Příprava a využití optických vláken

Příprava a využití optických vláken Oddělení technologie optických vláken Ústav Fotoniky a Elektroniky, Akademie vědčr, v.v.i. Jan Mrázek

Obsah Představení ústavu Stručná historie optických vláken Příprava optických vláken MCVD Tažení Využití optických vláken Vlákna pro telekomunikace Speciální optická vlákna Vlákna pro senzory

Členění ústavu Hlavní budova Kobylisy Celkem 140 zaměstnanců, (100 plnoúvazků) Oddělení optických vláken 6,5 plnoúvazků) Sekce materiálů Sekce signálů a systémů Sekce fotoniky Oddělení optických vláken Detašované pracoviště Suchdol

Vybrané aplikace SPR senzory Testovací telekomunikační linka Etalon přesného času

Historie optických vláken n 0 n 1 Snellův zákon Snell Willebrord 1580-1626 α α β n n α = α ' 1 0 sinα = sin β Odraz (reflexe R ) Absorpce A Lom (transmise T ) Vlnovodné efekty totální odraz Polovina 19. století Tyndall John 1820-1893

Historie optických vláken Totální odraz na rozhraní jádra a pláště γ c Optický plášť α c n n n 0 1 2 n > n 1 2 Jádro Holá vlákna Jádro n 1 : Optický plášť n 2 : Polymer Clad Silica, Polymer Clad Glass křemen (PCS), sklo (PCG) polymer, sklo

Historie optických vláken Metody přípravy Tažení z kelímku, elongace Metoda trubka v trubce

Historie optických vláken Polymer Clad Glass, Polymer Clad Silica polymer sklo, křemen -osvětlení (světlovody), přenos signálu Rozvoj 60. léta 20. století telekomunikace, elektronika standardní průměr 125 µm -vysoký útlum 10-100 db/m

Historie optických vláken Optické ztráty (db/km) 50 10 5 1 Co 600 Experimentální krivka Rayleighùv rozptyl Vlnová délka (nm) _ OH 700 800 900 1000 1100 1966 Charles K. Kao ½ Nobelovy ceny 2009 velmi čisté materiály FO Optipur obsah nečistot v řádu ppb = 10-9 ČISTÉ TECHNOLOGIE

Výroba optických vláken MCVD -Modified Chemical Vapour Deposition depozice z plynné fáze Pyrolytický SiO 2 čistota homogenita příprava vrstevnatých struktur (až 20 mm) 4 ppm Ti 3+ Útlum optických vláken - nejlepší vlákna 0.2 db/km ~ po 1 km se ztratí jen 5% výkonu - 3 mm okenního skla odpovídají cca 2 km optického vlákna

Výroba optických vláken MCVD Tažení preforma

MCVD 1. Příprava frity Modified Chemical Vapour Deposition Substrátová trubice křemenné sklo SiO 2 Vstup -směs plynů: SiCl 4 POCl 3, GeCl 4 BBr 3 O 2 MFC SiCl 4 FLAME +dopants Křemenná frita tvořená oxidy prvků Kyslíkovodíkový hořák na pojezdu t ~800-1300 C flowbox Soustruh se substrátem

MCVD 1. Příprava frit depozice t ~1300-1600 C, tloušťka vrstvy ~2µm, 100-150 vrstev

MCVD 2. Sintrování preformy t ~1300-1600 C 3. Kolaps preformy t ~2000-2200 C -vznik skelné fáze z frity -smrštění v důsledku povrchového napětí trubky

Vlastnosti preforem Preformy s definovaným profilem indexem lomu n 0.9950 0.9945 0.9940 0.9935 0.9930 0.9925 0.9920 0.9915 GI SI SM -5-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 5 1.005 1.004 1.003 n 1.002 1.001 1.000 IGI Rozměry průmyslových preforem: délka: 1-1,5 m průměr: 3-10cm 0.999-5 -4-3 -2-1 0 1 2 3 4 5 Radius Obsah dopantů n>0 n<0 P, Ge, Al, Zr B, F

Tažení vláken Schéma procesu Tažící věž Pracovní teploty: 1900-2100 C Vlákna o průměru 30 µm-1mm UV/Tepelně tvrditelné povlaky (3-100 µm)

Rozdělení optických vláken Telekomunikační vlákna (datové přenosy) Vláknové senzory Medicína, životní prostředí... Nelineární optika Vláknové lasery, zesilovače... Speciální vlákna

Telekomunikační vlákna nízký útlum malá disperze (vlnovodná, materiálová) přenosová rychlost využití stávajících instalací Požadavky konstrukce optické zdroje optické zdroje n j á d r o n p l á š ť n j á d r o n p l á š ť Jednovidové vlákno n > n j á d r o p l á š ť Mnohavidové vlákno Jádro: 8 µm SM, 40 µm MM Plášť: 125 µm

Telekomunikační linka

Vláknové lasery N 2 >N 1 (inverzní populace) 3 + Nd 3 + Nd Xenonová lampa 3 + Nd 3 + Nd 3 + Nd Sklo Zrcadlo >> 3 + Nd 3 + Nd 3 + Nd Polopropustné zrcadlo STIMULOVANÁ EMISE Monochromatické záření úzká šířka pásu 1050 nm koherentní minimální divergence Vláknové lasery zesilovače signálu Nd 3+ Er 3+ Er 3+ /Yb 3+ Tm 3+ 1060 nm 960 nm 1550nm 1460nm

Telekomunikační linka Zesilovací vazebný člen trámeček návrh struktury simulace šíření konstrukce

Mikrostrukturní vlákna periodická vnitřní struktura vlákna Capillary fibers (CFs) Microstructure fibers (MSFs) Fotonické vláknové krystaly (PCF) kvantová interakce s přenášenou vlnou rozměry ~1.5 µm (Kompenzace disperze, generování spektrálního kontinua) Mikrostrukturní vlákna (MSF) chemické sensory

Vláknové senzory Kontinuální monitorování (bio)chemických látek a jejich koncentrace na nepřístupných místech (vzdálených, nebezpečných, v lidském těle...) Zdroj stanovovaná veličina analyt Detektor Změna přenášeného signálu vlivem okolního prostředí (refraktometrické, spektrální)

Rozdělení vláknových senzorů Intrinsické změna vlnovodných vlastností (teplota, tlak, ohyb) Extrinsické aktivní vrstva/převodník (absorpce, luminiscence) Zdroj Detekční vrstva Mnohabodová (distribuovaná) detekce Bodová detekce

Intrinsické senzory detekce teploty Mřížky s dlouhou periodou (LPG) ~λ (1500 nm) mřížka zapsaná laserem do vlákna lokální napětí měnící index lomu vyvázání jaderných vidů do pláště Output spectral density (dbm/nm) -56-60 -64 Temperature ( C) 23.9 26.7 30.7 34.5 38.5 43.2 1480 1500 1520 1540 1560 1580 Wavelength (nm) Citlivost na teplotu : + 0.58nm/ C

Extrinstické senzory -refraktometrické senzory Změna indexu lomu obalu binární směsi výbušné prostředí detekce plynů a kapalin tvrzení polymerů Chemicals 1.0 Index lomu n 1 Relativní intenzita 0.8 0.6 0.4 0.2 n 2 0.0-50 -40-30 -20-10 0 10 20 30 40 50 Úhel dopadu (stupně) n 1 <n 2

Refraktometrické senzory detekce uhlovodíků Detekce v plynné fázi úniky příměsy reaktory (rafinerie, produktovody) 1.05 Detekce toluenu Relativní intenzita 1.00 0.95 0.90 0.85 C toluen =0.5 mol% Ctoluen=1 mol% C toluen =1.5 mol% Pološířka (stupně) 12 8 4 0 12 8 Vliv polárních látek N 2 Isopropanol 2.95% Water 1.58% Vliv uhlovodíků N 2 Toluene 1.98% Hexane 12.1% C toluen =2 mol% 4 0.80 0 10 20 30 Čas (min) 0 MEOS-1 MEOS-2 TEOS Detekční vrstva PTEOS

Refraktometrické senzory detekce uhlovodíků Detekce uhlovodíků ve vodě -adsorpční vrstva PDMS 10 * log (P 0 /P) [db] 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0 50 100 150 200 250 Mez detekce ~ 3-5 mg/l (srovnatelné s limity EU) c [mg/dm 3 ] Output optical power [a.u.] 0 5 10 15 20 90 Detection without mode filter 72 air air 54 36 petrol 18 0 toluene xylene 30 Detection with mode filter 24 air air 18 12 6 0 toluene xylene petrol 0 5 10 15 20 Time [min]

Refraktometrické senzory materiály index lomu prostředí blízký indexu lomu vlákna speciální skla o vysokém indexu lomu F2 (olovnaté sklo) Evanescentní sensor pro monitorování vytvrzování nebo stárnutí polymerů 10*log(P/P 0 ) (db) 24 20 16 12 8 4 SI@1 PCS SI@2 F2 IGI@1 Normalised light power Cured epoxy n = 1.584 Uncured epoxy n = 1.555 0 1.36 1.40 1.44 1.48 1.52 1.56 1.60 1.64 Index lomu imerzí Angle of incidence (degree)

Refraktometrické senzory vliv struktury 2.5 2.0 ACF CF PCS Polymer Clad Silica Capilary Fiber 10*log(P/P 0 ) (db) 1.5 1.0 0.5 0.0 Annular Core Fiber 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Koncentrace -toluen g (mol. %) Flexibilní kapiláry s kapalným jádrem Substráty pro chromatografii Restriktory

Špička sondy Tvar sondy Tvar sondy Svazek U vlákno Vláknové svazky vícekanálové senzory (detekce několika analytů) 40 x 120 vláken 125 µm Exciting Fiber Collecting Fiber Ring

Fluorescenční senzory Autoluminiscence Interakce analytu s převodníkem autofluorescence (diagnostika tkáňí) 80 PL intensity [arb. u.] imobilizovaným v matrici photoluminescence (PL)(FL) response the tissue Fotoluminiscenční odezva of tkáně po excitaci laserem, 632,8nm after excitation byhe-ne He-Ne laser, 632.8 nm při pokojové teplotě at room temperature 100 60 tissue B 40 632.8 20 tissue A 0 620 640 660 680 700 720 740 Wavelength [nm] Komplexy Ru citlivé na O2 MSF - TEOS layer 1,95 1 2 3 4 5 6 Relative output power 1,80 Excitation 1,65 1,50 1,35 1,20 Nitrogen Oxygen Nitrogen Oxygen Nitrogen Nitrogen 1,05 0,90 t INT =300ms 0,75 Average: 10 Fibre length: 8 cm 0,60 0,45 0,30 Fluorescence 400 500 600 700 800 900 1000 W avelength [nm]

Fluorescenční senzory -detekce kyslíku Ru komplex imobilizovaný v dutinách MSF kontinuální průtočná sonda 1,08 1,04 21% O 2 21% O 2 15.75% O 2 10.5% O 2 5.25% O 2 500 µm Relative output power 1,00 0,96 0,92 0,88 0,84 0,80 0,76 N 2 N 2 N 2 N 2 0,72 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 N 2 t INT =300ms N 2 Average: 5 Boxcar: 8 Fibre length: 5 cm

Vláknové senzory taperovaná vlákna Tapering SM 125/7 um Φ 1-10/~0.1 um SM 125/7 um zúžení vlákna na průměr několika µm 125 um 1-10 um

Fluorescenční senzory bodová detekce ph detekce ph v exudátech a rostliných buňkách in-vivo Použitelné v rozsahu ph 5-9 převodník HPTS excitace 480 nm, emise 525 nm

Vlákna pro medicínu Angioplastika - zprůchodňování cév pomocí intenzivního laserového pulsu Fotodynamická diagnostika a terapie Optická biopsie v diagnostice rakoviny

Závěr Seznámení s historií a technologií optických vláken Ukázka aplikací: telekomunikace senzory Děkuji Vám za pozornost