání: Termín odevzdání: Vedoucí práce: Ing. František Urban Konzultant bakalářské práce: doc. Ing. Jiří Mišurec, CSc., předseda oborové rady UPOZORNĚNÍ: Autor bakalářské práce nesmí při vytváření bakalářské práce porušit autorská práva třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č.40/2009 Sb. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Vysoké učení technické v Brně / Technická 3058/10 / / Brno

4 ABSTRAKT Tato bakalářská práce popisuje základní pojmy, principy a vlastnosti optických vláken. Jsou zde uvedeny jednotlivé typy struktur optických vláken a jejich využití v praxi. V práci je také uvedena technologie výroby těchto struktur. U každé ze struktur je zároveň i uvedeno, v jaké oblasti se používá, zda se jedná o oblast senzoriky nebo telekomunikační techniky. Značná část je věnována speciálním strukturám, které nacházejí uplatnění především v senzorové technice díky své velké citlivosti. Práce popisuje návrh struktur, které byly obráběny pomocí femtosekundového laseru a následně uvádí, ve které oblasti se takto upravená vlákna využívají. KLÍČOVÁ SLOVA Struktury optických vláken, úpravy struktur vláken, Braggova mřížka, femtosekundový laser, zúžená struktura, vlákna s dutým jádrem, senzor ABSTRACT This thesis describes the basic concepts, principles and basic characteristics od optical fibers. There are some particular types of structures of optical fibers and their use in practice. The work is also presented technology of these structures. For each of the structures is also described in which field are used, if is area of sensor technology or telecommunication technology. Considerable part is dedicated to special structures that are used especially in sensor technology thanks to its high sensitivity. The thesis describes the design of structures which have been machined by using a femtosecond laser and then states in which area thus treated fibers are used. KEYWORDS Structure of optical fibres, structural modification of fibers, Bragg grating, femtosecond laser, tapering structure, hollow-core fibre, sensor POLREICH, Štěpán Struktury v optických vláknech: bakalářská práce. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologíı, Ústav telekomunikací, s. Vedoucí práce byl Ing. František Urban

5 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že svou bakalářskou práci na téma Struktury v optických vláknech jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího bakalářské práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené bakalářské práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této bakalářské práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení 152 trestního zákona č. 140/1961 Sb. Brno (podpis autora)

6 Poděkování Rád bych poděkoval vedoucímu bakalářské práce Ing. Františku Urbanovi, za odbornou pomoc, konzultace, trpělivost a cenné rady při zpracování mé bakalářské práce. V Brně dne (podpis autora)

7 Faculty of Electrical Engineering and Communication Brno University of Technology Technicka 12, CZ Brno Czech Republic PODĚKOVÁNÍ Výzkum popsaný v této diplomové práci byl realizován v laboratořích podpořených z projektu SIX; registrační číslo CZ.1.05/2.1.00/ , operační program Výzkum a vývoj pro inovace. Brno (podpis autora)

8 OBSAH Úvod 12 1 Problematika optických vláken Princip šíření světla optickým vláknem Ztráty v optických vláknech Disperze Útlum v optických vláknech Ohybové ztráty vláken Zdroje optického záření Výrobní technologie optických vláken Plynná fáze Tažení vlákna Metoda dvojitého kelímku Nové technologie výroby Optická vlákna Druhy optických vláken Jednovidové s přizpůsobeným profilem indexu lomu (MatchedClad) Jednovidové s vnořeným profilem indexu lomu (DepressedClad) PCS vlákna Vlákna All Wave All Wave FLEX Fibre Využití v telekomunikacích Speciální struktury optických vláken Vlákna s dvojitým opláštěním Vlákna s dvěma různými průměry jader Zúžená struktura optického vlákna Braggova mřížka Vlákna s dutým jádrem Vlákna upravená femtosekundovým laserem Vlákna obráběná femtosekundovým laserem Senzor kapalin podle indexu lomu

9 4.2 Snímač tlaku kapalin Vlastní návrhy struktur v optických vláknech Rovné hrany dutiny a kruhovitý tvar Dutina tvarovaná do obdélníku Mach-Zehnderův interferometr Fabry-Perotova dutina vyrobená bez pomocí laseru Vlastní výroba vláknového senzoru Vláknový senzor na snímání tlaku v kapalinách - bez použití femtosekundového laseru Vláknový senzor na snímání tlaku v kapalinách - vytvořen pomocí femtosekundového laseru Vytvoření FP dutiny bez použití femtosekundového laseru Závěr 53 Literatura 55 Seznam symbolů, veličin a zkratek 58 Seznam příloh 59

10 SEZNAM OBRÁZKŮ 1.1 OVD technologie VAD technologie MCVD technologie PCVD technologie Tažení vlákna Metoda dvojitého kelímku Dopování vláken Mikrostrukturní optická vlákna [4] Profil indexu lomu vlákna MatchedClad Profil indexu lomu vlákna DepressedClad Jednovidový světlovod Mnohavidový světlovod Průřezy vláken s dvojitým opláštěním [19] Detekce úniku oleje [14] Senzor zavírání dveří [14] Senzor technického stavu budov [14] Senzor sesuvu půdy [14] Procesy při výrobě vláken s různými průměry jader vlákna. [14] Znázornění výroby zúžené struktury optického vlákna [13] Znázornění Braggovy mřížky [9] Struktura vlákna s dutým jádrem [17] Výroba vláken s dutým jádrem [16] Struktura vlákna opracovaného laserem [12] Zařízení na upevnění optického vlákna [12] Kroky výroby vlákna opracovaného laserem [12] Systém femtosekundového laseru [11] Experimentální uspořádání prvků pro měření indexu lomu. [10] Postupy při výrobě FP dutiny. [10] (a) Princip snímání tlaku. (b) Mikroskopický pohled na stlačený vzduch v FP dutině vlákna. Délka trubky z oxidu křemičitého je 114 µm a vzduchová mezera má délku 90 µm. [21] Dvě mikrodutiny v optickém vlákně. Jedna má rovné hrany, druhá má kruhovitý průřez Mikrodutina v optickém vlákně s obélníkovou strukturou Mikrodutina v optickém vlákně s oválnou strukturou, která se chová jako Mach-Zenderův interferometr Ozařování vlákna pomocí femtosekundového laseru [18]

11 5.5 Mikrodutina vytvořená svařením jednovidového vlákna společně s vláknem mnohavidovým Schematické znázornění snímače tlaku Schematické znázornění použité měřící soustavy při snímání tlaku v kapalinách Měřící pracoviště pro realizaci optovláknových snímačů tlaku v kapalinách Spektrum odraženého paprsku od vodní hladiny a) Schéma měřícího zařízení. b) Detailní pohled na snímač v kapalině Spektrum odraženého paprsku od vodní hladiny - snímač tlaku vyrobený pomocí femtosekundového laseru Spektrum odraženého paprsku od vodní hladiny - snímač tlaku ponořený do větší hloubky Pohled mikroskopem na zrealizovaný optovláknový snímač tlaku Přenesený signál Odražený signál

12 ÚVOD Optická vlákna se poslední dobou používají jako náhrada za metalické vedení. Je to z toho důvodu, že u optických vláken nevzniká rušení elektromagnetickými poli a jsou odolná vůči vnějším vlivům prostředí. Mezi výhody optického přenosu patří vysoká přenosová kapacita sítě, malý útlum signálu a malé průměry vláken. Nevýhodou je ovšem složitá technologie výroby a následně díky tomu i vysoké náklady na pořízení a stavbu sítě. Optická vlákna se začala využívat v telekomunikacích, kde má výborné uplatnění. Zkvalitnila a zrychlila přenos dat. Dnes se již vlákna používají jako páteřní sítě, ve kterých jsou kladeny požadavky na vysoké přenosové rychlosti. Také jsou vhodné při propojení jednotlivých budov. Optická vlákna totiž poskytují galvanické oddělení a je tak lepší použít dražší optiku, než levnější metalické vedení, které galvanické oddělení neumožňuje. Uplatnění nacházejí i v senzorové technice. Bylo totiž zjištěno, že optická vlákna jsou v této oblasti výborná díky své vysoké citlivosti. V dnešní době se používají v sektorech jako je např. vojenská technika, chemický průmysl a lékařství. V úvodu této bakalářské práce je základní seznámení s optickými vlákny a poté jsou uvedeny různé jejich struktury. Následuje technologický postup při výrobě klasických vláken, která se využívají především v telekomunikacích. V druhé části této práce jsou uvedeny speciální struktury optických vláken, postup a technologie při jejich výrobě a následně je u každé struktury uvedeno, kde se používají nejčastěji. Tyto speciální struktury jsou nejvíce využívány právě v senzorice díky své výborné citlivosti. Předmětem této bakalářské práce je nalézt vhodnou strukturu optického vlákna, která by byla vhodná především pro obrábění femtosekundovým laserem, a zjistit postupy při tomto opracování, různé odlišné způsoby, jak se tato vlákna obrábějí, a využití takto upravených optických vláken. V poslední části jsou některé vybrané struktury zrealizovány, odsimulovány a následně proměřeny na spektrálním anylyzátoru. Tato práce na závěr obsahuje srovnání vláken, která by byla vhodná pro senzoriku a komunikační techniku. Pro senzoriku jsou vytvořeny vlastní návrhy struktur a některé jsou i zrealizovány. 12

13 1 PROBLEMATIKA OPTICKÝCH VLÁKEN 1.1 Princip šíření světla optickým vláknem Optické vlákno slouží k přenosu signálu od zdroje záření k detektoru, s co nejmenšími možnými ztrátami. Způsob přenosu je triviální. Světelný paprsek dopadá na rozhraní dvou různých prostředí, kde každé z prostředí má jinou optickou hustotu a tím i jiný index lomu. Paprsek se tedy zčásti láme a prostupuje z jedné části do druhé, a zčásti se odráží od stěn vlákna a vrací se zpět do prostředí, ze kterého přichází. U optických vláken se využívá totálního odrazu, kterým se minimalizují ztráty přenosu informace. 1.2 Ztráty v optických vláknech Disperze Disperze je rozklad různých vlnových složek elektromagnetického spektra. Je velmi důležitým parametrem při přenosu světla optickým vláknem společně s útlumem. Existuje více typů disperze: 1. Materiálová disperze Materiálová disperze je dána již při výrobě vlákna. Ovlivnit lze dobře zvoleným materiálem na výrobu. 2. Vidová disperze Tato disperze se projevuje u mnohavidových vláken, kdy při průchodu signálu dojde na jeho konci ke zmenšení amplitudy a rozšíření v čase. Nedojde však ke ztrátě energie. 3. Polarizační vidová disperze Tento druh disperze je vůči ostatním disperzím zanedbatelný. Vyskytuje se především až při vysokých přenosových rychlostech [7]. 4. Chromatická disperze Chromatická disperze se týká především jednovidových vláken. U mnohavidových se projeví spíše disperze vidová Útlum v optických vláknech Pokles výstupní hodnoty veličiny oproti veličině vstupní se nazývá útlum v optických vláknech. Hodnotu útlumu lze vyjádřit pomocí jednotky decibel nebo jako bezrozměrnou veličinu [1]. 13

14 1.2.3 Ohybové ztráty vláken Při ohýbání vláken dochází ke změně úhlu odrazu paprsků a to může mít za následek, že se paprsek neodráží zpět do jádra vlákna, ale pohltí se v plášti. Existují dva druhy ohybů: Makroohyby Vznikají ohybem vlákna například při instalaci. Předejít velkému útlumu při ohýbání můžeme tak, že optické vlákno budeme ohýbat s co největším poloměrem. Mikroohyby Jsou to poruchy v geometrii vlákna. Vznikají již při výrobě optického vlákna nebo působením vnějších elementů, deformující plášt. Některé mikroohyby odrážejí paprsky pod velkým úhlem, neodráží se zpět do jádra a tím dochází ke zvětšení útlumu signálu. 1.3 Zdroje optického záření Úkolem zdroje optického záření je transformování elektrického signálu na světelné impulzy. Teoreticky lze jako zdroj v optickém vláknu použít jakékoliv zařízení, které vyzařuje světelný paprsek. Ovšem pokud chceme nízký útlum a vysokou účinnost, tak je vhodné použít speciální zdroje k tomu určené. Těchto zdrojů je několik a každý má jiné vlastnosti, a proto je vhodný na jiný segment použití. Nejčastěji se využívají LED a laserová dioda [2]. LED dioda LED dioda je polovodičová elektroluminiscenční dioda, která funguje na principu P N přechodu polarizovaného v propustném směru. Má velkou šířku pásma, a proto se nehodí na rychlé datové přenosy. Laserová dioda Tento zdroj záření je založen na zesilování světla pomocí stimulované emise záření. Vyznačuje se velmi úzkou vyzařovací charakteristikou a velkou intenzitou, proto se využívá v systémech, kde se kladou požadavky na vysokou rychlost přenosu. 1.4 Výrobní technologie optických vláken Plynná fáze Preforma je skleněný polotovar, z něhož se táhne optické vlákno. Jedná se vlastně o samotný profil optického vlákna, který je však větší. Za intenzivního ohřevu se tahá vlastní optické vlákno a hned se obalí do vrstvy polymeru tzv. primární ochrany. 14

15 Technologie výroby: OVD (Outside vapour deposition) U této technologie se využívá boční depozice na jádro, které se otáčí kolem své osy stálou rychlostí. V hořáku se nachází SiCl 4 a příslušné dopanty, které jsou nanášené na jádro. Touto depozicí vzniká na jádře pórovitá hmota. Po tomto procesu je preforma umístěna do pece, kde se nachází vysoušecí plyn a tato hmota se speče. Tato metoda se nejvíce hodí na výrobu mnohavidových skokových vláken do délky 100 km [2, 8]. Usazené páry Nosný prvek Hořák SiCl₄ dopanty Obr. 1.1: OVD technologie VAD (Vapour axial deposition) Při technologii výroby VAD se na konec zárodku preformy nanáší dopované skloviny. Spečení jednotlivých vrstev se provádí v elektrické peci, kde preforma zmenší svůj průměr zhruba osmkrát. Nakonec je tažena na výsledný průměr 1 cm a poté vložena do křemenného skla [5, 8]. 15

16 Preforma Pícka Vysoušecí plyn SiCl₄ Obr. 1.2: VAD technologie MCVD (Modified chemical vapour deposition) Technologie MCVD je velmi moderní a vyrábí se pomocí ní velmi kvalitní vlákna. V komoře je rotující skelná tyč, do které se vpouští chemický plyn. Ten se usazuje po obvodu vlákna a tím se vytváří požadovaný index lomu. Po této depozici je potřeba performu smrštit v peci [5, 8]. Smršťovací pícka Rotující skelná tyč Proudící plyn Usazené částice plynu Obr. 1.3: MCVD technologie PCVD (Plasma-activated chemical vapour deposition) Tato metoda výroby je velmi podobná metodě MCVD. Rozdíl je v tom, že nanášený plyn se usazuje pouze na místech, kde je zvýšená teplota. Jedná se o vysoce jakostní technologii. V praxi se ale moc nepoužívá, nebot je pomalá a velice nákladná [2, 8]. 16

17 Smršťovací pícka Rotující skelná tyč Proudící plyn Usazené částice plynu Obr. 1.4: PCVD technologie Tažení vlákna Ve výrobní technologii tažením vlákna se využívá toho, že je performa ve svislém stavu a zahřátím se vytvoří kapka, která následně odkápne a upne se do navíjecího zařízení. Dále se na vlákno umístí optický měřič, který kontroluje přesnost požadovaného průměru vlákna. Pokud hodnota neodpovídá a tažené vlákno je moc silné, zvýší se teplota ohřevu. Než se jádro navine na cívku, doplní se ještě o izolaci vůči vodě, která je tvořena lakem, a poté je nanesena sekundární ochrana [8, 6]. Optické vlákno Měření vlákna Nanášení laku Vytvrzení laku Navinutí na cívku Obr. 1.5: Tažení vlákna 17

18 1.4.3 Metoda dvojitého kelímku V této metodě se využívá principu tažení ze dvou kelímků, přičemž v každém je performa o jiném indexu lomu. Na dno kelímku září laser a určuje teplotu a rychlost tavení. Tato metoda umožňuje vytvářet velmi dlouhá vlákna při vysoké rychlosti tažení. Ještě před navinutím na cívku se musí na jádro nanést primární ochrana [8]. Preformy různých indexů lomů Vyhřívaný kelímek Tažené optické vlákno Obr. 1.6: Metoda dvojitého kelímku 1.5 Nové technologie výroby Dopovaná vlákna Jednou z nových možností výroby je dopovat vlákna erbiem nebo případně yterbiem. V podstatě se jedná o zesilovač optického signálu. Využívá se mnohabodového čerpání v dvouplášt ových vláknech. 18

19 Jednovidové vlákno dopováno erbiem Jednovidový signál Jednovidový zesílený signál Mnohavidové čerpání Obr. 1.7: Dopování vláken Polarizovaná vlákna V testovacích zařízeních se využívají v současné době polarizovaná vlákna. Uplatnění nacházejí především jako gyroskopy, dále v měřicí technice a jako Dopplerova měření rychlosti [3]. Mikrostrukturní vlákna Výrobní proces mikrostrukturnách vláken je velmi obtížný a drahý. Nejlevnější variantou je výroba z několika skleněných trubiček vložených do jedné objímky. Mezi složitější metodu patří vytlačování, kdy dochází k tlačení roztaveného skla přes matrici, anebo spojením kapilár. U metody spojení kapilár se svaří několik skleněných kapilár do podoby reformy a následně jsou taženy jako obyčejné vlákno [6]. Obr. 1.8: Mikrostrukturní optická vlákna [4] 19

20 Δ₁ 2 OPTICKÁ VLÁKNA 2.1 Druhy optických vláken Jednovidové s přizpůsobeným profilem indexu lomu (MatchedClad) Toto vlákno je tvořeno pláštěm z čistého křemenného skla a jádrem, které je dopováno germaniem. Výbornou odolnost vůči mechanickým vlivům zajišt uje dvojitá primární ochrana D-LUX 100R. Nejvíce se uplatní tam, kde je vyžadován nízký útlum a vysoká přenosová šířka pásma [5]. 8,3 µm 125 µm Obr. 2.1: Profil indexu lomu vlákna MatchedClad Jednovidové s vnořeným profilem indexu lomu (DepressedClad) Jádro tohoto vlákna je dopováno germaniem a plášt tvoří dvě vrstvy. Vnitřní plášt má snížený profil indexu lomu a vnější je tvořen z čistého křemenného skla. Vlákno má výbornou odolnost útlumu vůči mikroohybům a makroohybům [5]. 20

21 Δ₂ Δ₁ 8,3 µm 125 µm Obr. 2.2: Profil indexu lomu vlákna DepressedClad PCS vlákna Jádro PCS vlákna je vyrobeno z čistého křemenného skla, které je obklopeno polymerovým pláštěm. Vyznačují se vynikající odolností vůči radiaci. Využívají se především jako lasery v medicíně Vlákna All Wave Vlákna All Wave mají potlačenou OH špičku mezi druhým a třetím oknem útlumové charakteristiky. Vlákno je vhodné pro přenosy CWDM, DWDM a přístupové sítě FTTx [2] All Wave FLEX Fibre All Wave Flex vlákna se využívají nejvíce pro sítě FTTx. Na rozdíl od vlákna All Wave vykazují vyšší spolehlivost a nízké přenosové ztráty [2]. 2.2 Využití v telekomunikacích V telekomunikacích se používají především vlákna, která jsou vhodná na vzdálenosti desítek kilometrů a přitom na dané vlnové délce mají malý měrný útlum a malou disperzi. Využití ovšem naleznou i vlákna na malé vzdálenosti [2]. Jednovidová optická vlákna Tato vlákna se používají nejčastěji, protože jejich měrný útlum je velmi nízký a pohybuje se okolo 0,20dB/km. Uplatnění tak nachází v přenosech na dlouhé trasy v řádu stovek kilometrů. Nejvíce se hodí na přenášení dat v optických komunikacích. Své využití ale naleznou i v senzorice [2]. 21

22 Obr. 2.3: Jednovidový světlovod Mnohavidová vlákna I přesto, že vidová disperze je minimalizována proměnným indexem lomu jádra, tak využití na dálkové optické přenosy u těchto vláken je stále omezené. Jsou vhodná tedy tam, kde potřebujeme přenos v řádu maximálně stovek metrů. Používají se především v průmyslovém sektoru, dále v medicíně a v senzorové technice [2]. Obr. 2.4: Mnohavidový světlovod Plastová vlákna Tato vlákna jsou mnohavidová s poměrně velkým útlumem, který se pohybuje kolem 100 db/km, proto se používají na vzdálenosti pouze několik metrů. Jejich předností je však snadná montáž a výhodná cena. Vlákna zachovávající polarizaci V klasických jednovidových vláknech může docházet k transformaci lineárně polarizovaného záření na záření o eliptické polarizaci v důsledku odchylek od válcové geometrie. Tomu lze zabránit, pokud vlákno bude například eliptického průřezu. 22

23 3 SPECIÁLNÍ STRUKTURY OPTICKÝCH VLÁKEN 3.1 Vlákna s dvojitým opláštěním U obyčejného jednovidového optického vlákna může být výstupní signál např. polarizovaný. Mnohavidová vlákna mají pro změnu na výstupu většinou paprsek špatné kvality. Toto dilema bylo vyřešeno vynálezem vláken, která mají dvojitý plášt kolem jádra. Laserový signál se zde šíří v jednovidovém, nebo mnohavidovém vlákně, které je obklopeno vnitřním opláštěním. V tomto opláštění dochází k propagování čerpání světelného paprsku. Jádro je dopováno ze vzácných zemin. Vnitřní plášt vlákna má výrazně větší plochu oproti jádru a také typicky větší numerickou aperturu, aby mohl podporovat velké množství režimů šíření. To umožňuje použití např. výkonových laserových diod, bez ohledu na jejich špatnou kvalitu paprsku [19]. Jádro ve středu vlákna Jádro mimo střed vlákna Vnitřní plášť do tvaru D Šestiúhelníkový vnitřní plášť Eliptický vnitřní plášť Obdélníkový vnitřní plášť Obr. 3.1: Průřezy vláken s dvojitým opláštěním [19] Existuje velké množství konstrukčních provedení s dvojitým pláštěm kolem jádra. Na obr. 3.1 můžeme vidět ty nejdůležitější a nejpoužívanější průřezy vláken. Nejčastější je vlákno, které má vnitřní opláštění tvarované do písmene D, a vlákno s obdélníkovou strukturou [19]. Výroba Double-clad vlákna Velmi důležitým parametrem je kromě vlastností jádra především poměr plochy vnitřního opláštění k ploše jádra. Tento poměr by neměl být příliš velký, protože poté bude intenzita paprsku ve vnitřním plášti malá. Běžný poměr těchto oblastí je řádově Materiál těchto vláken se od klasických vláken nijak neliší. Rozdíl je pouze v tom, že u vláken s dvojitým opláštěním je nižší index lomu vnějšího pláště [19]. 23

24 Použití vláken Double-clad Tato vlákna se nejvíce využívají pro vysoce výkonné lasery a do zesilovačů. Výhodou těchto vláken je, že mají na výstupu vysokou kvalitu paprsku oproti běžným optickým vláknům. 3.2 Vlákna s dvěma různými průměry jader Tato vlákna nemají jádro o stejném průměru po celé délce vlákna, ale vlákno je složeno ze dvou různých průměrů jader. Průměr vloženého jádra, který slouží jako snímací oblast, je menší než průměr přenosového vlákna vedení. Velikost jádra je typicky 9 nebo 50 µm a průměr vloženého segmentu je potom 3 nebo 5 µm. Snímače jsou podle kombinace průměru jádra pojmenovány jako 9 5 9, a nebo [14]. Využití vláken s různými průměry jader Vlákna typu se používají jako senzory v systémech pro detekce úniku oleje. Optické vlákno pro detekci kapalin (typ ) Optické senzory typu Obr. 3.2: Detekce úniku oleje [14] Vlákna typu se mohou používat jako senzory zavírání dveří. U jednovidového vlákna se mění ohybové ztráty v závislosti na velikosti ohybu. Toho se právě využívá u dveřních senzorů [14]. 24

25 Senzor zavírání dveří (typ 9-5-9) Ochranná trubka Tvrzená stuha Upevňovací páska Typ vlákna Zakřivená část vlákna a okolí: 10mm Část vlákna a okolí: rovné Upevňovací pás Zdířka pro stuhu Očko pro vlákno Obr. 3.3: Senzor zavírání dveří [14] Ohybové snímače se dále mohou použít k odhalení konstrukčních změn rozsáhlých struktur, jako např. v budovách, ve kterých pomáhá zjišt ovat průběžný technický stav budovy [14]. Sledování škody na rozsáhlé ploše Velká plocha Výstavba tunelů OTDR OTDR Výškové budovy Obr. 3.4: Senzor technického stavu budov [14] Dalším využitím je např. realizace do strmějších kopců, kde hrozí sesuv půdy. Tyto senzory zaznamenají tlak a varují před nebezpečím sesuvu [14]. 25

26 Monitorování škody pro životní prostředí Měření Rayleighova rozptylu pomocí metody OTDR v optických vláknech Detekce sesuvu půdy OTDR Vlákno s různým průměrem jader: typ Senzor ohybu 50mm 1000mm Tlak OTDR OTDR Předzvěst sesuvu - Žádná koroze - Nízké náklady na údržbu Obr. 3.5: Senzor sesuvu půdy [14] Výroba vláken s různými průměry jader Optická vlákna se dvěma různými jádry se vyrábějí pouze ve dvou procesech. První proces je štěpení vláken a druhý je založen na principu spojování pomocí tepelné fúze [14]. Výrobní postupy při vytváření vláken s různými průměry jader Štěpení vláken Vložení jiného průměru jádra vlákna Svaření vláken Obr. 3.6: Procesy při výrobě vláken s různými průměry jader vlákna. [14] 26

27 3.3 Zúžená struktura optického vlákna V oblasti senzoriky je potřeba upravovat vlákna pro získávání speciálních vlastností, jako např. vyšší citlivost vlákna. V tomto případě lze tento výsledek provést nahřátím a následným roztažením vlákna. Tím se z jednoho vlákna o stejném průměru stává vlákno, které má po roztažení uprostřed menší průměr. Tento zúžený úsek poté slouží jako snímací oblast [13]. Zúžená struktura optického vlákna nachází použití především v lékařském sektoru. Použití vláken se zúženou strukturou Nejvíce se dají tato vlákna využít jako biosenzory v lékařství, bezpečnosti potravin a monitorování životního prostředí. Konkrétně slouží v detekování bakterií, toxinů, proteinů a nukleových kyselin [20]. Výroba vláken se zúženou strukturou Jak můžeme vidět na obr. 3.7 je holé vlákno upevněné mezi dvěma svěráky. Na jednom ze svěráků je však ještě motor, který se svěrákem pohybuje. Vložené vlákno se v upínacím zařízení otáčí a roztahuje. Uprostřed je hořák, který vlákno nahřívá na teplotu tavení skla, aby se dalo lépe táhnout. Směr pohybu Optické vlákno Hnací motor Pohyblivý člen Hořák Držák vlákna Obr. 3.7: Znázornění výroby zúžené struktury optického vlákna [13] 27

28 3.4 Braggova mřížka Braggova mřížka mění index lomu ve vláknech. Způsobuje, že při průchodu paprsku vláknem se tento paprsek po dopadu na mřížku bud částečně nebo úplně odráží, anebo částečně či úplně prochází. Braggova mřížka může být vytvořena např. rytím, ale v poslední době se více využívá metoda, při které se tato mřížka vypálí pomocí UV laseru v průběhu tažení samotného optického vlákna [9]. Obr. 3.8: Znázornění Braggovy mřížky [9] 28

29 Výroba Braggovy mřížky Výroba pomocí interferometrické metody Při této metodě výroby se využívá vysoce koherentního kontinuálního laseru. Jeho vyzářený paprsek se rozdělí na dva stejně výkonné svazky. Tyto svazky se následně promítnou pomocí soustavy zrcadel do prostoru, kde je optické vlákno umístěno. V tomto prostoru dva svazky interferují a vytvářejí interferenční obrazec periodicky se střídajících minim a maxim. Vzdálenost těchto minim a maxim můžeme měnit úhlem dvou interferujících svazků. Nevýhodou je, že tento systém musí být po celou dobu expozice izolován vůči chvění. Doba expozice bývá až několik minut a po tuto dobu se nesmí interferenční obrazec měnit [9]. Bod po bodu U metody výroby bod po bodu používáme velmi výkonný laser, který má svazek upraven pomocí čoček do velmi tenkého a nerozbíhavého paprsku. Optické vlákno je umístěno na posuvném stolku pod štěrbinou, kterou proniká laserový paprsek. Periodu mřížky a vzdálenost maxim indexu lomu určuje frekvence impulzů laseru. Výhodou je, že změnou rychlosti nebo změnou frekvence impulzů laseru, můžeme měnit periodu exponované mřížky [9]. Metoda fázové masky Při výrobě pomocí fázové masky je optické vlákno ozařováno koherentním UV zářením přes průhlednou destičku, neboli masku, na které se následně vytvoří reliéfní optická mřížka. Vystupující světlo z tohoto reliéfu interferuje a utváří zóny s maximální a minimální intenzitou. Optické vlákno, které se nachází přímo pod reliéfní mřížkou masky, je exponováno právě těmito světelnými maximy [9]. Použití Braggových mřížek Vlákna s Braggovou mřížkou se využívají především jako senzory. 3.5 Vlákna s dutým jádrem V případě, že chceme přenést světelný paprsek pomocí optického vlákna s minimálními ztrátami, mělo by se použít infračervené světlo jako zdroj záření. Této možnosti se využívá např. v telekomunikačních sítích po celém světě. Pro určité aplikace je ale zapotřebí UV záření, např. ve výzkumu iontů nebo 29

30 atomů pomocí spektroskopu. Tento druh světla však klasická vlákna rychle ničí. Proto byla vyvinuta vlákna s dutým jádrem. U nich bylo zjištěno, že mohou přenášet UV záření s přijatelně nízkou ztrátou a bez poškození daných vláken [15]. Strukturu vlákna s dutým jádrem si můžeme prohlédnout na obr Obr. 3.9: Struktura vlákna s dutým jádrem [17] Použití vláken s dutým jádrem Kromě využití ve spektroskopii na výzkum atomů se tato vlákna používají do optických atomových hodin nebo kvantových počítačů. Dále jsou vhodné při fluorescenční mikroskopii v biologii, vyšetřeních plazmatu a spektroskopii skleníkových plynů [15]. Výroba vláken s dutým jádrem Výroba těchto vláken je poměrně složitý a také velmi drahý proces. Nejčastěji se vytvářejí spojením několika kapilár a jejich stavením do podoby preformy. Následně je tato preforma tažena jako u klasického vlákna a pomocí zahřívání zúžena na požadovaný průměr. Schéma výroby je znázorněno na obr

31 Obr. 3.10: Výroba vláken s dutým jádrem [16] 3.6 Vlákna upravená femtosekundovým laserem Optická vlákna slouží jako vláknové senzory, protože u nich nevzniká např. elektromagnetické rušení. Tyto moderní senzory se využívají v letectví, medicíně, v chemických oblastech, geotechnice, stavebnictví a v dalších sektorech. S optickými vlákny s laserovou úpravou se především setkáváme v senzorové technice. Na opracování laserem jsou nejvhodnější vlákna s dvojitým opláštěním kolem jádra [12]. Dříve se pro úpravu vláken používal CO 2 laser, který však způsoboval mikrotrhliny na vláknech. Dnes se toto mikroopracování provádí pomocí femtosekundového laseru, který způsobil revoluci v mikro a nanoopracování trojrozměrných struktur. Největší výhoda femtosekundového laseru oproti laseru CO 2 je vysílání velmi krátkých impulzů s velkou intenzitou. Díky takto silné intenzitě impulzů se během ozařování ihned absorbují úlomky materiálu. Tento laser se dá použít na vlákna vyrobená z tvrdých a křehkých materiálů. Další výhody jsou, že nezpůsobuje mikrotrhliny nebo jiné poškození vláken a je velmi přesný [12]. Na obr můžeme vidět strukturu již zhotoveného optického vlákna po úpravě laserem. Jedná se o strukturu do tvaru písmene D a jednotlivá vyřezaná pole jsou 31

32 ve fázi. Výzkumy ukázaly, že ideální počet těchto výřezů je šest a díky tomu je upravené vlákno velice citlivé. Tato vysoká citlivost se využívá nejvíce u chemického, biochemického a biologického snímání [12]. Obr. 3.11: Struktura vlákna opracovaného laserem [12] Výroba vláken pomocí femtosekundového laseru Optické vlákno se upevňuje do upínacího zařízení, které je vyrobeno z polymetylmetakrylátu a obsahuje čtyři části, mezi které patří dvě obdélníkové desky, sloužící k upnutí vláken, a dvě desky šestihranného tvaru, které tvoří čelo zařízení [12]. Na obr je znázorněno zařízení pro upevnění optického vlákna. (a) Detailní pohled na aparaturu uchycení optického vlákna. (b) Znázorněno již osvícené vlákno laserem. (c) Vlákno upevněné v jedné ze svorek. Šestihranný držák Okna pro obrábění Horní deska Optické vlákno Spodní deska Šestihranný držák Obr. 3.12: Zařízení na upevnění optického vlákna [12] 32

33 Samotné kroky výroby tohoto vlákna jsou na obr (a) Výchozí pozice vypnutého laseru. (b) Spuštění laseru a odstranění první vrstvy optického vlákna. V následujících krocích již laser odstraní zbývající vrstvy a dokončí vyřezávání. Následně se vlákno posune a otočí o požadovaný úhel, aby se mohla opracovat další část optického vlákna. Otáčecí mechanizmus je ve svěráku vlákna [12]. Obr. 3.13: Kroky výroby vlákna opracovaného laserem [12] Femtosekundový laser vysílá krátké impulzy o délce trvání 120 fs na špičkové vlnové délce 800 nm. Opakovací frekvence je 1 khz a maximální taktovací energie 3,5 mj [12]. Na obr je znázorněno, jak vypadá systém na obrábění pomocí femtosekundového laseru. Vysílaný paprsek prochází přes λ/2 desku, která zajišt uje hrubé nastavení výkonu laseru. Přesnější naladění laseru obstarává variabilní filtr. Doba expozice je ovládána mechanickou uzávěrkou. Ke sledování stability výstupního výkonu laseru v průběhu výroby se využívá dělič paprsku. Tento paprsek je rozdělen na dva. Jeden z nich se sleduje pomocí wattmetru a autokolerátor vyhodnocuje délku trvání pulzů. Druhá část rozděleného paprsku prochází přes soustavu zrcadel k zaostřovací čočce. Stolek, na kterém se nachází upevňovací zařízení na optická vlákna, je pohyblivý a řízen počítačem. Tento počítač ovládá celý proces včetně posuvu a natáčení vlákna do požadovaných směrů. Aby proces mohl být sledován v reálném čase, využívá se pro monitorování kamera [11]. 33

34 Obr. 3.14: Systém femtosekundového laseru [11] Použití Díky velké citlivosti se takto upravená vlákna používají především jako biosenzory a senzory v chemickém průmyslu. 34

35 4 VLÁKNA OBRÁBĚNÁ FEMTOSEKUNDOVÝM LASEREM Obecně jsou tato vlákna popsána již v předchozí kapitole, tato část je zaměřená spíše na rozdíly v technologii výroby těchto vláken a jejich použití v praxi. Fabry Parot v optických vláknech Optické vlákna jsou vhodná především pro senzorovou techniku vzhledem k jejich malé velikosti, lineární odezvě, vysoké citlivosti a vhodnému způsobu detekce odrazu. Pro efektivní snímání změny indexu lomu světla by ve vlákně měla být vytvořena mikrodutina pro umožnění proudění snímané kapaliny. Tato mikrodutina se vytváří v dnešní době pomocí femtosekundového laseru, který je velmi přesný. 4.1 Senzor kapalin podle indexu lomu Dutina se vytvoří pomocí laseru na konci jednovidového vlákna, následně se svaří a nakonec se pomocí mikroobrábění vytvoří kanálek vertikálně skrz vlákno. Tímto způsobem se umožní proudění kapaliny. Takový snímač má jednoduchou strukturu, je snadný na výrobu a spolehlivý při snímání. Princip činnosti Obr. 4.1 znázorňuje blokové schéma navrženého systému snímače FPI (Fabry-Perot Interferometer). Procházející světlo se odráží na dvou různých plochách, od kterých se odráží zpět do ádra vlákna, a tím dochází k vytvoření interferenčního obrazce na výstupu [10]. Za předpokladu, že intenzity světla odraženého paprsku od obou povrchů FP dutiny jsou I 1 a I 2, je intenzita rušení signálu: I = I 1 + I I 1 I 2 ( 4πnL cos λ + ϕ 0 ), (4.1) kde λ je vlnová délka dopadajícího světla, n je index lomu v dutině, L je délka vytvořené dutiny a ϕ 0 je počáteční fáze odrazu. Fázový rozdíl obou odražených světelných paprsků od dvou ploch dutiny se může vyjádřit pomocí vztahu: 4πnL λ m + ϕ 0 = (2m + 1) π, (4.2) 35

36 Širokopásmový zdroj Vazební člen OSA OSA: optický analyzátor spektra Plášť Jádro Snímací část Obr. 4.1: Experimentální uspořádání prvků pro měření indexu lomu. [10] kde m je celé číslo, λ m je vlnová délka m-tého poklesu interference. Okrajové rozestupy ve spektru lze poté vyjádřit pomocí vzorce: Λ = λ2 2 n L. (4.3) Technologie výroby Tato vlákna se vyrábí pomocí laserových pulsů s vlnovou délkou λ = 800 nm a opakovací frekvencí 1 khz. Paprsek se zaměří na konec vlákna s dvacetinásobným objektivem s hodnotou NA (Numerické Apertury) 0,5 a pracovní vzdáleností 2,1 mm. Energie pulzu použitého v experimentu je přibližně 2 µj. K monitorování výrobního procesu a kontrole struktury je použita CCD kamera [10]. Na obr. 4.2 je znázorněn výrobní proces. Nejdříve femtosekundový laser vytvoří mikrodutinu v průměru 1 µm na konec mnohavidového vlákna a následně je toto opracované vlákno spojeno pomocí fúzní svářečky s dalším mnohavidovým vlákem, který již mikrodutinu nemá. Fixační proud svářečky je 16, 3 ma a doba trvání je 2 s. Dutina se svářením zvětší a má poté průměr zhruba 60 µm. V posledním kroku se vytvoří mikrokanálek o průměru 38 µm svisle skrz FP dutinu, aby mohla snímaná kapalina proudit lépe donitř či ven z dutiny [10]. 36

37 Mikro-díra na konci vlákna Svaření vlákna FP dutina FP dutina s kanálkem Obr. 4.2: Postupy při výrobě FP dutiny. [10] Výsledky experimentu Měření indexu lomu se provádí použitím těchto vláken při pokojové teplotě, kdy se hlava snímače ponoří do kapaliny. Po každém měření se snímač opatrně propláchne propylalhokolem, aby se při dalším měření ve snímací hlavě nenacházely zbytky kapaliny z předchozích měření [10]. 4.2 Snímač tlaku kapalin Snímače tlaku jsou jedním z nejdůležitějších optických zařízení v průmyslu a v monitorování bezpečnosti. Tlakové snímače založené na principu Fabry-Perotova interferometru prokázaly dobré výsledky pro statické a dynamické měření tlaku. Dále se používají pro detekci fyzikálních a chemických veličin, jako je napětí, teplota a nebo index lomu. FP interferometry mohou dosáhnout extrémně vysoké citlivosti a přizpůsobivé změny charakteru v oblasti vlnových délek a frekvenční oblasti, nebo je můžeme jednoduše použít k detekci intenzity světla [21]. 37

38 Princip tlakového snímače s FP dutinou Tento snímač je vytvořen svařením jednovidového vlákna s částí křemíkové trubice. Princip spočívá v ponoření snímače do kapaliny. Na konci snímače se přirozeně vytvoří vzduchová mikrobublina. Rozhraní vzduch kapalina působí jako reflektor, který spolu s rozhraním vzduch jednovidové vlákno tvoří FP interferometr (FPI). Délka (nebo objem) FP dutiny je velmi citlivá na tlak. Za ideální plyn lze považovat vzduch v rozmezí tlaku 100 až 1000 kpa. Chování vzduchové bubliny může být popsáno pomocí známých zákonů o ideálním plynu vztahem: P V = n R T, (4.4) kde P, V a T jsou tlak, objem a termodynamická teplota (v K) vzduchu v mikrodutině v daném pořadí. R je ideální plynová konstanta (8,31 J K 1 mol 1 ) a n je látkové množství vzduchu. Geometrie vzduchové bubliny v FP dutině může být považována za válec s počáteční délkou L 0 při normálním tlaku 100 kpa a průměrem D, který je stejný jako vnitřní průměr trubky z oxidu křemičitého. Tato hodnota může být vypočtena jako V = π D 2 L / 4 [21]. Jádro Tlak Jednovidové vlákno Tlak Jednovidové vlákno Jádro Vzduchová dutina Křemíková trubice Křemík -ová trubice Dutina Tekutina Voda Obr. 4.3: (a) Princip snímání tlaku. (b) Mikroskopický pohled na stlačený vzduch v FP dutině vlákna. Délka trubky z oxidu křemičitého je 114 µm a vzduchová mezera má délku 90 µm. [21] Za předpokladu izotermického procesu a náhradou hodnoty V v rovnici 4.4 lze citlivost FP dutiny odvodit jako: 38

39 d L d P = P 0 L 0 P 2, (4.5) kde L je délka dutiny pod tlakem P a P 0 = 1 bar je normální tlak. Z rovnice 4.5 je patrné, že citlivost tlaku stlačené FP dutiny závisí pouze na původní délce dutiny a aplikovaném tlaku a není závislá na průměru trubice z oxidu křemičitého. S počáteční délkou dutiny L 0 = 100 µm se citlivost takového zařízení odhaduje na nm/kpa při normálním tlaku. Při větším provozním tlaku je citlivost stále vysoká a je -40 nm/kpa při 500 kpa [21]. Výsledky experimentu Vlákna pro snímání tlaku mají extrémně vysokou citlivost. Při ponoření snímače do vody se přirozeně vytvoří vzduchová bublina, která se chová jako mikrodutina FP. Při normálním tlaku vykazují tato vlákna citlivost větší než 1000 nm/kpa. To je ideální pro tlakové a akustické snímání v plynech a kapalinách [21]. Využití v praxi Tento typ snímače tlaku nalézá uplatnění především při snímání nitrolebního tlaku, snímání hloubky a množství kapaliny. Dále se využívá při snímání jako hydrofon, tedy podvodní mikrofon, který umožňuje pasivní naslouchání zvukům ve vodě. Nevýhodou je, že tento snímač však nelze použít do kterékoliv tekutiny. Pokud bude tekutina příliš hustá, mikrodutina se ucpe a snímač nebude fungovat [21]. 39

40 9µm 5 VLASTNÍ NÁVRHY STRUKTUR V OPTICKÝCH VLÁKNECH Tato kapitola se zabývá mými vlastními návrhy struktur v optických vláknech, samotné metody výroby jsou popsány v následující kapitole. 5.1 Rovné hrany dutiny a kruhovitý tvar Dutina tohoto typu se vypaluje laserem skrz celé vlákno a následně se používá jako senzor kapalin podle indexu lomu. Tento senzor je podrobněji popsán již v předchozí kapitole. Zde jsou posány pouze rozdíly mezi kruhovitým výřezem a výřezem obdélníkového tvaru. Obr. 5.1 znázorňuje navrženou strukturu. Jedná se o dvě mikrodutiny ve vlákně, které se budou chovat naprosto rozdílně. Předpokladem je, že první dutina, která má rovné kolmé strany vůči jádru vlákna, se bude jako klasický Fabry-Parotův interferometr. Paprsek se na hranách dutiny bude rozdělovat a od těchto hran odrážet. Od bližší hrany dutiny se paprsek dostane na výstup dříve, z druhé hrany se dostaví později, a díky tomuto zpoždění signálu můžeme např. zjistit, o jak velkou dutinu se jedná. Jednovidové vlákno Cca 5µm Obr. 5.1: Dvě mikrodutiny v optickém vlákně. Jedna má rovné hrany, druhá má kruhovitý průřez Druhá mikrodutina ve vlákně, kterou vidíme na obrázku, je kruhovitého průřezu. Paprsek se zde bude odrážet do různých směrů a tato dutina se bude chovat jako rozptylová čočka. 40

41 9µm 5.2 Dutina tvarovaná do obdélníku Na obr. 5.2 je uvedena struktura vlákna, ve které je vytvořena dutina ve tvaru obdélníku. Tato dutina se liší oproti té předchozí pouze v délce, na které velmi záleží pro správnou funkčnost snímače. L Jednovidové vlákno Mikro-dutina Obr. 5.2: Mikrodutina v optickém vlákně s obélníkovou strukturou 5.3 Mach-Zehnderův interferometr V posledních letech byly navrženy různé typy optických interferometrů s cílem modifikovat a syntetizovat výstupní spektrální odezvy, které mohou být dále aplikovány u optických senzorů a filtrů. Fabry-Perotův interferometr se úspěšně zařadil do vláknové optiky pro svoji výhodnou velikost a robustnost jednovidových vláken. Optovláknový Mach-Zehnderův interferometr ukázal spíše malý pokrok, pokud jde o vytvořenou vnější dvouvláknovou spojku. Tyto vnější MZI prokázaly všestranné funkce u vlnové délky, dělení a variabilních optických útlumových článků. Navzdory těmto novým funkcím trpí vlákna s vnějším MZI především nestabilitou signálu v důsledku jejich velkého tvarového faktoru. Za účelem překonání těchto nedostatků byly provedeny nové pokusy k poskytnutí dvou rozdílných vnitřních optických cest v krátkém segmentu jednovidového vlákna [18]. Zúžená struktura nebo dvojice mřížek v jednovidovém vlákně poskytla dvě optické trasy s využitím rozdílu jejich indexu lomu mezi přenosem skrz jádro a přenosem v opláštění vlákna. Podobný mechanismus byl relizován v mikrostrukturních vláknech optimalizací podmínek při spojování, kdy docházelo k částečnému hroucení vzduchových mezer za použití obloukové svářečky optických vláken [18]. 41

42 9µm Oba optické interferometry se vyrábějí pomocí laserové ablace pod vysokým laserovým ultrafialovým zářením. Dvě optické trasy φ L Obr. 5.3: Mikrodutina v optickém vlákně s oválnou strukturou, která se chová jako Mach-Zenderův interferometr Výroba Mach-Zehnderova interferometru Nejprve se tedy do jednovidového vlákna vytvoří otvor pomocí femtosekundového laseru a následně se toto vlákno spojí s dalším jednovidovým vláknem obloukovou svářečkou. Tak se vytvoří jedinečná mikrodutina uvnitř vlákna. Laserové ozařování je znázorněno na obr Obr. 5.4: Ozařování vlákna pomocí femtosekundového laseru [18] Délka vytvářené mikrodutiny je 10 µm podél vlákna a poskytuje dvě optické trasy. Jedna vede skrz vzduchovou mezeru, jako v režimu děravého vlnovodu, a druhá podél křemičitého opláštění. Takové vlákno může poskytovat lepší stabilitu signálu, která umožní precizní kvazi-statické měřící schopnosti v optických vláknech [18]. Navrhovaná struktura zařízení MZI je schematicky znázorněna na obr Mikrodutina je vytvořena v jednovidovém vlákně a zarovnána s osou jádra vlákna. Jsou 42

43 zde vidět i dvě optické trasy a také místa, ve kterých se paprsek rozděluje a znovu spojuje. V důsledku rozdělení signálu do dvou optických tras vznikají dva různé indexy lomu a fázový rozdíl Φ se nahromadí nad dutinou: Φ = 2π λ n eff L ( n eff = n clad eff 1 ), (5.1) kde λ je vlnová délka ve vakuu a L délka dutiny. Ve srovnání s předchozím FPI má toto navrhované zařízení zakřivená rozhraní mezi jádrem vlákna a dutinou, aby se minimalizovaly odrazy [18]. 5.4 Fabry-Perotova dutina vyrobená bez pomocí laseru V optických vláknech se pro vytvoření FP dutiny uvnitř vlákna používá především femtosekundový laser, kterým se ozařuje konec vlákna. Nakonec se vlákno svaří s jiným jednovidovým vláknem pomocí svářečky. Tento způsob je vhodný hlavně z důvodu kvalitnějšího zpracování a zřejmě i rychlejší výroby. Jako aleternativní řešení by bylo možné vytvořit tuto dutinu také zvolením vhodné kombinace jednovidových a mnohavidových vláken, které by se svařily. Vhodnou kombinací je myšleno, že mezi dvě jednovidová vlákna by se umístilo vlákno mnohavidové. Toto mnohavidové vlákno by mělo samozřejmě přibližně stejnou délku jako v případě výroby pomocí laseru. Vložením mnohavidového vlákna, které má daleko větší průměr, než vlákno jednovidové, by se vytvořila FP dutina. Průřez takovým vláknem je zobrazen na obr Obr. 5.5: Mikrodutina vytvořená svařením jednovidového vlákna společně s vláknem mnohavidovým 43

44 6 VLASTNÍ VÝROBA VLÁKNOVÉHO SENZORU V této kapitole jsou uvedeny dvě metody výroby optovláknového senzoru na snímaní tlaku v kapalinách a následně alternativní způsob pro výrobu FP dutiny uvnitř vlákna bez použití femtosekundového laseru. Dva tyto senzory na snímání tlaku v kapalinách jsou nakonec zrealizovány. Následně proběhne odzkoušení tlakových senzorů a dále simulace FP dutiny. Všechny realizace optických senzorů a výsledná měření byly provedeny v laboratoři firmy NETWORK GROUP s.r.o. 6.1 Vláknový senzor na snímání tlaku v kapalinách - bez použití femtosekundového laseru Jako první senzor na snímání tlaku v kapalinách byl vytvořen snímač, u kterého byla zvolena alternativní výroba bez použití femtosekundového laseru. Výrobu vláknového senzoru jsem realizoval pomocí křemíkové trubičky a optického vlákna. Optické vlákno se k trubičce může připojit pomocí svařování, ale v tomto případě bylo vlákno lepeno pomocí speciálního lepidla. Výroba senzoru Nejprve jsem si připravil dvě křemíkové trubičky, kdy každá měla rozdílnou velikost. První trubička měla vnitřní průměr 0,5 mm. Druhá byla o vnějším průměru 0,5 mm a její vnitří průměr byl 125 µm. Tyto dvě trubičky jsem vložil do sebe a následně nanesl lepidlo typu Norland optical adhesive po obvodu spoje. K vytvrzení bylo ještě zapotřebí spoj osvítit UV zářením po dobu 30 s, jinak by lepidlo nezaschlo. Takto zhotovená dutina byla upevněna do malého svěráku a následně přimontována na mikroposuv, aby bylo měření přesnější. Na optickém vláknu bylo zapotřebí odstranit ochranu pomocí stahovacích kleští. Délka odizolovaného úseku byla přibližně 3 centimetry. Vlákno jsem poté očistil lihem a zalomil tento konec pomocí lámačky optických vláken. Do nádoby jsem napustil vodu a tuto dutinu jsem do vody opatrně vpouštěl. Když jsem viděl, že v trubičce je už jistá hladinka vody, vsunul jsem opatrně do menší trubičky optické vlákno. Následně jsem toto vlákno připevnil na druhý připravený 44

45 0,5 mm 125 µm svěrák s mikroposuvem. Pomocí zapojeného spektrálního optického analyzátoru jsem sledoval grafické průběhy a pomalu s vláknem zajížděl hlouběji do trubičky. Když se vlákno nacházelo zhruba půl milimetru od hladiny vody v dutině, zastavil jsem vsouvání vlákna a následně vlákno zaaretoval lepidlem naneseným po obvodu spoje vlákno trubička. Spoj bylo nutné znovu osvítit UV zářením pro vytvrzení lepidla. Zalepením vlákna v trubičce se vytvořila vzduchová mikrodutina a vznikl kapilární tlak, který zabránil, aby voda vytekla ven. Spojení dvou trubiček pomocí naneseného lepidla 6 mm Optické vlákno 5 mm Dvojice křemíkových trubiček Obr. 6.1: Schematické znázornění snímače tlaku Tento postup je nutné dodržet. Pokud by se spojila nejprve dutina s vláknem, vnoření do vody by neproběhlo úspěšně, protože by se vzduch z trubičky nemohl dostat ven a voda by se nedostala dovnitř. Měřící soustava Schéma zhotovené měřící soustavy je zobrazeno na obr V této měřící soustavě byl použit širokopásmový polovodičový zdroj záření s vlnovou délkou 1550 nm, šířkou pásma 35 nm a výkonem 2 mw. K oddělení napájecí a snímací optické větve byl použit jednovidový cirkulátor pro vlnovou délku 1550 nm. K vyhodnocování optického spektra byl použit spektrální analyzátor EXFO s rozlišením 1,5 pm. Jeden konec vytvořeného snímače byl připojen pomocí rychlospojky ke zdroji záření a druhý konec byl vložen do nádoby s vodou. 45

46 Optický zdroj záření LED dioda Cirkulátor 1 2 Rychlospojka Jednovidové optické vlákno Optovláknový snímač tlaku Vlákno zbavené ochrany Rychlospojka OSA Nádoba s vodou Obr. 6.2: Schematické znázornění použité měřící soustavy při snímání tlaku v kapalinách Obr. 6.3: Měřící pracoviště pro realizaci optovláknových snímačů tlaku v kapalinách Princip snímání Snímač funguje na principu odrazu vysílaného paprsku od vodní hladiny. Čím hlouběji se vlákno ponoří, tím větší tlak se vytváří a mění se odrazy od kapaliny. 46

47 Výsledky měření Měření odraženého optického spektra od vodní hladiny probíhalo na vlnové délce 1550 nm. Na obr. 6.4 jsou tato jednotlivá spektra zachycena. Jednotlivé grafické závislosti znázorňují postupné zapouštění optického vlákna hlouběji do křemíkové trubičky. Z těchto závislostí je zřejmé, že maximální špičky spektra se od sebe roztahují v souvislosti se zasouváním vlákna blíže k vodní hladině. Poslední graf zobrazuje již téměř maximální přiblížení vlákna k hladině vody. Přesně v tomto okamžiku bylo vlákno zalepeno pomocí lepidla ke křemíkové trubičce, čímž byl vytvořen optovláknový snímač. Obr. 6.4: Spektrum odraženého paprsku od vodní hladiny 47

48 6.2 Vláknový senzor na snímání tlaku v kapalinách - vytvořen pomocí femtosekundového laseru Druhým zrealizovaným snímačem byl senzor pro snímání tlaku v kapalinách, nyní ale odlišnou metodou. Výroba senzoru Senzor byl vytvořen pomocí obrábění femtosekundovým laserem. Tento snímač funguje stejně jako předchozí, který byl vyroben pomocí křemíkových trubiček. Rozdíly jsou především v rychlosti a kvalitě zpracování. Výroba tohoto snímače je jednodušší pouze za předpokladu, že máme k dispozici femtosekundový laser a tato jednoduchost spočívá v minimálním množštví kroků k vytvoření dutiny. Zatímco u předchozího snímače si bylo zapotřebí nejprve připravit dvojici trubiček a spojit je do sebe, u tohoto snímače nastavíme pouze výkon laseru a potřebnou hloubku dutiny. Femtosekundový laser následně ozařuje konec vlákna, přičemž kousky křemičitého skla se ihned odpařují. Podrobný popis výroby takového senzoru pomocí laseru již byl zmíněn v předchozí kapitole při vytváření Mach-Zehnderova interferometru. Měřící soustava Schéma měřící soustavy je zobrazeno na obr. 6.5 i s detailním pohledem na ponořené optické vlákno do vody. Je zde znázorněna i vzniklá vzduchová mezera. Tato měřící soustava je totožná s výše popsanou soustavou, změna je pouze v připojení jiného senzoru tlaku. Výsledky měření Měření odrazu optického spektra od hladiny vody probíhalo opět na vlnové délce 1550 nm a jednotlivé grafické průběhy jsou zachyceny na obr První až poslední průběh znázorňuje postupné zapouštění optovláknového senzoru do stále větší hloubky. Jak je znázorněno na posledním z trojice obrázku, špičky spektra se roztahují v souvislosti s hloubkou ponoření a také s tlakem vody na vzduchovou mezeru. V tomto testování bylo ponoření snímače omezené hloubkou nádoby, která činila pouhých 10 cm. Snímač byl poté vyjmut z držáku mikroposuvu a následně byl proveden experiment ponoření senzoru do hlubší nádoby. Tento pokus byl vykonán pro odzkoušení 48

49 Obr. 6.5: a) Schéma měřícího zařízení. b) Detailní pohled na snímač v kapalině. Obr. 6.6: Spektrum odraženého paprsku od vodní hladiny - snímač tlaku vyrobený pomocí femtosekundového laseru 49

50 citlivosti snímače na větší tlak kapaliny, který působí na FP dutinu. Tato nádoba byla naplněna opět vodou a objem této nádoby byl 10 l, hloubka činila 50 cm. Ze spektra odraženého paprsku je zřejmé, že v této nádobě je větší tlak, který na dutinu působí a tento tlak se projevil větším rotažením špiček spektra. Grafická závislost je zobrazena na obr Obr. 6.7: Spektrum odraženého paprsku od vodní hladiny. Snímač tlaku ponořený do větší hloubky Na obr. 6.8 je snímek pořízený po dokončení měření s optovláknovým snímačem tlaku, jedná se o pohled mikroskopem. Nasátá kapalina byla zadržována uvnitř mikrodutiny kapilárním tlakem a mezi touto kapalinou a jádrem vlákna byla vzduchová mezera. Obr. 6.8: Pohled mikroskopem na zrealizovaný optovláknový snímač tlaku 50

51 Citlivost mikrodutiny Citlivost dutiny byla počítána pouze pro tlak na dutinu ve větší nádobě. Nejprve jsem si určil tlak ve vodě v hloubce 50 cm. Tento tlak lze vypočítat pomocí vztahu: P = h g ρ, (6.1) kde P je tlak v dané hloubce, h hloubka nádoby, g gravitační konstanta (10 N/kg) a ρ je hustota kapaliny. V našem případě byla kapalinou voda, takže hustota je rovna hodnotě 1000 kg/m 3. Po dosazení do vzorce: P = h g ρ = 0, 5 m 10 N/kg 1000 kg/m 3 = 5 kp a, jsem získal tlak a mohl jsem vypočítat citlivost dané dutiny. Citlivost této konkrétní dutiny lze určit pouhým dosazením hodnot do vzorce: d L d P = P 0 L 0 P 2, (6.2) kde za P 0 jsem dosadil hodnotu 100 kpa. Jedná se o normální tlak, který se rovná hodnotě 1 bar. Tlak P je tlak působící na dutinu snímače, který se rovná hodnotě 5 kpa. Hodnota L 0 je počáteční délka dutiny při normálním tlaku. Tato délka byla 2 mm. Dosazením hodnot do vzroce: d L d P = P 0 L 0 P kp a 2 mm (5 kp a) 2 = 8000 µm/kp a, jsem získal výslednou citlivost dutiny v dané hloubce vody, do které byl snímač ponořen. 6.3 Vytvoření FP dutiny bez použití femtosekundového laseru Poslední senzor byl pouze odsimulován a teoreticky popsán, jak by se tento snímač mohl vyrobit. Jedná se o kombinaci dvou jednovidových a jednoho mnohavidového vlákna. Spojením těchto rozdílných optických vláken dojde k vytvoření FP dutiny uprostřed spojených vláken. Tento princip výroby je také pouze alternativou za jinak rychlejší a preciznější zpracování, které by se za jiných okolností provedlo pomocí femtosekundového laseru. Schématické znázornění podoby FP interferometru je zobrazeno na obr. 5.5 v předchozí kapitole, kde byl tento postup navržen. 51

52 Výroba FP interferometru Nejprve bych si připravil dvě jednovidová vlákna. Odstranil bych si ochrannou izolaci přibližně 3 cm od konce vlákna a tento konec bych očistil lihem. Následně by se vlákno zalomilo v lámačce optických vláken, aby později svařené vlákno nemělo velký útlum. Takto by se postupovalo i u vlákna mnohavidového. Očistěné a zalomené jednovidové vlákno bych svařil s vláknem mnohavidovým. Dalším krokem by bylo mnohavidové vlákno zkrátit na požadovanou délku. Tato délka bude potom odpovídat velikosti FP dutiny uvnitř vlákna. Zkrácené vlákno bych nakonec spojil s druhým jednovidovým vláknem pomocí svářečky. Simulace Simulace FP interferometru proběhly pro délku dutiny 100 µm a na vlnové délce 1550 nm. Na obr. 6.9 a 6.10 je znázorněn přenesený a později odražený signál. Obr. 6.9: Přenesený signál Obr. 6.10: Odražený signál 52